临近地铁桥梁桩基微扰动施工工法的应用研究

王 勇

（中铁四局集团有限公司南京分公司，江苏 南京 210000）

1 工程概况

位于南京市江北新区的江北新区纬七路快速化改造一期工程，左右分幅主线高架桥和七座互通匝道A、B、C、D、E、LU、RD。其中，两座主线高架桥和上下匝道LU和RD位于已运营南京地铁10号线两侧，A、C匝道上跨地铁10号线。桥梁桩基采用Φ1.5 m、Φ1.2 m的钻孔桩灌注桩。通过设计图纸可知，主线高架桥左右幅MZ04#～MZ14#、MY00#～MY13#桩 基、 上 下 匝 道LU0#、LU4#、RD0#、RD4#桩基靠近地铁10号线，钻孔桩距车站主体结构最近仅5.05 m；A匝道A10#～A11#墩、C匝道C9#～C10#墩靠近地铁区间，钻孔桩距地铁最小距离5.15 m。桩基微扰动施工工法，即全套管跟进成孔工艺可有效减少桥梁桩基施工对地铁盾构区间所属淤泥层的扰动，切实保障地铁结构安全。

2 施工工艺流程及操作要点

2.1 工艺流程

主要工艺流程为：场地平整→测定桩中心、临时护筒埋设→全回转钻机定位→全回转钻机定位→全回转钻机驱动钢套管切割切削钻进→垂直度监控→钢套管钻进至设计深度后移开全套管钻机→旋挖钻机进行钻孔施工→钢筋笼吊装→拆除设备→退场。全套管钻机施工示意图如图1所示。

图1 全套管钻机施工示意图

2.2 操作要点

2.2.1 设计套管

（1） 确定套管的壁厚。由地形勘探图纸可知，淤泥质粉质的黏土的标准摩擦力值是18 kPa，淤泥质黏土的摩擦力标准值为30 kPa，淤泥质粉质黏土夹粉土的标准摩擦力是25 kPa，由于淤泥质粉质黏土的占比较大，即在此次计算过程中摩擦力标准值取20 kPa。

对于直径为1.5 m的钢套管，由计算知单位面积承受的摩擦力为2 t （1×1×20=20 kN）。

钢管所承受的压力为： （钢管材质抗拉强度×壁厚×2） /（系数×外径）

在钢管所承受压力和外径已知的情况下求壁厚方法如下：

壁厚T= （外径×系数×压力） / （钢管材质抗拉强度×2）

注：钢管压力系数的表示方式：

当压力P＞17.5 MPa时，系数S=4；

当7 MPa＜压力P＜17.5 MPa时，系数S=6；

当压力P7 MPa时，系数S=8。

钢板使用Q345B制成，其抗拉强度为450～600 MPa，此次计算取450 MPa，g取10；

由以上公式可知：

T= （1.5×8×2） / （450×2） =26.7 mm；

套管在转动时的扭矩为：

M=F×R=3.14×46×20×1.5×0.75=3 249 kN·m

由全回转钻机的性能表可知，DTR2005H型钻机的瞬时扭矩为3 391 kN·m，扭矩为2 965 kN·m，可满足使用要求。

根据以上计算可知1.5 m管径的钢管壁厚为26.7 mm，取安全系数为1.2，则壁厚T=32.04 mm，查表初选壁厚为32 mm的钢板制作全套管。

T= （1.2×8×2） / （450×2） =21.3 mm；

套管转动时的扭矩为：

M=F×R=3.14×48×20×1.2×0.6=2170 kN·m

由计算知1.2 m管径的钢管需壁厚为21.3 mm，取安全系数为1.2，则T=25.56 mm，查表初选壁厚为28 mm的钢板制作全套管。

（2） 制作套管与连接孔口。钢套管制作由钢结构厂完成，由于其为直缝焊管，焊缝在厂内进行。

①钢套管材质。使用Q345b钢板制作钢套管，且钢材Q345b的技术要求需满足《低合金高强度结构钢》 （GB/T 1591—2008）。根据《热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量与允许偏差》 （GB 709） 的B类偏差标准选用钢板厚度，厚度的下偏差是-0.30 mm；根据《厚度方向性能钢板》 （GB/T 5313—2010） 的相关标准确定钢板是否满足条件。

②制作钢套管的要求。a.需选用的钢板具有出厂合格证，且满足钢套管的设计要求，钢板表面状态良好，无气泡、裂缝等缺陷。b.采用卷制直焊缝形式制作钢套管时应当采用较大的管节长度，可有效减少管节拼接的次数，纵向的管节焊缝应错开90°，纵缝的距离＞1 m。根据《工程桩基规范》（JTS 167-4-2012） 的相关规定确定成品钢套管的外尺寸偏差、管节外形尺寸偏差与相邻管径偏差。

③焊接钢套管的要求。a.使用自动埋弧焊焊接钢套管，采用H10MnSi和H08MnA等焊丝并配合对应的焊剂。b.钢套管的所有焊缝均为连续满焊，对接焊缝均要求焊透，钢板桩的纵缝为一级焊缝，环缝也为一级焊缝，其他对接焊缝均为二级焊缝，角焊缝是为三级焊缝。

