超长钢管桩在富水深厚淤泥地质区域作深基坑支护桩的应用研究

2022-06-02孙喜朋

广东土木与建筑 2022年5期

关键词：支护桩桩体管廊

孙喜朋

（中铁隧道集团三处有限公司深圳 518052）

0 引言

广州作为中国改革开放的前沿城市，土地寸土寸金，南沙区作为大湾区的几何中心，急需迅速发展壮大，在城市主干道绿化带中修建综合管廊不仅能够节约土地资源，还能够很大程度提升城市的整体形象，综合管廊将是未来的发展方向［1-3］。

南沙位于珠江入海口，所处位置淤泥层深厚，为地下综合管廊施工带来了极大困难，如何在确保施工安全的前提下，提高支护桩的施工效率、加快施工进度、降低工程造价，是一个值得思考的问题［4］。

针对该地质条件下基坑工程围护结构变形失稳不易把握的情况，以南沙某综合管廊项目为依托，运用理论分析、数值模拟及现场试验相结合的手段，对该地质条件下超长钢管桩支护技术进行了研究，解决了在该地质条件下深基坑支护的关键施工技术，为后续类似项目提供参考。

1 工程概况

南沙某综合管廊所建位置是填海造陆区域，下穿6 条河涌，全长约10.08 km，由电力排管、电力管沟和综合管廊构成，标准段结构尺寸为10.65 m×4.6 m，包含3 舱，分别为电力舱、综合舱和燃气舱，在过河涌段等基坑深度＞7 m 的区域采用钢管桩作支护桩，平面布置如图1所示。

图1 南沙某综合管廊项目平面布置Fig.1 Plan of a Comprehensive Pipe Gallery in Nansha District

1.1 工程地质及水文地质情况

本项目地处珠江三角洲中部，地貌单元主要为珠江三角洲冲积平原，地势平坦、开阔，多为农田、鱼塘、河涌、居民区等，植被发育较好。地面标高一般在海拨3.8～4.8 m之间，相对高差小。

本项目线路长，典型的地层由上至下依次为素填土、淤泥、淤泥～淤泥质土、粉质黏土、粉细砂、中粗砂等。淤泥为灰色、灰黑色，饱和，流塑，局部软塑，具有臭腥味，厚度0.40～36.50 m，平均厚度8.70 m；淤泥～淤泥质土为灰色、灰黑色，饱和，软塑，局部流塑，含少量粉细砂及有机质，具腥臭味。厚度0.60～35.00 m，平均12.90 m。

场区地处珠江水系入海口，为珠江三角洲平原的前缘，水系发达，路线需跨越6 条河涌，系洪奇沥水道支流，河涌受潮汐影响，潮差约1～2 m。

1.2 工程特点

本项目基坑深度5～11 m 不等，在基坑深度＜7 m位置采用超长钢板桩作支护桩，在过河涌段、过路段等基坑深度＞7 m的特殊位置采用超长钢管桩作支护桩，2～3道钢围檩+钢支撑做支撑体系，钢支撑间距4 m，钢支撑层间距1.6～3.5 m 不等，钢管桩采用φ1 000 mm、厚度10 mm 钢管焊接而成，为确保基坑开挖安全，避免施工中基坑外土体受压通过桩底绕流引起基底隆起，桩体需要穿透淤泥、淤泥～淤泥质土等软土地层直插入粉质黏土、中粗砂等持力层［5］，因此本工程钢管桩长度在21～41 m 之间，钢支撑φ609 mm、壁厚16 m钢管拼装而成，基坑横断面如图2所示。

图2 基坑横断面Fig.2 Cross-sectional View of Foundation Pit

为确保钢管桩连续性及整体性，防止开挖基坑过程中从钢管桩缝隙涌水涌泥，钢管桩之间采用“CC”型锁扣连接［6］，“CC”型锁扣采用φ108 mm，t=8 mm 钢管加工而成，钢管桩施工连接节点如图3所示，锁扣示意如图4所示，脱扣位置采用水泥搅拌桩止水［7］。

图3 钢管桩施工连接节点示意图Fig.3 Schematic Diagram of the Connection Node of the Steel Pipe Pile Construction （mm）

