鑽孔咬合樁圍護結構主要採用全套管鑽機,通過套筒護壁鑽進成孔,使用超緩凝混凝土,使得鋼筋砼樁相鄰樁體能夠被套管切割而相互咬合,排列而成一個整體的牆體起到良好的止水效果,90年代在我國出現的新型深基坑支護的圍護結構。
全套管鑽機又稱貝諾特(Benoto)鑽機,由法國貝諾特公司於20世紀50年代初開發和研製而成,隨後日、德、英、意等國引進和研製,機種和施工方法均有很大發展,產品不斷更新換代,在海內外廣泛採用,截止到1997年12月,日本已生產搖動式全套管鑽機770臺,全迴轉式全套管鑽機433臺。據日本基礎建設協會1993年對31家施工單位的10.1萬根灌注樁的調查,全套管工法佔26%。目前在香港全套管鑽機的成樁數的市場份額約佔45%。
我國於二十世紀七十年代開始引進咬合樁工藝,九十年代中期由昆明捷程樁工公司首先在我國開始研製MZ系列搖動式全套管鑽機,簡稱磨樁機(樁徑為0.8、1.0和1.2m)。在昆明、溫州、深圳、北京、南京、杭州及天津等地深基坑支護工程中採用捷程MZ全套管鑽機施工咬合樁逐漸得到廣泛應用;但MZ套管鑽機在地下水豐富的密實的粉細砂地層中,衝抓錐受機械設備性能限制難以抓土,即使抓上的少量砂土也在提升時被地下水從抓錐的縫隙中衝漏下,因此無法成孔;且套管難以下壓,套管超前入土深度不夠,易發生「管湧」現象。為此研究採用旋挖鑽機+套管鑽機相結合的新工法,解決了上述施工難題,該咬合樁的適用範圍進一步擴大。
工法特點
一)採用鋼套管護壁,不需要使用泥漿;噪聲低、振動小和機械化程度高,施工現場整潔文明,環保效果好。
二)採用旋挖鑽機取土,能在高地下水位的密實砂土層中成樁,擴大了MZ套管鑽機的適用範圍。
三)在飽和緻密砂層中,套管能夠超前入土一定的深度,孔壁不會坍方,易於控制樁斷面尺寸與形狀,成樁直徑和垂直度精度好,能保證樁間緊密咬合,形成良好的整體連續結構,能起到良好的止水作用。
四)在高地下水位時,採用注水反壓工藝,能有效的防止孔內流砂和湧泥;較容易處理孔底虛土,清底效果好;避免了普通鑽孔灌注樁可能發生的縮頸、斷樁及混凝土離析等質量問題,充盈係數小,節約混凝土。
五)成樁過程中對周邊土體的擾動可減少到最小程度,沉降及變形容易控制,能緊鄰相近的建築物和地下管線施工,安全性好,尤其適合於在市區內繁華地段施工。;
適用範圍
旋挖鑽機+套管鑽機相結合,使套管咬合樁的適用範圍越來越大,可在各種雜填土(含有磚渣、石渣及混凝土塊等)、粘性土、砂性土和風化巖層中施工。
工藝原理
該工法利用轉動液壓裝置,使鋼套管與土層間的摩阻力大大減少,邊轉動邊壓入,套管始終應超前挖土面>250㎝,造成一段「瓶塞」,阻止素樁的超緩凝砼的湧入;同時通過注水使套管內水位高於地下水位,對地層產生反壓,防止發生「流砂」或「管湧」現象,旋挖鑽機針對地層情況選用鑽頭挖掘取土,直至樁端持力層為止,經檢驗合格後立即將鋼筋籠放入(素樁不放鋼筋籠),灌注水下混凝土(素樁為超緩凝砼)成樁。最終通過素樁與鋼筋砼樁相互咬合連成深基坑圍護結構樁牆。
同排樁的成樁順序,原則是先施工A1樁(超緩凝砼樁),再施工A2樁(超緩凝砼樁),後施工B1樁(鋼筋混凝土樁),形成樁間互相咬合,成樁順序:A1—A2—B1—A3—B2—A4—B3,如此循環如圖所示:
工藝流程與操作要點
一)工藝流程
導牆施工→鑽機就位對中→吊放並壓入第一節套管、校對垂直度、衝抓取土→注水反壓、旋挖取土→終孔檢查→(B樁吊放鋼筋籠)→安裝砼導管→灌注水下砼→樁機移位(重複上述工序)。
二)工序操作要點
