基于自反壓鋼護(hù)筒護(hù)壁人工挖孔樁施工技術(shù)研究及應(yīng)用

尹文綱

（中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001）

1 概述

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，許多城市新建道路與既有鐵路出現(xiàn)立體交叉，橋涵頂進(jìn)施工的方法被用于解決這個(gè)難題。人工挖孔樁具有操作空間要求小、施工工藝簡(jiǎn)單、施工速度快、造價(jià)低、高承載力等特點(diǎn)，在建筑樁基、地下工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)、邊坡圍護(hù)、橋涵頂進(jìn)架空體系施工過(guò)程中被大量應(yīng)用，而且許多工程都證明了該技術(shù)的可靠性和實(shí)用性[1-5]。在富水砂層地質(zhì)條件下人工挖孔樁的施工過(guò)程中，容易出現(xiàn)塌孔、涌砂，甚至導(dǎo)致周邊建筑物坍塌等問(wèn)題。鑒于此，常用的解決方法主要有局部加固護(hù)壁法、注漿管壓漿護(hù)壁挖孔法、冷凍法、井點(diǎn)降水、帷幕注漿止水，以減小開(kāi)挖深度，縮短鋼筋網(wǎng)麻袋護(hù)壁或者鋼護(hù)筒護(hù)壁等。同時(shí)，在鋼護(hù)筒護(hù)壁的施工過(guò)程中，常采用靜壓或機(jī)械方法將鋼護(hù)筒壓入指定的深度[6-11]。這些解決方法多數(shù)是在作業(yè)場(chǎng)地寬廣、機(jī)械設(shè)備施工方便、周邊允許降水施工等客觀條件的基礎(chǔ)上使用的。在一些特殊工況條件下，比如在橋涵頂進(jìn)多條既有鐵路運(yùn)營(yíng)線(xiàn)施工中，由于周邊環(huán)境要求，不允許進(jìn)行降水施工，采用既有常規(guī)的人工挖孔樁施工技術(shù)往往不能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求。如何解決類(lèi)似條件下人工挖孔樁的施工難題，確保人工挖孔樁及周邊建（構(gòu)）筑物的安全，成為施工中需要解決的新問(wèn)題。本文是基于該問(wèn)題開(kāi)展研究和相關(guān)技術(shù)應(yīng)用闡述的。

2 工程背景

內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市東河區(qū)工業(yè)園區(qū)東路為在建城市主干道，規(guī)劃工業(yè)園區(qū)東路天然氣管道護(hù)涵，污水管護(hù)涵，工業(yè)區(qū)東路道路立交箱形橋、供熱管道護(hù)涵（箱形橋）、雨水管護(hù)涵（圓涵）自北向南垂直下穿既有京包雙線(xiàn)和集包雙線(xiàn)鐵路，采用頂進(jìn)法施工，圖1為集包線(xiàn)D型便梁架空加固人工挖孔平面布置圖。集包鐵路路基采用碎石樁加固處理，顆粒機(jī)配比較好。在下穿既有集包鐵路頂進(jìn)施工中，線(xiàn)路架空加固體系采用人工挖孔樁作為D型便梁支點(diǎn)樁，集包線(xiàn)兩側(cè)和雙線(xiàn)之間支點(diǎn)樁采用φ1.25 m、樁長(zhǎng)11 m人工挖孔樁，頂部采用冠梁連接。該施工屬于臨近既有線(xiàn)施工，區(qū)域距離黃河3 km，地下水位線(xiàn)比較高。為了確保線(xiàn)路安全，在施工過(guò)程中不允許降水。場(chǎng)地內(nèi)地層分別為人工填土、粉砂、粉土和粉砂。地下水為第四系孔隙潛水，勘探期間地下水穩(wěn)定水位2.9～3.0 m，變幅一般為2～4 m，地下水具有水位高、易補(bǔ)充的特點(diǎn)。

3 問(wèn)題的提出及原因分析

為了保證既有線(xiàn)線(xiàn)路的行車(chē)安全，在人工挖孔樁正式施工前，選取線(xiàn)路兩側(cè)樁基進(jìn)行試樁。當(dāng)樁身上部通過(guò)既有碎石樁處理路基段，施工進(jìn)展順利。當(dāng)樁身處于既有路基以下時(shí)，開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)涌水、涌砂的情況，導(dǎo)致鋼筋混凝土預(yù)制管節(jié)下沉困難，現(xiàn)澆鋼筋混凝土護(hù)壁成形難度大。人工挖孔樁8～10 m位置出現(xiàn)滲水，10～12 m有集中涌水點(diǎn)、反砂，人工挖孔無(wú)法成孔，開(kāi)挖過(guò)程中極易坍塌且成孔比較難，安全隱患大。圖2為人工挖孔樁塌孔及回填處理情況。

