摘 要:深基坑支护施工要综合考虑工程地质与水文条件、基础类型、基坑开挖深度、降排水条件、周边环境、基坑周边荷载、施工季节、支护结构使用期限等因素。本文着重介绍了厦门市快速公交系统QA标工程地处繁华市区的施工工艺及支护方法。
关键词:桥梁承台;深基坑;施工工艺;支护方法
1 工程概况
厦门市快速公交系统QA标154#～164#墩共计11个桥墩地处火车站前的厦禾路上,桥梁上部结构为预应力砼现浇箱梁,下部采用桩基承台接墩柱结构,最大墩高约21.5m,地面以上采用矩形板式花瓶墩,地面以下采用矩形实体墩柱,采用群桩结构,每个承台设有4或6根桩基。承台尺寸有:9.7×5.7×3.0m、11.3×5.7×3.5m、11.1×5.7×3.0m三种形式;其中161#、162#墩基础变更为9.0×7.0扩大基础。受正在施工的火车站地下商业街的影响,桥墩承台必须设置在商业街底面以下,由此造成桩基础及承台埋深较大,上述11个承台开挖深度都在12.5m～14.0m之间。由于该段地处繁华的厦禾路,采用排桩支护的垂直开挖形式。
2 水文、地质条件
本工程为城市立交桥,桥址处无水塘和溪沟等地表水体。地下水属孔隙、裂隙(基岩区)潜水类型,含水层均属弱透水性,地下水主要靠大气降水补给。
根据岩性判断:填筑土①中塑性亚粘土;②中塑性残积亚粘土;④全风化花岗岩;⑤散体状强风化花岗岩;⑥脉岩残积粘性土、散体状强风化脉岩均属弱透水含水层;粗砂③属强透水含水层,但是该层以透镜体状出现,对地下水含水量影响较小。碎裂状强风化花岗岩⑦弱风化花岗岩;⑧微风化花岗岩;⑨的赋水性及透水性与其裂隙的发育程度及连通性有关,经勘察表明其裂隙多以闭合裂隙为主,层内水量不大。
3 施工顺序
施工顺序为:桥梁工程桩施工→支护桩冲孔→支护桩灌注砼成桩→冠梁施工→开挖土方至各道支撑处→喷射砼施工→安装钢支撑→开挖至坑底→浇注砼垫层→承台施工→承台周边回填→墩身施工→基坑回填。
4 施工工艺及方法
4.1 支护桩施工
(1)成孔
①根据现场地质情况及设计所要求的桩径、桩深,采用DK-55型冲击钻机成孔。
②开钻前往孔内多放一些粘土,如果岩石不平,加适量粒径不大于15cm的片石, 顶部抛平,用低冲程冲砸。
③开孔时,为了使钻渣泥浆尽量挤入孔壁,一般不抽渣,待冲砸至护筒下3～4m时,方可高冲程下正常冲进,4～5m后,方可抽渣。
④在不同的地层,采取不同的冲程。
a粘土、风化岩,宜采用中、低冲程1～2m。
b基岩层宜用高冲程,冲程3～5m。
c淤泥层及时投入粘土和小片石,低冲程冲进必要时反复冲砸。
d岩石面倾斜较大,或高低不平,最易偏孔,可回填坚硬片石,低锤快打,造成一个平台后,方可采用较高冲程。
e为保证孔形符合要求,钻进中应复核桩位,更换钻头前必须经过检孔,用检孔器检查符合设计要求后,才可放入新钻头。如检孔器不能沉到原来已钻孔到的深度,或钢丝绳的位置偏移护筒中心较大时,则考虑可能发生了弯孔、斜孔或缩孔等情况,应及时采取补救措施。考虑夜间不能施工,部分桩基在土层位置采用护筒全程跟进。
f 成孔后,及时对孔深、孔径、垂直度进行检验,不合格及时处理。桩位偏差(顺轴线与垂直轴线方向)不超过50mm,孔径不小于设计值,垂直度偏差小于1%。
(2)清孔
清孔时不应过早地稀释泥浆,而应加快泥浆的循环,待测定泥浆指标接近规范要求,才可稀释。当导管下放的时间较长时,应同时进行泥浆循环,以确保泥浆的悬浮性。
