復(fù)雜條件下大型拱座深基坑咬合樁支護技術(shù)研究

邢俊平　黃業(yè)圣

摘要：文章依托工程實例，介紹了復(fù)雜地質(zhì)條件下臨江側(cè)深基坑咬合支護樁施工工藝。該工藝采用咬合止水帷幕樁支護配合鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐作為基坑施工的支撐結(jié)構(gòu)，兼具支護與止水雙重功能，能提供良好的坑內(nèi)施工作業(yè)環(huán)境，提高臨江側(cè)大規(guī)模深基坑施工的安全性及可操作性，可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：深基坑施工;臨江拱座基礎(chǔ);咬合樁支護

中圖分類號：U443.13A281054

0 引言

在城市地鐵或鄰近建筑物進行深基坑施工時，往往由于受到場地限制[1]，以及考慮臨建已存建筑物對地基沉降的敏感性，通常采用咬合樁結(jié)合內(nèi)支撐的支護形式，作用在咬合樁上的水土壓力可由內(nèi)支撐有效傳遞和平衡，其構(gòu)造簡單，受力明確。支撐材料選用型鋼或者鋼筋混凝土，其剛度大、整體性好、布置靈活，應(yīng)用較為廣泛[2]。咬合樁支護結(jié)構(gòu)工程兼具支護與止水雙重功能，能提供良好的坑內(nèi)施工作業(yè)環(huán)境[3]。鋼管混凝土拱橋拱座基礎(chǔ)臨近河道，臨近河道地下水系復(fù)雜，同時受河道水位影響，基坑采用傳統(tǒng)放坡開挖工藝不能滿足施工要求。鑒于咬合樁支護結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，可將咬合樁支護結(jié)構(gòu)體系推廣應(yīng)用于臨近河道拱橋基礎(chǔ)施工中，本文依托實際工程對該技術(shù)在施工中遇到的具體技術(shù)難題和處理措施進行相關(guān)總結(jié)。

1 工程概況

沙尾左江特大橋為跨徑360 m的中承式鋼管混凝土提籃拱橋，全橋長968.5 m，跨徑組合為（9×40+360+6×40） m，建成時為世界最大跨徑的公路鋼管混凝土提籃拱橋。主橋兩岸拱座基礎(chǔ)均為分離式擴大基礎(chǔ)，左右幅拱座長寬高尺寸均為（33.0×15.7×8.5 ） m，中間不設(shè)連系梁。北拱座距離左江岸約15 m，基坑自原地面總開挖平均深度為18.5 m。本文以北岸拱座基礎(chǔ)施工為背景，研究總結(jié)咬合樁支護結(jié)構(gòu)體系在臨河拱座基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用。

北岸拱座處地表多為耕植土，接著為黏土，含約20%的粉細(xì)砂，厚度為12.00～17.50 m。下伏層為中風(fēng)化灰?guī)r，中厚層狀構(gòu)造，巖質(zhì)硬，節(jié)理裂隙較發(fā)育，方解石脈穿插，隙面具鐵質(zhì)渲染，巖體較完整。同時，橋位區(qū)附近未見崩塌、滑坡等不良地質(zhì)，也未見巖溶塌陷坑、溶蝕漏斗、落水洞等。

2 基坑施工

2.1 施工方案

擴大基礎(chǔ)總體施工方案采用“支護樁+止水樁+內(nèi)支撐”支護的結(jié)構(gòu)形式[4]。支護樁、止水樁和冠梁、腰梁為混凝土結(jié)構(gòu)，咬合樁內(nèi)支撐為鋼結(jié)構(gòu)。相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)剖面示意圖如圖1所示。

2.2 施工工藝

清表完成后，施工平臺用C20混凝土進行硬化。四周設(shè)置截水溝，水溝過水?dāng)嗝娉叽鐬?0 cm×50 cm，溝身采用磚砌，墻身內(nèi)外側(cè)和底部用砂漿抹面。同時根據(jù)實際需要，施工平臺設(shè)置1%的排水縱坡及橫坡。

采用GPS將樁位進行放樣，樁中心采用十字護樁進行定位，護樁采用木制樁，樁頂釘鋼釘，高度為80 cm，埋入地下45 cm，用砂漿或素混凝土保護。嚴(yán)格按照要求采用跳孔施作工藝，且開孔施工結(jié)束后24 h內(nèi)必須完成灌注，未能及時灌注的孔口必須做好安全防護。成孔后按照程序進行驗收，做好隱蔽工程原始資料的收集、整理，并留底。

