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      深孔砂礫地層全套管在地鐵既有結(jié)構(gòu)安全保護區(qū)的施工應用案例

      2022-04-15 11:33:45高佳吳雅男
      交通科技與管理 2022年7期

      高佳 吳雅男

      摘要 為確保地鐵既有結(jié)構(gòu)的正常使用、在建結(jié)構(gòu)的施工安全,其周邊特定范圍內(nèi)設置控制和保護區(qū)域,在地鐵結(jié)構(gòu)周邊進行外部作業(yè)時,外部作業(yè)不得影響地鐵的正常運營和施工安全,滿足地鐵結(jié)構(gòu)的正常使用、承載能力、耐久性和其他特殊功能,樁基施工的傳統(tǒng)泥漿護壁工藝已經(jīng)不能滿足要求,深孔砂礫地層采用全套管全回轉(zhuǎn)工藝施工安全可靠,為類似工程建設項目提供成熟的應用案例借鑒。

      關(guān)鍵詞 深孔砂礫地層;全套管;全回轉(zhuǎn);安全保護區(qū);鉆孔孔壁坍塌風險

      中圖分類號 U412.37 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949(2022)07-0112-03

      0 引言

      隨著大城市不斷擴容,為緩解交通擁堵問題,城市軌道交通地鐵、高架橋快速路發(fā)展迅速,樁基布置與地鐵結(jié)構(gòu)沖突,進入地鐵控制和保護區(qū)域不可避免,為確保地鐵既有結(jié)構(gòu)的正常使用、在建結(jié)構(gòu)的施工安全,采用全套管全回轉(zhuǎn)工藝施工,防止鉆孔孔壁坍塌,對既有結(jié)構(gòu)起保護作用,又保證高架橋樁基成樁質(zhì)量。

      1 工程案例

      沈陽市長青街快速路建設,北起一環(huán)路,沿線走行現(xiàn)狀長青街、長青南街,終點為渾南大道以南,道路全長約5.4 km。項目范圍內(nèi)有已建成地鐵9、10號線與高架橋快速路主線并行,地鐵區(qū)間與高架橋中心線位沖突[1],高架橋樁基布置水平距離與地鐵區(qū)間線位較近,樁基布置侵入地鐵結(jié)構(gòu)外部作業(yè)凈距控制指標(《沈陽地鐵結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)標準》,樁基礎≥3 m),最小2.05 m(詳見圖1,表1)。應重點控制樁基施工工藝,確保地鐵既有結(jié)構(gòu)安全,需要較長的鋼護筒進行護壁,并進入泥礫穩(wěn)定地層2 m,護筒長度在39.6~47.5 m之間,樁直徑為1 500 mm。

      2 主要地層特性(以50橋墩為主描述)

      (1)雜填土:雜色,松散,稍濕,主要由路面、碎石、粘性土、混粒砂及建筑垃圾組成,馬路地段表層為瀝青路面,瀝青路面下為碎石墊層;層底標高為43.96 m。

      (2)中粗砂:黃褐色,稍密,稍濕,礦物成分以石英、長石為主,混粒結(jié)構(gòu),顆粒級配一般,含少量粘性土,局部含少量小卵石;層底標高為41.66 m。?

      (3)礫砂:黃褐色,稍密,局部中密,濕,礦物成分以石英、長石為主,混粒結(jié)構(gòu),顆粒級配較好,含少量粘性土及礫石、含約15%的圓礫、局部含鐵質(zhì)氧化物。大于2 mm顆粒占約總質(zhì)量的25%~45%,最大粒徑 80 mm,局部夾粘性土、中、粗砂及圓礫薄層;層底標高為37.66 m。

      (4)圓礫:稍密,局部中密,濕,母巖成分不一,以砂巖、花崗巖、結(jié)晶巖為主。磨園度較好,呈亞圓形,橢圓形,堅硬,混粒結(jié)構(gòu),顆粒級配好。含大于2 mm顆粒占總質(zhì)量的50%~65%,一般粒徑2~50 mm。最大粒徑 90 mm。局部含15%卵石,由混粒砂及粘性土充填,局部夾粘土薄層;層底標高為32.16 m。

      (5)圓礫:黃褐色,中密~密實,飽和,母巖成分不一,以砂巖、花崗巖、結(jié)晶巖為主,混粒結(jié)構(gòu),顆粒地地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性,對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性。級配良好,磨圓度較好,亞圓形,堅硬。大于2 mm礫石占總質(zhì)量的50%~55%,一般粒徑2~20 mm,最大粒徑90 mm,填充物為中粗砂及少量粘性土,局部粘性土含量偏高;層底標高為21.66 m。

      (6)礫砂:黃褐色、密實,局部中密,飽和,礦物成分以石英、長石為主,混粒結(jié)構(gòu),顆粒級配較好,含鐵質(zhì)氧化物及云母碎片。大于2 mm顆粒占總質(zhì)量的25%~45%,一般粒徑2~20 mm,最大粒徑80 mm。該層局部夾較多的粘性土、中粗砂及圓礫薄層;層底標高為6.96 m。

