長螺旋成孔法在卵石地區(qū)基坑支護(hù)工程中的應(yīng)用

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(中國煤炭地質(zhì)總局一七三勘探隊(duì)，河北 涿州 072750)

0 引言

城市高層建筑物的建設(shè)、地下空間的開發(fā)，使得基坑開挖深度越來越深，開挖深度超20m的基坑越來越多。面對如此深的基坑開挖，要保證基坑自身的邊坡安全，以及減少對周邊已有建筑物、地下管線的影響，必須進(jìn)行基坑支護(hù)，而在基坑支護(hù)工程中護(hù)坡樁應(yīng)用十分普及。

由于基坑開挖深度大，在很多護(hù)坡樁支護(hù)工程施工中經(jīng)常會遇到卵石，給施工護(hù)坡樁增大了難度。卵石地區(qū)成樁方式大致有：沖擊法(工效低)，反循環(huán)法(適應(yīng)小粒徑卵石)，人工挖孔法(無水、風(fēng)險(xiǎn)大)，長螺旋法，旋挖法(需泥漿護(hù)壁或全套管、成本高)。

本文針對北京某地區(qū)的基坑工程卵石的特性以及地下水位深的條件，利用長螺旋通過現(xiàn)場工藝實(shí)驗(yàn)、鉆具改進(jìn)，成功進(jìn)行了卵石的護(hù)坡樁施工，獲得了一種實(shí)用的粘性土改良孔壁干成孔施工工藝。

1 工程背景

該工程位于北京市豐臺區(qū)盧溝橋鄉(xiāng)麗澤金融商務(wù)區(qū)某地塊，西距麗澤橋約300m，場地北側(cè)為麗澤路并與地鐵14#線東管頭車站緊鄰(結(jié)構(gòu)完成)，場地其它側(cè)面均為市政道路。

建設(shè)規(guī)模：建設(shè)場地占地面積約21 103.2m2，地上建筑面積約155 000m2，地下建筑面積約80 000m2，本工程由兩座塔樓(A座：45層；B座：32層)、裙房(C座：4層；D座：4層)及純地下室等組成。其中西側(cè)A座塔樓規(guī)劃控制規(guī)劃高度為200m，東側(cè)B座規(guī)劃控制高度150m。擬建工程建筑基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件詳見表1。

表1 擬建工程基本設(shè)計(jì)條件

基坑規(guī)模：基坑面積約17 000m2，土方量約390 000m3，基坑開挖深度約22.45m，局部約24.45m，采用復(fù)合土釘墻+樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)體系。

1.1 地質(zhì)條件

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，場地內(nèi)地層按其成因類型、沉積年代劃分為人工填土層、第四紀(jì)沉積層和新近系泥巖、礫巖層。按其工程性質(zhì)，將鉆探深度內(nèi)的地層分為15個(gè)主層13個(gè)亞層(本區(qū)最大勘探深度100.00m)，其自上而下第1層層為人工填土層，2～9層為第四紀(jì)沉積層，10層以下為新近系泥巖、礫巖層。主要土層的物理力學(xué)參數(shù)見表2：

1.2 地下水

外業(yè)鉆探期間，沒有發(fā)現(xiàn)上層滯水，測得地下水位埋深為28.62～29.00m。水位在護(hù)坡樁底以下，這為護(hù)坡樁干法施工提供了有利條件。

2 基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)

2.1 非基坑支護(hù)設(shè)計(jì)主要參數(shù)

場地±0.00=45.00m。支護(hù)形式：復(fù)合土釘墻+護(hù)坡樁+預(yù)應(yīng)力錨桿；護(hù)坡樁：樁徑ф800mm，樁間距1 600mm；樁頂標(biāo)高為-7.00m，樁底標(biāo)高-26.95m，有效樁長19.95m。樁頂連梁斷面尺寸800mm×600mm。護(hù)坡樁及連梁混凝土強(qiáng)度為C25。(圖1a)

表2 土層主要物理力學(xué)參數(shù)

2.2 地鐵側(cè)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)主要參數(shù)

場地±0.00=45.00m。支護(hù)形式：土釘墻+護(hù)坡樁+預(yù)應(yīng)力錨桿；護(hù)坡樁：樁徑ф1 000mm，樁間距1 600mm；樁頂標(biāo)高為-12.20m，樁底標(biāo)高-28.60m，有效樁長16.40m；樁頂連梁斷面尺寸1 000mm×1 000mm。護(hù)坡樁及連梁混凝土強(qiáng)度為C25。(圖1b)

3 基坑護(hù)坡樁施工

3.1 卵石成孔工藝試驗(yàn)