④检测钢套管焊缝的要求。a.进行焊接接头机械性能试验，测试钢套管的焊缝试验要求应符合《工程桩基规范》JTS 167-4-2012第9.9.5款的规定；b.所有对接焊缝应按相应等级要求进行无损探伤检测，焊缝进行100%超声波检测，套管进场时需附相应焊缝的检测报告。

⑤钢套管孔口的连接。两节钢套管之间采用CO2气体保护焊连接，上下套管各打30°剖口，采用两台焊机对称施焊；将套管对接准确后，先在四周点焊固定，然后两名电焊工对称进行焊接；焊接完成后自然冷却2 h。

（3） 套管底部处理。为保证钢套管能顺利进入岩层，需在套管底部设置合金刀头；刀头分为刀片和刀座两部分，刀片与刀座采用镶嵌连接并焊接牢固；刀座焊接在刀筒上，刀筒壁厚40 mm，长50 cm；刀筒设置在钢套管底部与钢套管焊接。

2.2.2 全套管钻机的施工

具体施工如下：

（1） 施工准备和场地布置。包括组织、安排施工人员，物资、材料、机具准备，施工现场布置，机械设备拼装，安全、技术交底等施工前的所有准备工作。

（2） 测定桩位中心。采用测量仪器定位钻孔桩中心，并向监理单位报验。

（3） 全回转钻机定位。全回转钻机移机定位，调整钻机的水平和垂直度，使钻机配置的钢套管中心与钻孔桩中心保持一致，再次复核即可进行套管钻进。

（4） 钢套管旋转切割切削钻进。采用DTR2005H型全回转钻机配备内径Φ1 540 mm钢套管，由全回转钻机驱动钢套管旋转切割切削钻进沉入。由于钢套管底端镶嵌锯齿状的钛合金刀头，在旋转驱动装置的驱动下，360°旋转压入套管。旋转压入前需调整套管垂直度，采用两台经纬仪从两个相互垂直方向进行观测，通过钻机四个液压油缸进行纠偏，确保垂直度偏差不大于1%。

①先压入首节套管至10 m深，取土5 m，保留底部5 m土体。并检查监测数据、观察是否涌土。因全套管护壁，不会产生塌孔，通过测量套管内孔深变化可知套管底部是否涌土。两次测量的套管内孔深之差即为涌土高度。总结套管超前的长度，确定需保留的最小土体厚度；如发现套管底部涌土，可在套管内灌注泥浆至地面，通过泥浆反压，平衡套管底部内外土压力。

②接长第二节套管10 m长，采用两台CO2气体保护焊机对称施焊，焊接完成后冷却1 h，并进行焊缝检测。

③根据观察和监测结果，确定底部涌土情况；总结套管超前的长度，确定需保留的最小土体厚度；根据情况判定是否需要向孔内灌注泥浆，通过泥浆反压保证套管底部土体平衡。

④重复接管、旋转压入、取土，将套管压入设计深度。

（5） 钢套管沉入设计深度后灌注桩施工。钢套管旋转沉入设计深度后，割除高出地面的套管移开全回转钻机，采用旋挖钻机进行套管内剩余桩长以及套管深度以下桩体的成孔；并按正常钻孔桩工艺安装钢筋笼、灌注水下混凝土。

3 质量控制

3.1 全套管施工过程质量控制

（1） 加强套管垂直度检查，采用两个相互垂直方向进行观测，要求垂直度偏差不大于1%。

（2） 对套管接头焊接质量加强检查，严格按照平面对称、竖向分层的要求进行；每个班组的第一个焊缝应进行探伤检测，以检验焊工技能水平；焊缝需自然冷却2 h，冷却至常温，严禁浇水加快冷却；

（3） 总结套管超前的合理参数，保留套管底部土体不少于5 m，避免造成套管底部涌土。如遇流沙层或淤泥层较厚产生涌土，应立即采用泥浆灌满套管，以保证底部土压力平衡。

3.2 控制旋挖钻施工质量的措施

（1） 由于此次施工条件较差，施工地下具有较厚的淤泥层和卵石层等，在外界扰动下容易失去稳定；在完成设计标高后需快速安排旋挖钻进行工作，并灌注混凝土；套管在土压力下的暴露时间要尽量限制，以避免不必要的土体变形。

（2） 使用泥浆法进行旋挖钻施工，确保能够满足泥浆的含沙量、黏度和比重要求；套管内壁最好不要挂有沙土；底孔处沉渣＜5 cm。

（3） 应当连续灌注水下钻孔桩，当快到达桩顶设计标高处时，由于混凝土灌注的水压差变小，为加大压力差提升灌注面的高度使用大料斗，确保能够顺利完成桩顶的灌注。

4 结语

综上所述，通过本工法应用，加快了南京江北新区纬七路临近地铁桥梁桩基施工，同时，保证了地铁结构安全，避免了因桥梁桩基施工造成的地铁结构变形、停运等不良影响。相比以往因施工造成地铁结构受损进行维修、补强施工，既带来了严重的社会影响，又浪费大量费用；通过本工法的应用获得了良好的社会效益，同时，避免了因地铁结构变形带来的巨额维修、配合费用；节省投资约五千万元。