臨近地鐵橋梁樁基微擾動施工工法的應(yīng)用研究

王 勇

（中鐵四局集團(tuán)有限公司南京分公司，江蘇 南京 210000）

1 工程概況

位于南京市江北新區(qū)的江北新區(qū)緯七路快速化改造一期工程，左右分幅主線高架橋和七座互通匝道A、B、C、D、E、LU、RD。其中，兩座主線高架橋和上下匝道LU和RD位于已運營南京地鐵10號線兩側(cè)，A、C匝道上跨地鐵10號線。橋梁樁基采用Φ1.5 m、Φ1.2 m的鉆孔樁灌注樁。通過設(shè)計圖紙可知，主線高架橋左右幅MZ04#～MZ14#、MY00#～MY13#樁 基、 上 下 匝 道LU0#、LU4#、RD0#、RD4#樁基靠近地鐵10號線，鉆孔樁距車站主體結(jié)構(gòu)最近僅5.05 m；A匝道A10#～A11#墩、C匝道C9#～C10#墩靠近地鐵區(qū)間，鉆孔樁距地鐵最小距離5.15 m。樁基微擾動施工工法，即全套管跟進(jìn)成孔工藝可有效減少橋梁樁基施工對地鐵盾構(gòu)區(qū)間所屬淤泥層的擾動，切實保障地鐵結(jié)構(gòu)安全。

2 施工工藝流程及操作要點

2.1 工藝流程

主要工藝流程為：場地平整→測定樁中心、臨時護(hù)筒埋設(shè)→全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)定位→全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)定位→全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)驅(qū)動鋼套管切割切削鉆進(jìn)→垂直度監(jiān)控→鋼套管鉆進(jìn)至設(shè)計深度后移開全套管鉆機(jī)→旋挖鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工→鋼筋籠吊裝→拆除設(shè)備→退場。全套管鉆機(jī)施工示意圖如圖1所示。

圖1 全套管鉆機(jī)施工示意圖

2.2 操作要點

2.2.1 設(shè)計套管

（1） 確定套管的壁厚。由地形勘探圖紙可知，淤泥質(zhì)粉質(zhì)的黏土的標(biāo)準(zhǔn)摩擦力值是18 kPa，淤泥質(zhì)黏土的摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值為30 kPa，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土的標(biāo)準(zhǔn)摩擦力是25 kPa，由于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的占比較大，即在此次計算過程中摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值取20 kPa。

對于直徑為1.5 m的鋼套管，由計算知單位面積承受的摩擦力為2 t （1×1×20=20 kN）。

鋼管所承受的壓力為： （鋼管材質(zhì)抗拉強度×壁厚×2） /（系數(shù)×外徑）

在鋼管所承受壓力和外徑已知的情況下求壁厚方法如下：

壁厚T= （外徑×系數(shù)×壓力） / （鋼管材質(zhì)抗拉強度×2）

注：鋼管壓力系數(shù)的表示方式：

當(dāng)壓力P＞17.5 MPa時，系數(shù)S=4；

當(dāng)7 MPa＜壓力P＜17.5 MPa時，系數(shù)S=6；

當(dāng)壓力P7 MPa時，系數(shù)S=8。

鋼板使用Q345B制成，其抗拉強度為450～600 MPa，此次計算取450 MPa，g取10；

由以上公式可知：

T= （1.5×8×2） / （450×2） =26.7 mm；

套管在轉(zhuǎn)動時的扭矩為：

M=F×R=3.14×46×20×1.5×0.75=3 249 kN·m

由全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的性能表可知，DTR2005H型鉆機(jī)的瞬時扭矩為3 391 kN·m，扭矩為2 965 kN·m，可滿足使用要求。

根據(jù)以上計算可知1.5 m管徑的鋼管壁厚為26.7 mm，取安全系數(shù)為1.2，則壁厚T=32.04 mm，查表初選壁厚為32 mm的鋼板制作全套管。