图4 钢管桩锁扣示意图Fig.4 Schematic Diagram of Steel Pipe Pile Lock（mm）

2 超长钢管桩在富水深厚淤泥地质区域作深基坑支护桩的应用

2.1 施工方案

软基处理及场地平整完成后，在加工厂预定9 m、12 m 长度不等的基本桩，根据现场需要焊接加工，为确保焊接质量、提高焊接速率，采用二氧化碳保护焊接，焊接完成后按比例进行无损检测。桩体加工完成后，根据测量点安装导向架，就位后，采用150 t 履带吊+150 kW 振动锤一次吊装桩体［8-9］，然后按桩位打入钢管桩，直到打入至设计标高，围护桩完成50 延米后方可组织开挖，为确保支撑安装及时性，确保基坑安全，采用长臂挖机分层开挖，最后一层采用PC70 挖机配合捡底。

2.2 施工工艺

以两道支撑为例，施工工艺如下：场地平整➝测量放线➝安装导向架➝安装防倾钢丝绳➝起吊加工完成的钢管桩➝对接夹头➝吊装就位打桩➝完成100延米➝开挖第一层土方➝安装第一道支撑➝开挖第二次土方➝安装第二道支撑➝捡底➝分层施作主体结构➝拆撑回填。

2.3 施工方法

2.3.1 场地平整

软基处理完成后，安排PC200 挖机将施工场地重新平整，采用3 m×1.5 m 钢筋混凝土预制块铺设4.5 m宽临时道路，以便车辆和人员通行。

2.3.2 测量放线

在场地平整后进行桩位放样，根据现场平面控制网，测定设计图纸给出的围护结构坐标，完成施工现场桩体控制轴线的放样工作，并用白灰划线，放样过程需考虑锁扣的接口长度。使用挖掘机以此为边线向外侧开槽，开槽深度控制在20 cm左右，同时作为钢管桩施打边线位置，即导向槽。

2.3.3 安装导向架

在钢管桩施工中，为保证沉桩轴线位置正确和桩体竖直，控制钢管桩的打入精度，防止钢管桩的扭曲变形，需要安装导向架。导向架采用双层双面形式，用12 m长双拼40a工字钢焊接而成。

2.3.4 安装防倾钢丝绳

本工程采用的钢管桩21～41 m，一次吊装打入，为避免施工过程中钢管桩意外脱落倾倒造成安全事故，起吊前安装防倾钢丝绳，防倾覆钢丝绳由3根φ28 mm钢丝绳组成，其中2根长度1.15 m，用于平时吊装和振动锤夹头意外脱落钢管桩倾倒，另1 根长度3 m，用于前两条钢丝绳受钢管桩坠落冲击力断裂后，桩头触地后防止倾倒。钢丝绳通过12 t“U”型卡将桩体与振动锤连接，防倾倒钢丝绳装置如图5所示。

图5 安装防倾钢丝绳Fig.5 Installing the Anti-tilt Wire Rope （mm）

2.3.5 起吊钢管桩并对接夹头

防倾钢丝绳安装完成后，启动吊车带动振动锤向上吊装，吊装过程中以桩体下端头为支点，利用2条长度为1.15 m 钢丝绳缓缓将桩体竖起，然后慢慢吊放至导向架直到桩底接触地面，然后利用导向架保持桩体垂直，缓缓下落振动锤，空中对接夹头，对接完成后，再次对桩位，确定无误后进行桩体打入。

2.3.6 吊装就位打桩

就位后启动振动锤，将桩体缓缓打入土体，打桩过程中，采用呈直角的铅坠控制桩体垂直度，第一根桩时不时采用全站仪复测，确保桩体垂直，第一根桩垂直度必须严格控制，淤泥土、淤泥-淤泥质土需要控制下桩速度，严禁下桩过快，多粉质黏土层及中粗砂层阻力渐渐变大，逐渐加大马力直到设计标高，第一根桩施工完成后，按以上方法施作后续围护桩，后续桩施工时，采用“CC”型锁扣将桩体连接为整体。