1、導牆施工:為了提高鑽孔咬合樁孔口的定位精度並提高就位效率,在樁頂上部設砼導牆,詳見導牆模板安裝圖。導牆寬3.5m、厚度為0.3m;定位孔直徑比樁徑大2cm;導牆頂高出地面≥10cm,以防止地表水流入。
2、鑽機就位對中:導牆砼達到強度後,重新定位咬合樁中心位置,將點位反到導牆面上,作為鑽機定位控制點;移動套管鑽機至正確位置,使套管鑽機抱管器中心對應咬合樁樁位中心。
3、吊放並壓入第一節套管、校對垂直度、衝抓取土:鑽機就位後,將第一節管吊裝在樁機鉗口中,找正套管垂直度後,磨樁下壓套管,壓入深度約為2.5m-3.5m,然後用衝抓斗從套管內取土,一邊抓土、一邊下壓套管,保持套管底口超過開挖面的深度≥2.5m。
第一節套管全部壓入土中後(套管高出導牆頂面1.2m-1.5m,便於接管),檢測垂直度,如不合格則進行糾偏調整,如合格則安裝第二節套管繼續下壓取土。
4、注水反壓、旋挖取土:套管進入中密~密實砂層時,因砂土摩阻力大套管壓入困難,為防止出現湧砂,快進入砂層時提前向套管內注水反壓,保持套管內外水土壓力平衡,後移走衝抓斗吊機改用旋挖機取土,邊壓入套管,並不斷向套管內補水,直至挖至設計孔底標高。
5、終孔檢查:將孔底的虛土全部清除,然後測量孔深、垂直度,直至滿足設計要求。
6、灌注水下砼:終孔檢查合格後(B樁須吊放鋼筋籠,鋼筋籠標高誤差±20㎝),然後安裝φ250導管進行水下砼澆灌;澆築時檢查每車砼類型與標號、坍落度情況,以免素樁與鋼筋樁砼混用或發生灌注事故;每根樁製取一組試件,監測其緩凝時間及強度;施工時邊澆注砼邊拔管,但始終保持套管底低於砼面≮2.5m,樁頂標高誤差±20㎝。
關鍵技術
1.注水反壓控制
在套管進入地下水位下的中密~密實砂層時,應提前向套管孔內注水,注水標高控制在地下水位以上不小於2m;水注滿後旋挖鑽機才能施工,在旋挖鑽機施工過程中要及時對孔內補水,維持水位以保持反壓,防止發生「流砂」或「管湧」。
2.超緩凝砼「管湧」的控制
在鋼筋砼樁成孔過程中因素砼樁的超緩凝砼尚處於流動狀態,超緩凝砼有可能從素砼樁與鋼筋砼樁相交處湧入鋼筋砼樁孔內,形成「管湧」。防止方法如下:
1)素樁的超緩凝砼的坍落度應儘量小一些,不宜超過18cm。
2)套管底口始終保持超前於開挖面一定距離(不宜小於2.5m),以便於造成一段「瓶塞」,阻止超緩凝砼的湧入。
3)要隨時往套管內注水,並保持水位維持反壓來平衡素砼樁砼和承壓水的壓力,阻止發生「管湧」事故。
3.採用砂樁法處理咬合樁接頭:在施工段的端頭設置一根砂樁(成孔後用砂灌滿),待施工到此接頭時按常規下壓套管挖出砂,成樁後灌上砼即可;因砂樁施工處不可避免產生施工縫,開挖後會出現滲水現象,因此在基坑開挖前所施工的砂樁接縫外側另增加一至兩根旋噴樁作為防水處理。
勞動組織
每施工區(配置一臺旋挖鑽機與液壓套管鑽機),每天按8小時三班倒連續運轉作業。每班所需人員組織如下:
1、 旋挖鑽機+ 液壓套管鑽機組:由班組長1人、液壓套管鑽機司機1人、旋挖鑽機司機1人、起重機司機1人和配合人員6人等組成,負責壓、拔鋼套管、套管監測、咬合樁成孔作業、鋼筋籠吊放和樁身砼澆搗。
2、鋼筋籠加工班組20人,負責咬合樁鋼筋籠的加工和運輸。
3、機電修理班組4人,負責修理吊車、樁機等機械設備,水電設施的維護。
材料與機械設備
1、材料
素樁超緩凝砼:是咬合樁施工工藝所需的關鍵性特殊材料,其作用是延長素砼樁砼的初凝時間,為其相鄰鋼筋砼B樁套管鑽機素樁初凝之前切割素砼以達到的相互咬合成孔。超緩凝砼的技術參數:砼標號C20,三天強度不超過3Mpa;砼坍落度:素砼樁取16±2cm。
緩凝時間TH計算如下:TH=1.2×(Ty+2Ta+Tb)
式中:Ty:商品砼運輸時間(hr);