(3)钢筋笼制作与吊装
①钢筋笼成型采用箍筋成型方法,钢筋连接采用机械连接接头。
②吊入钢筋笼时,应对准孔位轻放、慢放,若遇到阻碍,可徐起徐落和正反旋转使之下放,防止碰撞孔壁而引起坍塌,下放过程中,要注意孔内水位情况,如发生异样马上停止,检查是否坍孔。
③钢筋笼入孔后,要牢固定位,并应采取具体措施防止在灌注水下砼过程中下落或被砼顶托上升。
④当砼灌注完毕,桩上部砼初凝后即解除钢筋的固定措施,以便使钢筋笼随同砼收缩避免粘结力的损失。
(4)水下砼灌注:
①砼采用商品砼,灌注混凝土前应对刚性导管进行必要的水密、承压和接头抗拉等试验,水密试验的水压小于井孔内水深1.5倍的压力,承压试验时的水压不应小于导管壁可能承受的最大内压力Pmax,可按下式计算:
Pmax=γc•hcmax-γw•Hw
式中:Pmax―导管可能承受到的最大内压力。(Mpa);
γc―混凝土拌和物的容量(KN/m3);
hcmax―导管内混凝土柱最大,高度(m),可按导管全长或预计的最大高度计;
γw―井孔内水或泥浆的容重(KN/m3);
Hw―井孔内水或泥浆的深度(m)
②钢筋笼吊装就位后,为保证二次清孔彻底干净,用钢轨焊接成束,下到孔底,高频率轻击桩底,泛起沉渣,利用泥浆循环带出井外。
③钻孔桩所需首批混凝土数量应能满足导管初次埋置深度(≥1.0m)和填充导管底部间隙的需要,其所需混凝土的数量可参考下式计算:
V≥(πd3/4)h1+(πD2/4)Hc
式中:
V―首批混凝土所需数量(m 3);
h1―井孔混凝土面高度达到Hc时,导管内混凝土柱需要的高度(m),
h1≥γw Hw /γc (见右图);
Hc―灌注首批混凝土时所需井孔内混凝土面至孔底的高度(m)Hc = h2+h3;
Hw―井孔内混凝土面以上水或泥浆深度(m);
D―井孔直径(m);
d―导管内径(m);
h2―导管初次埋置深度,h2≥1.0m
h3―导管底端至钻孔底间隙,约0.4m;
γw―井孔内水或泥浆的容重(KN/m3);
γc―混凝土拌和物的容重(KN/m3);
④漏斗底口高出井孔水面或桩顶的必需高度可参考下式计算:
hc≥(P0+γw Hw )/γc
式中:
hc―井孔内混凝土面以上,导管内混凝土柱(计算至漏斗底口)高度(m);
Hw―井孔内混凝土面以上水或泥浆深度(m);
γc―混凝土拌和物的容重(KN/m3);
γw―井孔内水或泥浆的容重(KN/m3);
P0―使导管内混凝土下落至导管底并将导管外的混凝土顶升时所需的超压力。
⑤控制桩顶砼标高,砼应超浇800mm,超高部分砼待强度达到70%后凿除。
4.2 冠梁施工
凿毛处理桩芯顶面混凝土,清除桩顶浮碴、杂物和积水,对桩顶锚固钢筋进行除锈处理,并校正。要求处理后桩芯混凝土顶面标高不超过理论桩顶标高。按设计绑扎冠梁钢筋,主筋应与桩顶锚固筋焊接,以保证结构的整体性。冠梁钢筋绑扎完毕后,支立冠梁模板,架设时应确保钢模板的牢固、可靠。经监理工程师检查合格并签证后,然后一次性浇筑混凝土至设计标高。
4.3 土方开挖
待支护桩及冠梁砼强度达到设计值的70%以上,即可进行土方开挖。开挖深度在5m以内采用普通挖掘机开挖,开挖深度大于5m采用长臂挖掘机开挖,直接装车运至弃土场。
土方开挖施工控制要点:
①开挖应分层均匀对称开挖,每层厚度不超过1m,开挖至每道支撑底标高后停止开挖,进行安装内支撑,严格遵守“分层开挖、先撑后挖”的原则。
