楊 磊
(上海隧道工程股份有限公司,上海市 200232)
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(jī)的工作都需要平坦的地表,打樁機(jī)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(hù)結(jié)構(gòu)打設(shè)的施工難題。靜壓植樁機(jī)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(shí)時糾偏確保達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)的垂直度要求。
在新建工程項(xiàng)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(jì)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(jìn)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(hù)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(shí)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。
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(shí)際頂進(jìn)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(jìn)反力(樁側(cè)摩阻力與樁端阻力之和);(2)設(shè)計頂進(jìn)平臺尺寸,使其混凝土自重滿足最大頂進(jìn)反力要求;(3)澆筑頂進(jìn)平臺,并預(yù)留頂管始發(fā)鋼護(hù)筒;(4)頂管機(jī)頭組裝完成后定位于鋼護(hù)筒內(nèi),安裝頂進(jìn)裝置;(5)機(jī)頭頂進(jìn),焊接鋼管節(jié)于機(jī)頭后方,多次頂進(jìn)鋼管節(jié)至設(shè)計樁深;(6)機(jī)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(shí)際工程需要調(diào)整相應(yīng)尺寸大小。實(shí)際頂管機(jī)頭如圖1所示。
圖1 1 m垂直頂管機(jī)頭
頂管機(jī)由頂管機(jī)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(dá)、撐靴、進(jìn)排漿泵等。機(jī)頭的頂進(jìn)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(shí)現(xiàn),并在機(jī)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(jī)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(jī),另外三刀盤繞驅(qū)動裝置公轉(zhuǎn)可以實(shí)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(jī)頭內(nèi)部,可與機(jī)頭共同進(jìn)退。
獨(dú)立設(shè)計的頂管機(jī)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(shí)現(xiàn)輸出量的監(jiān)測和反饋,從而對千斤頂壓力或位移進(jìn)行高精度控制。
頂進(jìn)裝置設(shè)計較為簡單,主要由步進(jìn)式油缸、壓板、頂進(jìn)導(dǎo)軌和管節(jié)平動裝置等構(gòu)成,通過16只可承受頂進(jìn)反力最大可為150 t的地腳螺栓將頂進(jìn)裝置固定于試驗(yàn)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(jī)、排漿泵電機(jī)和刀盤電機(jī)(鎖緊油缸和推進(jìn)油缸)的操作,還有電機(jī)各參數(shù)的顯示以及推進(jìn)行程、推進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)動標(biāo)記點(diǎn)的顯示,方便操作人員進(jìn)行試驗(yàn)實(shí)時監(jiān)控操作。
現(xiàn)場施工所需面積尺寸為20 m×10 m,設(shè)置頂進(jìn)平臺、材料堆場、操作室、廢漿處理系統(tǒng)等。頂進(jìn)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(hù)筒以及用于固定頂進(jìn)支架的地腳螺栓和測試埋件。其中鋼護(hù)筒作為頂管機(jī)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(jī)頭以及配套液壓和電器設(shè)備后,調(diào)試機(jī)頭刀盤檢測裝置、刀盤正反轉(zhuǎn)狀態(tài)以及機(jī)頭集中潤滑狀態(tài),并將保護(hù)平臺焊接于機(jī)頭后方后連接初始泥漿管路。隨后將機(jī)頭吊至鋼護(hù)筒內(nèi),并調(diào)整機(jī)頭垂直度。關(guān)鍵問題:初始機(jī)頭和管節(jié)因自重會出現(xiàn)下沉現(xiàn)象,故頂進(jìn)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(jī)頭工作狀態(tài)。并將頂進(jìn)裝置吊機(jī)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(jìn)平臺為界安裝腳手架,凈高4.0 m,用以模擬實(shí)際低凈空施工條件,準(zhǔn)備頂進(jìn)。
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(jī),待切削刀盤轉(zhuǎn)速均勻后,調(diào)整進(jìn)、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(jìn),并結(jié)合進(jìn)、排漿效果調(diào)整機(jī)頭頂進(jìn)速度。
(3)當(dāng)步進(jìn)式油缸達(dá)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(jìn)至前一管節(jié)到位。
(4)解開連接于機(jī)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(yùn)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(jī)頭頂進(jìn)至設(shè)計樁深。持續(xù)頂進(jìn)過程中,在機(jī)頭后方安裝激光測點(diǎn),通過激光垂直度測量儀監(jiān)測機(jī)頭頂進(jìn)位置,并在壓板和管節(jié)間安裝墊塊實(shí)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(jī)頭吊離樁身,邊吊離邊拆除漿管直至機(jī)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。
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(diǎn),重點(diǎn)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(diǎn)布置
監(jiān)測結(jié)果顯示:
(1)地表沉降方面,本次共頂進(jìn)20個鋼管節(jié),單個管節(jié)頂進(jìn)引起的地表隆起和沉降都在2 mm范圍內(nèi);機(jī)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(jìn)至設(shè)計深度時以及機(jī)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(jī)頭頂至設(shè)計深度,樁底土體豎向向上位移0.09 mm,量值較??;機(jī)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(jìn)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。
(1)機(jī)頭優(yōu)化
管節(jié)頂進(jìn)過程中,大顆粒石塊易堵塞出漿口,故對垂直頂管機(jī)頭的刀盤攪拌裝置進(jìn)行改進(jìn),將刀盤上的攪拌板去除,在刀盤和機(jī)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(hù)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(jī)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(shí)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(jìn)行加固,增強(qiáng)其強(qiáng)度與抗?jié)B性,確保機(jī)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(shí)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(jìn)過程中的潤滑泥漿,提高摩擦承載力,進(jìn)一步提高工法的性價比。
本文從頂管樁機(jī)頭、頂進(jìn)裝置和頂進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計出發(fā),將成套的頂管樁施工工藝進(jìn)行介紹,包括場地布置、設(shè)備安裝調(diào)試、以及機(jī)頭頂進(jìn)、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(jī)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(jìn)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。