Ta:素樁單樁成樁時間(hr) Tb:鋼筋砼樁單樁成樁時間(hr)
2、機械設備: 每施工區配置機械設備如下:
質量控制
一)樁垂直度控制
為保證咬合樁底部有足夠厚度的咬合,確保止水效果,除對樁位定位誤差嚴格控制外,還應對其垂直度進行嚴格的控制,根據設計要求樁垂直度要求為3 。施工中應抓好以下工作:
1.鋼套管垂直度檢查和校正:施工前在平整地面上首先檢查和校正單節套管的順直度,然後將按照樁長將所需的的套管全部連接起來進行整根套管的順直度檢查(偏差宜小於10mm)。
檢測方法:在地面上測放出兩條相互平行的直線,將套管置於兩條直線之間,然後用線錘和直尺進行檢測。
2.成孔過程中套管垂直度監測和檢查:地面監測:在地面選擇兩個相互垂直的方向,同時用線錘或經緯儀監測地面以上部分的套管垂直度,發現偏差隨時糾正。
孔內檢查:每節套管壓完後安裝下一節套管之前,都要停下來用測斜儀或「測環」進行孔內垂直度檢查,不合格時需進行糾偏,直至合格才能進行下一節套管施工。
如發現垂直度偏差過大,必須進行糾偏調整,糾偏的方法有以下三種:
1)利用鑽機油缸進行糾偏:如偏差不大於或套管入土不深(5m以下),可直接利用液壓套管機的兩個頂升油缸和兩個推拉油缸調節套管的垂直度,即可達到糾偏的目的。
2)素砼樁糾偏:如果素砼樁在入土5m以下發生較大偏移,可先利用鑽機油缸直接糾偏,如達不到要求,可向套管內填砂或粘土,一邊填土一邊拔起套管,直至將套管提升到上一次檢查合格的地方,然後調直套管,檢查其垂直度合格後再重新下壓。
3)鋼筋砼樁糾偏:與素砼樁處理方法基本相似,但不能向套管內填砂或粘土而應填入與素樁相同強度的超緩凝砼,否則有可能在樁間留下土夾層,從而影響排樁的防水效果。
3.終孔檢測:在每根樁成孔完畢,必須選兩個相互垂直的方向進行垂直度檢測(在需注水情況下,注水前提前進行垂直度檢測)。
二) 超緩凝商品砼質量控制:
1.根據砼運輸時間和A樁和B樁的施工時間,考慮20%的富餘時間確定緩凝時間。
2.砼標號必須服從緩凝時間要求。
3.拌和材料符合規範要求的質量標準。
4.通過試驗最終確定配合比與緩凝時間,同時根據條件變化及時調整。
安全與環保措施
一)安全措施
因在地面作業,只需採取下列常規的安全防護措施: 1. 起重吊裝安全措施。 2. 機械操作安全措施。 3. 電氣設備使用安全措施。
二)環保措施
由於套管咬合樁環保性好,但需加強棄土管理,防止汙染周邊環境。
效益分析
將套管咬合樁與常用地下連續牆、鑽孔灌注樁+旋噴樁止水和SMW工法樁等圍護結構形式相比較,列表如下:
工程實例
南京地鐵二號線BT項目所街站基坑深約14m,基坑安全防護等級為一級;其圍護結構設計為直徑Φ1000@800mm的套管咬合鑽孔灌注樁,樁間咬合20mm,最深樁長達28m。
根據地質資料,在樁長範圍內地面以下6~8m出現中密~密實的飽和3d2-3粉細砂層;地下水位在地面以下1m左右,並具有承壓性,易出現突湧、流砂等不良地質現象。
咬合樁施工情況
進場後,採用MZ液壓套管樁機在坑外進行成孔試驗,當地面以下6~8m遇到中密~密實粉細砂層(有承壓水)出現衝抓取土量稀少、湧砂和套管無法壓入現象,仍至出現3cm厚全套管被壓變形,試樁陷入停滯狀態。
經研究決定:成孔採用「液壓套管+注水反壓+旋挖鑽成孔」方案,通過兩根試樁,總結出砼緩凝時間、注水反壓高度、不同土層套管超前壓入深度、旋挖取土深度沉渣控制等施工參數,並下發了作業指導書,從而使咬合樁施工走向正常化,實踐證明採用每二臺MZ液壓套管樁機配置一臺旋挖鑽機的施工方案(成樁2根/天),能有效解決了在高地下水位下的中密~密實的砂土層中鑽孔咬合樁的施工難題。