聂晓凯,李永涛

(中煤第三建设(集团)有限责任公司 合肥市 230000)

盾构施工沿线地下障碍物根据环境调查和设计图纸等可提前预见,并采取针对性处理措施,提前规避,但也存在着障碍物不可预见,尤其是盾构沿线涉及一些年代久远、资料缺失或不全的建(构)筑物,给盾构施工带来了极大的不便与困难[1]。结合天津地铁10号线一期工程复兴门110kv变电站电源线穿越海河隧道工程盾构施工中遇群桩障碍基础处理施工,系统地阐述了盾构施工中遇长距离、大范围障碍桩处理的施工技术,并实现了盾构过障碍段的施工安全,以期为类似盾构施工项目带来一定的借鉴和参考。

1 工程概况

天津地铁10号线一期工程复兴门110kv变电站电源线穿越海河隧道工程为新建电力电缆隧道,隧道内径3m,全长1020m,设置工井两座。隧道从始发井向南穿越环宇道、沿着月牙河东路绿化带及人行通道向南,至海河东路穿越海河东路、海河、台儿庄路至闸房甬路接收井接收,隧道最小曲线半径R=568m,最大纵坡25.01‰,覆土埋深12.5～25.5m,采用一台RCJS3000-DN泥水平衡盾构机施工,管片外径3.5m,内径3.0m,管片厚度0.25m,环宽0.8m。

盾构穿越地层主要为⑥4粉质黏土、⑦粉质黏土、⑧1粉质黏土、⑧2粉土、⑨1粉质黏土、⑨2粉土。场地静止水位埋深1.00～3.80m,相当于标高1.89～0.42m,隧道主要位于潜水含水层和第一层承压含水层。

2 异常情况确定

盾构推进至105环时,盾构机刀盘位于110环位置,刀盘面板发出异响,泥浆泵堵塞,经检查,堵塞物为混凝土碎块以及长短不一的钢筋段,初步判断盾构掘进遭遇了地下基础障碍,盾构机被迫停机等待查明原因处理,此时盾构机处于⑥4粉土、⑦粉质黏土、⑧1粉质黏土中,埋深约为14.5m,盾构上方位于已拆迁天钢地块园区内,上方无建(构)筑物。

通过调查2002年天钢地块卫星图、1985年天钢总平面图以及1965年空分车间桩基础平面布置图,判断盾构机遇到了空分车间预制桩基础,因天钢地块为污染土地块,污染土未治理前无法进行刨验探挖,现场采用多频电磁感应仪对盾构机隧道范围沿线进行了专项探测,如图1所示,探测结果显示110环～280环约136m范围内存在地下群桩基础,主要为400mm×400mm方桩基础,桩长在12～22m不等。盾构机为直径3780mm、开口率10%的泥水平衡盾构机,不具备推进磨桩条件,因此需对隧道136m范围内的地下障碍桩全部清除后方可继续推进。

图1 多频电磁仪探测局部示意图

3 处理方案选择

因障碍桩数量较多,涉及隧道范围较长,为减少盾构机停机时间,降低盾构停机风险,根据现场实际条件、水文地质状况以及污染土的情况,结合以往桩基础处理施工经验,针对性选择处理方案。

(1)方案1:全回转钻机法,通过全回转设备驱动钢套管转动[2],并产生下压力和扭矩,利用管口的高强刀头对障碍桩进行切削,将套管钻入地下至桩底,同时采用抓斗将切削的碎桩清除。

(2)方案2:套管钻进法,与全回转设备一样,利用套管切削隔离原有桩基础周边土体,主要区别为不破除桩身,而是利用吊车整体拔除。

(3)方案3:全护筒振动水洗法,利用振动锤钳住全护筒振动下压护筒,同时喷设高压水,隔离桩身周边土体,使整个桩身全部位于护筒,折页钢板关闭,提出套筒带出预制桩体。

(4)方案4:型钢振动水洗法,利用振动锤钳住套型型钢,振动下压型钢通过桩套切削桩身周边土体,同时通过喷设高压水,冲刷桩身土体,随后下放钢丝绳,将钢丝下放至预定桩身位置,利用吊车一次将障碍桩全部提出。

