黄土地区PBA暗挖车站洞内边桩施工技术研究

王东星 （诚合瑞正风险管理咨询有限公司，北京 100855）

PBA工法的基本原理[1～2]，是在暗挖和明挖方法的基础上结合起来，主要应用于交通条件较为繁忙、城市地下管线类型较多、无法采用明挖法施工的城市中心区域的地铁车站。PBA暗挖车站的基本指导思想是“化大为小、化整为零”，施工完小导洞后，在小导洞施工洞内围护边桩、冠梁、底纵梁、中桩（柱）、顶纵梁等结构部位。PBA暗挖车站最初的受力体系由桩（边桩和中桩）、梁（顶部和底部的梁）、拱（二衬扣拱）这三个结构体系进行支撑，并承受上部岩土体传来的荷载。车站主体结构在拱顶、围护边桩的保护下，逐步向下开挖，逐步施工主体结构并完成施工。暗挖车站主体结构施工之前，边桩的质量是保证主体结构后期施工安全质量的一个关键因素。本文以西安黄土地区第一个暗挖车站作为工程背景，对洞内桩施工进行研究。

1 工程概况

1.1 设计概况

广济街站属于西安六号线二期工程项目中的一个标段，该工程项目位于西安市碑林区西大街处，车站主体结构位于西大街正下方，车站平面走向为东西方向。车站的主体结构为地下两层，总长度为208m，车站标准段的宽度为19.9m，标准段的高度为16.73m，车站主体结构埋深约从地表往下10.4m。4个出入口分别位于车站主体的东北、东南、西南、西北4个角部位置。车站设有2组风道，其中2号出入口和Ⅱ号风道共用。广济街车站的两头均为区间盾构隧道，车站提供盾构空推过站场地。广济街站总平面图见图1，广济街站标准段横剖面图见图2。

图1 广济街PBA暗挖车站总平面图

图2 广济街PBA暗挖车站标准段横剖面图

广济街站位于西安市繁华地带，距离钟楼西仅约500m，车流量较大，地下管线较多且不具备导改条件，场地条件严重被限制，无法明挖施工，只能采用暗挖工法。广济街暗挖车站主体结构采用单柱双跨直墙双联拱的结构形式，采用PBA（桩～梁～拱）工法进行施工，车站从东往西共设置3座施工竖井及横通道，1、3号井位于西大街南侧，2号井位于西大街北侧。广济街暗挖车站洞内边桩采用洞内机械成桩施工。广济街暗挖车站洞内边桩设计有310根，其桩身直径1.0m，桩身长度位于29.43m～33.95m之间，相邻桩中心之间的距离为1.5m，桩身成孔作业时采用“隔三施一”的方法跳打钻孔作业。

1.2 水文地质

广济街PBA暗挖车站所处地层分部情况为1-1杂填土（土质不均，欠压实～压实）、1-2素填土（土质不均，粘性土为主）、3-1-2新黄土（土质欠均匀，可塑）、3-2古土壤、3-3粉质黏土（土质均匀，可塑）、3-6中砂（级配不良，中密）、4-3粉质黏土（土质均匀，可塑）、4-6中砂（级配不良，密实）。车站小导洞洞内桩身穿越的各个地层厚度情况分别为3-2古土壤1.6m～4.2m、3-3粉质黏土14.20m～24.80m、3-6中 砂 1.10m～4.40m、4-3粉质黏土2.90m～13.20m、4-6中砂1.10m～6.00m。

广济街暗挖车站的地下水赋存较浅，从地表往下约为10.00m～10.40m，主要以孔隙潜水的形式赋存于地层中，旱季、雨季时水位变化不大。

2 暗挖车站洞内边桩施工工艺流程

广济街暗挖车站洞内边桩施工工艺流程图，见图3。

图3 暗挖车站洞内边桩施工工艺流程图

3 主要施工工艺分析

3.1 泥浆池、回浆管和排渣管管路

采用竖井作为泥浆池，需对竖井底部铺设ϕ8@150mm*150mm双层钢筋网后，浇筑200mm厚C20混凝土进行临时封底。封底前用挖掘机+人工对井底进行平整、碾压、夯实，同时在竖井内紧贴竖井壁焊接3mm厚钢箱作为临时泥浆池，以达到隔水作用。施工前对竖井壁的四周布设变形监测点，加强监测。采用竖井作为泥浆池进行使用，采用回浆管和排渣管进行泥浆循环。施工期间泥浆循环与碴土外排管路，见图4。

图4 泥浆循环与碴土外排管路图

3.2 钻孔设备的选型

为保证洞内边桩施工的安全性、经济性，钻机的选型需要考虑地层、导洞净空、成孔效率、机械稳定性、人员熟练程度、经济性等因素。综合考虑，本工程采用洞内低净空反循环钻机，该钻机的特点[3]是钻孔施工采用泥浆泵抽送至工作面，泥浆进入桩孔后，在反循环钻机的钻头切削搅拌下，桩孔内的渣土一起被中空的钻杆内吸走回流至泥浆池，钻孔需要泥浆时从泥浆池用泥浆泵反复抽取即可使用。对于洞内低净空反循环钻机成孔具有施工效率较高、空间和地层适应性强、清孔工作用时短、不易产生塌孔等优点，主要用于粉土、砂土、黏土和砂卵石等地层。洞内低净空反循环钻机在低净空作业的影响下，成孔效率较高，约3.5小时即可成孔一根直径1m、桩长29.43m的钻孔灌注桩。