②当发现地下水位较高、水量较大或流泥严重,立即停止开挖,待采取有效降水措施后方可继续开挖。
③发生异常情况时,应立即停止开挖,并立即查明原因和采取措施后,方能继续开挖。
关键词:桥梁承台;深基坑;施工工艺;支护方法
1 工程概况
厦门市快速公交系统QA标154#～164#墩共计11个桥墩地处火车站前的厦禾路上,桥梁上部结构为预应力砼现浇箱梁,下部采用桩基承台接墩柱结构,最大墩高约21.5m,地面以上采用矩形板式花瓶墩,地面以下采用矩形实体墩柱,采用群桩结构,每个承台设有4或6根桩基。承台尺寸有:9.7×5.7×3.0m、11.3×5.7×3.5m、11.1×5.7×3.0m三种形式;其中161#、162#墩基础变更为9.0×7.0扩大基础。受正在施工的火车站地下商业街的影响,桥墩承台必须设置在商业街底面以下,由此造成桩基础及承台埋深较大,上述11个承台开挖深度都在12.5m～14.0m之间。由于该段地处繁华的厦禾路,采用排桩支护的垂直开挖形式。
2 水文、地质条件
本工程为城市立交桥,桥址处无水塘和溪沟等地表水体。地下水属孔隙、裂隙(基岩区)潜水类型,含水层均属弱透水性,地下水主要靠大气降水补给。
根据岩性判断:填筑土①中塑性亚粘土;②中塑性残积亚粘土;④全风化花岗岩;⑤散体状强风化花岗岩;⑥脉岩残积粘性土、散体状强风化脉岩均属弱透水含水层;粗砂③属强透水含水层,但是该层以透镜体状出现,对地下水含水量影响较小。碎裂状强风化花岗岩⑦弱风化花岗岩;⑧微风化花岗岩;⑨的赋水性及透水性与其裂隙的发育程度及连通性有关,经勘察表明其裂隙多以闭合裂隙为主,层内水量不大。
3 施工顺序
施工顺序为:桥梁工程桩施工→支护桩冲孔→支护桩灌注砼成桩→冠梁施工→开挖土方至各道支撑处→喷射砼施工→安装钢支撑→开挖至坑底→浇注砼垫层→承台施工→承台周边回填→墩身施工→基坑回填。
4 施工工艺及方法
4.1 支护桩施工
(1)成孔
①根据现场地质情况及设计所要求的桩径、桩深,采用DK-55型冲击钻机成孔。
②开钻前往孔内多放一些粘土,如果岩石不平,加适量粒径不大于15cm的片石, 顶部抛平,用低冲程冲砸。
③开孔时,为了使钻渣泥浆尽量挤入孔壁,一般不抽渣,待冲砸至护筒下3～4m时,方可高冲程下正常冲进,4～5m后,方可抽渣。
④在不同的地层,采取不同的冲程。
a粘土、风化岩,宜采用中、低冲程1～2m。
b基岩层宜用高冲程,冲程3～5m。
c淤泥层及时投入粘土和小片石,低冲程冲进必要时反复冲砸。
d岩石面倾斜较大,或高低不平,最易偏孔,可回填坚硬片石,低锤快打,造成一个平台后,方可采用较高冲程。
e为保证孔形符合要求,钻进中应复核桩位,更换钻头前必须经过检孔,用检孔器检查符合设计要求后,才可放入新钻头。如检孔器不能沉到原来已钻孔到的深度,或钢丝绳的位置偏移护筒中心较大时,则考虑可能发生了弯孔、斜孔或缩孔等情况,应及时采取补救措施。考虑夜间不能施工,部分桩基在土层位置采用护筒全程跟进。
f 成孔后,及时对孔深、孔径、垂直度进行检验,不合格及时处理。桩位偏差(顺轴线与垂直轴线方向)不超过50mm,孔径不小于设计值,垂直度偏差小于1%。
(2)清孔
清孔时不应过早地稀释泥浆,而应加快泥浆的循环,待测定泥浆指标接近规范要求,才可稀释。当导管下放的时间较长时,应同时进行泥浆循环,以确保泥浆的悬浮性。
(3)钢筋笼制作与吊装
