低凈空環(huán)境下頂管樁施工技術(shù)研究

楊 磊

（上海隧道工程股份有限公司,上海市 200232）

0 引言

目前，我國主流的植樁工法主要為鉆孔取土植樁法和中掘植樁法，但是傳統(tǒng)植樁機的工作都需要平坦的地表，打樁機的樁架占用空間和施工高度都比較大，無法解決低凈空環(huán)境下圍護結(jié)構(gòu)打設(shè)的施工難題。靜壓植樁機通過夾住數(shù)根已經(jīng)壓入地面的樁，將其拔出，阻力作為反力，利用靜載荷將下一根樁壓入地面。該植樁工法雖然適合狹窄地段以及低矮空間的施工環(huán)境，但該工法壓樁反力比較大，在上海及類似地區(qū)施工，鋼管樁內(nèi)土塞一般僅1/2樁長，存在一定擠土效應(yīng)，且難以通過實時糾偏確保達到高標(biāo)準(zhǔn)的垂直度要求。

在新建工程項目地下空間向大面積、深層次、全局化發(fā)展的同時，既有建筑地下空間的缺位成為影響城市發(fā)展的短板。在上海，歷史建筑區(qū)域作為城市最為活躍的重要區(qū)域，地下空間的不足導(dǎo)致嚴(yán)重的停車?yán)щy和配套商業(yè)面積受限，如何通過地下空間的配置讓老建筑發(fā)揮新作用是當(dāng)前的重要課題。其次，經(jīng)過近二十年軌道交通與商業(yè)經(jīng)濟的快速發(fā)展，大量地鐵設(shè)施及商業(yè)、辦公建筑的建成，使得中心商務(wù)區(qū)局部商業(yè)總量、商業(yè)格局和人流量發(fā)生重大變化，使得中心城區(qū)部分既有建筑地下空間無法適應(yīng)周邊商務(wù)、商業(yè)中心的發(fā)展需求，給其功能定位帶來挑戰(zhàn)，需要加速地下空間的開發(fā)與整合利用。但是，在既有建筑內(nèi)部和下方進行開挖，上部結(jié)構(gòu)是否安全、如何支撐成為關(guān)鍵問題，且與既有建筑本身的結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)型式、場地地層條件密切相關(guān)。另外，施工所需的開挖平面、豎向空間都較狹小，施工設(shè)備尺寸、作業(yè)環(huán)境、施工方式、作業(yè)效率等與常規(guī)地下工程不同，面臨新的挑戰(zhàn)。因此，研究一種適應(yīng)于上海軟土地層典型區(qū)域低凈空環(huán)境下新型圍護結(jié)構(gòu)，對解決既有建筑條件下地下空間微擾動開發(fā)的需求顯得尤為重要。

基于此，本文將傳統(tǒng)鉆孔鋼管樁技術(shù)和頂管技術(shù)結(jié)合，創(chuàng)新一種能同時滿足低凈空、大深度和復(fù)雜地層成孔要求的新型頂管樁施工工藝，實現(xiàn)對周圍環(huán)境的微擾動。該工藝的研發(fā)將為上海典型區(qū)域既有建筑拓展地下空間、提升功能和可持續(xù)發(fā)展，提供有效的技術(shù)儲備。

1 頂管樁系統(tǒng)概況

常規(guī)的，上海一般樁基持力層為⑦1-2粉砂層，故本次頂管樁設(shè)計深度50 m，實際頂進深度30 m。

本次頂管樁施工原理為：（1）通過頂管樁設(shè)計深度計算獲得最大頂進反力（樁側(cè)摩阻力與樁端阻力之和）；（2）設(shè)計頂進平臺尺寸，使其混凝土自重滿足最大頂進反力要求；（3）澆筑頂進平臺，并預(yù)留頂管始發(fā)鋼護筒；（4）頂管機頭組裝完成后定位于鋼護筒內(nèi)，安裝頂進裝置；（5）機頭頂進，焊接鋼管節(jié)于機頭后方，多次頂進鋼管節(jié)至設(shè)計樁深；（6）機頭回收并灌注混凝土成樁。

需要說明的是，本次頂管樁施工采用的鋼管節(jié)外徑為1 000 mm，壁厚20 mm，單個鋼管節(jié)長為1.5 m，后續(xù)可根據(jù)實際工程需要調(diào)整相應(yīng)尺寸大小。實際頂管機頭如圖1所示。

