整體式鋼管樁在復(fù)雜環(huán)境下深基坑圍護(hù)施工中的應(yīng)用

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上海建工四建集團(tuán)有限公司 上海 201103

上海武寧路快速化改建工程西起中環(huán)路東側(cè)，向東穿越內(nèi)環(huán)高架路后至東新路，全線長約 3.5 km。包括明挖隧道主線長2.86 km，區(qū)間共設(shè)置兩對錯(cuò)位匝道（圖1）。

圖1 工程平面布置示意

1 工程概況

本文研究和實(shí)施應(yīng)用的工程在武寧路（大渡河路西側(cè)）A01節(jié)段處需施工一座管線橋，A01節(jié)段地道原設(shè)計(jì)方案為基坑開挖深度8.0 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ800 mm鉆孔灌注樁，外側(cè)布置雙排φ800 mm旋噴樁止水。管線橋下需設(shè)置樁基礎(chǔ)承載，但根據(jù)現(xiàn)場交通情況，管線橋位置車流量較大，無法長時(shí)間封閉車道施工，且場地狹小，周邊地下管線距離較近，圍護(hù)樁外側(cè)止水帷幕的可施性差，管線保護(hù)難度極大，道路兩側(cè)建筑物在1倍基坑深度范圍內(nèi)。因此，提出管線橋與武寧路快速化改建工程A01節(jié)段地道圍護(hù)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)優(yōu)化為安全、可施性好和更具有環(huán)保性的基坑圍護(hù)方案。

1.1 周邊環(huán)境

工程周邊以密集住宅區(qū)為主，伴隨部分商辦配套設(shè)施，緊靠武寧路與大渡河路交叉口。另外，擬建工程沿線分布有較多的地下管線，包括φ1 350 mm污水管線、φ500 mm天然氣管線、電力電信管線等，四周管線交錯(cuò)、環(huán)境復(fù)雜。

1.2 地質(zhì)條件

施工區(qū)域開挖深度內(nèi)有著厚度較大的③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④灰色淤泥質(zhì)黏土，為上海地區(qū)典型軟土層，具有壓縮性高、強(qiáng)度低、滲透性小和靈敏度高等特性，基坑開挖時(shí)易產(chǎn)生流變現(xiàn)象，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。本工程基坑底部位于軟土層，圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程中應(yīng)減少擾動(dòng)，避免土層回彈隆起。

2 基坑圍護(hù)方案

2.1 工程特點(diǎn)

工程地質(zhì)條件較差、場地狹小、周邊環(huán)境復(fù)雜；隧道節(jié)段和管線橋合并一體化施工，工程環(huán)境保護(hù)要求較高，且工期緊張。

2.2 圍護(hù)方案甄選

對于明挖隧道工程中的深基坑而言，僅從施工技術(shù)角度出發(fā)，管線橋的圍護(hù)結(jié)構(gòu)可選擇原圍護(hù)結(jié)構(gòu)鉆孔灌注樁＋止水帷幕；但結(jié)合本工程的特點(diǎn)，針對傳統(tǒng)常用的幾種基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)方法，優(yōu)化提出一種整體式鋼管樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，通過分析比選，擬選出最適合本工程的深基坑圍護(hù)方案。如表1所示，從各圍護(hù)方法的工藝嫻熟程度、施工成本、效率及環(huán)境保護(hù)要求等多個(gè)角度綜合考慮，整體式鋼管樁施工工藝凸顯優(yōu)勢。

表1 本工程4種圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系綜合對比

整體式鋼管樁結(jié)構(gòu)體系從制樁過程出發(fā)，從防滲性能入手，打破傳統(tǒng)圍護(hù)施工工藝，實(shí)現(xiàn)整體裝配式施工。在預(yù)制廠進(jìn)行鋼管樁鎖口焊接，每側(cè)圍護(hù)樁形成一個(gè)整體，具有擋土和防水雙重功能。

相比于鋼管樁＋止水帷幕體系，不但節(jié)約了現(xiàn)場鎖口焊接作業(yè)的時(shí)間，而且鋼管樁搭接縫形成了良好的止水效果，還簡化了施工工序；其整體剛度較大，彌補(bǔ)了SMW工法樁的不足。相比于鉆孔灌注樁＋止水帷幕的施工工藝，整體式鋼管樁可有效減少施工噪聲和建筑垃圾的產(chǎn)生，符合綠色施工的理念[1-3]。