T= （1.2×8×2） / （450×2） =21.3 mm；

套管轉(zhuǎn)動時的扭矩為：

M=F×R=3.14×48×20×1.2×0.6=2170 kN·m

由計算知1.2 m管徑的鋼管需壁厚為21.3 mm，取安全系數(shù)為1.2，則T=25.56 mm，查表初選壁厚為28 mm的鋼板制作全套管。

（2） 制作套管與連接孔口。鋼套管制作由鋼結(jié)構(gòu)廠完成，由于其為直縫焊管，焊縫在廠內(nèi)進(jìn)行。

①鋼套管材質(zhì)。使用Q345b鋼板制作鋼套管，且鋼材Q345b的技術(shù)要求需滿足《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》 （GB/T 1591—2008）。根據(jù)《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量與允許偏差》 （GB 709） 的B類偏差標(biāo)準(zhǔn)選用鋼板厚度，厚度的下偏差是-0.30 mm；根據(jù)《厚度方向性能鋼板》 （GB/T 5313—2010） 的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定鋼板是否滿足條件。

②制作鋼套管的要求。a.需選用的鋼板具有出廠合格證，且滿足鋼套管的設(shè)計要求，鋼板表面狀態(tài)良好，無氣泡、裂縫等缺陷。b.采用卷制直焊縫形式制作鋼套管時應(yīng)當(dāng)采用較大的管節(jié)長度，可有效減少管節(jié)拼接的次數(shù)，縱向的管節(jié)焊縫應(yīng)錯開90°，縱縫的距離＞1 m。根據(jù)《工程樁基規(guī)范》（JTS 167-4-2012） 的相關(guān)規(guī)定確定成品鋼套管的外尺寸偏差、管節(jié)外形尺寸偏差與相鄰管徑偏差。

③焊接鋼套管的要求。a.使用自動埋弧焊焊接鋼套管，采用H10MnSi和H08MnA等焊絲并配合對應(yīng)的焊劑。b.鋼套管的所有焊縫均為連續(xù)滿焊，對接焊縫均要求焊透，鋼板樁的縱縫為一級焊縫，環(huán)縫也為一級焊縫，其他對接焊縫均為二級焊縫，角焊縫是為三級焊縫。

④檢測鋼套管焊縫的要求。a.進(jìn)行焊接接頭機(jī)械性能試驗，測試鋼套管的焊縫試驗要求應(yīng)符合《工程樁基規(guī)范》JTS 167-4-2012第9.9.5款的規(guī)定；b.所有對接焊縫應(yīng)按相應(yīng)等級要求進(jìn)行無損探傷檢測，焊縫進(jìn)行100%超聲波檢測，套管進(jìn)場時需附相應(yīng)焊縫的檢測報告。

⑤鋼套管孔口的連接。兩節(jié)鋼套管之間采用CO2氣體保護(hù)焊連接，上下套管各打30°剖口，采用兩臺焊機(jī)對稱施焊；將套管對接準(zhǔn)確后，先在四周點焊固定，然后兩名電焊工對稱進(jìn)行焊接；焊接完成后自然冷卻2 h。

（3） 套管底部處理。為保證鋼套管能順利進(jìn)入巖層，需在套管底部設(shè)置合金刀頭；刀頭分為刀片和刀座兩部分，刀片與刀座采用鑲嵌連接并焊接牢固；刀座焊接在刀筒上，刀筒壁厚40 mm，長50 cm；刀筒設(shè)置在鋼套管底部與鋼套管焊接。

2.2.2 全套管鉆機(jī)的施工

具體施工如下：

（1） 施工準(zhǔn)備和場地布置。包括組織、安排施工人員，物資、材料、機(jī)具準(zhǔn)備，施工現(xiàn)場布置，機(jī)械設(shè)備拼裝，安全、技術(shù)交底等施工前的所有準(zhǔn)備工作。

（2） 測定樁位中心。采用測量儀器定位鉆孔樁中心，并向監(jiān)理單位報驗。

（3） 全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)定位。全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)移機(jī)定位，調(diào)整鉆機(jī)的水平和垂直度，使鉆機(jī)配置的鋼套管中心與鉆孔樁中心保持一致，再次復(fù)核即可進(jìn)行套管鉆進(jìn)。

（4） 鋼套管旋轉(zhuǎn)切割切削鉆進(jìn)。采用DTR2005H型全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)配備內(nèi)徑Φ1 540 mm鋼套管，由全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)驅(qū)動鋼套管旋轉(zhuǎn)切割切削鉆進(jìn)沉入。由于鋼套管底端鑲嵌鋸齒狀的鈦合金刀頭，在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的驅(qū)動下，360°旋轉(zhuǎn)壓入套管。旋轉(zhuǎn)壓入前需調(diào)整套管垂直度，采用兩臺經(jīng)緯儀從兩個相互垂直方向進(jìn)行觀測，通過鉆機(jī)四個液壓油缸進(jìn)行糾偏，確保垂直度偏差不大于1%。

