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技术文章
 
 

超深SMW工法桩施工技术在澳大隧道工程中的应用

2016-9-19 点击次数：[1889]
 
    1 ·工程概况
    澳门大学新校区海底专用隧道工程是为服务澳门大学横琴新校区而新建的过海隧道工程，是澳门大学新校区与澳门联系的唯一通道。工程西起珠海横琴岛澳门大学校区，下穿十字门水道后，东至澳门路氹莲花海滨大马路，平面呈“Z”字形，工程线路全长1 570m，其中隧道段长1 430m，采用围堰明挖法施工。
    横琴侧K0 + 220—K0 + 470 段、澳门侧K1 +400—K1 + 600 段及横琴侧人行出入口基坑采用SMW 工法桩围护。其中K0 + 220—K0 + 340 和K1 + 460—K1 + 600 段基坑采用Φ650mm@ 450mmSMW 工法桩围护，桩长4 ～ 26m，基坑开挖深度1． 05 ～ 6. 72m，间隔内插HN500 × 300 × 11 × 18 型钢; K0 + 340—K0 + 470 和K1 + 400—K1 + 460 段基坑采用Φ850mm@600mm SMW 工法桩围护，基坑开挖深度6. 72 ～ 10. 21m，桩长18. 5 ～ 28. 5m，间隔内插HN700 × 300 × 13 × 24 型钢; 横琴侧人行出入口基坑采用Φ850mm@600mm SMW 工法桩围护，开挖深度13. 45m，局部开挖深度16. 94m，SMW 工法桩桩长27. 5 ～ 33m，密插HN700 × 300 × 13 × 24 型钢。本工程横琴侧人行出入口段基坑SMW 工法桩桩长达到33m，且H 型钢采用密插形式，为本工程施工的难点所在。
    2 ·工程地质条件
    本工程场地位于珠海十字门水道岸边，为人工吹填砂区域，场地标高2. 0 ～ 3. 2m。根据地质勘探报告，场地内自地表至持力层深度范围内的土层为人工素填土、细砂、淤泥、黏土、淤泥质黏土、细中砂、中粗砂、砾砂及砂质黏性土，其SMW 工法桩最深段人行出入口处的地质柱状图如图1 所示。地表水主要为大气降水形成的径流水、鱼塘水、潮汐海水等，海水深度0. 7 ～ 3. 8m，地下水位0. 8 ～ 2. 5m，随季节变化明显。

    3· 工程难点分析
    SMW 工法桩刚度较小，在常规建筑基坑支护中，通常用于开挖深度11m 以下的基坑［1］，桩长在15 ～ 25m。本工程横琴侧人行出入口基坑开挖深度达16. 94m，SMW 工法桩桩长达到33m，超越了常规SMW 工法桩支护的应用范围，属于超深SMW 工法桩。超深SMW 工法桩受成桩深度的影响，成桩质量的控制难度大。本工程场地内地下水丰富，水位高，对搅拌桩的施工质量要求更为严格。横琴侧人行出入口段33m 桩长SMW 工法桩采用密插H 型钢，插入精度要求高，且H 型钢的插放受到桩深及桩体水泥土硬化的影响，插入阻力大。
    SMW 工法桩的施工机具为三轴搅拌桩机，由于受到搅拌桩机桩架高度的限制，如果桩深超过30m，则需要通过加钻杆工艺实现［2］。33m 长的搅拌桩如果通过加钻杆工艺实现，既不经济，效率也低。据此，本工程选择了1 台步履式JB-160 桩机作为33m 长SMW 工法桩的施工机具，该桩机桩架高度达到39m，配套了35m 的钻杆，自重130t，稳定性好，而且使用了大功率的钻头，可以有效保证垂直度与搅拌成桩质量。
    4· 施工工艺及解决方案
    4． 1 三轴搅拌桩施工
    三轴搅拌桩通常采用套接一孔法施工，即先施工的搅拌桩与后施工的搅拌桩有一孔是重复搅拌搭接的。搅拌桩的施工顺序一般有3 种，分别为跳槽双孔套打连接式、单侧挤压连接式以及先行套打式。跳槽双孔套打连接式即施工时先施工第1 单元，然后施工第2 单元，第3 单元的A 孔及C 孔分别与第1 单元C 孔及第3 单元A 孔套打复搅，完全套接施工。依次类推，施工第4 和套接的第5 单元，形成连续的搅拌桩墙体，如图2 所示。本工程主要采用跳槽双孔套打连接式施工。
                 
    与单独作为止水帷幕的三轴搅拌桩不同，SMW工法桩在搅拌桩桩体未硬化前插入了H 型钢，形成了一种复合的具有挡土与截水功能的结构。基坑开挖后，SMW 工法桩桩体直接暴露在外，既作为围护结构也作为止水帷幕，桩体间一旦出现渗漏，则会对围护结构整体及基坑安全造成重大影响，所以其质量要求更高。为保证搅拌桩的成桩质量，采取了以下措施。
    4． 1． 1 水泥掺量及水灰比的选择
    水泥掺量及水泥浆配合比是影响SMW 工法桩成桩质量的重要参数。目前SMW 工法桩的水泥掺量为18% ～22%，水灰比为( 1. 5 ～ 2. 0) ∶ 1，具体数值需要通过现场试桩确定。本工程在施工前进行了超深桩的试桩，试桩分为3 组，试桩参数如表1 所示。
                 