經(jīng)資料分析：由于本工程地下水位埋深大，無外來水補(bǔ)給(老舊管線全部截?cái)?，各地層滲透性好。因此本工程施工完全可以實(shí)施干法作業(yè)。根據(jù)設(shè)計(jì)方案首先要進(jìn)行上部復(fù)合土釘墻施工(-7.00m)，然后進(jìn)行護(hù)坡樁施工，從地層情況看整個(gè)護(hù)坡樁完全落在砂卵石層里。經(jīng)對各種成樁孔工法及成本分析對比，決定護(hù)坡樁采用長螺旋成孔施工。為此，在上部(-7.00m)復(fù)合土釘墻施工前，首先在場地中部位置開挖了20m×30m深度6.50m的基坑進(jìn)行下部護(hù)坡樁成樁工藝試驗(yàn)。

3.1.1 鉆機(jī)參數(shù)

鉆機(jī)是履帶式雙動(dòng)力系統(tǒng)鉆機(jī)：螺旋鉆具旋轉(zhuǎn)采用雙電機(jī)動(dòng)力頭(110kW)提供動(dòng)力；鉆機(jī)行走，鉆具提升，挺桿升降等為柴油動(dòng)力。螺旋鉆具芯管內(nèi)徑ф273mm、壁厚20mm，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)每節(jié)4 500mm，法蘭加摩擦塊連接。動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速17r/m。

3.1.2 成孔工藝試驗(yàn)

鉆機(jī)組裝，調(diào)試完成后，試驗(yàn)開始：鉆機(jī)輕松鉆至6m，提升鉆具。觀察鉆孔：鉆孔完好，孔口細(xì)砂稍有坍塌，孔深5m。繼續(xù)下鉆具鉆進(jìn)，鉆至10m后提升鉆具，測量孔深7.0m，觀察發(fā)現(xiàn)不是整個(gè)鉆孔出現(xiàn)坍塌，而是在5.5m位置處有1.5m左右高、大半個(gè)孔出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，孔口砂層出現(xiàn)直徑1.2m、高0.8m的漏斗型坍塌。

分析：出現(xiàn)這種局部塌落可能是在鉆進(jìn)過程中正巧趕上大粒徑的卵石處在鉆孔周邊，鉆具把它“驚動(dòng)”出現(xiàn)局部顆粒失穩(wěn)引起的。因?yàn)殂@頭切削不動(dòng)卵石，只能把整個(gè)卵石“連根拔起”，而整個(gè)卵石是穩(wěn)定的，這說明這種卵石的直立性很強(qiáng)，只是顆粒間失穩(wěn)。

在鉆進(jìn)過程中使用了挖掘機(jī)配合清理鉆出的卵石，發(fā)現(xiàn)灑落在地面土上的卵石被挖掘機(jī)履帶碾壓過后，地面堅(jiān)硬無比。受此啟示，決定把鉆出的卵石拌合上粘性土回填到孔中，壓實(shí)，然后進(jìn)行重新鉆進(jìn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示：復(fù)鉆至10m，提升鉆桿，發(fā)現(xiàn)在原來坍塌的孔口旋鉆出了一個(gè)完好的夾泥卵石質(zhì)井口臺，鉆孔坍塌處被修補(bǔ)，呈現(xiàn)出一個(gè)完整的鉆孔。又進(jìn)行了幾次上下提鉆，鉆具都未對鉆孔造成損壞，試驗(yàn)初步獲得成功。繼續(xù)往深處鉆進(jìn)，提升鉆具，測量觀察鉆孔，遇塌孔處回填拌合好的“人造卵石粘性土材料”，再鉆進(jìn)；如此反復(fù)，成功鉆出一個(gè)孔壁光滑的合格鉆孔。

(a)直徑800mm樁

(b)直徑1000mm樁(地鐵側(cè))圖1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)剖面Figure 1 Foundation pit support designed section

隨后又進(jìn)行了多方面的試驗(yàn)，并對其中一個(gè)鉆孔孔口做了安全警戒防護(hù)，進(jìn)行了長達(dá)20d的靜置觀察(因土方開挖才回填)。觀察發(fā)現(xiàn)鉆孔完好，沒出現(xiàn)孔壁損壞塌孔現(xiàn)象。最終決定采用該方法進(jìn)行基坑下部的護(hù)坡樁施工。

3.1.3 工藝總結(jié)

