緊鄰機場滑行道的鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)

董 鴿

上海建工七建集團有限公司 上海 200050

1 工程概況

上海浦東國際機場（下稱“機場”）三期擴建工程新建T1-S1下穿通道，位于機場現(xiàn)狀航站區(qū)與新建航站區(qū)之間，南起新建S1衛(wèi)星廳北指廊東側(cè)，北至既有T1航站樓小機坪，呈南北方向布置，總長1 173 m。該下穿通道結(jié)合了敞開段和暗埋段2種結(jié)構(gòu)形式，其中794 m的暗埋段從既有飛機滑行道下方垂直穿過（圖1）。

根據(jù)機場三期擴建的總體部署，本下穿通道采用基坑明挖的形式進行施工，明挖后的基坑將造成飛機滑行道中斷。但浦東機場的實際運營又要求在整個下穿通道施工過程中，須保證至少2條滑行道的正常運營，以滿足飛機雙向通行要求，確保機場東西兩側(cè)飛行區(qū)之間聯(lián)系暢通。另外，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，在飛機滑行道兩側(cè)安全距離內(nèi)的施工作業(yè)均視為禁區(qū)施工，因此第1階段施工區(qū)域北端需深入T3滑行道安全距離內(nèi)27.5 m，屬于禁區(qū)施工范圍（圖2）。綜合以上因素，本下穿通道工程須在T4滑行道不停航、T3滑行道間歇式關(guān)停的情況下，停用T0滑行道，完成T3滑行道以南區(qū)域的第1階段施工。

圖1 T1-S1下穿通道周邊環(huán)境示意

為保障機場正常運營，T3滑行道僅能在夜間飛機起降頻率較低時實施間歇性關(guān)停。數(shù)據(jù)顯示，在T3滑行道關(guān)停的情況下，T4滑行道滿負荷運行的最長時間為6 h，因此第1階段每晚禁區(qū)施工的時長被限制在6 h以內(nèi)（含施工準備及場地清理時間），遠低于按照常規(guī)工藝施工鉆孔灌注樁所需的時間。

圖2 第1階段禁區(qū)施工范圍示意

此外，機場運營指揮中心根據(jù)每晚的天氣情況，決定是否開展禁區(qū)施工。若天氣條件較差時，為確保飛機滑行安全，指揮中心將取消當(dāng)晚的施工計劃。當(dāng)出現(xiàn)大霧、雷電等突發(fā)二類天氣時，指揮中心有權(quán)要求所有進入禁區(qū)的施工人員和機械設(shè)備在20 min內(nèi)全部撤離，并恢復(fù)滑行道運行。

T1-S1下穿通道第1階段禁區(qū)內(nèi)共有圍護樁99根、工程樁38根，均采用φ800 mm混凝土灌注樁。其中，圍護樁設(shè)計樁長21.3 m，工程樁設(shè)計樁長25 m，考慮禁區(qū)內(nèi)9.495 m的基坑最大挖深，工程樁成孔深度接近34.5 m。

2 工程地質(zhì)情況

2.1 地質(zhì)條件

經(jīng)勘察，本工程場地自地表以下45.38 m深度范圍內(nèi)土層自上而下依次為①1填土（以黏性土為主）、①2浜填土、②1粉質(zhì)黏土、②2粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土、②3砂質(zhì)粉土、③1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③2砂質(zhì)粉土、④淤泥質(zhì)黏土、⑤1黏土、⑤3粉質(zhì)黏土、⑤4粉質(zhì)黏土、⑦1砂質(zhì)粉土、⑦2-1粉砂、⑦2-2粉砂。

2.2 地下水

2.2.1 潛水

本工程場地淺部地下水屬潛水類型，受大氣降水及地表徑流補給。上海市潛水年平均水位埋深為0.50～0.70 m，低水位埋深為1.50 m。機場地下水靜止水位埋深一般在0.40～1.90 m間，其相應(yīng)絕對高程一般在2.12～3.64 m間。

2.2.2 承壓含水層

本工程場地內(nèi)承壓水分布于第⑦層，經(jīng)計算，基坑開挖后該承壓水層無突涌風(fēng)險。

3 施工設(shè)備選型

混凝土灌注樁施工主要分為成孔和成樁2個階段。成樁施工包括鋼筋籠就位、下導(dǎo)管、澆筑混凝土等工序，施工速度和施工質(zhì)量的可控程度較高，但在浦東機場軟弱土層較厚、地質(zhì)情況復(fù)雜的條件下，影響成孔施工質(zhì)量好壞的因素很多，包括土質(zhì)條件、設(shè)備選型、工藝參數(shù)、泥漿相對密度等，其中設(shè)備選型決定了整個成孔施工的技術(shù)路線和施工工藝，對成孔施工起到關(guān)鍵性作用。