①钢筋笼成型采用箍筋成型方法,钢筋连接采用机械连接接头。
②吊入钢筋笼时,应对准孔位轻放、慢放,若遇到阻碍,可徐起徐落和正反旋转使之下放,防止碰撞孔壁而引起坍塌,下放过程中,要注意孔内水位情况,如发生异样马上停止,检查是否坍孔。
③钢筋笼入孔后,要牢固定位,并应采取具体措施防止在灌注水下砼过程中下落或被砼顶托上升。
④当砼灌注完毕,桩上部砼初凝后即解除钢筋的固定措施,以便使钢筋笼随同砼收缩避免粘结力的损失。
(4)水下砼灌注:
①砼采用商品砼,灌注混凝土前应对刚性导管进行必要的水密、承压和接头抗拉等试验,水密试验的水压小于井孔内水深1.5倍的压力,承压试验时的水压不应小于导管壁可能承受的最大内压力Pmax,可按下式计算:
Pmax=γc•hcmax-γw•Hw
式中:Pmax―导管可能承受到的最大内压力。(Mpa);
γc―混凝土拌和物的容量(KN/m3);
hcmax―导管内混凝土柱最大,高度(m),可按导管全长或预计的最大高度计;
γw―井孔内水或泥浆的容重(KN/m3);
Hw―井孔内水或泥浆的深度(m)
②钢筋笼吊装就位后,为保证二次清孔彻底干净,用钢轨焊接成束,下到孔底,高频率轻击桩底,泛起沉渣,利用泥浆循环带出井外。
③钻孔桩所需首批混凝土数量应能满足导管初次埋置深度(≥1.0m)和填充导管底部间隙的需要,其所需混凝土的数量可参考下式计算:
V≥(πd3/4)h1+(πD2/4)Hc
式中:
V―首批混凝土所需数量(m 3);
h1―井孔混凝土面高度达到Hc时,导管内混凝土柱需要的高度(m),
h1≥γw Hw /γc (见右图);
Hc―灌注首批混凝土时所需井孔内混凝土面至孔底的高度(m)Hc = h2+h3;
Hw―井孔内混凝土面以上水或泥浆深度(m);
D―井孔直径(m);
d―导管内径(m);
h2―导管初次埋置深度,h2≥1.0m
h3―导管底端至钻孔底间隙,约0.4m;
γw―井孔内水或泥浆的容重(KN/m3);
γc―混凝土拌和物的容重(KN/m3);
④漏斗底口高出井孔水面或桩顶的必需高度可参考下式计算:
hc≥(P0+γw Hw )/γc
式中:
hc―井孔内混凝土面以上,导管内混凝土柱(计算至漏斗底口)高度(m);
Hw―井孔内混凝土面以上水或泥浆深度(m);
γc―混凝土拌和物的容重(KN/m3);
γw―井孔内水或泥浆的容重(KN/m3);
P0―使导管内混凝土下落至导管底并将导管外的混凝土顶升时所需的超压力。
⑤控制桩顶砼标高,砼应超浇800mm,超高部分砼待强度达到70%后凿除。
4.2 冠梁施工
凿毛处理桩芯顶面混凝土,清除桩顶浮碴、杂物和积水,对桩顶锚固钢筋进行除锈处理,并校正。要求处理后桩芯混凝土顶面标高不超过理论桩顶标高。按设计绑扎冠梁钢筋,主筋应与桩顶锚固筋焊接,以保证结构的整体性。冠梁钢筋绑扎完毕后,支立冠梁模板,架设时应确保钢模板的牢固、可靠。经监理工程师检查合格并签证后,然后一次性浇筑混凝土至设计标高。
4.3 土方开挖
待支护桩及冠梁砼强度达到设计值的70%以上,即可进行土方开挖。开挖深度在5m以内采用普通挖掘机开挖,开挖深度大于5m采用长臂挖掘机开挖,直接装车运至弃土场。
土方开挖施工控制要点:
①开挖应分层均匀对称开挖,每层厚度不超过1m,开挖至每道支撑底标高后停止开挖,进行安装内支撑,严格遵守“分层开挖、先撑后挖”的原则。