      (7)泥礫:黃褐色,中密,局部密實,濕,主要由粘性土、圓礫、混粒砂組成。顆分結(jié)果以礫砂及粗砂為主,含礫石、卵石,局部為粉質(zhì)粘土。礫石風化嚴重,具膠結(jié)性,含土量較大;層底標高為?4.84 m。

      (8)混合花崗片:青灰色,主要礦物成分為石英、長石、云母。原巖結(jié)構(gòu)基本破壞。巖芯呈砂土狀,手掰易碎,全風化;層底標高為?8.74 m。

      (9)混合花崗片:灰綠色,顯晶粒狀結(jié)構(gòu),片麻狀構(gòu)造,巖芯呈碎塊狀,一般塊徑3~5 cm,最大塊徑10 cm,節(jié)理裂隙很發(fā)育,錘擊不易碎,強風化;層底標高?14.34 m。

      (10)混合花崗片:灰綠色,顯晶粒狀結(jié)構(gòu),片麻狀構(gòu)造,巖芯呈短柱狀,一般柱長10~15 cm,最大柱長30 cm,節(jié)理裂隙發(fā)育,錘擊不易碎,中風化;勘查未穿透此層。

      3 工藝選擇

      (1)常見較長鋼護筒施工工藝,開孔擴孔鉆進施工將首節(jié)鋼護筒吊裝至預定標高,焊接防脫落裝置;旋挖鉆機在首節(jié)鋼護筒內(nèi)擴孔鉆進第二節(jié)鋼護筒長度后,第二節(jié)與首節(jié)鋼護筒焊接連接后,采用振動錘將鋼護筒激振至預定標高;重復前述步驟,最終將鋼護筒激振至穩(wěn)定地層的設計標高。由于鋼護筒無法回收利用,造成材料的嚴重浪費。不推薦使用。

      (2)新興施工工藝,安放較長鋼護筒可以采取全回轉(zhuǎn)鉆機與旋挖鉆機、全回轉(zhuǎn)鉆機與沖抓鉆配合、旋挖鉆機安裝驅(qū)動器施工??梢詫崿F(xiàn)快速安放與回收鋼護筒施工,解決塌孔風險、鋼護筒可以回收重復利用,該工藝施工效率成倍提升,具有安全實用推廣價值。

      根據(jù)鉆孔直徑、鉆孔深度、地質(zhì)情況、地鐵管理部門限制沖抓震動工藝施工,經(jīng)過技術(shù)比選及專家評審,采用全套管全回轉(zhuǎn)鉆進與旋挖鉆機取土的施工工藝,特點在回填層、砂礫地層質(zhì)條件下,可以發(fā)揮全回轉(zhuǎn)鉆機大扭矩切割地層的優(yōu)勢,利用全套管可靠護壁,確保無塌孔風險;又能利用旋挖鉆機快速取土的功能,實現(xiàn)快速成孔,提升施工效率。

      該項目延線勘察范圍內(nèi)為第四系全新統(tǒng)渾河高漫灘及古河道沖積層,砂礫地層一般不大于60 m,全套管鉆進過程中承受較大扭矩,鉆孔越深所承受的扭矩越大。根據(jù)地層情況及扭矩情況,綜合選用單層鋼套管,套管鋼材材質(zhì)為Q345B,壁厚為30 mm;套管接頭為精確加工的雌雄合金接頭,螺栓連接套管,套管接頭材質(zhì)為25CrMo鍛件,壁厚50 mm;套管內(nèi)徑1 500 m,套管外徑1 600 m;首節(jié)套管底部設有環(huán)行切割合金刀頭,刃口外徑比標準套管外徑稍微大一些,便于標準套管在鉆壓下沉過程中減少與地層的摩阻力。

      4 工藝原理及施工要點

      全套管全回轉(zhuǎn)施工時,垂直精度可高達1/300~1/500,首節(jié)全套管合金刀頭先行切削地層,再使用旋挖清除套管內(nèi)渣土,鉆進全程均以鋼套管護壁,可以確?;A樁孔壁不塌孔,且周邊地基不受擾動,解決常規(guī)泥漿難以護壁的軟弱松散地層、流砂層和流塑地層、易塌孔埋鉆地層和砂礫、卵石層及各類堅硬巖層中塌孔及成樁質(zhì)量不好的難題。樁基成孔后灌注水下混凝土,并與導管同步拔出全套管,回收重復使用。

      4.1 施工工藝流程

      ①全回轉(zhuǎn)鉆機就位及安裝首節(jié)全套管→②全回轉(zhuǎn)鉆機鉆壓全套管及旋挖鉆機套管內(nèi)取土→③安放第二節(jié)全套管→④全回轉(zhuǎn)鉆機鉆壓全套管及旋挖鉆機套管內(nèi)取土→⑤重復施工③④步驟,至全套管鉆壓至設計標高→⑥旋挖鉆進至設計孔深及清孔→⑦鋼筋籠吊裝及鋼筋籠孔口套筒直螺紋連接→⑧水下混凝土灌注及回收全套管。