3.1 普通水文鉆機正循環(huán)成孔工藝

該工藝是指采用GPS-10、GPS-15等型號的普通水文鉆機，根據(jù)不同的地質(zhì)特點，控制鉆進參數(shù)（鉆速、鉆壓），控制泥漿相對密度，通過正循環(huán)的方式利用泥漿將沉渣從孔口排出，攜渣泥漿經(jīng)沉淀后與沉渣分離，泥漿循環(huán)利用。

該工藝的優(yōu)點為：操作簡便、成熟經(jīng)驗較多；在機場禁區(qū)的特殊工況條件下，施工機械形體大小適中，便于吊運和緊急撤離。

該工藝的缺點為：經(jīng)多次試驗和成孔檢測發(fā)現(xiàn)，在③1層和④層中，正常鉆速和鉆壓下極易出現(xiàn)擴徑現(xiàn)象，局部樁徑達到設(shè)計樁徑的150%，而這些擴徑位置大多與基坑內(nèi)支撐標高重疊，這意味著基坑開挖后無法及時施工鋼圍檁，無法及時形成基坑內(nèi)支撐傳力體系，非常不利于周邊飛機滑行道的運營安全。在采取增加水泥用量調(diào)節(jié)泥漿相對密度或添加膨潤土人工造漿等措施后，擴徑現(xiàn)象雖有一定的改善，但仍需配合減慢鉆頭的鉆進速度，因此造成成孔時間大幅度增加。

3.2 壓灌樁成孔工藝

近年來壓灌樁施工工藝在混凝土灌注樁施工領(lǐng)域的運用日趨頻繁。該工藝是指先采用專用螺旋鉆具鉆至樁底設(shè)計深度形成樁徑，然后通過鉆具中空管道由底向上連續(xù)高壓泵注混凝土至樁頂，形成素混凝土樁，同時利用螺旋葉片將置換土原狀取出，最后將整根鋼筋籠振動插入素混凝土樁中，形成鋼筋混凝土灌注樁。

該工藝的優(yōu)點為：成孔時間短且質(zhì)量穩(wěn)定，單樁施工效率高。缺點為：施工機械體積龐大，移動不便，緊急情況下無法在規(guī)定時間內(nèi)撤離，無法確保機場運營安全。

3.3 汽車鉆反循環(huán)成孔工藝

該工藝是指循環(huán)介質(zhì)流向從地面沿鉆具與孔壁的環(huán)狀間隙進入鉆孔，至孔底攜帶鉆渣從鉆桿內(nèi)返回地面的一種鉆進工藝。反循環(huán)鉆進常用于大直徑鉆孔施工，適用于填土層、砂性土層、淤泥質(zhì)土層、黏土層、卵礫石層等，鉆進效率較高，擴徑現(xiàn)象少，節(jié)省電費，噪聲低。由于反循環(huán)汽車鉆機采用直接吸除的方式將土渣吸出，故成孔速度比正循環(huán)施工工藝快。同時，將反循環(huán)鉆機與汽車結(jié)合，實現(xiàn)了鉆機自身的可移動性能。

3.4 施工設(shè)備選型結(jié)果

因為機場禁區(qū)內(nèi)特殊的施工環(huán)境和施工要求，同時為了確保鉆孔灌注圍護樁施工質(zhì)量，工程部決定采用汽車鉆反循環(huán)成孔工藝進行施工。此工藝將鉆機與汽車相結(jié)合，在滿足圍護樁成孔要求的同時，極大提高了鉆機的機動性以及樁位定位的準確性。另外，使用反循環(huán)成孔工藝可以有效加快成孔施工的速度，同時減少擴徑現(xiàn)象的產(chǎn)生。

4 反循環(huán)成孔主要工藝流程

埋設(shè)護筒：孔口處埋設(shè)鋼質(zhì)護筒，用以護住孔口，護筒內(nèi)徑大于鉆頭直徑150 mm，壁厚4～8 mm，護筒埋置深度為2 m，其上部開設(shè)1～2個溢漿孔。埋設(shè)護筒時，以樁位為基準，中心偏移不得超過30 mm。護筒周圍用黏土分層夯實，并經(jīng)測量人員復(fù)測后方可進入下道工序。

鉆機就位：鉆機就位后確保機座平穩(wěn)，轉(zhuǎn)盤中心與樁位偏差不得大于20 mm，并做到“三點一線”，即天車中心、回轉(zhuǎn)器中心與鉆頭中心在同一鉛垂線上，否則應(yīng)及時調(diào)整桅桿和鉆桿的角度。鉆機安裝就位后應(yīng)精心調(diào)平，確保施工中不發(fā)生傾斜移位。

鉆進：為保證孔壁穩(wěn)定，應(yīng)視表層松散土層的厚度在孔口放置長度適當(dāng)?shù)淖o筒，并保持泥漿柱液面高度。鉆進過程中隨泥漿漏失及孔深增加及時向孔內(nèi)補充泥漿。

