大直径钻孔灌注桩在狭小复杂环境下的施工技术研究

1、中环线高架桩基施工与对地道结构的保护一、工程概况中环线真北路高架工程为上海建工股份有限公司承建的市政重大工程，是集投资、设计、施工为一体的BT工程。在该工程的施工中，受到工程用地的限制，高架桥跨越沪宁铁路和交通路段布置在原真北路地道上。其中东侧高架桥两侧桥墩设置在原地道挡土墙内侧，桥墩立柱紧靠地道结构。施工高架桥的基础将对原地道坞式结构产生危害，如处理不当，将严重影响地道的使用，甚至将对运行中的沪宁铁路产生不良影响，因此必须对整个工程实施方案进行优化，在保证高架桥梁工程质量的情况下，将工程对地道结构的影响减少到最小。真北路地道平面示意图二、现有结构、环境情况真北路地道分三部分：第一部分对应中环

2、线主线位置Pm25至Pm32（南侧）、Pm39至Pm45（北侧），为普通挡土墙结构，第二部分对应中环线主线位置Pm33至Pm35（南侧）、Pm36至Pm38（北侧），为坞式结构，第三部分为交通路、沪宁铁路箱涵结构。其中坞式结构下有混凝土板桩基础。该地道建于上世纪八十年代，目前地道结构已经出现明显的变形、渗水情况。真北路地道为两来两去四车道，车道两侧各有1根非机动车道。由于真北路地道是沪宁铁路南北两侧的主要通道，根据交通组织方案，在高架桥施工期间必须保持至少1来1去2车道的社会车辆通行能力。沪宁铁路箱涵位置为地道最低点，箱涵上有电气化铁路复线2根轨道，运行流量非常大。高峰时平均2分钟一列车通过。

3、三、工程地质情况地道两侧工程范围内的水文地质条件经过详堪，本工程地下水位埋深为1.474.3m（标高为：2.180.81m），地层地质分布情况如下表：序号岩土名称层底标高（m）分层厚度（m）岩土特征填土1.81-1.951.05.0为砼路面、碎石、碎块、三合土、混合土、杂填土等组成。1灰黄色粉质粘土0.61-0.870.52.5含氧化铁锰质斑点，该层具自上而下渐变软特征。分布局部。3灰色砂质粉土-0.89-2.871.03.0土质不均，夹薄层粘性土，局部夹粉砂。灰色淤泥质粉质粘土-3.19-4.601.02.5土质不均，夹粉土，粉砂薄层，局部较多。灰色淤泥质粘土-11.19-13.197.09

4、.5夹少量薄层粉土、粉砂，含有机质等。1灰色粉质粘土-19.22-20.876.59.0夹有粉土，含有机质、腐植物、钙结核。暗绿-黄色粉质粘土-23.98-27.414.07.3含氧化铁斑点，下部夹粉土。1灰黄色砂质粉土-26.92-30.322.04.9土质不均，夹薄层粘性土，局部为粉砂。2黄灰色粉砂-31.52-34.462.05.9土质不均，夹少量粘性土，局部为砂质粉土。1灰色粉质粘土-39.91-42.066.79.2含有机质，局部为粘土，夹薄层粉土。2灰色粉质粘土粉砂互层-53.05-56.9212.515.5土质不均，粉土，粉砂薄层、为千层饼状。1灰色粉细砂-76.09-78.56

5、2124.3夹薄层粘性土，局部较多。2灰色含砾中粗砂-83.39-83.996.57.3土质不均，砾石含量为524%，圆状，一般砾径为25，较大者可达10，中部、下部增大增多，并夹薄层粘性土。褐灰色粉质粘土未钻穿未钻穿含有机质，少量腐植物，钙结核，夹薄层粉砂，下部土质相对较软。四、设计方案修改原中环线高架设计方案采用多桩基础，其中铁道箱涵两侧影响坞式结构的Pm33 Pm38承台采用79根800钻孔桩作为桩基，桩布置在挡墙内外两侧。其中内侧桩施工将穿过坞式结构的底板。承台则布置在坞式结构的下面，施工中需要将地道原结构打开，施工完成后再进行修复。见下图示意。原设计方案剖面示意图按照该设计方案实施，

6、将产生以下问题：1、施工高架下部结构必须先打开地道原坞式挡墙结构；在高架桥墩位置的原坞式结构的混凝土板桩必须截断，对原有结构的完整性造成破坏；开挖造成坞式结构底部的土体扰动松动，会引起地道结构的变形，危害到结构安全。2、由于承台标高低于原坞式结构的底板，低于地下水位近6米，施工中必须采取严格的降水措施，必将对现有的地道结构产生变形和不均沉降，对地道结构的稳定造成不良的影响，影响到铁路的正常运营。3、施工完成后，地道结构修复面位于新建承台上，高架结构的自然沉降必然造成地道结构的不均受力，易在修复面形成渗漏点，对地道结构造成损害，影响行车的安全。4、由于地道位置需要保持交通，因此在施工时进行土方开

