淺埋盾構(gòu)區(qū)間側(cè)穿地下承重樁加固技術(shù)研究

蔣勇軍

(中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司，河北 涿州 072700)

1 概 述

當(dāng)淺埋軌道交通盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)側(cè)穿或下穿鐵路或公路橋梁、工業(yè)與民用建筑等建(構(gòu))筑物時(shí)，必須以確保建(構(gòu))筑物地下承重樁沉降、位移的變形不超出規(guī)范要求范圍，這樣才能保證施工安全、施工進(jìn)度和工程質(zhì)量[1]。濟(jì)南市CBD預(yù)留市政配套工程土建施工二標(biāo)歷下廣場(chǎng)站—綢帶公園站區(qū)間工程，為解決側(cè)穿歷下廣場(chǎng)站地下空間開發(fā)結(jié)構(gòu)時(shí)遇到的淺埋、側(cè)穿地下承重樁基距離較近等施工難點(diǎn)，通過(guò)分析區(qū)間的地質(zhì)特性和施工工況，采取鉆孔灌注隔離樁保護(hù)承重樁、高壓旋噴預(yù)加固地層、盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)控制、沉降控制等技術(shù)舉措,確保了施工安全和進(jìn)度。

2 工程和地質(zhì)概況

濟(jì)南市CBD效果圖見(jiàn)圖1，濟(jì)南市CBD地鐵站和歷下廣場(chǎng)地下空間效果圖見(jiàn)圖2。預(yù)留軌道交通工程歷下廣場(chǎng)站—綢帶公園站區(qū)間從歷下廣場(chǎng)站引出后，先后穿越解放東路、橫十路、橫八路，最后進(jìn)入綢帶公園站(見(jiàn)圖3)，左右線長(zhǎng)度分別為793.6m和860.8m。盾構(gòu)側(cè)穿歷下廣場(chǎng)地下空間開發(fā)結(jié)構(gòu)范圍長(zhǎng)度為左、右線長(zhǎng)度分別為39m和44m。

圖1 濟(jì)南CBD效果圖

圖2 濟(jì)南CBD地鐵站和地下空間結(jié)構(gòu)效果圖

圖3 歷綢區(qū)間平面

工程地質(zhì)盾構(gòu)側(cè)穿地下承重樁基地層有碎石層、強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r、溶洞層、強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r和中風(fēng)化灰?guī)r，盾構(gòu)區(qū)間區(qū)間大多為 中風(fēng)化灰?guī)r，圍巖等級(jí)大多為Ⅲ～Ⅵ 級(jí)，沿線在勘察和實(shí)際施工階段，都沒(méi)出現(xiàn)地下水。歷下廣場(chǎng)樁基地質(zhì)縱剖面見(jiàn)圖4。

圖4 歷下廣場(chǎng)樁基地質(zhì)縱剖面

3 盾構(gòu)區(qū)間與地下承重樁相對(duì)位置及周邊環(huán)境

3.1 歷下廣場(chǎng)承重樁與盾構(gòu)區(qū)間位距情況

濟(jì)南市CBD預(yù)留市政配套工程歷下廣場(chǎng)站—綢帶公園站區(qū)間左側(cè)里程SK1+103.080～SK1+146.720、右側(cè)里程XK1+107.806～XK1+146.720穿越地下空間開發(fā)結(jié)構(gòu)。通過(guò)鉆孔灌注樁基礎(chǔ)型式施作歷下廣場(chǎng)地下空間承重樁結(jié)構(gòu)，鉆孔灌注樁樁長(zhǎng)12.9m，φ1m，區(qū)間盾構(gòu)區(qū)間最小埋深(拱頂與地下空間結(jié)構(gòu)底板最近距離)僅3.3m。

在歷下廣場(chǎng)承重樁范圍內(nèi)的區(qū)間盾構(gòu)區(qū)間底部高程高于水位線，盾構(gòu)掘進(jìn)直徑6.68m，安裝管片后直徑6.4m，右線盾構(gòu)區(qū)間邊緣與東側(cè)承重樁樁基距離是3.6m，與西側(cè)承重樁樁基距離是3.1m；左線盾構(gòu)區(qū)間邊緣與東側(cè)承重樁樁基距離是3.1m，與西側(cè)承重樁樁基距離是4.67m。由于盾構(gòu)區(qū)間與承重樁樁基距離很近，加上承重樁樁基抗剪能力不強(qiáng)，在盾構(gòu)施工時(shí)會(huì)對(duì)樁基產(chǎn)生一定側(cè)壓力，嚴(yán)重時(shí)影響承重樁樁基的功能。歷下廣場(chǎng)承重樁與盾構(gòu)區(qū)間位距情況見(jiàn)圖5。

