高水位碎石层新型复合基坑围护结构施工工法

高水位碎石层新型复合基坑围护结构施工工法近年来，地铁凭借其具有安全、准点、快捷、舒适、环保等优点，已成为当今城市交通发展的主要方向。目前，地铁施工中基坑围护结构主要以钻孔桩+钢支撑、钻孔桩+锚索、地连墙为主。在现有围护结构施工的经验基础上，济南市轨道交通R3线施工基坑围护结构结合环保、渣土利用、节约资源等方面，将传统基坑围护结构改为内插式预制混凝土方桩+新型高压旋喷桩共同组成支护体系及止水帷幕的新型复合基坑围护结构，该围护结构还与车站主体结构叠合，对桩体的方向与高程有了更高的要求，总结和探索施工中的技术问题，对加快我国地铁建设步伐，提高工程质量，节约投资具有十分重要的现实意义。中铁三局集团有限公司自2016年开始依托济南市轨道交通R3线一期土建工程孟家庄站进行高水位碎石层新型复合基坑围护结构施工技术的研究与应用，通过在实践中细致而详细地分析、论证，克服了工期带来的压力及环境因素的影响，从根本上解决了高水位碎石层地质条件下深基坑施工关键工序中的技术难题，研究应用了内插式预制混凝土方桩基坑围护结构施工技术、高水位碎石层潜孔冲击高压旋喷桩施工技术等一列施工工艺，开发了精准定位接桩平台设备、渣土筛分设备，在工期紧，工程量大的情况下实现了内插式预制混凝土方桩围护结构的高效施工、精准定位；同时实现了帷幕桩与支护桩的紧密连接，止水效果优于同类工艺，各项指标符合设计要求，对今后同类型工程具有切实的指导意义。目前，本工法已成功应用于济南市轨道交通R3线一期土建工程孟家庄站施工建设，其核心技术的市场竞争力强，专项技术在青连铁路、济青高铁等多个项目进行应用，关键技术通过中国公路建设行业协会组织鉴定，达到“国内领先”水平，以本技术为核心的科技成果“内插装配式预制混凝土方桩新型复合基坑围护结构施工技术”获得2018年度中国公路建设行业协会科技创新成果一等奖，QC成果“提高新型复合围护结构内插装配式预制混凝土方桩一次性成桩合格率”荣获2018年度全国工程质量建设优秀QC成果一等奖，并授权国家实用新型专利2项。该方法具有施工速度快、操作简单、施工安全等优点，为进一步推广应用，特总结形成工法。2.1开发了内插式预制混凝土方桩基坑围护结构施工工艺，采用成孔后注入特制水泥土浆液+内插装配式预制混凝土方桩的新型复合桩结构，后期通过在预制方桩预埋螺栓上安装连接钢筋与侧墙结合成整体结构，提高了资源的使用率（侧墙混凝土节约约30%);2.2设计应用了一种（接桩平台）沉桩定位及接桩操作平台设备，利用液压系统进行设备调配及定位，在预制桩接桩过程中精确固定下节桩体，完成接桩作业；2.3设计应用了一种特制水泥土搅拌设备，开发了特制水泥土拌合施工工艺，利用现场开挖粘土作为原材料，采用开挖粘土和水，水泥和水分开进行搅拌再混合拌合的方法，提高了流动性能；同时在生产过程中，采用水泥土生产监督和管理系统，对水泥土的加工质量进行严格控制。2.4采用高压水（浆）+高压气+高频振动冲击+地下微气爆的全新联动机理的新型高压旋喷桩施工技术，流塑状态的土和水泥浆充分混合，形成直径较大、混凝土均匀的止水帷幕桩；2.5实现了帷幕桩与支护桩的紧密连接，相比传统工艺，水和水泥用量减少约25%，泥浆排放量减少约60%，工程造价降低约20%，施工工期缩短约20%。适用于公路、铁路、地铁施工深基坑围护结构施工，同时对其它工程深基坑围护施工也有积极的指导意义。4.1基坑支护体系及止水帷幕采用内插式预制混凝土方桩新型复合围护桩+新型高压旋喷桩(桩间)（见图4.1-1，图4.1-2）。新型复合桩间距1.5m，桩直径1.1m，采用钻机成孔后注入预搅拌水泥土浆液，然后插入70cm×70cm预制混凝土方桩。新型复合桩之间设新型高压旋喷桩，旋喷桩与复合桩共同组成支护体系及止水帷幕。