2.3.7 开挖土方

为加快施工进度，在确保安全的情况下，快速施作100延米，然后组织基坑开挖，基坑开挖采用竖向分层、纵向分段模式开挖，第一层土方由长臂挖机开挖至第一道支撑下50 cm 位置停止开挖，安装第一道围檩、支撑，围檩与支撑安装完成后，由PC200 挖机配合长臂挖机开挖至第二道支撑下50 cm 位置停止开挖，安装第二道围檩与支撑，第二道围檩与支撑安装完毕后，有PC70挖机配合长臂挖机开挖至基底上30 cm 位置，然后人工配合小挖机捡底，土方由长臂挖机带出。

2.3.8 分层施作结构主体

基坑开挖完成后进行桩帽、垫层、底板防水层施工，底板防水施工完成后按照变形缝位置及分段情况施作结构底板，底板完成后浇筑两侧回填混凝土，回填混凝土达到设计强度后，拆除第二道支撑与围檩，之后进行侧墙施工，侧墙施工完成后进行顶板施工［10］，顶板施工完成后采用石粉回填结构两侧空隙。

2.3.9 拆撑回填

主体结构施工完成后，拆除支撑与围檩，回填开挖前标高，拔桩。

2.4 施工质量控制及保证措施

⑴施工前，进行场地平整，检测地基承载力，需要满足150 t 履带吊正常施工，避免施工中发生履带吊倾覆。

⑵钢管桩需求量大，精确规范加工区，尽量做到当天加工、当天打入。

⑶本项目所需钢管桩均超过18 m，采用9∕12 m基本桩焊接而成，为提高焊接质量，避免烧伤桩体，采用二氧化碳保护焊加工为成品。

⑷焊缝为薄弱区，打入桩体时，相邻桩焊缝不得在同一平面上，且尽量将焊接缝隙放入基底以下。

⑸钢管桩施工数量多，长期吊装桩体存在以外脱落倾倒现象，打桩前每根桩必选安装桩体防倾覆装置，本项目桩体防坠落钢丝绳要求，桩底离地最大距离为80 cm，为确保安全，现场控制在50 cm以内，否则桩体脱落后，冲击力将冲断钢丝绳或卡扣，在安全高度内，桩底首先接触地面，接触地面后桩体自由落体冲击力将抵消，钢丝绳作用仅为在桩体倾斜后，拉住桩体不使桩倾倒。

⑹本项目桩体必须穿透软土层，桩底直到粉质黏土或粉细砂，否则开挖基坑时桩底土体易发生扰流，导致基底隆起，施工中采用双控，一控制桩底标高，二控制桩体贯入度，贯入度控制标准，以150 kW振动锤锤击10 min不沉桩为准。

⑺严格控制开挖面与打桩位置距离，确保振动锤打桩产生的振动不影响开挖面，现场按100 m控制。

⑻开挖是严格按照纵向分段、竖向分层，分段一般控制在1 根围檩长度，第一层可适当放宽至两个围檩长度，第二层一下必须控制在1根围檩长度范围，每层土方均控制在支撑下50 cm左右。

⑼采用人工配合PC70挖机捡底，禁止超挖。

⑽开挖过程中必须认真分析监测数据，特别是基坑深层位移，如果达到预警值，必须停止开挖，要求专家分析原因，处理完成后继续施工。

⑾底板施工完成且底板两侧混凝土回填完成，并达到强度后，方可拆除第二道支撑。

3 施工监测

3.1 监测内容、方法及点位布置

为确保基坑开挖安全，按设计布置监测点，影响范围以距离基坑边线3倍开挖深度的平面范围作为界定标准，本基坑主要监测项目、布置位置、测点布置原则、监测项目的最大值如表1所示，本项目按照三级环境控制。

表1 主要监测项目、布置位置、测点布置原则、监测项目最大值Tab.1 Main Monitoring Items，Layout Location，Principle of Measuring Point Layout，Maximum Value of Monitoring Items

3.2 基坑监测情况

钢管桩为软性桩，基坑开挖中必须严格落实“纵向分段、竖向分层”措施，纵向分段不得过大，一般以一条围檩长度为准，每层控制在支撑下50 cm位置，监测结果表明，钢管桩对开挖反应明显，只要向下开挖基坑，钢管桩就会有相应的变形，停止开挖，钢管桩变形明显减小或收敛，桩顶水平位移及竖向位移均在控制值之内，土体及桩体侧向变形开挖中每天变化在5～8 mm 之间，累计变形30～50 mm 左右，地下水位、地面沉降、支撑轴力均在控制范围之内。