圖5 廣場(chǎng)地下結(jié)構(gòu)和盾構(gòu)區(qū)間位置剖面

3.2 地下承重樁基區(qū)間周圍環(huán)境

濟(jì)南市CBD預(yù)留市政配套工程歷下廣場(chǎng)站—綢帶公園站區(qū)間側(cè)穿地下承重樁樁基段也是歷下廣場(chǎng)地下空間彼此進(jìn)行共同施工區(qū)域，北側(cè)是綢帶公園站接收端井，四周不存在危險(xiǎn)房建、老舊建(構(gòu))物，也不存在光纜及煤氣管道等(見(jiàn)圖6)。

圖6 廣場(chǎng)地下結(jié)構(gòu)和盾構(gòu)區(qū)間位置俯視

4 鉆孔灌注隔離樁保護(hù)承重樁方案

4.1 鉆孔灌注隔離樁作用

借助鉆孔灌注隔離樁，能對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的推力進(jìn)行有效阻斷，有效避免盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)橋樁結(jié)構(gòu)的直接擾動(dòng)，同時(shí)，隔離樁能夠?qū)Χ軜?gòu)機(jī)穿越后兩邊土體向臨空方位的變形進(jìn)行有效限制，對(duì)樁基自身的橫向位移進(jìn)一步縮小。通過(guò)設(shè)置頂部連梁，能夠?qū)⒏縻@孔樁聯(lián)系成一個(gè)整體，可以發(fā)揮抵抗形變作用[2]。

4.2 隔離樁施作

a.施工步驟。鉆孔灌注隔離樁為做好隔離防護(hù)，在盾構(gòu)側(cè)穿的歷下廣場(chǎng)地下空間承重樁和左右線盾構(gòu)區(qū)間中間位置布置40根樁長(zhǎng)度為22.75m的1排直徑80cm@100cm鉆孔灌注隔離樁(鉆孔灌注隔離樁采用泥漿護(hù)壁成孔和隔孔鉆孔的方式，成孔后，將C30混凝土注入，隔離樁施工流程見(jiàn)圖7)。在最外側(cè)2排隔離樁樁頂布置80cm×80cm聯(lián)系梁。

圖7 鉆孔灌注隔離樁施工流程

b.施作核心點(diǎn)。將2根注漿鋼管在隔離樁內(nèi)沿鋼筋籠的圓周進(jìn)行對(duì)稱布置，并作為樁身完整性聲速檢測(cè)管，將注漿管接觸到樁底，采用P·O42.5水泥進(jìn)行注漿。樁基成孔，鋼筋籠吊入后，用導(dǎo)管法澆注混凝土；把長(zhǎng)度大于1m的鋼護(hù)筒設(shè)置在鉆孔灌注隔離樁孔口處，通過(guò)黏土對(duì)護(hù)筒外側(cè)下端進(jìn)行密實(shí)填筑；樁身垂直偏差小于1%，樁位誤差范圍±20mm，樁徑誤差范圍±50mm[3]。

5 高壓旋噴樁對(duì)地層預(yù)加固施工技術(shù)

高壓旋噴樁，將水泥漿液借助高壓泵從鉆桿噴頭高速噴到周邊土體，通過(guò)高壓沖擊力對(duì)土層進(jìn)行切削，與此同時(shí)，鉆桿高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，緩慢進(jìn)行抬升，確保水泥漿和土體充分?jǐn)嚢杌旌夏蹋罱K形成具有相當(dāng)強(qiáng)度的圓柱固結(jié)體，從而實(shí)現(xiàn)加固地基的目的[4]。高壓旋噴注漿加固和地下承重樁基平面示意見(jiàn)圖8。

圖8 注漿加固和地下承重樁基位平面

5.1 高壓旋噴樁優(yōu)點(diǎn)