圖1 1 m垂直頂管機頭

頂管機由頂管機頭和外徑為1 m的外殼體組成，包括切削刀盤、液壓驅(qū)動馬達、撐靴、進排漿泵等。機頭的頂進和回收功能主要通過撐靴與外殼體之間的連接和分離來實現(xiàn)，并在機頭的后端安裝三個接近開關(guān)用以判斷刀盤的轉(zhuǎn)動狀態(tài)，確保機頭回收時刀盤處于初始位置。切削刀盤由3個“梭子”形狀刀盤組成，刀盤繞自身形心自轉(zhuǎn)的同時，繞驅(qū)動裝置公轉(zhuǎn)。3個“梭子形”刀盤切削土體的過程中，3個刀盤本身自轉(zhuǎn)起到攪拌棒的作用使土體分散，避免土體固化成塊狀影響排漿效果。其工作原理如同行星攪拌機，另外三刀盤繞驅(qū)動裝置公轉(zhuǎn)可以實現(xiàn)切削全斷面。最終，切削斷面外徑1 010 m，略大于殼體外徑。另外，泥沙排漿泵安裝于機頭內(nèi)部，可與機頭共同進退。

獨立設(shè)計的頂管機液壓控制系統(tǒng)以PLC閉環(huán)控制為核心，通過控制閥組的通斷或開度實現(xiàn)輸出量的監(jiān)測和反饋，從而對千斤頂壓力或位移進行高精度控制。

頂進裝置設(shè)計較為簡單，主要由步進式油缸、壓板、頂進導(dǎo)軌和管節(jié)平動裝置等構(gòu)成，通過16只可承受頂進反力最大可為150 t的地腳螺栓將頂進裝置固定于試驗平臺。

PLC控制操作頁面設(shè)置在中央控制柜內(nèi)。操作界面主要分為主操作界面和故障報警顯示界面。其中，主操作界面包括送漿泵電機、排漿泵電機和刀盤電機（鎖緊油缸和推進油缸）的操作，還有電機各參數(shù)的顯示以及推進行程、推進速度和刀盤轉(zhuǎn)動標(biāo)記點的顯示，方便操作人員進行試驗實時監(jiān)控操作。

2 頂管樁成套施工工藝

現(xiàn)場施工所需面積尺寸為20 m×10 m，設(shè)置頂進平臺、材料堆場、操作室、廢漿處理系統(tǒng)等。頂進平臺尺寸為10 m×5 m×1.2 m，由C35混凝土澆筑成型，總重150 t。平臺內(nèi)預(yù)埋內(nèi)徑為1 030 mm的鋼護筒以及用于固定頂進支架的地腳螺栓和測試埋件。其中鋼護筒作為頂管機頭始發(fā)平臺，須結(jié)合垂直度測量儀和重錘多次校核確保其垂直度。

組裝完頂管機頭以及配套液壓和電器設(shè)備后，調(diào)試機頭刀盤檢測裝置、刀盤正反轉(zhuǎn)狀態(tài)以及機頭集中潤滑狀態(tài)，并將保護平臺焊接于機頭后方后連接初始泥漿管路。隨后將機頭吊至鋼護筒內(nèi)，并調(diào)整機頭垂直度。關(guān)鍵問題：初始機頭和管節(jié)因自重會出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，故頂進壓板和鋼管節(jié)需要增加簡單的快速銷軸連接裝，限制其位移。

將1號管節(jié)焊接于0號管節(jié)之后，調(diào)試機頭工作狀態(tài)。并將頂進裝置吊機頭上方，用地腳螺栓固定之后連接液壓、電控、泥漿等系統(tǒng)，設(shè)備安裝完成。

如圖 2所示，以頂進平臺為界安裝腳手架，凈高4.0 m，用以模擬實際低凈空施工條件，準(zhǔn)備頂進。

圖2 施工現(xiàn)場總布置圖

后續(xù)施工步驟如下：

（1）啟動頂管機，待切削刀盤轉(zhuǎn)速均勻后，調(diào)整進、排漿泵速度使泥漿循環(huán)連續(xù)且正常。

（2）千斤頂開始頂進，并結(jié)合進、排漿效果調(diào)整機頭頂進速度。

（3）當(dāng)步進式油缸達到最大行程后，解開用以固定壓板和千斤頂?shù)目ōh(huán)，使千斤頂行程回縮至零后鎖緊卡環(huán)，繼續(xù)頂進至前一管節(jié)到位。

（4）解開連接于機頭的油路、泥漿管路后，將其穿過下一管節(jié)，并通過管節(jié)平動裝置將管節(jié)運送至前管節(jié)之上，焊接前后管節(jié)。

（5）重復(fù)上述1～4步，直至機頭頂進至設(shè)計樁深。持續(xù)頂進過程中，在機頭后方安裝激光測點，通過激光垂直度測量儀監(jiān)測機頭頂進位置，并在壓板和管節(jié)間安裝墊塊實現(xiàn)樁身的垂直。

（6）通過3個接近開關(guān)把刀盤回縮在殼體范圍內(nèi)，油缸回縮使撐靴與殼體分離，并向樁內(nèi)灌滿泥漿以穩(wěn)定樁底土體后，將機頭吊離樁身，邊吊離邊拆除漿管直至機頭回收完成。