為保證咬合樁施工質(zhì)量，鋼筋籠下放前必須完成清孔作業(yè)，清孔完成后采用吊錘進行沉渣測厚。要求澆筑前孔底沉渣厚度≤5 cm，否則應(yīng)吊起鋼筋籠，采用旋挖鉆機進行再次清孔。

鋼筋籠必須采用二氧化碳保護焊接進行接長，嚴(yán)禁采用電焊，焊接接長完成后必須進行焊縫質(zhì)量驗收。

采用拔球法進行樁身混凝土澆筑施工，如果孔內(nèi)有無法排干的積水，需采用水下樁基礎(chǔ)施工相同的混凝土灌注施工工藝。

破樁頭施工完畢并完成樁頂標(biāo)高復(fù)核后，進入冠梁施工。立模澆筑冠梁墊層，保證冠梁模板底部平齊。墊層施工完畢后，進入冠梁鋼筋安裝施工。鋼筋安裝施工過程中注意安裝預(yù)埋件。

冠梁模板拆除后，修整施工平臺，開挖基坑第一層土方至第一層腰梁底標(biāo)高以下10 cm。為提高施工效率，采用300型以上挖掘機進行出土施工。

第一層土石方開挖完成后，進入腰梁與支護樁連結(jié)筋安裝施工。依據(jù)設(shè)計圖紙進行打孔植筋，植筋施工應(yīng)滿足下列要求：（1）植筋前采用風(fēng)壓機清孔;（2）孔內(nèi)注滿植筋膠;（3）鋼筋植入深度≥25 cm;（4）植筋抗拔力>30 kN。植筋施工完畢后，進入腰梁鋼筋、預(yù)埋件及模板安裝施工。

腰梁完成模板拆除后，鑿開支護樁外側(cè)混凝土，露出支護樁鋼筋骨架，并將吊筋與骨架焊接在一起。吊筋焊接完成并通過驗收后，采用水泥砂漿修補。同步安裝鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐。

冠梁及腰梁內(nèi)支撐安裝到位后，采用長臂挖掘機挖除上層土體，單次挖除高度控制在3.0～3.5 m。若開挖至巖石部位采取淺孔爆破的方法，炮孔孔徑為 50 mm。為確保爆破不損壞周邊的咬合樁，在周邊預(yù)留1.5 m的保護層待爆破完畢后用機械鑿除。采用吊車配合吊斗將石方運出基坑，運出基坑后的石方及時轉(zhuǎn)運至棄土場。

整體施工工藝步驟如圖2所示。

3 施工模擬及監(jiān)測

3.1 施工模擬

結(jié)合實際地質(zhì)勘探情況，采用Midas GTS NX2018有限元計算軟件，模擬地層為黏土層、中風(fēng)化巖層，咬合樁止水帷幕支護為混凝土結(jié)構(gòu)，咬合樁內(nèi)支撐為鋼結(jié)構(gòu)。

模型采用六面體單元劃分網(wǎng)格，并采用布撒種子線的方式進行網(wǎng)格的尺寸及質(zhì)量控制。模型中黏土層和中風(fēng)化巖層采用“摩爾-庫侖”模型進行模擬[5-6]，咬合樁混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐采用“彈性”模型進行模擬。參照地勘報告中給出的各層物理力學(xué)指標(biāo)，模型中結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)如表2所示，模型示意圖如圖3所示。

在基坑內(nèi)設(shè)置集水坑和大型抽水機，達(dá)到可隨時抽水施工條件，故將土體均視為排水條件進行分析。模型中黏性土和中風(fēng)化巖所采用的“摩爾-庫侖”模型，其模型參數(shù)中泊松比、容重、孔隙率、內(nèi)摩擦角、粘聚力可直接從地勘報告中獲取參考值。