广济街站洞内围护边桩采用KYZ-180反循环钻机，使用功率达到140kW，排渣泵功率为90kW，供浆泵型号为WQ-500-12，功率为37kW。车站桩基施工属于黄土地区首次采用洞内桩工艺进行施工，车站标准段小导洞内底板以下桩长29.43m，桩身钻孔地层主要穿越古土壤、粉质黏土、中砂、粉质黏土。在该地层中，局部含有砂层，厚度从0.3m～3m分布不均匀，存在塌孔风险，钻孔施工作业过程中采用泥浆护壁，从而保证钻孔作业过程中的可靠性。泥浆护壁成孔时，孔口采用钢筋混凝土护筒，深0.8m，壁厚100mm～180mm，确保钻进作业正常进行，作业过程中及时控制钻孔作业垂直度，根据施工情况随时调整。

车站小导洞宽4m、高4.5m，为适应实际的空间要求，反循环钻机尺寸长宽高为5996mm×1500mm×3100mm，能够很好地适应洞内反循环钻孔低净空作业，且桩位施工时距离导洞边墙仅202mm，也能够很好地进行钻孔。钻孔作业施工现场，见图5，洞内围护边桩距导洞边墙最近距离仅为202mm，具体见图6。

图5 洞内低净空反循环钻机钻孔图

图6 洞内桩身距导洞边墙最近距离202mm

3.3 钢筋笼的加工、制作和安装

因钢筋笼的安装只能在小导洞内进行，且小导洞的宽4m、高4.5m，车站标准段钢筋笼长29.43m，按照原材9m钢筋长度进行考虑，每节钢筋笼长度按照2.5m、2.25m和2m进行尺寸加工，标准段1根桩身钢筋笼分13节进行制作、加工、安装。桩身主筋加密区采用2428mm，主筋非加密区采用1228mm，箍筋加密区采用ϕ12@100mm，主筋非加密区采用ϕ12@150mm，加强筋采用20@2000mm，钢筋笼外侧采用定位钢筋采用16@2000mm，确保钢筋保护层厚度70mm。对现场加工的钢筋笼进行抽检，用通规、止规、钢卷尺等抽检钢筋笼的加工质量。

钢筋笼分段制作、分节吊装，纵向受力钢筋接头百分率为100%，采用接头一级机械连接。洞内边桩桩身钢筋笼加工、运输、安装严格遵循设计图纸和规范要求，确保桩身质量。钢筋接驳器连接完成的钢筋笼采用扭矩扳手进行抽检。为保证后期洞内桩身顶钢筋顶部丝头，保证后期钢筋向上接长至冠梁的锚固长度，浇筑混凝土前，钢筋丝头采用“钢筋接驳器+保护盖”的方式进行保护，以防水泥浆与丝头接触或在桩头混凝土浮浆凿除过程中破坏钢筋笼丝头，影响后期钢筋笼的锚固接长。洞内围护边桩钢筋笼的吊装、桩身混凝土的浇筑采用多功能灌注机进行配合。

3.4 施工过程中泥浆的制备

通过对本黄土地区广济街暗挖车站洞内桩身钻孔地层进行分析可知，桩身钻孔地层主要为可以自行造浆的黏性土层，部分桩身位于中砂层的平均厚度约2m～3m，中砂层位于桩孔孔底上方2m～8m不等。

虽然在泥浆护壁作业的情况下，但依然存在塌孔的风险[4～6]。因桩身钻孔地层主要位黏性土中，且塑性指数不小于17，桩身孔内注人清水后，通过洞内低净空钻机钻头搅拌切削下造浆，制备的泥浆其自身的相对密度应位于1.1～1.2。洞内桩成孔的过程中，定期安排专业技术人员测定泥浆相对密度、黏度、含砂率和胶体率等相关参数，保证各项指标处于正常范围，其中桩孔内的泥浆黏度应保持在18s～22s，泥浆含砂率应为4%～8%，泥浆的胶体率应大于90%。在桩身使用洞内低净空反循环钻机钻孔的过程中，必须使泥浆的液面始终高出地下水位1m以上。

3.5 桩身混凝土的浇筑

洞内围护边桩成孔后，按照要求先测量孔深，达到设计深度后然后清孔，孔底的泥渣通过低净空反循环钻机中空的钻杆内部排走，桩身清孔合格的标准主要包括以下几点：泥浆稠度为1.05、粘度为19s、含砂率小于4%、孔底的沉渣厚度小于100mm。清孔完成后，桩孔内下导管、浇注水下混凝土时，各节导管的连接应牢固、紧密，各节导管之间采用圆形橡胶密封圈进行密封，浇筑桩身混凝土之前并对其密封效果进行试验。

洞内围护边桩桩身混凝土浇筑时在竖井边采用车载地泵，配合输送管将混凝土送入料斗和导管中。暗挖车站洞内桩身混凝土浇筑前，混凝土浇筑导管底部与桩孔底部之间的合理应距离控制在300mm～500mm，洞内桩身混凝土灌注过程中导管应埋入混凝土2m～6m。

4 结论

PBA暗挖地铁车站围护桩的质量，关系着后续车站主体施工的安全。在高度、宽度有限的小导洞内施工钻孔灌注桩，需要根据施工现场实际情况提前预判，把控好人员素质、材料质量、设备稳定性、安全、成本、质量、进度等每一环节的全过程管理，是保证桩身质量的必要条件。也只有这样，后续主体结构施工过程中才能达到安全高效率施工、达到降本增效的效果和目标。广济街站PBA暗挖车站洞内边桩的成功实施，为后续西安黄土地区地铁建设提供了极大的参考价值和借鉴意义。