②当发现地下水位较高、水量较大或流泥严重,立即停止开挖,待采取有效降水措施后方可继续开挖。
③发生异常情况时,应立即停止开挖,并立即查明原因和采取措施后,方能继续开挖。
④若开挖遇岩石需爆破时,请有资质的爆破单位进行爆破,编制专项方案报公安局另行审批。
⑤最后基底约200mm厚土方由人工挖除并整平。
⑥注意挖掘机开挖时不得碰撞支护结构及钢支撑。
⑦土方出地面后做的即挖即装,场地上不留余土,保证现场整洁,道路畅通。
⑧土方开挖接近设计标高时,由专人测定坑底标高,并设置标高控制木桩,再引至挖土控制标桩。
4.4 内支撑施工
本工程每个基坑支护结构采用3道钢支撑,支撑施工与土方开挖相互交叉搭接进行,施工中必须坚持“先撑后挖”的原则。第一层土方开挖至第一道支撑底后,进行钢支撑安装,随后进行第二层土方开挖,挖至第二道支撑底后进行第二道支撑安装,依次施工至第三道支撑。
4.5 支护桩间土喷射砼护面
支护桩间土采用喷射砼护面,喷射砼应随挖随喷。喷射砼结构:喷射砼厚80mm,砼强度为C20;锚筋采用φ16钢筋,长度不小于1.5m,水平间距1.5m,竖向间距2.0m;钢筋网片采用双向筋φ6@200×200绑扎而成,铺设时每边搭接长度应不小于200mm。
喷射施工顺序及施工要求
①每步开挖后,若坑壁土质较差,即对修整后的坑壁立即喷上一层薄砼或砂浆,尽量缩短坑壁土体的裸露时间。
②按设计要求间距打设φ16锚筋。
③绑扎φ6钢筋网,并与锚筋连接牢固,确保保护层厚度符合设计要求。
④埋设φ80PVC泄水管,将水引至坑内排水沟。
⑤喷射砼施工
喷射采用干喷,80mm厚一次喷射完成。配合比通过试验确定,粗骨料最大粒径不宜大于12mm,水灰比不宜大于0.45。
在坑壁上隔3米距离打入垂直短钢筋作为喷射砼厚度标志,喷射砼的射距保持在0.8～1.5m范围内,并使射流垂直于壁面。喷射砼的路线从壁面开挖层底部逐渐向上进行,但底部钢筋网搭接长度范围以内先不喷砼,待与下层钢筋网搭接绑扎之后再与下层壁面同时喷射砼。砼接缝在继续喷射砼之前应清除浮浆碎屑。
喷射砼终凝后2h采取喷水养护措施。
4.6 浇注垫层砼
挖至垫层底标高,在基坑四周挖排水沟,降水引至集水井,用潜水泵进行抽排,浇注封底C20砼300mm。
4.7 支撑拆除
承台施工完成后,在承台周边回填并砂灌水密实。按设计位置在承台周边浇注C20砼传力带与支护桩顶紧,待传力带砼强度达到设计的75%后,拆除第三道钢支撑,进行墩身施工。待墩身施工完成后,分层回填砂灌水密实,浇筑传力带,依次拆除第二道、第一道支撑。
支撑拆除方法:采用氧乙炔气割拆除水平支撑与钢围檩的连接节点,使连接节点应力释放并解体,割断时需用吊车用吊索将其吊紧。解开连接后,用吊车吊出地面。
5 基坑监测方案
本基坑侧壁安全等级为一级,施工时按动态设计、信息化施工,加强监测及信息反馈制度。根据支护结构设计计算、施工组织设计和周围环境情况,本基坑工程需进行两方面的监测,即支护结构本身在基坑开挖施工期间的安全、稳定监测和周围建筑物、地下管线的监测。
6 结束语
深基坑支护结构的主要作用是挡土,使基坑在开挖和基础施工的全过程中能安全顺利地进行,并保证对临近建筑和周边环境不产生危害。实践中根据土质条件、基坑深度、地下水情况等,结合不同支护方式的优缺点,选择经济合理的方案。
参考文献
[1]段新胜,顾湘.桩基工程[M].北京:中国地质大学,2003.
