風化巖地質條件下帶鎖扣鋼管樁施工工藝

陳艷平

（廣東省建筑設計研究院，廣東 廣州 516211）

1 概述

廣州市洲頭咀隧道工程過珠江段采用沉管法施工，沉管管節共4節，分兩批在芳村端軸線干塢內預制后沉放對接。與沉管段銜接的岸上段結構位于珠江水域范圍內，采用模袋砂作為圍堰后明挖施工。基坑平面布置圖如圖1所示，基坑1-1剖面圖如圖2所示。

圖1 圍堰基坑平面圖

圖2 圍堰基坑剖面圖

根據平面圖和剖面圖，該基坑為水中基坑，基坑頂標高7.8 m，底標高-11.82 m，基坑深度為19.62 m。根據勘察資料，場區地層主要為第四系全新統人工填土層（、全新統海陸交互相沉積層（4）、上更新統沖積層（、第四系殘積層（Qel）及白堊系上統三水組西濠段（全-強-弱-微風化泥質粉砂巖或砂礫巖。從地質條件來看，江底以下靠近基坑深度頂標高范圍內存在強透水的粉砂層，圍堰基坑設計水位按20年一遇洪潮水位7.49 m考慮，基坑坑底水位擬定在坑底以下0.5 m位置，則在該洪水位下，圍堰外側水位與坑底降水目標水位水頭差約19.8 m。因此該工程的關鍵點在于選擇合適的基坑支護結構體系，尤其是確保基坑止水措施可靠且有效。

2 支護設計及鎖扣鋼管樁施工工藝

2.1 圍堰設計

根據文獻[1-3]的要求，臨時圍堰工程等級按臨時性水工建筑物級別劃分為4級。該工程圍堰頂標高與珠江堤岸頂標高相同，取7.8 m。根據總體設計要求，圍堰位置需要開挖至沉管基槽底標高-11.82 m，該位置基坑深度為19.62 m。圍堰防洪標準采用20年一遇洪水位7.49 m為設計水位。圍堰施工前先進行圍堰基礎平整，根據地質條件圍堰位置河床清淤整平后標高確定為-2.0 m，在設計水位條件下水深9.49 m，圍堰高度為9.8 m。

圍堰可選擇種類較多，如土石圍堰、鋼板樁圍堰、鋼圍堰等，經技術、經濟和安全性等多因素綜合比選后，由于模袋砂圍堰具有結構簡單、整體性好、安全可靠且便于機械快速化施工的優點，因此圍堰方案采用模袋砂圍堰。

2.2 支護結構設計

該工程基坑深度19.62 m，屬于超深基坑，基坑安全等級為一級，對支護結構的強度、剛度和穩定性要求較高。由于圍堰底標高以下還要下挖9.82 m，加上模袋砂圍堰本身透水性很強，所以不能依賴圍堰本身作為支護結構，必須另外實施更具可靠性的支護結構。基坑開挖后設計水位距離坑底19.31 m，高水位差帶來的水壓力巨大，因此所選用的支護結構其止水能力必須十分安全可靠。支護結構施工平臺采用在外圍模袋砂圍堰圍閉后，圍堰內吹填砂至圍堰頂標高，作為支護結構的施工平臺。

