大型國(guó)際航站樓雙套管預(yù)應(yīng)力錨索施工技術(shù)

龐程程 陳 華 史 佳 王 剛 劉天穎

1. 中國(guó)建筑第八工程局有限公司總承包公司 上海 201204；

2. 杭州市蕭山區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站 浙江 杭州 310000

隨著工程建設(shè)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，城市在有限的地面空間內(nèi)追求更多的發(fā)展，已無法正常滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求。高層和超高層建筑以及城市地鐵的建設(shè)越來越頻繁，深基坑工程也隨之誕生。但在有限的空間內(nèi)如何進(jìn)行有效開挖，保證基坑安全值得我們深入思考。在現(xiàn)代城市中，90%的深基坑周邊均為密集的建筑物，城市重要道路、市政管線以及運(yùn)營(yíng)中的地鐵等相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)基坑開挖和支護(hù)的設(shè)計(jì)計(jì)算和施工技術(shù)等要求越來越高。由于基坑的復(fù)雜性，加之設(shè)計(jì)和施工的選擇性不同，仍有許多基坑工程發(fā)生坍塌，造成不可估量的損失。面對(duì)一方面是深基坑越挖越深、工程地質(zhì)條件隨著工程環(huán)境改變?cè)絹碓讲睢⒒又車ㄖ锶后w越來越密、基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)形式越來越多樣化；另一方面是基坑支護(hù)施工成功率仍較低，如何為深基坑“量身定做”施工方案，在保證工程質(zhì)量的同時(shí)，既能達(dá)到安全性能最高，又能降低施工成本，是一個(gè)我們不得不認(rèn)真思考的問題。

本文以杭州蕭山國(guó)際機(jī)場(chǎng)新建T4航站樓深基坑工程為背景，結(jié)合深基坑支護(hù)開挖時(shí)的預(yù)應(yīng)力錨索施工，系統(tǒng)地闡述了針對(duì)地下水位高及流沙層軟塑土狀態(tài)，采用雙套管施工技術(shù)，成功施工預(yù)應(yīng)力錨索的方法，保證了基坑施工過程中的安全，取得了良好的施工效果。

1 工程概況

杭州蕭山國(guó)際機(jī)場(chǎng)T4航站樓新建工程場(chǎng)地位于機(jī)場(chǎng)進(jìn)出場(chǎng)2條主干道之間，緊鄰在建地鐵車站及高鐵車站和交通中心，基坑之間相互影響，周邊環(huán)境十分復(fù)雜，航站樓基坑分為A1和A2兩個(gè)基坑?；涌偯娣e7.9萬 m2，其中A1基坑6.5萬 m2，A2基坑1.4萬 m2。A1和A2基坑之間設(shè)置1道臨時(shí)隔斷，A1基坑先行實(shí)施，A2基坑待A1區(qū)地下結(jié)構(gòu)完成出±0 m后再行施工，A1基坑普遍挖深6.92 m，其余區(qū)域挖深在12.41～17.65 m之間。A2基坑挖深在13.70～18.05 m之間。A1和A2基坑分界線處兩側(cè)落深區(qū)由于開挖深度較深，圍護(hù)設(shè)計(jì)水平支護(hù)采用預(yù)應(yīng)力錨索＋鋼筋混凝土撐形式，如圖1所示。

2 工程水文和地質(zhì)條件

圖1 預(yù)應(yīng)力錨索斷面

本工程擬建場(chǎng)地地貌單位為沖積海積平原，地貌形態(tài)單一，場(chǎng)地自然地面較平坦，經(jīng)實(shí)測(cè)各勘探點(diǎn)的絕對(duì)高程在5.51～7.48 m之間，高差約1.98 m。根據(jù)勘探孔揭露的地層結(jié)構(gòu)、巖性特征、埋藏條件及物理力學(xué)性質(zhì)，場(chǎng)地勘探深度以內(nèi)可分8個(gè)大層，細(xì)劃為20個(gè)亞層，從上到下依次為①1雜填土、①2素填土、①4淤泥質(zhì)填土、③1砂質(zhì)粉土、③2粉砂夾砂質(zhì)粉土、③3粉砂、③4粉砂夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③5粉砂夾粉質(zhì)黏土、⑥1-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑥1-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑧1粉質(zhì)黏土、⑩1粉質(zhì)黏土、 1粉砂、 3粉質(zhì)黏土、 4圓礫、 4-2粉質(zhì)黏土、 1粉質(zhì)黏土、1細(xì)砂、 2含黏性土土圓礫、 3圓礫、 1全風(fēng)化砂礫巖、 2強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖、 3中風(fēng)化砂礫巖。