图4.1-1新型复合围护结构桩位布置图图4.1-2新型复合围护结构示意图4.2开发了新型复合围护桩灌注水泥土拌合配套工装及施工工艺，利用现场开挖粘土作为原材料，采用开挖粘土和水，水泥和水分开进行搅拌再混合拌合的方法（见图4.2-1），提高了流动性能，同时在生产过程中，采用水泥土生产监督和管理系统（见图4.2-2对水泥土的加工质量进行严格控制。图4.2-1特制水泥土拌合设备图4.2-2水泥土生产监督和管理系统4.3自主设计应用了预制桩接桩、沉桩施工平台（见图4.3-1），使用时，在行走轨道基础上安装行走轨道，孔桩成孔、注水泥土浆完成后，使用履带吊将接桩平台滚轮置于行走轨道上，同时将轨道限位装置扣在行走轨道上，利用平台操作系统通过调整平台支撑液压支腿进行下平台调平，调平过程中确保支腿底座与地面紧密接触，在下平台调平后利用液压调平杆进行上平台调平，接桩平台对位、调平完成后，利用下桩孔进行预制桩第一节桩体沉桩作业，第一节桩体下送在接桩平台上部剩余1-1.5米时，利用预制方桩夹紧装置对第一节桩体进行制动固定，吊装第二节桩体进行接桩施工，施工人员在施工平台上完成接桩作业（见图4.3-2接桩完成后，过预制方桩限位装置对整个桩体的沉桩作业进行精确控制。图4.3-1预制桩接桩、沉桩施工平台图4.3-2利用接桩平台进行接桩作业4.4设计一种可固定式送桩设备（见图4.4-1），送桩设备通过“蘑菇头”与预制桩顶进行连接（见图4.4-2），通过液压系统进行固定，送桩前根据桩顶标高，对送桩器外露高度进行测量，最后利用震动锤，对预制方桩标高进行控制，确保送桩质量。图4.4-1加工制作好的可固定式送桩设备图4.4-2连接“蘑菇头”4.5新型复合桩之间设新型高压旋喷桩，新型高压旋喷桩采用高压水（浆）+高压气+高频振动冲击+地下微气爆的全新联动机理（见图4.5-1，图4.5-2，图4.5-3使周围土体迅速软化，处于一种流塑状态，在高压泵转化为喷射高压水泥浆后，流塑状态的土和水泥浆充分混合，形成直径较大、混凝土均匀的止水帷幕桩，止水效果优于同类工艺。图4.5-1高水位碎石层潜孔冲击高压旋喷桩钻机设计图图中：1-潜孔锤冲击器；2-喷射器；3-钻杆；4-气浆分离减震装置；5-长螺旋动力头；6-高压空气管路；7-高压浆液管路；8-潜孔锤冲击器润滑油箱；9-空压机；10-搅拌桶；11-虑浆桶；12-储浆桶；13-储水桶；14-高压注浆泵；15-钻机机架图4.5-2钻进成孔原理图4.5-3潜孔冲击高压旋喷桩起爆效果5.1施工工艺流程5.1.1内插装配式混凝土新型复合围护桩施工工艺流程见图5.1.1。钻至设计底标高钻至设计底标高送桩器送桩停止钻进移位接桩平台至下个桩位停止钻进接桩、沉桩平台固定导轨安装接桩、沉桩平台就位开始钻进第二根方桩吊运、接桩提升钻杆至设计桩顶标高钻机移位，进行下根施工测量放线确定桩位钻机就位采用专用水泥土拌合设备进行预制准确对准桩基放样点灌注；泵送水泥土第一根方桩吊运施工准备图5.1内插装配式混凝土新型复合围护桩施工工艺流程5.1.2高水位碎石层潜孔冲击高压旋喷桩施工工艺流程见图5.1.2。场地三通一平场地三通一平测量放线定桩位潜孔冲击高压旋喷桩钻机就位开动潜孔锤、高压泵喷射水或水泥桩进行成桩作业水泥等材料进场验收材料复试搅拌水泥浆/储备清水水泥浆过滤进入储浆桶高压泵泵送水泥浆或水根据地层土质情况结合试桩结果必要时进行从复旋喷必要时孔口补浆成桩验收进行下一根桩施工设备组装调试图5.1.2高水位碎石层潜孔冲击高压旋喷桩施工工艺流程图5.2关键工序施工工艺及操作要点5.2.1内插装配式混凝土新型复合围护桩施工1接桩、沉桩平台固定导轨施工施工前对接桩平台定位导轨进行施工（见图5.2.1-1），方便后期钻机定位，有效提高了孔桩定位精度。