针对以上四种拔桩方案:方案1拔桩设备需要进入到拔桩处理范围,设备需来回移动施工且拔桩费用高;方案2拔桩设备同样需要进入到拔桩处理范围,同时施工占地较大,桩基存在承插桩形式,施工效率不高,对环境影响较大[3];方案3和方案4拔桩设备可不进入拔桩区域,主要利用吊车施工,移动相对方便,软土地质条件下拔桩效率相对较高,且障碍桩位于污染土区域,不宜占用过大的施工场地,大型设备进入污染土范围,不利于污染土的防治;综合考虑,决定采用方案3和方案4同时施工。

现场将处理范围划分为3个施工作业面并同时施工,如图2所示,第一施工作业面为110环～135环,采用方案4施工;第二施工作业面为135环～185环,采用方案3施工;第三施工作业面为161环～280环,采用方案4施工。

图2 处理施工工作面划分平面图

4 施工工艺及技术措施

4.1 污染土治理及施工准备

根据需要处理的桩基础区域,测量人员按坐标进行放样,划定现场需要进行污染土治理范围,并提前进行污染土治理。施工现场采取围挡封闭,沿治理范围东侧和进出拔桩区域道路铺设钢板并在钢板上铺设HDPE土工膜,作为临时存土区域,隔离治理后土体与污染土,防止交叉污染,同时防止设备将污染土带出。

4.2 管线探挖

根据处理范围,采用人工开挖方式进行管线探挖,探挖深度1m,宽度为1.2m,确定处理范围内地下是否存在市政管线,若发现管线,提前采取保护措施,如管线与拔桩施工存在冲突,进行迁改,防止承台探挖及拔桩过程中对管线造成影响。

4.3 承台探挖破除及桩头定位

管线探挖及保护完成后,进行桩基承台探挖,结合污染土处理过程中的施工情况,确定承台埋深在1.0～2.3m范围内;现场采用挖机分段开挖,每段长6m,当承台漏出后,进行测量定位和尺寸确认,并采用炮锤进行承台破除施工,混凝土块清理至坑外,破除完成后,对承台下桩头进行测量定位,并在平面图中进行定位标注,随后进行回填,避免探挖下一段过程中造成基坑周边土体坍塌,依次将全部影响范围内的承台开挖破除并定位出全部影响桩基的精确位置。

4.4 拔桩设备加工

桩基础最长为22m,最短12m,截面尺寸400×400mm且存在承插桩形式,现场根据桩体情况对拔桩套筒、型钢、水洗装置等进行加工制作。

(1)全护筒

全护筒采用6m一节,直径800mm,厚度30mm的锰钢钢护筒,采用焊接接长方式至24m,在距护筒底部400mm位置,设置4个插销式折页钢板,折页钢板采用锰钢制作,同时为保证折页钢板的顺利转动,在护筒壁设置4个折页板活动窗口,窗口两侧焊接插销耳朵,窗口中心位置焊接φ28钢筋作为防外翻装置,避免桩头将折页板顶至外翻。

(2)型钢

采用60型钢焊接加工长度至22m,在型钢底部加工焊接一个600×600mm的方形桩套。

(3)水洗装置

桩基拔除过程中一是要克服桩基础的自重,二是要解决土体与桩基础间粘结力以及采用全护筒拔桩时护筒与土体的摩擦力;现场在全护筒插销式折页钢板下部以及型钢600×600桩套内侧,设置水洗装置(喷嘴),考虑到水洗装置的工作效率及稳定性,每个底部设置8个喷嘴,对称布置,并通过在全套管外表面以及型钢翼板内侧焊接Φ20mm的钢制水管与喷嘴进行连接。

4.5 拔桩施工

三个施工作业面,每个按6m一段分段施工,根据桩头埋深,对于开挖深度大于3m的,开挖前按6m×6m范围采用拉森钢板桩进行支护,随后进行基坑开挖,露出桩头,将拔桩设备对准桩头进行拔桩施工。