經(jīng)過(guò)分析，明確出現(xiàn)上述問(wèn)題的主要原因，具體包括以下幾點(diǎn)：①地質(zhì)條件復(fù)雜。人工挖孔樁所處地質(zhì)為粉砂、粉土層，其中，2.9 m以下含飽和水粉砂地層，局部夾薄層粉質(zhì)黏土，厚度2.5～11.0 m為主，地質(zhì)條件非常復(fù)雜，不利于成孔。②不允許降水施工。該區(qū)域地下水水位高，距離大型水源補(bǔ)給地黃河近，且在施工過(guò)程中，為了確保線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)安全，不允許降水施工。③施工作業(yè)空間狹小。人工挖孔樁施工臨近既有線(xiàn)，作業(yè)空間狹小，其中部分樁位于既有集包鐵路雙線(xiàn)之間，天窗點(diǎn)時(shí)間短，時(shí)間和空間上均不利于采用靜壓或機(jī)械方法施工鋼護(hù)筒護(hù)壁。④線(xiàn)路沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)高。既有集包線(xiàn)為雙線(xiàn)客貨共線(xiàn)電氣化鐵路，速度目標(biāo)值為200 km/h，呼和浩特鐵路局按照高速鐵路管理，地表沉降不得超過(guò)20 mm，隆起不得超過(guò)10 mm，沉降和變形控制標(biāo)準(zhǔn)高，施工控制難度大。

4 施工難點(diǎn)分析及總體思路

4.1 施工主要難點(diǎn)及問(wèn)題解決原則

施工時(shí)，首先要選擇和確定含水砂層段人工挖孔樁的護(hù)壁方式。在人工挖孔樁開(kāi)挖至富水砂層段，面臨含水砂層防水或堵水難題。因此，應(yīng)根據(jù)砂層段含水量和砂層段長(zhǎng)度確定合理的護(hù)壁方式，尤其應(yīng)考慮采取超前預(yù)支護(hù)或護(hù)壁措施，以確保開(kāi)挖過(guò)程中孔壁穩(wěn)定、作業(yè)人員安全。

其次，在施工前，要明確狹小空間人工挖孔樁護(hù)壁施工方法和設(shè)備的確定原則。人工挖孔樁臨近既有線(xiàn)或位于既有線(xiàn)間，施工天窗點(diǎn)短，為了確保既有線(xiàn)的運(yùn)營(yíng)與施工安全，人工挖孔樁開(kāi)挖或護(hù)壁施工中設(shè)備應(yīng)具備輕巧、拆裝方便、易操作的特點(diǎn)。護(hù)壁施工應(yīng)堅(jiān)持地面部分施工簡(jiǎn)單易行、孔內(nèi)操作可靠穩(wěn)定的原則。

施工時(shí)，要明確人工挖孔樁混凝土施工質(zhì)量的控制。人工挖孔樁是架空體系的核心支撐點(diǎn)，對(duì)于確保整個(gè)架空體系的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和頂進(jìn)施工的安全起著決定性作用。在施工過(guò)程中，應(yīng)確保樁底位于可靠穩(wěn)定的持力層上，并在樁身鋼筋籠加工、安裝、樁身混凝土澆筑方面采取有效措施，確保人工挖孔樁的施工質(zhì)量滿(mǎn)足要求。

4.2 總體施工思路

為了解決富水砂層地質(zhì)不降水條件下既有線(xiàn)間人工挖孔樁施工過(guò)程中涌泥、塌孔等問(wèn)題，采用樁上部混凝土護(hù)壁與下部易塌孔段自反壓鋼護(hù)筒護(hù)壁相結(jié)合的組合護(hù)壁施工技術(shù)，以保證人工挖孔樁的成孔質(zhì)量和施工安全。

5 富水粉細(xì)砂層不降水條件下人工挖孔樁施工

在人工挖孔樁穿越砂層、粉細(xì)砂等過(guò)程中，結(jié)合試樁情況和地質(zhì)勘察資料，當(dāng)孔底標(biāo)高至該類(lèi)地層一定高度時(shí)，停止鉆孔開(kāi)挖。將直徑與鉆孔樁直徑大小相同、合理板材厚度、高度的鋼護(hù)筒，利用反壓裝置壓入砂質(zhì)地層底面以下，然后按照常規(guī)施工方法開(kāi)挖。如果砂層厚度超過(guò)一個(gè)護(hù)筒高度，可采用每壓送一節(jié)鋼護(hù)筒，開(kāi)挖一定高度，并預(yù)留一定高度，再進(jìn)行預(yù)制鋼護(hù)筒壓送，循環(huán)壓送、開(kāi)挖，直至開(kāi)挖至設(shè)計(jì)深度。

預(yù)制鋼護(hù)筒反壓施工的主要原理是：利用護(hù)壁兩側(cè)開(kāi)孔作為上部工字鋼（提供反力）的支撐點(diǎn)，并在鋼護(hù)筒的上部布置下部工字鋼，利用上下部工字鋼之間的千斤頂提供反力，反復(fù)循環(huán)頂進(jìn)鋼護(hù)筒至設(shè)計(jì)位置。在鋼護(hù)筒護(hù)壁作用下，進(jìn)行人工挖孔樁的施工。