2孔桩钻进、提钻注浆1）钻进时螺旋钻机孔口反土，需使用小挖机配合将粘土清理。2）钻至设计深度后，边提钻，边注浆。使用砼地泵进行注浆，水泥土浆的泵送速度与钻机提升速度相匹配。水泥土浆液需提前制备，并满足每孔桩的需用量。3接桩平台就位1）注浆完成后，钻机后移，使用履带吊将接桩平2）通过操作杆对接桩平台四个液压支腿进行调平、固定。图5.2.1-1定位导轨安装定位图5.2.1-2接桩平台就位4第一根方桩吊运1）第一节方桩吊运时，使用卡环与方桩上吊装孔连接，然后起吊（见图5.2.1-3）。2）送至高于接桩平台上1米左右，通过接桩平台液压装置将方桩夹住。5第二根方桩吊运、接桩1）第二根方桩顶部特别加工起吊连接件，桩身留有预埋件，需内外侧做好标记；2）接桩时将上下两接头清理干净并涂上润滑脂，同时保证桩体整体顺直（见图5.2.1-4）。图5.2.1-3第一节预制方桩吊运图5.2.1-4接桩作业6送桩器送桩1）桩顶标高位于地表以下3米时，需使用送桩器进行送桩。2）送桩器底部液压钳与桩顶蘑菇头连接，最后利用震动锤，对预制方桩标高进行控制，确保送桩质量。5.2.2高水位碎石层潜孔冲击高压旋喷桩施工1测量放线定桩位根据高压旋喷桩平面布置图，在施工完毕后的围护桩之间利用全站仪测放出每根桩施工桩位，插入竹签并撒白灰标识。2钻机就位调平潜孔冲击高压旋喷桩钻机就位后，应用钻机塔身两个方向的垂直标杆检查塔身导杆，使钻杆垂直对准桩位中心，同时调平钻机，放置平稳，钻杆垂直度偏差不大于0.5%。3制备水泥浆桩基移位时，即开始安装设计确定的配合比拌制水泥浆，首先将水加入搅拌桶中，再倒入水泥，开动搅拌机10～15分钟，然后拧开搅拌桶底部阀门放入滤浆桶过滤后流入储浆桶中，待压浆时备4钻进成孔1）开动大功率动力头旋动钻杆，向钻杆底部的冲击器提供高压空气（空气压力不低于2.0MPa潜孔锤在高压空气驱动下开始产生冲击效能；在冲击、振动和高压空气作用下，钻头部分一边破坏土体一边下沉钻进，遇到碎石土地层时，直接冲击破碎。2潜孔锤的高频振动冲击和高压空气的联合作用会在锤底空间内产生“起爆”效果，调整碎石土地层石块位置，打开通道，利于后续水泥浆进入被加固区域。5喷射高压水转进的同时，向位于钻杆下方、冲击器上部的喷射器提供高压水，喷嘴在不小于20MPa的压力下侧向喷射高压水流，切割软化土体，经反复提钻下钻，使钻杆周围一定范围内的土体充分软化。6喷射高压水泥浆、成桩1）成孔完成后，将喷射高压水切换为高压水泥浆，同时提升喷射压力至25～30MPa，由喷射器侧壁的喷嘴向周围土体进行高压喷射注浆，经过上下反复提钻下钻，形成水泥土桩。2）成桩过程中土体被喷射器四周喷射高压浆充分搅拌、混合，同时，锤底喷射的高压气可加大搅拌混合力度，并将浆液往四周挤压，沿着起爆打开的孔隙和通道注入被加固土体，形成均匀的水泥土混合物。3）当喷射高压水泥浆接近桩顶时，应从桩顶一下1m开始慢速提升旋喷。成桩后，将喷射高压水泥浆切换为高压水，清洗全部管道、喷嘴中的残存水泥浆，冲洗干净喷浆钻头上的泥浆待下次作业时使用。根据不同地质在喷射注浆作业完成后，由于浆液的析水作业，出现不同程度的收缩，使固结体顶部出现凹穴，要及时用水灰比1.0的水泥浆补灌。5.3其他操作要点5.3.1吊装作业前，平整吊装场地和进行地基处理，确保吊装所用的机械设备支撑平稳，不发生倾斜、倾倒。5.3.2水泥土浆灌注前，要检查注浆导管是否通畅，使其不漏气、漏水，在灌注完成后要对注浆导管及时进行清洗。5.3.3在沉桩前，对接桩平台、送桩器等设备的液压调平、紧固系统进行检查，使其在施工中可正常使用。5.3.4潜孔冲击高压旋喷桩桩钻机就位、调平、调直时，保证钻杆垂直度偏差不大于0.5%。