擬建場(chǎng)地淺層地下水屬孔隙性潛水，主要賦存于表層填土和③層砂質(zhì)粉土、粉砂中，由大氣降水徑流補(bǔ)給以及湖水的側(cè)向補(bǔ)給，潛水水量較大，潛水與地表水水力聯(lián)系較好，地下水位隨季節(jié)變化。本次勘察期間測(cè)得的鉆孔內(nèi)穩(wěn)定水位埋深一般為1.80～2.50 m，相應(yīng)絕對(duì)高程為3.25～4.65 m。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，淺層地下水水位年變幅為1.0～1.5 m。

3 施工方案的選擇

根據(jù)工程地質(zhì)條件及水文條件，本工程地下水位高，且地層基本為軟土層，第1道預(yù)應(yīng)力錨索施工位置為雜填土，第2道及第3道錨索位置基本為流砂層及粉砂夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。由于A1基坑預(yù)應(yīng)力錨索需打孔埋設(shè)到A2基坑中，A1基坑前期通過降水井將水位下降至預(yù)應(yīng)力錨索施工作業(yè)面以下，但A2區(qū)基坑降水井未打設(shè)，水位較高，在第1道預(yù)應(yīng)力錨索施工時(shí)采用單套管鉆進(jìn)成孔法進(jìn)行施工，鉆孔完成后套管和土層之間有地下水滲漏現(xiàn)象。

基坑開挖至第2道錨索時(shí)，采用上述方法進(jìn)行施工時(shí)，在打孔過程中管內(nèi)及管壁處發(fā)生明顯流砂現(xiàn)象，成孔后無法進(jìn)行錨索施工。通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，壓頂梁位移在不斷增加，且土體測(cè)斜已超過預(yù)警值，后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況停止鉆進(jìn)，對(duì)土體位移明顯處進(jìn)行回填壓實(shí)處理。后經(jīng)具體分析，原因?yàn)樵搮^(qū)域地下水位較高，且該地層為流砂層，土體在地下水作用下具有明顯的流動(dòng)性，采用單套管成孔施工在鉆孔過程中由于機(jī)械不斷鉆進(jìn)擾動(dòng)土體再加上地下水水頭影響，導(dǎo)致砂土在鉆進(jìn)過程中不斷從管內(nèi)和套管外壁處排出，導(dǎo)致管末端水土不斷流失，從而對(duì)基坑變形產(chǎn)生不利影響。

針對(duì)上述問題，決定在A2區(qū)打設(shè)降水井降低地下水位，同時(shí)采用單動(dòng)力頭雙套管水循環(huán)鉆進(jìn)方法成孔。通過降低地下水位，使流砂層排水固結(jié)，增加土體顆粒之間的黏聚力和摩擦力，提高土體的強(qiáng)度。

同時(shí)采用雙套管鉆進(jìn)技術(shù)[1]，保證即使在地下水位未降到理想狀態(tài)的情況下，也能有效避免砂土顆粒隨地下水從套管中和管外壁涌出，從而保證鉆進(jìn)成孔質(zhì)量以及預(yù)應(yīng)力錨索能夠順利入孔進(jìn)行后續(xù)作業(yè)。

4 施工工藝方法

本工程采用雙套管鉆機(jī)可在流砂層及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中成孔，外套管首節(jié)管為帶牙套管，可入巖，針對(duì)該特殊地層采用液壓回鉆（外套管）和沖擊（鉆桿）雙作用鉆進(jìn)，成孔過程中伴隨使用污水泵（采用夾帶泥漿的污水進(jìn)行護(hù)壁）進(jìn)行清渣，外套管與鉆桿可同步鉆進(jìn)一直達(dá)到設(shè)計(jì)深度。施工工藝流程如下。

4.1 確定孔位

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求確定錨索對(duì)應(yīng)的平面位置及標(biāo)高，對(duì)應(yīng)位置如圍護(hù)鉆孔灌注樁排樁施工間距大小不一或排樁發(fā)生偏位，采用開孔器提前開孔后再行鉆進(jìn)。