人工挖孔樁的施工流程是：施工準(zhǔn)備→測(cè)量定位→混凝土護(hù)壁人工挖孔樁施工→鋼護(hù)筒段反壓鋼護(hù)筒安裝→反壓鋼護(hù)筒及其垂直度調(diào)整→人工挖孔樁底部鋼管加固→鋼筋籠制作與安裝→混凝土灌注→樁端壓漿。

這里重點(diǎn)介紹反壓鋼護(hù)筒安裝與反壓鋼護(hù)筒及其垂直度調(diào)整施工技術(shù)。

5.1 反壓鋼護(hù)筒安裝

在施工過(guò)程中，根據(jù)試樁情況，當(dāng)孔底標(biāo)高施工至粉砂層涌水、涌砂地段以上50 cm時(shí)，停止開(kāi)挖，先將預(yù)制鋼護(hù)筒（100 cm一節(jié)，壁厚4 mm）利用反壓法壓至開(kāi)挖面以下，每壓送一節(jié)開(kāi)挖60～70 cm，預(yù)留30～40 cm，然后再進(jìn)行預(yù)制鋼護(hù)筒壓送，循環(huán)壓送、開(kāi)挖，直至開(kāi)挖至設(shè)計(jì)深度。反壓裝置主要由工字鋼、大行程千斤頂、工字鋼連接板和方木墊板等組成。在鋼護(hù)筒的前個(gè)混凝土護(hù)壁循環(huán)鋼筋的施工過(guò)程中，在人工挖孔樁護(hù)壁兩側(cè)開(kāi)孔，該孔洞作為上部工字鋼（提供反力）的固定點(diǎn)。開(kāi)孔位置＝孔底標(biāo)高+鋼護(hù)筒高度+兩組工字鋼高度（正反壓工字鋼）+千斤頂高度。開(kāi)孔位置應(yīng)對(duì)稱(chēng)且兩孔連接線(xiàn)中心點(diǎn)與樁身中心重合，開(kāi)孔完成后吊裝鋼護(hù)筒就位。圖3為反壓施工組合裝置示意圖。

5.2 反壓鋼護(hù)筒及垂直度調(diào)整

鋼護(hù)筒、千斤頂、工字鋼安裝完畢后開(kāi)始反壓施工，循環(huán)直至具備安裝下一節(jié)鋼護(hù)筒為止。第一節(jié)鋼護(hù)筒反壓深度達(dá)到1 m（每節(jié)高度）后，拆除反壓設(shè)備，利用列車(chē)間隔時(shí)間吊裝第二節(jié)鋼護(hù)筒。在反壓過(guò)程中，鋼護(hù)筒位置偏移傾斜，調(diào)整千斤頂至較難反壓處反壓，待鋼護(hù)筒垂直后，再擺正千斤頂位置，使其處于鋼護(hù)筒軸心處繼續(xù)反壓，以保證鋼護(hù)筒垂直度。

反壓鋼護(hù)筒施工至設(shè)計(jì)樁底后，如果個(gè)別樁位樁底有涌水的情況發(fā)生，可在底部用人工錘擊方式插入梅花形布置鋼管，待混凝土澆筑后與樁體成為一體加固樁底。鋼筋籠采用2.0 m分節(jié)吊裝、孔內(nèi)焊接的方法安裝，同時(shí)，鋼筋籠內(nèi)預(yù)埋注漿管，成樁后2～30 d內(nèi)進(jìn)行樁端壓漿。

5.3 施工效果

在施工過(guò)程中，及時(shí)進(jìn)行樁位沉降監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析預(yù)警?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，橋涵頂進(jìn)施工中線(xiàn)路未發(fā)生一次因樁體沉降造成的線(xiàn)路下沉、影響施工和行車(chē)安全的問(wèn)題，有效保證了施工安全。

6 結(jié)論

本文研究并應(yīng)用的富水砂層地質(zhì)不降水條件下既有線(xiàn)人工挖孔樁施工方法，解決了人工挖孔樁施工中涌泥、塌孔等問(wèn)題，保證了既有線(xiàn)運(yùn)營(yíng)和施工安全。實(shí)踐結(jié)果證明，該方法是有效、可行的。

在施工過(guò)程中，采用水位線(xiàn)上部分混凝土護(hù)壁與水位線(xiàn)下易塌孔段自反壓鋼護(hù)筒護(hù)壁相結(jié)合的組合護(hù)壁方法，確保了狹小空間富水地質(zhì)條件下人工挖孔樁的施工安全。

施工時(shí)采用的人工挖孔樁內(nèi)反壓模板和反力施加系統(tǒng)具有安裝和拆卸方便、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，可為日后既有線(xiàn)等狹小空間人工挖孔樁的順利進(jìn)行提供借鑒。

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