5.3.5使用前，提前对潜孔冲击高压旋喷桩桩钻机进行调试，确保设备运转正常，输浆管路通畅，供浆正常。5.3.6喷射注浆时，提升速度不得大于1.2m/min。5.4劳动力组织高水位碎石层新型复合基坑围护结构施工中的劳动力投入，见表5.4。表5.4高水位碎石层新型复合基坑围护结构施工劳动组织表112132425264718194424116.1主要材料高水位碎石层新型复合基坑围护结构施工中主要材料主要包括：开挖粘土、钢筋、水泥、细骨料、粗骨料、外加剂等。材料将按施工进度计划要求，分批次提前采购进场，并始终保持3到5天的材料预存量，进场材料各项技术指标均要满足相关技术规范和设计要求。6.2主要机具设备高水位碎石层新型复合基坑围护结构施工机具设备表表6.21台42台43台14台25台26台27台18台19台4台8台17.1质量标准严格按照《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）、《建筑机械使用安全技术规程》（JGJ33-2001）及《建筑工程施工质量验收标准》(GB50300-2001)的要求进行施工及检验。7.2质量控制要点7.2.1施工操作程序化：做好施工准备，科学安排施工工序并按工艺要求组织施工，做到边施工边自检、互检。7.2.2施工管理标准化：以设计图纸、招标文件、变更洽商为技术指导依据，进行工程质量标准设计；按技术要求选定合格技术人员。7.2.3施工操作标准化：以技术交底为施工依据，按专业工种选用合格的操作人员。7.2.4施工管理规范化：按“工艺操作规程”指导施工；按建筑工程行业标准“建筑机械使用安全技术规程JGJ33-2001”和“建筑基坑支护技术规程JGJ120-2012”进行检查施工；按工程质量目标措施及其它质量管理制度管理施工；施工作业指导书、交底、技术通知，语言文字严密、清楚、准确。7.3现场施工要求7.3.1钻机、吊车组装、拆卸必须在空旷地面进行，上空不得有高压线或障碍物，确保组装、拆卸、装车顺利进行。7.3.2钻机施工过程过程中，为防止钻杆上渣土掉落砸人砸物，在钻进前方5米范围内需设置隔离区。7.3.3卸桩、吊桩过程中，现场必须有指挥人员和安全防护人员进行指挥，吊桩小钩外必须系好风缆绳，确保控制吊运中的方向，以防发生与桩机、吊车、汽车相碰事故。7.3.4钻机、吊车施工中必须确保场地平整。地基较软不能满足桩机施工需要时，必须垫好路基箱或30毫米厚以上的钢板。7.3.5钻机、吊车司机、电工、起重指挥工上岗时必须持操作证，随时接受有关部门的检查。7.3.6非机械人员和非电工，不得动用机械设备和电器设备。7.3.7吊桩、接桩、送桩、吊机和钻机移位时必须有专人指挥，分工明确，统一信号。7.3.8材料仓库要做好明显的禁火标志，并配备灭火器，由专人负责。施工过程中必须要坚持“安全第一、预防为主”的施工安全方针，坚持“安全为了生产、生产必须安全”的原则，广泛开展安全标准工地建设，严格执行国家、铁道部、交通部有关施工安全的法规、规定，杜绝重大人身安全事故，并狠抓施工中的落实工作，确保安全施工。8.1建立健全安全生产管理机构，成立以项目经理为组长的安全生产领导小组，全面负责并领导本项目的安全生产工作。实行安全生产三级管理，即：一级管理由项目经理负责，二级管理由专职安全员负责，三级管理由领工员（或班组长）负责，各作业点设安全监督岗。8.2实行逐级安全技术交底制，由项目部组织有关人员对工程项目或专项进行书面详细安全技术交底。项目部专职安全员要对安全技术措施的执行情况进行监督检查，并作好记录。8.3针对工程特点，对所有从事管理和生产的人员进行全面的安全教育，通过安全教育，增强职工安全意识，树立“安全第一、预防为主”的思想；掌握基本生产知识和安全操作技能；提高职工遵守施工安全纪律的自觉性，认真执行安全操作规定，做到：不违章指挥、不违章操作、不伤害自己、不伤害他人、不被他人伤害，达到提高职工整体安全防护意识和自我防护能力。