4.2 安設(shè)鉆機(jī)、加雙套管

根據(jù)錨索標(biāo)高位置平整場(chǎng)地，按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)計(jì)要求的標(biāo)高及平面位置安裝設(shè)備，調(diào)整好鉆機(jī)傾角，鉆桿和套管夾具對(duì)準(zhǔn)開孔位置。

鉆孔時(shí)孔徑150 mm，鉆孔定位誤差控制在20 mm以內(nèi)，孔斜度誤差小于2°。安裝高壓水泵，將水管接通，保證出水管與鉆機(jī)上進(jìn)水管保持連通。安裝首節(jié)套管和首節(jié)鉆桿，鉆桿和套管前端帶有牙套鉆頭，端部為絲扣連接，將鉆桿和套管組裝好，裝到鉆機(jī)上，前端鉆頭對(duì)準(zhǔn)孔位，開始鉆進(jìn)。

4.3 注水鉆孔

利用機(jī)械動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)帶動(dòng)雙套管鉆進(jìn)，通過外套管和鉆桿同步鉆進(jìn)，當(dāng)遇到流砂層和淤泥質(zhì)軟土層時(shí)采用液壓回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)（如遇到軟硬土層或者砂卵石層可采用液壓和沖擊鉆共同作用鉆進(jìn)），同時(shí)配置高壓清水泵，土層在高壓水頭及鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中高速旋轉(zhuǎn)將土體帶出成孔，過程中產(chǎn)生的廢泥漿從孔底排出。

泥漿通過鉆桿和外套管之間的縫隙排出，當(dāng)泥漿將鉆桿和外套管間縫隙堵塞時(shí)進(jìn)行適當(dāng)沖擊，可通過拆除外套管，利用鉆桿往復(fù)鉆進(jìn)，將泥渣清除。第1節(jié)鉆桿到位后，將套管與動(dòng)力頭松開，前后通過鉆桿清渣，待鉆桿與動(dòng)力頭處無泥漿后將鉆桿和動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)松開。重復(fù)上述程序，不斷添加外套管和鉆桿直至鉆至設(shè)計(jì)深度，內(nèi)套管超鉆1～2 m，保證空地沉渣在設(shè)計(jì)孔深以外。

4.4 沖洗渣土、拆除鉆桿

鉆至設(shè)計(jì)深度后，先對(duì)孔底沉渣進(jìn)行清孔，隨后清洗外套管和鉆桿，取出內(nèi)套管，利用外套管對(duì)孔壁起到護(hù)壁作用。

4.5 一次注漿

清孔完成，拆除內(nèi)套管，插入注漿管至孔底，開始注漿，注入提前拌制好的水泥漿液，水泥采用P·O 42.5水泥，水泥摻量為20%，水灰比為0.7，并摻入適當(dāng)比例的微膨脹劑和高效減水劑。通過孔底開始注漿，可將孔底預(yù)留的泥漿及清水不斷置換出來（水泥漿相對(duì)密度大于孔內(nèi)殘留泥漿相對(duì)密度），當(dāng)孔口泥漿溢出時(shí)，再注漿1～2 min，停止注漿。注漿過程中對(duì)注漿壓力要及時(shí)控制，當(dāng)?shù)叵滤贿^高水壓過大造成無法注漿時(shí)，應(yīng)立即拔出外套管，減少漿液損失，及時(shí)封堵注漿孔，在二次劈裂注漿時(shí)進(jìn)行補(bǔ)漿處理。

4.6 安裝錨索

將提前制作好并經(jīng)檢驗(yàn)合格的預(yù)應(yīng)力錨索放入孔內(nèi)。進(jìn)行二次注漿時(shí)，注漿管距孔底0.5～1.0 m，錨固端每隔2 m注漿管開設(shè)φ10 mm的注漿孔，呈梅花形布置，注漿管管底及注漿眼采用膠帶進(jìn)行包裹密封，二次注漿管外露長(zhǎng)度為1 m。