    根据钻孔抽芯桩检结果，A 组桩水泥土芯样抗压强度最小值0. 6MPa，平均值1. 1MPa; B 组桩水泥土芯样抗压强度最小值为1. 1MPa，平均值为1. 3MPa; C 组桩水泥土芯样抗压强度代表值为1. 4MPa，平均值1. 7MPa。本工程搅拌桩设计强度为1. 0MPa，A 组不满足设计要求，B，C 组满足设计强度要求，但C 组强度超出设计值较大范围。综合考虑，采用了22% 的水泥掺量; 另外根据现场施工需要，水灰比采用了2 种，搅拌下降时为2∶ 1，搅拌提升时为1. 8∶ 1。
    4. 1. 2 下沉、提升速度及注浆控制
    搅拌机下沉和提升速度及注浆量对成桩质量起着关键性作用。搅拌机的下沉速度应控制在0. 5 ～ 1. 0m/min，提升速度控制在1. 0 ～ 2. 0m/min，在桩底部适当反复提升下沉搅拌。
    注浆泵的流量控制应与搅拌桩的提升、下沉速度相匹配。一般下沉时喷浆总量为每幅桩总量的70% ～ 80%，提升时为总量的20% ～ 30%。另外，注浆流量由于受到钻头处的土压力影响，钻头深度越大，注浆流量越小，所以在桩长范围内为了控制成桩的均匀性，通常需要动态控制下沉、提升的速度。
    根据试桩结果及现场实际情况，本工程的搅拌机下沉速度控制为0. 5m/min，提升速度控制为1. 0m/min，注浆泵标准流量为180L /min。SMW 工法桩施工过程中在注浆管处安装了流量计，通过实时观察流量变化控制施工速度，保证成桩质量。一组33m 桩长SMW 工法桩的标准施工参数如表2所示。

    根据行业规范［1］，搅拌桩搅拌土体的体积首开幅为3 个圆形截面面积与深度的乘积，采用套接一孔法施工的后续单幅桩体积为2 个圆形截面面积与深度的乘积，圆形相互搭接部分应重复计算。对于Φ850mm 搅拌桩，水泥掺量为22%，其每m 桩长水泥用量为: 首开幅: M = 1 800 × π × 0. 852 /4 × 3 ×22% = 674kg /m; 套打幅: M’ = 1 800 × π × 0. 852 /4 × 2 × 22% = 449kg /m。
    4. 2 H 型钢插放H 型钢插放为本工程的关键所在。H 型钢的插放在搅拌桩施工完成后大约20min 内进行。插放时先在桩位上方放置H 型钢定位装置，定位装置准确就位后，用汽车式起重机插入H 型钢。通常情况下，H 型钢在自重的作用下可直接插入搅拌桩体，插入困难时则采用振动锤辅助插放。
    本工程33m 长SMW 工法桩H 型钢采用密插形式，内插H 型钢为HN700 × 300 × 13 × 24。由于H型钢密插，H 型钢间距仅为60cm，其插放需要达到非常高的精度，否则会影响后续H 型钢的插入及后续桩的施工。H 型钢的插入阻力随着深度的增加而增大，33m 长H 型钢的插放困难将更大。而且根据施工工艺，当1 组搅拌桩( 通常为1 个新开幅与套打幅，见图2) 施工结束后，才进行H 型钢插放。现场每施工1 组搅拌桩需要约4. 5h，在此时间内先施工的搅拌桩已一定程度的硬化，增大了H 型钢插放的难度。
    4. 2. 1 H 型钢插放难题及解决方案
    本工程33m 长H 型钢的插放过程中，H 型钢在自重作用下可以插入22m 左右，通过使用振动锤辅助可以插入到30m 左右，后续的2 ～ 3m 则难以插进。地质资料显示，在人行出入口段地面以下30m左右存在1 个中粗砂层( 见图1) ，此砂层摩擦力及渗透系数都比较大，地下水渗透带走搅拌桩水泥浆液，搅拌作用对土层阻力的改善不大，这与最后2 ～3m 插入困难相符。
    针对H 型钢插放困难的问题，项目管理团队最初尝试通过施加额外荷载的方式来解决: 通过挖掘机在H 型钢顶部施加压力或通过下放钻杆利用钻杆重力下压H 型钢。试验效果不明显，耗时长，而且此方式容易造成H 型钢头部位置变形，影响H 型钢的位置与垂直度，导致H 型钢间距不一，位置出现偏差。
    随后项目管理团队通过与协作队伍分析讨论，计划通过增大水泥浆的水灰比来缩短搅拌时间，减少地下水渗透及水泥土硬化带来的影响，但该方案没有获得监理方的同意而取消。项目管理团队决定尝试在利用现有振动锤的基础上，在出现插入困难后不施加额外荷载而是持续振动，在长时间振动作用下，H 型钢开始逐渐出现了缓慢插进的迹象，最终在持续的振动下将H 型钢插放到位。经分析这是由于在长时间的振动下，土体尤其是底部的砂层发生了一定程度的液化，插入阻力降低，使H 型钢得以继续插入。
    至此，H 型钢的插放困难通过最简单的方法得到解决方案，即长时间振动插入。
    4. 2. 2 H 型钢插放顺序优化
    由于H 型钢采用密插，距离后续施工幅钻杆非常近，后续施工时钻杆常与插入后的H 型钢相碰撞，造成钻杆偏离，甚至还出现钻头叶片被H 型钢卡住而停机的现象。
    正常情况下，每完成一个新开幅与一个套打幅即进行一次H 型钢插放，第1 单元插放2 根，后续每次插放4 根，由于每批次插放的第4 根H 型钢与后续幅的距离太近，导致与钻杆发生碰撞。经认真分析，决定后移最后1 根H 型钢位置，使每次插放的最后1 根H 型钢与后续幅之间隔开足够的距离。通过调整插放方式，使得问题顺利解决，如图3 所示。
              