2.3 圍護(hù)體系設(shè)計(jì)

2.3.1 圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本工程管線橋基坑開挖深度為7.7～8.0 m，屬于深基坑，且有地下管線布設(shè)，因此圍護(hù)樁選用橫向受力較大的800 mm×14 mm的鋼管樁，樁長18.7 m（圖2）。基坑內(nèi)支撐設(shè)置2道壁厚16 mm的φ 609 mm鋼管支撐，其中第1道支撐圍檁采用HM700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型鋼，第2道支撐圍檁采用雙拼HM500 mm×300 mm×11 mm×18 mm型鋼。

圖2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面示意

2.3.2 抗?jié)B結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)抗?jié)B性能對保障深基坑工程的安全至關(guān)重要，因此整體式鋼管樁圍護(hù)體系的重、難點(diǎn)在于相鄰樁間如何緊密搭接。經(jīng)研究分析，整體式鋼管樁采用Q345鋼材、長14 m的熱軋?zhí)仔玩i口，鎖口搭接總寬度為63.5 mm，如圖3（a）所示。圖3（b）為鋼管樁整體組合俯視圖，在中間鋼管樁頂部設(shè)置厚14 mm的加強(qiáng)環(huán)板，在加強(qiáng)環(huán)兩側(cè)焊接吊耳作為整體式鋼管樁的吊點(diǎn)以提高吊裝能力，同時(shí)加強(qiáng)環(huán)也作為沉樁設(shè)備夾具的作業(yè)面，方便施工。

圖3 整體式鋼管樁抗?jié)B結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.3 施工要點(diǎn)

1）本工程的砂層較厚，通過嚴(yán)密測算選擇高頻率RF70免共振液壓振動(dòng)錘作為樁機(jī)設(shè)備。

2）鋼管樁在起吊、運(yùn)輸和堆存過程中采取保護(hù)措施，應(yīng)盡量避免由于碰撞、摩擦等原因造成的涂層破損、管身變形和損傷，同時(shí)降低對周邊環(huán)境的影響。

3）在沉入階段發(fā)現(xiàn)樁位不正或傾斜時(shí)，應(yīng)調(diào)整或拔出鋼管樁重新插入沉樁，嚴(yán)格按照沉樁質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，傾斜度偏差控制在1%內(nèi)。

4）根據(jù)施工階段的進(jìn)展，實(shí)時(shí)調(diào)整施工區(qū)域原道路的交通組織安排，盡可能降低施工對原道路占道的影響。

3 鋼管樁圍護(hù)施工應(yīng)用實(shí)施

本工程深基坑整體式鋼管樁圍護(hù)施工階段采用了BIM技術(shù)，建立了整體式鋼管樁吊裝工藝的三維信息模型，通過采用形象、生動(dòng)的仿真動(dòng)畫來模擬現(xiàn)場施工的具體過程。結(jié)合工程難點(diǎn)，針對以下兩部分內(nèi)容開展鋼管樁施工深化工作[4-5]。

3.1 鋼管圍護(hù)樁沉樁方法

3.1.1 施工技術(shù)要點(diǎn)

對本工程鋼管樁施工過程從施工安全和施工質(zhì)量角度進(jìn)行分析，明確鋼管樁立樁階段、鋼管樁沉樁階段作為現(xiàn)場施工的關(guān)鍵點(diǎn)。

待200 t汽車吊將鋼管樁采用兩點(diǎn)起吊卸車完畢后進(jìn)行立樁，需50 t汽車吊協(xié)同起吊一同作業(yè)，直至整體式鋼管樁完全豎立。依據(jù)周邊條件并結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)分析，采用雙臺吊機(jī)豎立3根整體式鋼管樁施工時(shí)主要存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)。一方面，雙臺汽車吊吊臂與鋼管樁可能過于靠近；另一方面，吊臂或吊物與周邊建（構(gòu)）筑物的空間距離不應(yīng)超出安全范圍。