8.4保证检查制度的落实，规定定期检查日期及参加检查的人员，项目部每月最少检查一次；作业班组每天工前要求，非定期检查应视工程情况如施工准备前，施工危险性、采取新工艺、季节性变化、节假日前后等要进行检查，对检查中发现的安全问题按照“三不放过”的原则制定整改措施，定人限期进行整改。8.5施工人员进场后，组织操作人员进行安全培训，安全培训合格后，方可在现场作业；定期组织作业人员进行安全学习和安全教育，班前进行安全讲话。8.6进入施工现场，必须佩戴安全帽等安全防护用品。8.7作业人员遵守安全施工强制性标准、规章制度和操作规程，正确使用防护用具、机械设备，做好自身防护工作。8.8现场临时用电线路采用三相五线制，严禁乱拖乱拉。配电箱严格做到三级配电二级漏电保护。施工电器设备的保护接地、接零措施必须严格按照规定实施。工作照明灯使用安全电压。环境污染控制有效，土地资源节约利用，工程绿化完整美观，节能节材和水保措施落实到位，努力建成一流的资源节约型、环境友好型工程。9.1执行国家《环境保护法》、《水土保持法》和地方政府有关规定，在施工过程中严格按照国家有关部委批复的环保、水保方案实施，落实“三同时”，采取各种工程防护措施，减少工程建设对沿线生态环境的破坏和污染。9.2制定严格的奖惩条例，各级管理人员和施工作业人员，责任明确，奖惩明确，使加强环境保护的有关措施得到有效的实施。9.3施工过程中，避免施工现场中出现不必要的障碍，处置好设备及材料的存放，保持现场整洁和道路畅通，尽量远离居民区，减少视觉和噪音污染。9.4对距噪声源较近的施工人员，除采取戴防护耳塞或头盔等劳保措施外，还应适当缩短其劳动时间。为不影响当地村民的日常生活，不在夜间安排噪音很大（55dB以上）的机械的施工。9.5对不符合尾气排放标准的机械设备，不能使用。9.6在预制桩施工过程中采用水泥土浆代替混凝土或砂浆，利用其它工程开挖土方，制备水泥土浆，形成土方利用，减少资源浪费。同时在水泥土浆拌制过程中，加强节水管理，施工用水进行定额计量。建立用水节水施工台帐，并进行分析对比，提高节水率。本工法在应用的过程中贯彻国家节能工程的有关要求，对周围环境不产生任何污染,施工中在制定各种施工方案时，均充分考虑环保、节能这一因素，如在预制桩施工过程中采用水泥土浆代替混凝土或砂浆，利用其它工程开挖土方，制备水泥土浆，对开挖粘土进行二次利用，减少施工弃土外运量，降低环境污染；预制桩采用在预制场统一预制，现场装配式拼装，极大的提高了施工效率和预制方桩对接精度，节约传统现浇湿接缝施工时的支模、混凝土运输、浇筑等过程中的能源消耗；主体结构采用桩墙叠合工艺，减少侧墙厚度，节约混凝土约30%。通过施工过程中的控制措施，周边环境得到了很好地保证，在施工期间，多次受到业主和相关单位的表扬和好评，并将实际经验推广至相邻项目中，环保节能效益显著，完全符合国家所倡导的“工程建设节约环保，减污降耗”的社会要求。11.1经济效益在济南市轨道交通R3线一期土建工程孟家庄站施工中，对“高水位碎石层新型复合基坑围护结构施工技术”进行研究应用，后期通过在预埋螺栓上安装连接钢筋与侧墙结合成整体结构，增强了主体结构强度，提高了资源的使用率，减少了人员和机械的投入；同时提高了水泥浆的扩散范围，实现了帷幕桩与支护桩的紧密连接，水和水泥用量减少约25%，泥浆排放量减少约60%，工程造价降低约20%，施工工期缩短约20%，经济效益显著。11.2社会效益“高水位碎石层新型复合基坑围护结构施工技术”从根本上解决了新型复合基坑围护结构施工技术难题，该技术依靠在实践中认真