    4． 2． 3 H 型钢后定位
    H 型钢插入后由于桩体尚未硬化，会被后续施工桩的搅拌影响而晃动造成移位。但是前期插放H型钢的桩体是硬化的，故现场通过将新插H 型钢固定在先插放的H 型钢上，实现了H 型钢的固定与定位，如图4 所示。
              
     5· 施工质量保证措施
    1) 桩位的放样与定位放样误差要求＜ 1cm，放样后采用H 型钢定位，桩体位置误差要求平行基坑方向＜ 5cm，垂直基坑方向＜ 1cm。
    2) 桩体垂直度控制桩机就位后需严格调整桩架垂直度，垂直度偏差≤L /250( L 为桩长) 。一般的桩机通过桩架上的铅垂线调整垂直度，而进口的桩机通常都有先进的电子控制系统，可以在机器内通过仪表控制桩架垂直度，其精度可以达到2″，效果非常好。
    3) 原材料进场SMW 工法桩的主要材料为水与水泥，用量非常大，一幅33m 长SMW 工法桩水泥用量高达22t，日消耗量150t 左右，每天需要保证足够的进场量，同时场地内需要用多个水泥筒仓储存水泥，保证连续施工。
    4) 施工用电SMW 工法桩一套施工设备总功率达到340kW 左右，多套设备同时开工需保证电力供给满足要求。尤其注意严防长时间停电，以免出现埋钻。
    5) 严格控制水泥浆配制水泥浆配制需专人负责，并作配制记录，每天定期检查水泥浆密度。
    6) 加强现场管理，保证施工效率搅拌桩的施工与H 型钢的插放关系密切，如果施工不连续，搅拌桩施工时间长，将导致水泥土硬化，加大H 型钢插放难度。
    7) 动态的水泥浆泵送控制水泥浆的泵送受到土压力的影响，施工深度越大则流量越小。为了保证搅拌的均匀性，需要安装流量计并根据流量计动态调整提升与下沉速度。
    通过以上措施，本工程SMW 工法桩得以顺利连续施工，施工质量也得到了保证。基坑开挖后，桩体搅拌均匀，止水性良好，为后续施工创造了良好的条件; H 型钢插放整齐划一，垂直度高，基坑的变形也能满足设计要求，证实了SMW 工法桩可应用于更深的基坑。
    6· H 型钢拔除
    主体结构完工并进行基坑回填后，即可拔除H型钢。H 型钢的拔除机具为汽车式起重机、千斤顶及H 型钢夹具。拔除过程为先清除桩头部位的杂物，放置2 台大功率千斤顶，并用汽车式起重机在千斤顶上放置H 型钢夹具，夹具夹紧H 型钢后启动千斤顶逐节顶升拔除H 型钢。
    7· 结语
    SMW 工法桩作为一种较新型的围护结构，在澳大隧道的施工尤其是后期的基坑开挖支护中，体现了其良好的工程适用性及优越性。SMW 工法桩工艺简单、成桩速度快、止水效果好，为后期的基坑开挖及主体结构施工赢取了大量的时间。隧道主体结构完工后，大部分H 型钢被拔除，实现了资源的再利用。超深SMW 工法桩在澳大隧道基坑的成功应用，不仅为超长SMW 工法桩的施工积累经验，也证实了SMW 工法桩有更广的适用范围。
    在施工中，施工管理团队通过不断发现与解决问题，优化施工方案，使工程得以顺利完工。随着土木工程技术的发展，施工技术难题将不再是影响工程进度与企业效益的主要因素，而先进的现场管理水平及良好的资源调配能力才是实现企业高效益的关键。
 
 
 
 
 
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