(1)型钢振动水洗法拔桩

采用70t履带吊站在施工便道外,吊住90kW振动锤,振动锤同时钳住套型型钢,振动下压型钢通过桩套切削桩身周边土体,同时通过高压注浆机、注浆管路在喷嘴位置喷设高压水,冲刷桩身土体,直至到桩体底部位置,并按此方法重复2次。

随后吊车小勾吊住钢丝绳,通过型钢底部桩套,下放钢丝绳,将钢丝下放至预定桩身位置,提升型钢及小勾,钢丝绳紧固至桩身,在桩头位置绑住钢丝绳,将钢丝绳送至桩身预定位置,同时在障碍桩顶部绑住钢丝绳,利用履带吊大、小勾,一起将障碍桩全部提出,如图3所示。

图3 型钢振动水洗法拔桩施工示意图

(2)全护筒振动水洗法拔桩

采用200t履带吊站在施工便道外,吊住150kW振动锤,振动锤同时钳住护筒,振动下压全护筒通过全套筒隔离桩身周边土体,同时通过高压注浆机、注浆管路在喷嘴位置喷设高压水,冲刷桩身土体,当全套筒全部下沉完成,此时桩基位于全护筒内部,全护筒底部折页依靠自重闭合,履带吊提升套筒带出桩基,如图4所示。

图4 全护筒振动水洗法拔桩施工示意图

拔桩过程中,若型钢振动水洗法拔桩出现断桩情况,现场进行桩基坐标记录和标记,并在最后采用全护筒振动水洗法,将断桩拔出,直至影响范围内桩基全部清除。

4.6 桩孔处理

桩基拔出后,采用三七灰土回填孔洞,并采用挖机重新翻挖5m深范围内土体,防止存在遗漏未拔出或未发现的桩基。

采用振动水洗法拔除桩基后,桩体周围土体液化,桩位孔洞易坍塌,同时最深桩长侵入隧道底部8m,穿过了⑧2粉土第一承压含水层,打开了隔水层,若桩孔回填不密实,盾构机穿越时,极易导致推进参数和盾构姿态难以控制,同时存在地面下沉、地面冒浆以及隧道渗水严重等情况,因此,在孔洞回填后,在地面对桩孔通过袖阀管进行回填注浆,对回填不密实形成的空洞进行填充,注浆范围根据每根桩长进行确定,从桩底标高注浆至隧道顶部3m范围。

拨桩后,周围土体扰动较大,如采用水泥浆冒浆将会严重,同时考虑到水泥浆注浆流失较为严重,且后期强度较大,对盾构复推存在安全风险,因此采用双液浆进行回填注浆,凝胶时间可控,且属于脆性结构,对盾构掘进影响较小[4]。

水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥,水玻璃浓度为40Be′,双液浆按水泥和水质量比1:1、水玻璃和水体积比0.4:1配置。浆液配比及注浆压力根据现场情况进行确认及调整[5]。

注浆量根据每根桩回填注浆范围分别按式(1)计算:

Q=Anαβ

(1)

式中:Q为单根桩总注浆量(m3);A为注浆范围的体积(m3)(桩底标高至隧道顶3m范围,面积为护筒或型钢桩套表面积);n为孔隙率,取0.8;α为浆液填充系数取0.8;β为注浆浆液损耗系数(考虑到个别桩长深入⑧2粉土地层,损耗系数取1.2)。

因桩位孔口坍塌以及个别存在桩孔串通,注浆时不能完全按照理论注浆量进行控制,采用注浆压力与注浆量双控指标[6]。

注浆孔采用钻机成孔,钻机按照桩头坐标进行定位,按注浆深度及注浆范围严格控制钻杆深度,同时密切观察钻孔情况,成孔后下放袖阀管进行注浆施工,所有桩孔注浆完成后,进行地面恢复,并开始盾构复推。

5 结语

天津地铁10号线一期工程复兴门110kV变电站电源线穿越海河隧道工程,通过应用型钢振动水洗法和全护筒振动水洗法拔桩技术,圆满、高效地完成136m范围内的地下群桩障碍拔桩工作,且拔桩过程中未出现断桩、碎桩的现象,盾构机已安全通过。