4.7 拔出外套管

錨索安裝完成后拔出外套管，逐節(jié)拆除，如拔出不順利時(shí)可邊旋轉(zhuǎn)邊拉出，控制拔管速度。每拔除2節(jié)套管時(shí)對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行一次補(bǔ)漿，確保管內(nèi)水泥漿液的密實(shí)度，直到最后一節(jié)套管拔出后做最后補(bǔ)漿，在拔出套管過程中錨索有被拉出現(xiàn)象時(shí)，在錨索端頭安裝小直徑圓木或者其他裝置，利用鉆機(jī)動(dòng)力將錨索回頂?shù)皆弧?/p>

4.8 二次注漿

在第1次注漿完成后，為保證錨索的錨固端強(qiáng)度，在首次注漿完成后4～5 h進(jìn)行二次劈裂注漿，便于將第1次注漿時(shí)形成的具有一定強(qiáng)度的錨固端沖開，將水泥漿液在高壓作用下壓入孔內(nèi)土體中，更好地將錨索固定在土層中。

注漿水泥性能同首次注漿，劈裂注漿需控制以下要點(diǎn)：二次劈裂注漿注漿壓力控制在2.5～5.0 MPa，注漿量控制在30 kg/m，注漿孔位置出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象。滿足上述三個(gè)條件其中之一即可終止注漿。二次注漿完成后1～2 min后封堵注漿管管口。

4.9 腰梁制作、預(yù)應(yīng)力張拉、錨固鎖定

預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)置在腰梁標(biāo)高，并錨固在腰梁上，腰梁采用雙拼工字鋼腰梁，腰梁與圍護(hù)樁間采用強(qiáng)度等級(jí)為C35的細(xì)石混凝土填充密實(shí)，保證圍護(hù)樁與腰梁之間有效傳力。

錨固體水泥漿液強(qiáng)度達(dá)到15 MPa并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后進(jìn)行張拉鎖定。

錨索根據(jù)設(shè)計(jì)張拉應(yīng)力分級(jí)進(jìn)行張拉，控制錨索的彈性和塑性變形，對(duì)張拉數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄，并繪制錨索荷載和位移曲線以及彈性和塑性位移曲線。張拉至設(shè)計(jì)應(yīng)力后進(jìn)行鎖定，通過壓力監(jiān)測(cè)，如發(fā)生應(yīng)力損失情況，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)張拉，最后封錨端頭。

5 雙套管施工優(yōu)越性

采用上述施工工法后，通過對(duì)施工過程中整個(gè)環(huán)節(jié)的觀察以及最終基坑圍護(hù)變形的監(jiān)測(cè)以及預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，泥漿未從注漿孔溢出且基坑變形在允許范圍內(nèi)，未發(fā)生基坑變形預(yù)警，預(yù)應(yīng)力錨索應(yīng)力未發(fā)生應(yīng)力損失，整體施工取得的效果十分良好。進(jìn)一步證明了雙套管預(yù)應(yīng)力錨索施工技術(shù)在流砂層及淤泥質(zhì)軟土層中施工的優(yōu)越性及可行性。

施工機(jī)械為履帶式液壓雙套管鉆機(jī)，行走方便，場(chǎng)地平整完成后即可施工，對(duì)地基承載力要求不高，節(jié)省了大量的準(zhǔn)備工作時(shí)間，降低工作強(qiáng)度。

在成孔后清孔過程中，采用清水清孔，有效避免了對(duì)周圍環(huán)境的影響，體現(xiàn)了綠色施工理念，采用雙套管護(hù)壁，不僅保證了水泥漿液中不夾帶泥砂，也有效保證了成孔，最終確保了錨固體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性能[2]，提高了基坑的安全性能，有效避免了基坑外部土體不均勻沉降以及地面裂縫的產(chǎn)生。

6 結(jié)語

面對(duì)國(guó)內(nèi)航站樓及大型基坑工程，針對(duì)地下水位高、水量豐富軟土地層，特別對(duì)流砂層及粉砂層和淤泥質(zhì)土層等地質(zhì)條件下預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)形式，采用雙套管鉆進(jìn)技術(shù)是非常高效且操作簡(jiǎn)單的施工方法，通過使用該施工工法，取得了非常好的施工效果，且能夠最大限度地減少對(duì)周圍環(huán)境的影響，加快施工進(jìn)度，提高施工質(zhì)量，體現(xiàn)了其經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約了施工成本，具有十分廣泛的意義。該工法是在深基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)施工中適用于高地下水位下流砂層及淤泥質(zhì)軟土層中值得推薦的施工工法，為深基坑施工提供了更好的參考范例。