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(guó)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(zhǎng)，存在一定擠土效應(yīng)，且難以通過實(shí)時(shí)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(shí)，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(chǎng)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(duì)解決既有建筑條件下地下空間微擾動(dòng)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(shí)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(duì)周圍環(huán)境的微擾動(dòng)。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(chǔ)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(jì)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(jì)深度計(jì)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(jì)頂進(jìn)平臺(tái)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(tái)，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(jì)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(gè)鋼管節(jié)長(zhǎng)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(dòng)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(gè)接近開關(guān)用以判斷刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，確保機(jī)頭回收時(shí)刀盤處于初始位置。切削刀盤由3個(gè)“梭子”形狀刀盤組成，刀盤繞自身形心自轉(zhuǎn)的同時(shí)，繞驅(qū)動(dòng)裝置公轉(zhuǎn)。3個(gè)“梭子形”刀盤切削土體的過程中，3個(gè)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(dòng)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(jì)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(cè)和反饋，從而對(duì)千斤頂壓力或位移進(jìn)行高精度控制。

頂進(jìn)裝置設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，主要由步進(jìn)式油缸、壓板、頂進(jìn)導(dǎo)軌和管節(jié)平動(dòng)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(tái)。

PLC控制操作頁(yè)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(bào)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(dòng)標(biāo)記點(diǎn)的顯示，方便操作人員進(jìn)行試驗(yàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控操作。

2 頂管樁成套施工工藝

現(xiàn)場(chǎng)施工所需面積尺寸為20 m×10 m，設(shè)置頂進(jìn)平臺(tái)、材料堆場(chǎng)、操作室、廢漿處理系統(tǒng)等。頂進(jìn)平臺(tái)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(tái)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(cè)試埋件。其中鋼護(hù)筒作為頂管機(jī)頭始發(fā)平臺(tái)，須結(jié)合垂直度測(cè)量?jī)x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(cè)裝置、刀盤正反轉(zhuǎn)狀態(tài)以及機(jī)頭集中潤(rùn)滑狀態(tài)，并將保護(hù)平臺(tái)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(huì)出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，故頂進(jìn)壓板和鋼管節(jié)需要增加簡(jiǎn)單的快速銷軸連接裝，限制其位移。

將1號(hào)管節(jié)焊接于0號(hào)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(tái)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(chǎng)總布置圖

后續(xù)施工步驟如下：

（1）啟動(dòng)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(dòng)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(jì)樁深。持續(xù)頂進(jìn)過程中，在機(jī)頭后方安裝激光測(cè)點(diǎn)，通過激光垂直度測(cè)量?jī)x監(jiān)測(cè)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(gè)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。

3 施工對(duì)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(duì)樁周環(huán)境的影響，如圖3所示布置測(cè)點(diǎn)，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)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(dòng)。其中，地表沉降通過水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)，土體水平位移監(jiān)測(cè)采用測(cè)斜法，土體豎向位移采用磁環(huán)法，樁底土體擾動(dòng)采用深層沉降標(biāo)測(cè)量。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：

（1）地表沉降方面，本次共頂進(jìn)20個(gè)鋼管節(jié)，單個(gè)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(jì)深度時(shí)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(dòng)方面，機(jī)頭頂至設(shè)計(jì)深度，樁底土體豎向向上位移0.09 mm，量值較小；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(duì)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(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(duì)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(jì)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(duì)設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)可從兩個(gè)方面入手。具體為：安裝洞口止水裝置，施工期間作為臨時(shí)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(rùn)滑泥漿，提高摩擦承載力，進(jìn)一步提高工法的性價(jià)比。

5 結(jié)論

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(jì)出發(fā)，將成套的頂管樁施工工藝進(jìn)行介紹，包括場(chǎng)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(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，證明了上海典型軟土地層頂管樁施工對(duì)周圍環(huán)境的微擾動(dòng)。最后，本文基于機(jī)頭優(yōu)化、反力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、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(jì)等5個(gè)方面對(duì)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(chǔ)備。