基于自反压钢护筒护壁人工挖孔桩施工技术研究及应用

2018-03-16尹文纲

科技与创新 2018年5期

尹文纲

（中铁三局集团有限公司，山西太原 030001）

1 概述

随着城市基础设施建设规模的扩大，许多城市新建道路与既有铁路出现立体交叉，桥涵顶进施工的方法被用于解决这个难题。人工挖孔桩具有操作空间要求小、施工工艺简单、施工速度快、造价低、高承载力等特点，在建筑桩基、地下工程围护结构、边坡围护、桥涵顶进架空体系施工过程中被大量应用，而且许多工程都证明了该技术的可靠性和实用性[1-5]。在富水砂层地质条件下人工挖孔桩的施工过程中，容易出现塌孔、涌砂，甚至导致周边建筑物坍塌等问题。鉴于此，常用的解决方法主要有局部加固护壁法、注浆管压浆护壁挖孔法、冷冻法、井点降水、帷幕注浆止水，以减小开挖深度，缩短钢筋网麻袋护壁或者钢护筒护壁等。同时，在钢护筒护壁的施工过程中，常采用静压或机械方法将钢护筒压入指定的深度[6-11]。这些解决方法多数是在作业场地宽广、机械设备施工方便、周边允许降水施工等客观条件的基础上使用的。在一些特殊工况条件下，比如在桥涵顶进多条既有铁路运营线施工中，由于周边环境要求，不允许进行降水施工，采用既有常规的人工挖孔桩施工技术往往不能满足现场的实际需求。如何解决类似条件下人工挖孔桩的施工难题，确保人工挖孔桩及周边建（构）筑物的安全，成为施工中需要解决的新问题。本文是基于该问题开展研究和相关技术应用阐述的。

2 工程背景

内蒙古自治区包头市东河区工业园区东路为在建城市主干道，规划工业园区东路天然气管道护涵，污水管护涵，工业区东路道路立交箱形桥、供热管道护涵（箱形桥）、雨水管护涵（圆涵）自北向南垂直下穿既有京包双线和集包双线铁路，采用顶进法施工，图1为集包线D型便梁架空加固人工挖孔平面布置图。集包铁路路基采用碎石桩加固处理，颗粒机配比较好。在下穿既有集包铁路顶进施工中，线路架空加固体系采用人工挖孔桩作为D型便梁支点桩，集包线两侧和双线之间支点桩采用φ1.25 m、桩长11 m人工挖孔桩，顶部采用冠梁连接。该施工属于临近既有线施工，区域距离黄河3 km，地下水位线比较高。为了确保线路安全，在施工过程中不允许降水。场地内地层分别为人工填土、粉砂、粉土和粉砂。地下水为第四系孔隙潜水，勘探期间地下水稳定水位2.9～3.0 m，变幅一般为2～4 m，地下水具有水位高、易补充的特点。

3 问题的提出及原因分析

为了保证既有线线路的行车安全，在人工挖孔桩正式施工前，选取线路两侧桩基进行试桩。当桩身上部通过既有碎石桩处理路基段，施工进展顺利。当桩身处于既有路基以下时，开挖过程中出现涌水、涌砂的情况，导致钢筋混凝土预制管节下沉困难，现浇钢筋混凝土护壁成形难度大。人工挖孔桩8～10 m位置出现渗水，10～12 m有集中涌水点、反砂，人工挖孔无法成孔，开挖过程中极易坍塌且成孔比较难，安全隐患大。图2为人工挖孔桩塌孔及回填处理情况。

经过分析，明确出现上述问题的主要原因，具体包括以下几点：①地质条件复杂。人工挖孔桩所处地质为粉砂、粉土层，其中，2.9 m以下含饱和水粉砂地层，局部夹薄层粉质黏土，厚度2.5～11.0 m为主，地质条件非常复杂，不利于成孔。②不允许降水施工。该区域地下水水位高，距离大型水源补给地黄河近，且在施工过程中，为了确保线路运营安全，不允许降水施工。③施工作业空间狭小。人工挖孔桩施工临近既有线，作业空间狭小，其中部分桩位于既有集包铁路双线之间，天窗点时间短，时间和空间上均不利于采用静压或机械方法施工钢护筒护壁。④线路沉降变形控制标准高。既有集包线为双线客货共线电气化铁路，速度目标值为200 km/h，呼和浩特铁路局按照高速铁路管理，地表沉降不得超过20 mm，隆起不得超过10 mm，沉降和变形控制标准高，施工控制难度大。