（7）將漿管連接后插入至樁底，向樁身內(nèi)灌注混凝土，邊灌注邊提拉漿管至樁身灌滿混凝土，成樁結(jié)束。

3 施工對周圍環(huán)境影響的數(shù)據(jù)分析

為定量明確頂管樁整套施工工藝對樁周環(huán)境的影響，如圖3所示布置測點，重點監(jiān)測地表土體沉降、土體水平位移和豎向位移以及樁底土體擾動。其中，地表沉降通過水準(zhǔn)儀監(jiān)測，土體水平位移監(jiān)測采用測斜法，土體豎向位移采用磁環(huán)法，樁底土體擾動采用深層沉降標(biāo)測量。

圖3 測點布置

監(jiān)測結(jié)果顯示：

（1）地表沉降方面，本次共頂進20個鋼管節(jié)，單個管節(jié)頂進引起的地表隆起和沉降都在2 mm范圍內(nèi)；機頭回收造成的地表沉降（≈2 mm）位于斷面3左側(cè)，而混凝土灌注引起的地表最大隆起量為1.52 mm，位于斷面2左側(cè)；成樁結(jié)束后地表最大隆起為1.32 mm（斷面3右側(cè)），最大沉降量為0.73 mm（斷面1右側(cè)）。

（2）土體徑向水平位移方面，當(dāng)頂進至設(shè)計深度時以及機頭回收后，土體徑向水平位移都位于地表，分別為3.3 mm和3.1 mm；混凝土灌注成樁后，最大水平位移為2.97 mm，位于埋深11.5 m處。

（3）土體豎向位移方面，成樁結(jié)束，土體豎向向上位移和向下位移最大分別約為13 mm和8 mm。

（4）樁底土體擾動方面，機頭頂至設(shè)計深度，樁底土體豎向向上位移0.09 mm，量值較小；機頭回收后，樁體土體失穩(wěn)回涌，樁底土體向下位移1.42 mm；混凝土灌注成樁后，樁底土體受擠壓后向下位移0.53 mm。

綜合以上量值進行考量：頂管樁引起的擠土效應(yīng)較不明顯，未來可應(yīng)用于群樁或者密集樁工程；土體豎向位移和地表位移較小，對上方既有建筑沉降控制較為良好。

4 頂管樁施工優(yōu)化方案

（1）機頭優(yōu)化

管節(jié)頂進過程中，大顆粒石塊易堵塞出漿口，故對垂直頂管機頭的刀盤攪拌裝置進行改進，將刀盤上的攪拌板去除，在刀盤和機頭前端之間增加防土塞結(jié)構(gòu)。

（2）反力系統(tǒng)多樣化

為適應(yīng)圍護排樁的施工需求，鋼管樁壓樁裝置可設(shè)計成抱壓式液壓靜力壓樁結(jié)構(gòu)，以提高空間的使用效率和施工效率。

（3）同步灌注混凝土

機頭回收過程中，為確保樁底土體穩(wěn)定不坍塌，可利用泥漿管作為混凝土輸送管道，實現(xiàn)同步灌注混凝土。

（4）承壓水地層旋噴加固

頂管樁施工前，可利用MJS等高性能旋噴技術(shù)對設(shè)計樁底位置的土體（承壓水地層）進行加固，增強其強度與抗?jié)B性，確保機頭回收時樁底土體穩(wěn)定。

（5）防突涌密封裝置

洞口防突涌密封設(shè)計可從兩個方面入手。具體為：安裝洞口止水裝置，施工期間作為臨時阻水裝置，抑制承壓水突涌；通過注漿孔壓漿，填充結(jié)構(gòu)底板和頂管樁之間空隙，實現(xiàn)永久性止水。

此外，還可以通過樁側(cè)預(yù)留注漿管置換頂進過程中的潤滑泥漿，提高摩擦承載力，進一步提高工法的性價比。

5 結(jié)論

本文從頂管樁機頭、頂進裝置和頂進控制系統(tǒng)設(shè)計出發(fā)，將成套的頂管樁施工工藝進行介紹，包括場地布置、設(shè)備安裝調(diào)試、以及機頭頂進、回收和混凝土灌注成樁等過程。結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，證明了上海典型軟土地層頂管樁施工對周圍環(huán)境的微擾動。最后，本文基于機頭優(yōu)化、反力系統(tǒng)設(shè)計、混凝土同步灌注技術(shù)、承壓水地層加固以及洞口防突涌設(shè)計等5個方面對頂管樁施工工藝進行優(yōu)化。

本次頂管樁施工技術(shù)的研究為上海典型區(qū)域既有建筑拓展地下空間、提升功能和可持續(xù)發(fā)展，為深層地下空間的開發(fā)，提供有效的技術(shù)儲備。