7、挖、基坑支护的作业时，施工现场的土方运输组织困难，需要占用2根半车行道，无法保证正常交通通行的要求。鉴于上述难题，只有采用施工影响小，对原结构不产生破坏的方案才能得到有效解决。根据BT工程的投资、设计和施工一体的特点，对地道坞式结构范围内的高架桥基础和下部结构的设计和施工方案结合进行优化。最终，通过与设计单位的研究讨论，将在坞式结构的Pm33至Pm38墩的基础改为2500单桩单柱，取消承台，同时墩位向外侧移动，使桩基全部位于非机动车道范围内，避开地道坞式结构。见下图示意。修改后的设计主要参数，桩长6282米，桩身采用水下C30混凝土，钢筋主筋为32和28。桩底进行注浆加固。实施设计方案剖面示意

8、图经过设计方案的修改，施工高架桥桩基下部结构可基本避免直接损坏原地道坞式结构。由于取消了承台，改为单桩单柱，桩的施工质量成为高架桥梁施工的关键，如何保证在复杂环境下的施工质量，成为工程实施的主要控制关键。五、2500桩基施工工艺：经过设计修改后，施工中主要的控制关键为在现在的施工场地条件下，保证2500桩基的施工质量、减少对现有地道坞式结构的影响。考虑到2500钻孔桩的特殊性和重要性，对施工中的特殊施工工艺要求进行严格控制，主要控制在1、施工顺序的选择由于2500直径的钻孔灌注桩在上海地区少有陆上作业的先例，同时考虑到地道两侧的复杂环境，施工时先选择离铁路箱涵远的Pm33和Pm38墩进行，在取

9、得施工实际数据后再施工Pm34和Pm37墩，最后施工铁路箱涵两侧的Pm35和Pm36墩。2、护筒埋设由于2500钻孔灌注桩紧贴施工地道坞式结构的混凝土板桩，同时根据地质报告，浅层土中填土达到5米厚度、3层为砂质粉土，对泥浆护壁不利，为确保成孔时的护壁效果，防止产生过大的土体变形和塌孔情况，在Pm33和Pm38墩先将钢护筒设置长度设定为8米，根据实施效果再进行分析，确定最终钢护筒的长度。钢护筒直径采用采用2700，制作采用20厚度的235材质，为解决运输的困难，工厂制成2700mm×4000mm管段。为防止变形，内用75×75×8角钢上下两道“米”形加固。端口作好割

10、口，为现场拼接作好准备。管段进现场，拼接制成符合工程要求的护套管桩。钢护筒分两节采用振动锤沉入，保证地道结构范围内桩身上部由钢护筒围护。为克服沉入时的阻力，减小对地道结构的影响，护筒沉入采用振挖法。为避免埋设施工中护筒变形，在护筒的上下段加设加强箍，保证护筒的刚度。3、泥浆循环系统根据施工的作业环境、单桩参数要求及施工工艺特点，泥浆池的容量定在500 m3左右，每根桩成孔时有200m3左右的泥渣需场地堆放。根据现场的条件，在非机动车道上每根桩用砖砌一个200m3的泥浆池，紧靠在钻孔区域，作为泥浆循环池和泥渣沉淀池。另外在交通路和真北路的四个角分别在人行道上砖砌四个500 m3的废浆池，以满足钻

11、孔时泥浆循环要求和灌桩时的泥浆排放要求。4、成孔施工由于2500钻孔桩直径大，施工场地狭小，地面交通繁忙。因此成孔工艺难度相当大，为保证施工效果，减小成孔过程中对地道板桩的影响，在机械选择、泥浆制备、成孔工艺等进行优化，保证成孔过程中护壁稳定，桩孔尺寸符合设计和规范要求。成孔机械采用大扭矩回转工程钻机、大通径、高强度气举钻杆，钻头采用新型防斜梳齿钻头。可有效保证钻进过程中的稳定性和钻孔的垂直精度。考虑到钻孔桩直径大，护壁要求高，泥浆采用优质钠基膨润土人工制浆，并适量添加一定的Na2CO3、CMC和聚丙烯酰胺等外加剂，来改善粘土水化分散性能，降低泥浆失水量。施工时应注意控制泥浆比重、粘度、含砂率

12、、酸碱度等指标，以确保成孔钻进时孔内泥浆比重控制在1.101.25、粘度1825S、含砂率小于4%、PH值810的技术指标。成孔采用气举反循环钻进，及时排渣保证孔壁稳定，减少沉渣厚度，利于清孔作业，减少作业时间。5、钢筋笼制作和安装本工程钢筋笼制作采用卡板成型预拼法分段制作，用1620mm厚的钢板制成两块弧形卡板（其弧面直径为钢筋笼主筋外径），卡板按加强筋间距依次设置，按主筋位置在卡座上作出支托主筋的半圆形槽（槽深等于主筋半径，槽与槽中心距为主筋中心距）。几块卡板位置用经纬仪控制布设，使卡板弧面中心沿钢笼纵向方向在一条线上，卡板面与钢笼纵向中心线保持垂直，然后用水准仪将对卡板的标高进行调平，最