      4.2 施工要點

      (1)將全回轉(zhuǎn)鉆機的底座移動到樁位上,履帶吊壓住反力架,形成一個整體,避免全回轉(zhuǎn)鉆進過程左右晃動;將底部裝有切割刀頭首節(jié)全套管(8 m)對準樁位后,啟動全回轉(zhuǎn)鉆進定位油缸夾緊鋼套管,并復核樁位。特別注意首節(jié)及第二節(jié)全套管鉆壓,應用經(jīng)緯儀或測錘線不斷量測垂直度,發(fā)現(xiàn)超出允許值及時調(diào)整,這是決定整根樁基垂直度的關(guān)鍵。

      (2)全回轉(zhuǎn)鉆機通過360°全回轉(zhuǎn)式齒輪盤及油壓馬達驅(qū)動全套管,使全套管底部的環(huán)形切割刀入土層,加上機架及履帶吊重量,全套管逐漸被鉆壓入地層中;旋挖鉆機配合全套管內(nèi)取土,全套管鉆壓入預定深度。

      (3)全套管鉆壓至地鐵隧道直徑上下2 m范圍,控制鉆進速度,旋挖鉆機在套管內(nèi)取土嚴禁超過首節(jié)套管刀頭。

      (4)全套管鉆壓及旋挖全套管內(nèi)取土時,加入水及萘普頓專用聚合物泥漿護壁潤滑材料,滲入地層可以起到對全套管潤滑作用,減小全套管轉(zhuǎn)動及下壓時的摩擦阻力,同時預防超鉆部分局部坍塌。

      (5)全套管進入泥礫穩(wěn)定地層2 m后,有些樁端進入中風化巖層,施工時間較長,全回轉(zhuǎn)鉆機定時旋轉(zhuǎn)全套管,以防止全套管被地層抱管卡死,造成全套管無法回收重復利用。

      (6)灌注水下混凝土時,應考慮全套管直徑比樁徑大100 mm,回收全套管混凝土自動填充全套管所占用的體積,導管不要拔出以灌注混凝土面,也要防止掉入套管內(nèi),防止灌注質(zhì)量事故。

      (7)該項目旋挖鉆機與全回轉(zhuǎn)鉆機聯(lián)合施工,每根樁全套全部鉆壓到位的時間效率約8 h,剩余孔深鉆進時間效率約為1~2 h,鋼筋籠安裝、導管安放的時間效率約為3 h,水下混凝土灌注及拔出全套管施工的時間效率約為12 h,水下混凝土應專門委托有資質(zhì)的商品混凝土供應站配置,緩凝時間不低于18 h;預防因城市路況運輸不暢、故障處理、未完成灌注前混凝土開始初凝等,避免發(fā)生全套管、導管埋管事故。

      5 總結(jié)經(jīng)驗

      (1)全回轉(zhuǎn)鉆機采購價格較高,為加快施工進度及全回轉(zhuǎn)鉆機利用效率,該項目還特意采購2臺專用拔管機(6 000 kN)配合起拔全套管,利用全回轉(zhuǎn)鉆機完成第一根樁的全套管鉆壓后,移至下一樁位繼續(xù)鉆壓全套管,拔管機就位配合灌注混凝土同步拔管,組織流水施工,全回轉(zhuǎn)鉆機效率提升2~3倍。

      (2)利用全回轉(zhuǎn)鉆機拔出全套管時,因全回轉(zhuǎn)鉆機操作臺落位后也比較高,常規(guī)混凝土罐車不能自卸灌注混凝土,并且場地狹窄,不宜設置臨時坡道,需要配備長臂式混凝土泵車輸送混凝土。采用拔管機的操作臺落位后,混凝土罐車可以自卸灌注混凝土。

      (3)上部砂礫地層采用全套管護壁,下部泥礫以下地層采用萘普頓專用聚合物泥漿護壁,成孔后靜置靜待30~45 min,用清底鉆頭清孔,吊裝鋼筋籠及導管安裝完成后,再測量孔深,沉渣厚度不超標,可以省去二次清孔。

      (4)以后類似項目建議定制外徑為1 500 mm的全套管,套管以下部分采用專用擴孔鉆頭施工,既能滿足樁徑要求,又能節(jié)約混凝土用量。

      6 結(jié)語

      當樁基進入地鐵安全保護區(qū)施工時,沈陽地區(qū)深孔砂礫地層,全套管護壁是鉆孔、清孔、吊裝鋼筋籠、水下混凝土灌注不發(fā)生塌孔的保證措施,也是樁基進入地鐵安全保護區(qū)允許施工審批要件的安全措施。全套管全回轉(zhuǎn)與旋挖鉆機聯(lián)合施工方案,全套管可以回收重復利用,施工速度快,質(zhì)量及安全有保障,得到建設單位、地鐵監(jiān)管部門的認可及好評。

      參考文獻

      [1]李男. 沈陽市長青街快速路工程總體方案設計探討[J]. 北方交通, 2019(11): 56-60+65.

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