施工噪聲小，振動(dòng)不大；設(shè)備施工便捷、功效高、成本不高；對(duì)任何軟弱土層都適用，加固范圍能夠控制；能提高地基的抗剪強(qiáng)度；能將小直徑鉆孔旋噴成比孔大很多的大直徑固結(jié)體，特別適用于已有建筑物地基加固而不擾動(dòng)附近土體[5]。

5.2 高壓旋噴樁質(zhì)量控制要點(diǎn)

研究分析盾構(gòu)穿越地層結(jié)構(gòu)，參考盾構(gòu)始發(fā)(接收)端頭加固技術(shù)，通過(guò)高壓旋噴樁對(duì)淺埋段進(jìn)行加固，加固范圍是盾構(gòu)區(qū)間頂部距地面 1m 、盾構(gòu)區(qū)間底部以下 3m，左右兩側(cè)加固到距離樁基 1m 處。為了提升整體土體的強(qiáng)度，隨旋噴深度增加逐漸削弱旋噴壓力，同時(shí)充填溶腔或空洞。

質(zhì)量控制要點(diǎn)：以先稀后濃的原則配置水泥漿液， 水泥漿液的水灰比依據(jù)實(shí)際要求配置，通常取0.6 ～ 0.8。借力高壓水將樁內(nèi)松動(dòng)的巖塊、泥巖沖刷下來(lái)，向上緩慢提升，將巖面到樁底的鉆孔通過(guò)沖刷擴(kuò)徑，被沖刷掉的巖塊、泥巖被高壓水沖出樁外，直到從鉆孔底部冒出的水非常清澈為止。必須依據(jù)土質(zhì)情況和施工規(guī)范要求確定高壓噴射注漿施工參數(shù)。使用注漿機(jī)把水泥漿液通過(guò)注漿管由孔底注入，鉆桿以20r/min左右速度高速旋轉(zhuǎn)。注漿結(jié)束后，應(yīng)該馬上將噴射管抽出，為避免漿液凝固收縮對(duì)樁頂高程產(chǎn)生影響，需要對(duì)原來(lái)孔位進(jìn)行二次注漿或冒漿回灌。噴射完漿液后，水泥漿隨之漸漸凝固，漿面隨之下降，這時(shí)，要馬上把水泥漿液注入孔內(nèi)，直到液面穩(wěn)定不降。

6 盾構(gòu)掘進(jìn)及施工控制措施

6.1 掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定

a.確定同步注漿參數(shù)。注漿量通常是理論建筑空隙的180%～250%，依據(jù)壓力、流量雙重控制實(shí)際注漿量，要以流量為輔、壓力為主，確保注漿量充足[6]。

b.確定土壓力。根據(jù)掘進(jìn)地質(zhì)條件，土壓力需根據(jù)朗肯主動(dòng)土壓力理論或靜止土壓力理論進(jìn)行設(shè)定，主動(dòng)土壓力要高于最低土壓力。

c.設(shè)定掘進(jìn)速度。盾構(gòu)下穿廣場(chǎng)地下空間時(shí)，必須保證施工穩(wěn)定，防止掘進(jìn)速度或快或慢，避免對(duì)土體擾動(dòng)較大。掘進(jìn)速度控制在30～50mm/min，刀盤旋動(dòng)速率范圍是1.0～1.1r/min。

6.2 改良渣土

根據(jù)掘進(jìn)地層的情況，通過(guò)油脂泡沫改良渣土。為提高改良效果，需要對(duì)泡沫膨脹率和混合比進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)整。按照類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，在流量280～400L/min時(shí)，泡沫發(fā)泡率為4～6，在原液摻量4%的情況下，渣土改良效果較好。

6.3 盾構(gòu)掘進(jìn)

糾偏遵循勤糾、少糾的原則，每環(huán)糾偏量小于5mm，科學(xué)使用推進(jìn)和鉸接油缸的行程差，結(jié)合盾尾間隙科學(xué)選用管片拼裝點(diǎn)位，從而達(dá)到糾偏的效果，有效控制地面沉降[7]。