支護結構設計考慮以下關鍵因素：

（1）支護結構除具有足夠的強度、剛度和穩定性外，在高水頭壓力條件下應具有可靠的止水能力。

（2）考慮到岸上段隧道結構施工完成后，還要拆除圍堰進行沉管基槽開挖以及周邊河床恢復，因此所選用的支護結構應能方便拆除，且必須滿足水下拆除作業要求。

普通的鋼筋混凝土鉆（沖）孔灌注樁或地下連續墻能滿足支護結構受力的要求，但是由于水下拆除鋼筋混凝土結構，無論采用切割或爆破方法，均存在較大的困難和安全風險，因此不宜選用。鋼管樁樁身材料強度高，可滿足受力要求，同時鋼管樁拆除時可采用潛水員水下切割鋼管樁的辦法，風險相對割除鋼筋籠大大降低，且具有方便快捷的特點。鋼管樁之間的止水可以通過在樁后設置水泥攪拌樁或者高壓旋噴樁止水帷幕，也可以考慮通過在鋼管樁之間設置互相嵌鎖的鎖扣達到密封止水的目的。結合地質條件，由于該工程止水措施的有效性和可靠性十分關鍵，最終選擇后者。經計算分析，采用1000 mm壁厚12 mm鋼管樁結合內支撐的支護結構，如圖3所示。考慮支護結構受力需要及鎖扣施工的要求，鋼管樁之間的間距為1 248 mm,樁頂設置1 400 mm寬度的冠梁，如圖3所示。

圖3 支護鋼管樁布置圖（單位mm）

2.3 鎖扣鋼管樁施工工藝

在一般軟土地層中，普通的鋼管樁施工可以采用靜壓或錘擊的工藝施工。根據設計計算需要，該工程鋼管樁需要嵌入強風化和弱風化泥質粉砂巖層，其標貫擊數較高（見表1），且因為鋼管樁帶有鎖扣，為鋼管樁的薄弱環節，因此無法采用靜壓或錘擊沉管的施工工藝。在類似這樣堅實的風化巖地質條件下，可以采用先成孔再下放鋼管，最后灌注混凝土的辦法施工。

表1 嵌入巖層參數（泥質粉砂巖）

但如采用先逐一造孔，再下放鋼管的施工工藝，存在以下難題：

（1）成孔應連續方可保證鋼管樁施工時，后續鋼管樁鎖扣成功插入已經施工的鋼管樁，且嵌鎖緊密。但如果采用逐孔成孔的方法施工，以現有的常規設備條件，不管采用鉆（或沖）孔工藝，逐孔施工數量多、地質條件變化大，后續孔施工時難以保證不對先序孔已經施工的鋼管樁鎖扣造成損害。

（2）灌注嵌固用的混凝土時，必須確保混凝土無法進入鎖扣，否則混凝土堵塞鎖孔將導致后續鋼管樁無法施工。

為解決逐孔成孔容易造成鎖扣損壞的問題，該工程采用地下連續墻成槽設備用于成孔作業。以每5根鋼管樁為一組作為一個槽段，單元槽段長度超過每組鋼管樁施工所需要的實際長度（該工程擬定為6 320 mm），這樣成孔作業的個數少于逐孔成孔，既加快了施工速度，又從概率上減少了損壞鎖扣的可能。單元槽段長度稍微加長，后續槽段施工時也可以避免損壞已經施工鋼管樁鎖扣。鋼管樁槽段布置具體如圖4所示。

圖4 鋼管樁槽段布置圖（單位：mm）

為解決混凝土灌注時，混凝土容易竄入鎖扣內的問題，特在每組鋼管樁的首尾兩根鋼管樁上焊接了各兩片止漿鋼板（見圖4），這兩片止漿鋼板與槽段長度方向垂直，從鋼管樁底部延伸至基坑底面以上，高出混凝土的理論灌注高度2 m。實際灌注混凝土時，應嚴格控制灌注量，以免混凝土越過止漿鋼板。圖5為鎖扣鋼管樁施工過程照片，圖6為基坑開挖過程中照片。根據鎖扣鋼管樁施工過程及后來基坑開挖后的實際表現來看，該施工工藝施工快速、簡單、止水效果良好，在基坑開挖后近一年內成功為主體結構施工保駕護航。

3 結語

該工程結合特定的地質條件以及特定的支護設計要求，充分利用現有的設備，擬定了風化巖地質條件下帶鎖扣鋼管樁的施工工藝，實踐證明該工藝施工便利、安全可靠，值得類似工程借鑒推廣。

圖5 鎖扣鋼管樁施工

圖6 基坑開挖