泥漿排放、外運：成孔及回填土?xí)r，孔內(nèi)泥漿按事先挖好的泥漿溝排放，排放時由專人負責(zé)疏導(dǎo)。泥漿池內(nèi)泥漿隨時清理外運，以保證樁孔內(nèi)泥漿排放暢通，同時避免泥漿外溢污染滑行道道面。

鉆進過程中的其他注意事項[1-3]：

1）鉆進時控制鉆壓、鉆速，平穩(wěn)鉆進，并保證鉆孔垂直。

2）鉆進過程中根據(jù)地層變化情況，適時調(diào)整鉆進技術(shù)參數(shù)，并經(jīng)常檢查鉆孔情況，防止鉆機傾斜。

3）鉆進過程中嚴格保持穩(wěn)定的泥漿水頭高度，防止孔口坍塌。

4）接近設(shè)計孔深時，準確控制鉆進深度并做好深度記錄。鉆進至設(shè)計深度后進行清孔，以保證孔底沉渣符合規(guī)范要求。

5）鉆進過程中泥漿護壁采用孔內(nèi)自然造漿的方法，泥漿相對密度控制在1.05～1.15。

5 總體施工部署

為提高禁區(qū)內(nèi)的施工效率，鉆孔灌注樁成孔采用反循環(huán)汽車鉆機完成；放置鋼筋籠、下導(dǎo)管以及混凝土灌注施工由混凝土運輸車配合汽車吊完成。

禁區(qū)內(nèi)安排2臺汽車鉆機，分別為3#鉆機和5#鉆機?？拷?xùn)|側(cè)的69根鉆孔灌注樁成孔施工由5#鉆機完成，靠近基坑西側(cè)的68根鉆孔灌注樁成孔施工由3#鉆機完成。

由于禁區(qū)內(nèi)場地有限，2臺鉆機同時成孔時，無法設(shè)置1個容量足夠大的泥漿池同時向2個作業(yè)點供給泥漿，因此在基坑中部設(shè)置2個15 m3的過渡泥漿池（5.0 m×2.0 m×1.5 m），同時在禁區(qū)外部設(shè)置1個容量為54 m3的大泥漿池（6.0 m×6.0 m×1.5 m）。大、小泥漿池之間通過泥漿泵和泥漿管連通。禁區(qū)施工時同時進駐2輛排漿車，防止出現(xiàn)泥漿排放不及時的情況。

配合2個小泥漿池的平面布置，將2臺汽車鉆機錯開設(shè)置。施工中每個鉆孔作業(yè)點就近連接小泥漿池。

6 禁區(qū)外成樁試驗

常規(guī)混凝土鉆孔灌注樁的施工流程包括場地平整、定位放線以及泥漿池開挖，這3項工作內(nèi)容均可以脫離成樁過程提前施工。為加快禁區(qū)施工速度，合理分配施工時間，設(shè)計樁位的場地平整、定位工作以及開挖泥漿池等準備工作，均在前一天的夜間禁區(qū)施工中完成，即每天禁區(qū)施工時，不僅完成當(dāng)天的灌注樁成樁任務(wù)，而且要完成第2天的施工準備工作。

經(jīng)過禁區(qū)外模擬，形成以下禁區(qū)內(nèi)鉆孔灌注樁施工流程：鉆孔前準備（50 min）→鉆孔（90 min）→清孔（30 min）→提鉆桿（20 min）→下鋼筋籠（30 min）→下導(dǎo)管（20 min）→澆筑混凝土（40 min），共計4 h 40 min。

7 實際施工效果

第1階段禁區(qū)鉆孔灌注圍護樁施工的具體時間為2015年6月11日—2015年10月30日，其間實際施工天數(shù)僅為61 d，不足總時長的50%，其余時間由于機場運營要求或指揮中心臨時調(diào)整，均未能進入禁區(qū)展開施工。盡管如此，經(jīng)過精心策劃、合理部署，第1階段禁區(qū)鉆孔灌注樁施工仍如期完成，為基坑的后續(xù)施工打下了堅實基礎(chǔ)。

禁區(qū)施工過程中，根據(jù)機場運營指揮中心的安排，施工人員、機械的實際進場時間一般為凌晨1點，鉆孔灌注樁于5點40分左右成樁。完成禁區(qū)內(nèi)場地清掃后，所有施工人員、機械設(shè)備在6點前全部撤離。

在整個禁區(qū)施工過程中，共出現(xiàn)3次因二類天氣緊急撤離的情況。由于設(shè)備選型合理、施工部署得當(dāng)，所有進入禁區(qū)的人員、設(shè)備均在限定時間內(nèi)全部撤離，在完成施工任務(wù)的同時，保障了機場的安全運營。