此外，在沉樁階段需用夾樁架定位大型鋼管樁，為鋼管樁下沉發(fā)揮導(dǎo)向作用，控制垂直度。沉樁過程中，需配備2臺經(jīng)緯儀，架設(shè)在免共振液壓振動(dòng)錘的正面和側(cè)面，校正鋼管樁的垂直度。當(dāng)鋼管樁沉入1～2 m后，應(yīng)重新用經(jīng)緯儀校正垂直度，當(dāng)沉至一定深度并經(jīng)復(fù)核打樁質(zhì)量良好時(shí)，再連續(xù)進(jìn)行振動(dòng)沉樁，直至高出地面60～80 cm后停止振動(dòng)，進(jìn)行接樁，再重復(fù)上述步驟直至達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

3.1.2 工藝流程

本項(xiàng)目鋼管樁施工的具體工藝流程如下：施工場地地基處理→吊車、樁機(jī)設(shè)備進(jìn)場并調(diào)試→鋼管樁進(jìn)場→鋼管樁卸車后豎立至夾樁架→液壓錘提升豎立鋼管樁→鋼管樁垂直度控制→液壓錘沉樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高→移動(dòng)夾樁架至下一處→重復(fù)進(jìn)行第2組整體式鋼管樁沉樁。

3.2 BIM技術(shù)應(yīng)用

3.2.1 協(xié)調(diào)施工場地布置

本工程施工時(shí)需封閉武寧路進(jìn)城方向2條車道，施工區(qū)域受周邊環(huán)境限制，場地狹小，安全圍擋一側(cè)緊鄰交通要道，另一側(cè)緊靠居民區(qū)，導(dǎo)致鋼管樁進(jìn)場空間極其狹小。復(fù)雜的周邊環(huán)境促使項(xiàng)目部最大化利用有限的施工區(qū)域，采用了BIM技術(shù)協(xié)調(diào)現(xiàn)場空間布置，實(shí)現(xiàn)了3D＋時(shí)間條件下的施工模型，保證了模型的連續(xù)性以及與實(shí)際施工的一致性。

3.2.2 細(xì)控沉樁垂直度

考慮到焊接后的整體式鋼管樁與夾樁架間存在配合誤差，利用三維激光測量技術(shù)對焊接后的整體式鋼管樁建立三維尺寸的BIM信息模型，并在模型中檢查制作后鋼管樁與夾樁架的吻合度，對夾樁架作出適當(dāng)調(diào)整以確保其導(dǎo)向作用，從而精準(zhǔn)控制大型鋼構(gòu)件的沉樁垂直度。整體式鋼管樁沉樁前垂直度控制現(xiàn)場與BIM模擬工況基本一致，如圖4所示。

圖4 整體式鋼管樁現(xiàn)場起吊、沉樁

3.3 實(shí)施效果

具有擋土和防滲功能的整體式鋼管樁在工廠實(shí)現(xiàn)預(yù)制組合后被運(yùn)輸至現(xiàn)場，為切實(shí)解決碰撞風(fēng)險(xiǎn)源，以BIM信息技術(shù)作為本次整體式鋼管樁沉樁施工現(xiàn)場的輔助手段，在空間碰撞與虛擬拼裝方面凸顯了重大價(jià)值，確保沉樁階段順利進(jìn)行。地道每側(cè)通過一次起吊、一次沉樁，來一次性完成3根鋼管樁的施工。既提高了沉樁速度，又保障了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。

4 結(jié)語

在城市中心進(jìn)行深基坑施工時(shí)，需要立足城市中心明挖隧道工程的新需求，結(jié)合施工節(jié)段的實(shí)際狀況，因地制宜地制定最優(yōu)方案。

本文對復(fù)雜環(huán)境下深基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了綜合分析，提出了整體式鋼管樁圍護(hù)體系，并實(shí)現(xiàn)了擋土與防滲一體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終結(jié)合BIM信息技術(shù)實(shí)施整體式鋼管樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)。通過技術(shù)創(chuàng)新和信息化手段，在縮短工期、提高質(zhì)量、綠色化施工等方面取得了較大成效，為今后城市明挖隧道工程提供了一定的參考經(jīng)驗(yàn)。