根據(jù)深基坑土石方開挖以及內(nèi)支撐安裝施工過程最不利工況，確定模型的三個計算工況。

工況一：初始應(yīng)力場分析（分析咬合樁周邊土體的應(yīng)力狀態(tài)，僅施加重力荷載）。

工況二：位移清零（模擬土體開挖后，模型在初始應(yīng)力條件下的位移歸零，只保留初始應(yīng)力狀態(tài)，類似打開地應(yīng)力平衡功能）。

工況三：在取消原設(shè)計底層腰梁及內(nèi)支撐后，土石方開挖至基坑設(shè)計底標(biāo)高。

經(jīng)過軟件計算分析后，結(jié)果顯示取消底層腰梁及內(nèi)支撐后結(jié)構(gòu)整體依然滿足施工需求。

3.2 監(jiān)控結(jié)果與分析

在施工過程中，對右幅基坑的支護結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐進行了內(nèi)力監(jiān)測，在左幅基坑的短邊中心和長邊中心的樁頂布置了兩個位移監(jiān)控點[7]。結(jié)合軟件計算結(jié)果得到了整個施工周期過程中支護結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐軸力變化值及樁頂?shù)膶崪y位移變化值曲線圖，如圖4～5所示。

由圖4可知，5月13日在右幅基坑開挖至腰梁下方2 m后，第二層基坑中央內(nèi)支撐現(xiàn)場實測最大軸力為2 339.6 kN。實測值與計算值基本吻合。

由圖5可知，6月3日，左幅基坑進行第一次控制爆破施工后，支護樁失去巖層支護，長邊及短邊位移增量變大，曲線變陡。長邊實測值與計算值基本吻合，但因基坑挖深超深，導(dǎo)致位移進一步增加。此外，基坑短邊受車輛移動荷載及水流影響，監(jiān)測位移波動較大，在今后設(shè)計計算時應(yīng)注意考慮其影響。

4 施工關(guān)鍵點

為防止鉆孔樁施工時由于相鄰兩樁施工距離太近或間隔時間太短，造成塌孔，采取旋挖鉆機分批跳孔施作，具體如圖6所示。相鄰樁施工必須在混凝土終凝后方可進行，防止因施工時間過早而鄰樁混凝土尚未終凝，使鉆孔可能發(fā)生的“管涌”現(xiàn)象。

內(nèi)支撐各構(gòu)件加工完成后，安裝施工前進行現(xiàn)場預(yù)拼裝試驗。將內(nèi)支撐擺放到位后，應(yīng)進行水平度檢測，保證內(nèi)支撐安裝準(zhǔn)確性及提高咬合樁內(nèi)支撐的有效性。

在基坑底部適宜位置設(shè)置集水井，同時安裝大功率抽水泵進行集中抽水。

開挖至基礎(chǔ)底面標(biāo)高時，采用鋼釬撬動松散巖塊，后采用高壓水槍沖洗基坑底部，將基坑底部表層雜質(zhì)集中清理。

5 結(jié)語

（1）咬合樁施工過程中單批開孔數(shù)量不宜過多，避免長時間無法澆筑導(dǎo)致孔壁坍塌。鉆進速度不得過快，尤其是施工支護樁過程中要注意控制鉆速。施鉆過程中注意提鉆檢查，提前發(fā)現(xiàn)偏孔，及時糾偏。

（2）注意鋼筋籠接樁施工過程監(jiān)督，做好鋼筋籠節(jié)段編號及標(biāo)記，避免選擇錯誤的鋼筋籠節(jié)段。

（3）注意焊接定位筋的數(shù)量及質(zhì)量，確保支護樁混凝土保護層厚度。

（4）注意支護樁鋼筋籠運輸及存放，保證鋼筋籠質(zhì)量。

（5）咬合樁腰梁植筋施工要嚴(yán)格按照方案實施，避免植入鋼筋失效。

（6）策劃咬合樁深基坑石方施工方案時，根據(jù)地質(zhì)情況可以考慮采用控制爆破開挖施工。

（7）內(nèi)支撐設(shè)計時需注意內(nèi)支撐的層高及間距，方便機械進入坑內(nèi)進行清理和出渣作業(yè)。

參考文獻(xiàn)

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[7]李永勝.深基坑監(jiān)測[J].科技與創(chuàng)新，2014（4）：64-65.

作者簡介：

邢俊平（1973—），高級工程師，主要從事橋梁與道路技術(shù)研究和施工管理;

黃業(yè)圣（1985—），高級工程師，主要從事橋梁與道路技術(shù)研究和施工管理。