管片拼裝：盾構(gòu)穿越地下空間時(shí)，盾構(gòu)區(qū)間管片選取增加注漿孔的加強(qiáng)型管片(管片結(jié)構(gòu)加密加粗配筋)，這樣二次注漿時(shí)能夠?qū)Φ孛娉两颠M(jìn)行抑制。

6.4 洞內(nèi)二次注漿加固

盾構(gòu)側(cè)穿承重樁樁基時(shí)，如果掘進(jìn)出土超限導(dǎo)致地面沉降達(dá)到30mm極限值，或者樁基傾斜臨近允許值2‰，此時(shí)如果管片出現(xiàn)下沉，洞內(nèi)注漿無(wú)法保護(hù)樁基，需要在洞內(nèi)通過(guò)二次注漿進(jìn)行加固。

6.4.1 洞內(nèi)二次注漿加固方法及加固范圍

為有效控制地面沉降，二次注漿加固按照盾構(gòu)通過(guò)后的地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行。當(dāng)盾尾脫出4環(huán)管片后，通過(guò)靜壓注漿機(jī)注入水泥-硅酸鈉雙液進(jìn)行二次注漿加固，加固范圍通常為沉降點(diǎn)對(duì)應(yīng)的盾構(gòu)管片環(huán)和該管片環(huán)前后各3管片環(huán)(見(jiàn)圖9)，從而彌補(bǔ)同步注漿的缺陷以及因同步注漿漿液固結(jié)收縮形成的空洞，從而更有效地抑制地面沉降。

圖9 加固范圍示意

6.4.2 加固施工工藝

通過(guò)跳環(huán)進(jìn)行注漿(跳1環(huán)/次)。注漿位置選定在每環(huán)管片上、下部120°點(diǎn)位兩個(gè)孔，注漿順序先下后上(見(jiàn)圖10)。借助電鉆在注漿孔底部進(jìn)行鉆孔，鉆桿長(zhǎng)度不小于70cm，注漿孔被打通以后，將注漿頭安裝在注漿孔前端，然后將上閥門和三通安裝在注漿頭上，將注漿管和三通進(jìn)行連接。采取靜壓注漿機(jī)注射水泥漿和硅酸鈉混合的雙液漿。注漿壓力為0.15～0.3MPa。完成注漿后，通過(guò)速凝水泥封堵注漿孔，然后將防水蓋擰緊。

圖10 管片注漿點(diǎn)位切面

7 地面沉降控制與監(jiān)測(cè)

7.1 地面沉降控制

盾構(gòu)土壓平衡掘進(jìn)的控制土壓力，根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)地段的埋深和地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整，并通過(guò)同步注漿對(duì)盾構(gòu)刀盤掘進(jìn)直徑與管片外徑之間的空洞進(jìn)行填充；為將盾構(gòu)區(qū)間的穩(wěn)定性進(jìn)一步提高，除進(jìn)行二次加固注漿外，通過(guò)在洞內(nèi)進(jìn)行深孔注漿的方法，在管片外周形成一道穩(wěn)定的注漿固結(jié)層，從而防止淺埋層的土引起管片上浮。

7.2 地面沉降監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在盾構(gòu)側(cè)穿地下構(gòu)筑物樁基期間，地面沉降、承重樁水平位移和豎向位移、隧道里管片收斂等相關(guān)檢測(cè)項(xiàng)目指標(biāo)都在規(guī)定范圍之內(nèi)。

8 結(jié) 語(yǔ)

為研究淺埋盾構(gòu)區(qū)間側(cè)穿地下承重樁加固技術(shù)，以濟(jì)南市CBD預(yù)留市政配套工程歷下廣場(chǎng)站—綢帶公園站區(qū)盾構(gòu)間側(cè)穿歷下廣場(chǎng)承重樁施工為例，可以得出如下結(jié)論：借助鉆孔灌注隔離樁能有效隔離盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)近距離承重樁結(jié)構(gòu)的直接擾動(dòng)；采用高壓旋噴樁對(duì)淺埋地層進(jìn)行加固，提高了盾構(gòu)區(qū)間周邊地層的整體穩(wěn)定性；通過(guò)采取對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)設(shè)定、改良渣土、控制糾偏、控制同步注漿、管片拼裝、洞內(nèi)二次注漿加固和地面沉降監(jiān)測(cè)等措施，確保了施工順利推進(jìn)。