4 施工难点分析及总体思路

4.1 施工主要难点及问题解决原则

施工时，首先要选择和确定含水砂层段人工挖孔桩的护壁方式。在人工挖孔桩开挖至富水砂层段，面临含水砂层防水或堵水难题。因此，应根据砂层段含水量和砂层段长度确定合理的护壁方式，尤其应考虑采取超前预支护或护壁措施，以确保开挖过程中孔壁稳定、作业人员安全。

其次，在施工前，要明确狭小空间人工挖孔桩护壁施工方法和设备的确定原则。人工挖孔桩临近既有线或位于既有线间，施工天窗点短，为了确保既有线的运营与施工安全，人工挖孔桩开挖或护壁施工中设备应具备轻巧、拆装方便、易操作的特点。护壁施工应坚持地面部分施工简单易行、孔内操作可靠稳定的原则。

施工时，要明确人工挖孔桩混凝土施工质量的控制。人工挖孔桩是架空体系的核心支撑点，对于确保整个架空体系的结构稳定性和顶进施工的安全起着决定性作用。在施工过程中，应确保桩底位于可靠稳定的持力层上，并在桩身钢筋笼加工、安装、桩身混凝土浇筑方面采取有效措施，确保人工挖孔桩的施工质量满足要求。

4.2 总体施工思路

为了解决富水砂层地质不降水条件下既有线间人工挖孔桩施工过程中涌泥、塌孔等问题，采用桩上部混凝土护壁与下部易塌孔段自反压钢护筒护壁相结合的组合护壁施工技术，以保证人工挖孔桩的成孔质量和施工安全。

5 富水粉细砂层不降水条件下人工挖孔桩施工

在人工挖孔桩穿越砂层、粉细砂等过程中，结合试桩情况和地质勘察资料，当孔底标高至该类地层一定高度时，停止钻孔开挖。将直径与钻孔桩直径大小相同、合理板材厚度、高度的钢护筒，利用反压装置压入砂质地层底面以下，然后按照常规施工方法开挖。如果砂层厚度超过一个护筒高度，可采用每压送一节钢护筒，开挖一定高度，并预留一定高度，再进行预制钢护筒压送，循环压送、开挖，直至开挖至设计深度。

预制钢护筒反压施工的主要原理是：利用护壁两侧开孔作为上部工字钢（提供反力）的支撑点，并在钢护筒的上部布置下部工字钢，利用上下部工字钢之间的千斤顶提供反力，反复循环顶进钢护筒至设计位置。在钢护筒护壁作用下，进行人工挖孔桩的施工。

人工挖孔桩的施工流程是：施工准备→测量定位→混凝土护壁人工挖孔桩施工→钢护筒段反压钢护筒安装→反压钢护筒及其垂直度调整→人工挖孔桩底部钢管加固→钢筋笼制作与安装→混凝土灌注→桩端压浆。

这里重点介绍反压钢护筒安装与反压钢护筒及其垂直度调整施工技术。

5.1 反压钢护筒安装

在施工过程中，根据试桩情况，当孔底标高施工至粉砂层涌水、涌砂地段以上50 cm时，停止开挖，先将预制钢护筒（100 cm一节，壁厚4 mm）利用反压法压至开挖面以下，每压送一节开挖60～70 cm，预留30～40 cm，然后再进行预制钢护筒压送，循环压送、开挖，直至开挖至设计深度。反压装置主要由工字钢、大行程千斤顶、工字钢连接板和方木垫板等组成。在钢护筒的前个混凝土护壁循环钢筋的施工过程中，在人工挖孔桩护壁两侧开孔，该孔洞作为上部工字钢（提供反力）的固定点。开孔位置＝孔底标高+钢护筒高度+两组工字钢高度（正反压工字钢）+千斤顶高度。开孔位置应对称且两孔连接线中心点与桩身中心重合，开孔完成后吊装钢护筒就位。图3为反压施工组合装置示意图。

5.2 反压钢护筒及垂直度调整

钢护筒、千斤顶、工字钢安装完毕后开始反压施工，循环直至具备安装下一节钢护筒为止。第一节钢护筒反压深度达到1 m（每节高度）后，拆除反压设备，利用列车间隔时间吊装第二节钢护筒。在反压过程中，钢护筒位置偏移倾斜，调整千斤顶至较难反压处反压，待钢护筒垂直后，再摆正千斤顶位置，使其处于钢护筒轴心处继续反压，以保证钢护筒垂直度。

反压钢护筒施工至设计桩底后，如果个别桩位桩底有涌水的情况发生，可在底部用人工锤击方式插入梅花形布置钢管，待混凝土浇筑后与桩体成为一体加固桩底。钢筋笼采用2.0 m分节吊装、孔内焊接的方法安装，同时，钢筋笼内预埋注浆管，成桩后2～30 d内进行桩端压浆。