①長螺旋在鉆進(jìn)排土過程中對孔壁的擠壓力很大，靠這種側(cè)壓力把回填的泥質(zhì)卵石土擠壓到坍塌空洞處，形成孔壁支護(hù)。

②鉆頭改進(jìn)。鉆進(jìn)卵石層不可能把其切削碎，只能把整個(gè)卵石層攪動(dòng)弄松擠到葉片往上輸送。因此，鉆頭鉆齒角度加大，形成鋒利的犬齒，以翻動(dòng)整個(gè)卵石顆粒。由于磨損嚴(yán)重，應(yīng)提前備足，便于更換，鉆齒可借用當(dāng)前旋挖斗的斗齒(子彈頭)。

③實(shí)際施工時(shí)回填粘土只需填到超過坍塌位置即可，而且可以直接回填粘性土，無需另添加卵石(因?yàn)樵谥劂@時(shí)所填粘土首先被鉆具旋壓進(jìn)坍塌處，下面鉆上的砂卵石會持續(xù)擠入其中，進(jìn)而形成穩(wěn)定的泥質(zhì)卵石層)，土質(zhì)不應(yīng)太濕太粘。

④上下鉆具時(shí)一定要邊旋轉(zhuǎn)邊升、降，避免磕碰孔壁，而且還可以進(jìn)一步加固孔壁。

⑤當(dāng)鉆進(jìn)下部粘土夾層時(shí)，鉆出的土在往上排出過程中又進(jìn)一步修補(bǔ)了孔壁，使得孔壁光滑。

⑥在上部復(fù)合土釘墻施工土方開挖時(shí)要提前預(yù)留出上部的素填土及粉質(zhì)粘土，以備下步護(hù)坡樁施工護(hù)壁需用，每孔可按4m3預(yù)留。

3.2 基坑護(hù)坡樁施工

工藝試驗(yàn)解決了鉆孔護(hù)壁問題，基坑上部土釘墻施工完成后，開始基坑護(hù)坡樁的施工(圖2)。

圖2 護(hù)坡樁施工工序Figure 2 Slope protection pile construction procedure

考慮鉆孔間的相互影響，采用跳開兩個(gè)樁位施工，由于鉆機(jī)設(shè)有副卷揚(yáng)提升裝置，還可以吊放鋼筋籠，進(jìn)而又可節(jié)儉了施工機(jī)械；本工程由于北側(cè)臨地鐵14#線東管頭車站(其結(jié)構(gòu)已完工)，按設(shè)計(jì)要求還進(jìn)行了ф1 000mm的護(hù)坡樁施工。

4 基坑開挖與檢測

本工程于2014年初基坑開挖至坑槽底部(深度22.0m預(yù)留0.50m)，開挖顯示護(hù)坡樁樁身平整光滑，說明鉆孔沒有塌孔現(xiàn)象(圖3)。經(jīng)第三方檢測單位長期跟蹤監(jiān)測：地面沉降觀測、坡頂及護(hù)坡樁頂?shù)乃轿灰朴^測、樁身測斜管測斜等，檢測數(shù)據(jù)完全在設(shè)計(jì)及規(guī)范要求范圍內(nèi)，基坑穩(wěn)定。而且由于客觀原因，本基坑至少還要使用到2017年的下半年，這也從另一方面進(jìn)一步檢驗(yàn)了這種護(hù)坡樁成樁工藝的可靠性。

圖3 基坑開挖效果Figure 3 Foundation pit excavation effect

5 結(jié)論

本文通過在北京某地區(qū)深基坑護(hù)坡樁施工的實(shí)踐，提出了在無水卵石中利用長螺旋進(jìn)行干成孔施工的實(shí)用工藝：鉆孔回填粘性土，利用長螺旋鉆具排土過程中對鉆孔孔壁的擠壓作用，使得鉆孔坍塌處以及鉆孔不穩(wěn)定位置重新擠壓成一種所謂“人造泥質(zhì)卵石”護(hù)壁層的成孔施工工藝。這種施工工藝具有：

①施工快捷，簡單，省時(shí)。成孔、吊放鋼筋籠、澆注混凝土一機(jī)完成，無需另外機(jī)械設(shè)備。

②成孔質(zhì)量好?？讖匠叽缫?guī)范，無縮徑、擴(kuò)徑現(xiàn)象。

③樁孔混凝土澆灌方便。成孔和混凝土澆灌互不影響，商砼澆注可以避開城市交通限時(shí)的約束，不拖泥帶水，施工現(xiàn)場干凈，改善了施工環(huán)境。

④節(jié)儉。所用護(hù)壁粘性土可就地取材；樁身混凝土用量接近理論計(jì)算用量。

⑤環(huán)保。對所在地層不造成任何污染；鉆機(jī)雙動(dòng)力，且依電力為主，減少廢氣物排入大氣。

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[3]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.復(fù)合土釘墻基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范：GB 50739-2011)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

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