13、后把几块卡板位置予以固定。钢筋连接采用直螺纹连接，钢筋制作前先把螺纹车好，用磨光机磨去毛刺，然后用胶套拧上，对螺纹加以保护。钢筋笼制作时，先将几根主筋放入卡板弧内固定（有两层主筋时，先放外层主筋），相邻主筋端部按要求错开相应距离。再将加强筋（加三角内撑）焊在摆置好的主筋上，加强筋的位置和垂直度用两把钢卷尺进行放置与控制。每节钢筋笼都在台座上进行预拼装，保证上下两节钢筋笼能在孔口顺利对接。预拼装完成后应在每节钢筋笼上选取一根主筋，作好标记，作为对接时的起始钢筋。将钢筋笼吊离卡板时，将加工好的声测管安置于钢筋笼内，并在钢笼的顶部和尾部各设四个吊点（加强），作为吊车起吊时主钩与辅钩的起重点。钢筋笼在

14、吊运过程中，由于其在纵向抗弯能力较差，必要时在笼内加支撑，以提高笼的刚性。钢筋笼运输过程中要注意进行限位卡进行卡位，防止钢筋笼在车上进行滚动。当最后一个加强筋下至孔口时，用四只15吨的手拉葫芦对称吊挂在孔口的反拉架上，将笼临时吊于孔口。用同样方法吊起其上一节钢筋笼，当上下两节笼在同一铅锤线上时，转动上节钢筋笼，以使两节笼的主筋对正，先焊接好声测管，主筋接头采用套筒丝扣连接。连接好所有接头后，缠绕上螺旋筋。吊起钢筋笼，取掉四个手拉葫芦，然后缓缓匀速下入孔内，边下钢筋笼边装上保护块。用同样方法直到最后一节钢筋笼下入孔内。在确保笼顶设计标高位置后，选均布的六根笼顶主筋与护筒内壁焊接牢固。6、水下砼浇

15、捣由于初灌量大于11立方，因此使用特制钢漏斗进行下料，制备一个12立方的储料斗和一个2立方的灌注斗。混凝土进行连续浇捣，混凝土坍落度控制在1723cm；混凝土在拌制过程中应加入缓凝剂，控制混凝土的初凝时间不小于16小时；导管埋深的大小对灌注质量影响很大,根据水下砼流动扩散规律，埋深过小，往往会使管外砼面上的浮浆沉渣挟裹卷入砼内，形成夹层；埋深过大，导管底口的超压力减小，管内砼不易流出，容易产生堵管，并给导管的起升带来困难。所以，保持合适的导管埋深，对水下砼灌注是非常重要的。导管最小埋深不低于2米，导管最大埋深不超过10米。7、桩底注浆措施为控制大直径单桩的工后沉降，减少在钻孔灌注桩施工完成后进

16、行桩底注浆。浆液由水、水泥、缓凝剂等组成，试配浆液比重：1718KN/m3，水灰比0.450.6。要求注浆时间短于初凝时间。注浆管道与超声波管道相结合，采用60无缝钢管。钻孔桩水下砼浇筑后2448小时内用压力水从注浆管中压入。一般在25Mpa时橡皮裂开。压力注浆按每次的注浆量通过注浆管依次循环压注，每根管共循环二次。并每完成一次应均匀减压，防止压力浆倒流堵塞注浆孔。注浆液强度:7天抗压强度不小于8Mpa，28天抗压强度不小于C30。每次终止压浆标准：.每次压浆量达到1000升；.注浆压力达到8Mpa稳压10分钟。达到以上数值之一时即终止本次压浆，移至下一管道进行压浆。桩底终止循环压浆标准：.总压浆量达到8000升；.所有管道压浆压力均达到8Mpa；.桩体总上浮15mm，达到三者任一数值则压浆全部结束。8、其他措施为集中资源进行施工，缩短施工作业时间，施工中占用2车道，采取一侧施工，一侧开放交通的措施，保证机具集中使用集中管理，施工中起重机械、混凝土运输车都在地道内通行，减少地道坞式结构的堆载。六、效果和结论：通过修改设计方案，避免了高架桥下部结构施工对地道结构产生极大危害的结果。整个施工过程中，地道坞式结构未发生大的沉降和变形。保证了沪宁铁路正常的通车。由于施工未对地道结构损害，为后期地道结构的修缮提供了较好的条件。通过在中环线重大工程中对大直径2500钻孔灌注桩