[2]靳会武,周春华.泰州大桥南塔承台深基坑支护技术[J].中外公路,2009,(6).
⑤最后基底约200mm厚土方由人工挖除并整平。
⑥注意挖掘机开挖时不得碰撞支护结构及钢支撑。
⑦土方出地面后做的即挖即装,场地上不留余土,保证现场整洁,道路畅通。
⑧土方开挖接近设计标高时,由专人测定坑底标高,并设置标高控制木桩,再引至挖土控制标桩。
4.4 内支撑施工
本工程每个基坑支护结构采用3道钢支撑,支撑施工与土方开挖相互交叉搭接进行,施工中必须坚持“先撑后挖”的原则。第一层土方开挖至第一道支撑底后,进行钢支撑安装,随后进行第二层土方开挖,挖至第二道支撑底后进行第二道支撑安装,依次施工至第三道支撑。
4.5 支护桩间土喷射砼护面
支护桩间土采用喷射砼护面,喷射砼应随挖随喷。喷射砼结构:喷射砼厚80mm,砼强度为C20;锚筋采用φ16钢筋,长度不小于1.5m,水平间距1.5m,竖向间距2.0m;钢筋网片采用双向筋φ6@200×200绑扎而成,铺设时每边搭接长度应不小于200mm。
喷射施工顺序及施工要求
①每步开挖后,若坑壁土质较差,即对修整后的坑壁立即喷上一层薄砼或砂浆,尽量缩短坑壁土体的裸露时间。
②按设计要求间距打设φ16锚筋。
③绑扎φ6钢筋网,并与锚筋连接牢固,确保保护层厚度符合设计要求。
④埋设φ80PVC泄水管,将水引至坑内排水沟。
⑤喷射砼施工
喷射采用干喷,80mm厚一次喷射完成。配合比通过试验确定,粗骨料最大粒径不宜大于12mm,水灰比不宜大于0.45。
在坑壁上隔3米距离打入垂直短钢筋作为喷射砼厚度标志,喷射砼的射距保持在0.8～1.5m范围内,并使射流垂直于壁面。喷射砼的路线从壁面开挖层底部逐渐向上进行,但底部钢筋网搭接长度范围以内先不喷砼,待与下层钢筋网搭接绑扎之后再与下层壁面同时喷射砼。砼接缝在继续喷射砼之前应清除浮浆碎屑。
喷射砼终凝后2h采取喷水养护措施。
4.6 浇注垫层砼
挖至垫层底标高,在基坑四周挖排水沟,降水引至集水井,用潜水泵进行抽排,浇注封底C20砼300mm。
4.7 支撑拆除
承台施工完成后,在承台周边回填并砂灌水密实。按设计位置在承台周边浇注C20砼传力带与支护桩顶紧,待传力带砼强度达到设计的75%后,拆除第三道钢支撑,进行墩身施工。待墩身施工完成后,分层回填砂灌水密实,浇筑传力带,依次拆除第二道、第一道支撑。
支撑拆除方法:采用氧乙炔气割拆除水平支撑与钢围檩的连接节点,使连接节点应力释放并解体,割断时需用吊车用吊索将其吊紧。解开连接后,用吊车吊出地面。
5 基坑监测方案
本基坑侧壁安全等级为一级,施工时按动态设计、信息化施工,加强监测及信息反馈制度。根据支护结构设计计算、施工组织设计和周围环境情况,本基坑工程需进行两方面的监测,即支护结构本身在基坑开挖施工期间的安全、稳定监测和周围建筑物、地下管线的监测。
6 结束语
深基坑支护结构的主要作用是挡土,使基坑在开挖和基础施工的全过程中能安全顺利地进行,并保证对临近建筑和周边环境不产生危害。实践中根据土质条件、基坑深度、地下水情况等,结合不同支护方式的优缺点,选择经济合理的方案。
参考文献
[1]段新胜,顾湘.桩基工程[M].北京:中国地质大学,2003.
[2]靳会武,周春华.泰州大桥南塔承台深基坑支护技术[J].中外公路,2009,(6).