①先壓入首節(jié)套管至10 m深，取土5 m，保留底部5 m土體。并檢查監(jiān)測數(shù)據(jù)、觀察是否涌土。因全套管護(hù)壁，不會產(chǎn)生塌孔，通過測量套管內(nèi)孔深變化可知套管底部是否涌土。兩次測量的套管內(nèi)孔深之差即為涌土高度。總結(jié)套管超前的長度，確定需保留的最小土體厚度；如發(fā)現(xiàn)套管底部涌土，可在套管內(nèi)灌注泥漿至地面，通過泥漿反壓，平衡套管底部內(nèi)外土壓力。

②接長第二節(jié)套管10 m長，采用兩臺CO2氣體保護(hù)焊機(jī)對稱施焊，焊接完成后冷卻1 h，并進(jìn)行焊縫檢測。

③根據(jù)觀察和監(jiān)測結(jié)果，確定底部涌土情況；總結(jié)套管超前的長度，確定需保留的最小土體厚度；根據(jù)情況判定是否需要向孔內(nèi)灌注泥漿，通過泥漿反壓保證套管底部土體平衡。

④重復(fù)接管、旋轉(zhuǎn)壓入、取土，將套管壓入設(shè)計深度。

（5） 鋼套管沉入設(shè)計深度后灌注樁施工。鋼套管旋轉(zhuǎn)沉入設(shè)計深度后，割除高出地面的套管移開全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，采用旋挖鉆機(jī)進(jìn)行套管內(nèi)剩余樁長以及套管深度以下樁體的成孔；并按正常鉆孔樁工藝安裝鋼筋籠、灌注水下混凝土。

3 質(zhì)量控制

3.1 全套管施工過程質(zhì)量控制

（1） 加強套管垂直度檢查，采用兩個相互垂直方向進(jìn)行觀測，要求垂直度偏差不大于1%。

（2） 對套管接頭焊接質(zhì)量加強檢查，嚴(yán)格按照平面對稱、豎向分層的要求進(jìn)行；每個班組的第一個焊縫應(yīng)進(jìn)行探傷檢測，以檢驗焊工技能水平；焊縫需自然冷卻2 h，冷卻至常溫，嚴(yán)禁澆水加快冷卻；

（3） 總結(jié)套管超前的合理參數(shù)，保留套管底部土體不少于5 m，避免造成套管底部涌土。如遇流沙層或淤泥層較厚產(chǎn)生涌土，應(yīng)立即采用泥漿灌滿套管，以保證底部土壓力平衡。

3.2 控制旋挖鉆施工質(zhì)量的措施

（1） 由于此次施工條件較差，施工地下具有較厚的淤泥層和卵石層等，在外界擾動下容易失去穩(wěn)定；在完成設(shè)計標(biāo)高后需快速安排旋挖鉆進(jìn)行工作，并灌注混凝土；套管在土壓力下的暴露時間要盡量限制，以避免不必要的土體變形。

（2） 使用泥漿法進(jìn)行旋挖鉆施工，確保能夠滿足泥漿的含沙量、黏度和比重要求；套管內(nèi)壁最好不要掛有沙土；底孔處沉渣＜5 cm。

（3） 應(yīng)當(dāng)連續(xù)灌注水下鉆孔樁，當(dāng)快到達(dá)樁頂設(shè)計標(biāo)高處時，由于混凝土灌注的水壓差變小，為加大壓力差提升灌注面的高度使用大料斗，確保能夠順利完成樁頂?shù)墓嘧ⅰ?/p>

4 結(jié)語

綜上所述，通過本工法應(yīng)用，加快了南京江北新區(qū)緯七路臨近地鐵橋梁樁基施工，同時，保證了地鐵結(jié)構(gòu)安全，避免了因橋梁樁基施工造成的地鐵結(jié)構(gòu)變形、停運等不良影響。相比以往因施工造成地鐵結(jié)構(gòu)受損進(jìn)行維修、補強施工，既帶來了嚴(yán)重的社會影響，又浪費大量費用；通過本工法的應(yīng)用獲得了良好的社會效益，同時，避免了因地鐵結(jié)構(gòu)變形帶來的巨額維修、配合費用；節(jié)省投資約五千萬元。