基于地鐵規(guī)劃控制區(qū)預(yù)加固超大框支樁的設(shè)計施工研究

耿鵬超，魏利新，柴達

（中建二局第二建筑工程有限公司，廣東深圳 518000）

1 引言

隨著國內(nèi)城市軌道交通的飛速發(fā)展，地鐵線路貫穿城市中心區(qū)的情況越來越多。地鐵隧道在施工運營階段與城市其他建筑物之間的立體交叉問題也越來越突出。一方面，新建工程的施工會對鄰近已完工地鐵結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生重要影響；另一方面，地鐵建設(shè)會引起地層的沉降、周圍土體失穩(wěn)，地鐵長期運營會對建筑物產(chǎn)生持續(xù)的振動響應(yīng)，在荷載的長期反復(fù)振動影響下，會對建筑的使用壽命產(chǎn)生影響，嚴重時會導(dǎo)致建筑物結(jié)構(gòu)受損。

國內(nèi)大多數(shù)研究集中在新建工程施工對鄰近已施地鐵結(jié)構(gòu)安全性的影響，而對地鐵建設(shè)與運營過程中的地層穩(wěn)定性對地上建筑物的影響研究相對較少。

本文以實際工程項目為依托，提前考慮后期地鐵施工及運營過程中的動力響應(yīng)影響，采用預(yù)加固超大框支樁對建筑物基礎(chǔ)進行預(yù)加固優(yōu)化設(shè)計和施工研究、梳理和總結(jié)，以供廣大同行和類似工況設(shè)計施工借鑒或參考。

2 工程概況

2.1 概述

本項目位于深圳市南山區(qū)深圳大學(xué)粵海校區(qū)內(nèi)，東鄰深圳大學(xué)北門，西鄰深圳大學(xué)文科樓和在建科研樓，南側(cè)為深圳大學(xué)荔枝林，北鄰深南大道。項目占地面積49 933.24 m2，總建筑面積137 736.33 m2，由藝術(shù)樓、外語樓、建筑與城市規(guī)劃院館擴建工程、建筑與城市規(guī)劃學(xué)院教學(xué)實驗樓擴建工程4 座單體建筑組成。其中，外語樓地上14 層，地下3 層，其基礎(chǔ)位于深圳15 號規(guī)劃地鐵線的正上方。

2.2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)鉆探揭露，現(xiàn)對各巖土層的巖性特征自上而下進行分述，見表1。

表1 土層巖性特征參數(shù)表

2.3 水文地質(zhì)概況

擬建場地地下水按賦存條件主要為第四系松散地層中的孔隙潛水和基巖裂隙水。地下水水位受地形起伏影響而變化，并主要受季節(jié)變化的影響而上下波動。根據(jù)實測，地下穩(wěn)定水位埋深0.10～20.20 m，水位高程6.61～24.46 m，預(yù)計年變幅1.0～2.0 m。

3 超大框支樁方案的優(yōu)化設(shè)計

3.1 設(shè)計重難點分析

本項目外語樓基礎(chǔ)建于規(guī)劃地鐵15 號線正上方，后期地鐵開挖產(chǎn)生的應(yīng)力釋放和地鐵車軌運行產(chǎn)生的動力響應(yīng)會對已施工的外語樓基礎(chǔ)甚至樓體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。外語樓基礎(chǔ)形式的設(shè)計除保證外語樓正常的受力要求外，還要考慮后期地鐵隧道開挖產(chǎn)生的應(yīng)力釋放影響和地鐵高速車軌運行產(chǎn)生的動力響應(yīng)影響。因此，對外語樓進行基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化成為本工程的重難點。

3.2 基礎(chǔ)的設(shè)計優(yōu)化

常規(guī)建筑基礎(chǔ)一般設(shè)計為灌注樁+抗水板。根據(jù)本工程的實際情況，考慮開挖應(yīng)力釋放及動力響應(yīng)的影響，將該區(qū)域的基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化為超大框支樁結(jié)構(gòu)，即通過將隧道兩側(cè)的地鐵規(guī)劃控制區(qū)的灌注樁采用超大尺寸的地梁相連。整體形成以大直徑灌注樁為豎向構(gòu)件，以超大尺寸地梁為橫向構(gòu)件的框架結(jié)構(gòu)，此設(shè)計很大程度上弱化了樁土的耦合作用，提高了上部結(jié)構(gòu)的安全性。

灌注樁設(shè)計：直徑為1 600 mm，配筋為：28 根直徑32 mm的縱筋，箍筋為直徑16 mm 的三級鋼筋，間距100 mm，絕對標高優(yōu)化≥-7.35 m，且進入穩(wěn)定微風(fēng)化巖巖層深度≥0.5 m。

地梁設(shè)計尺寸為900 mm×2 000 mm；上部縱筋為29 根直徑22 mm 的三級鋼；下部縱筋為：59 根直徑25 mm 的三級鋼；通長筋為15 根直徑22 mm 的三級鋼；構(gòu)造筋為14 根直徑16 mm 的三級鋼；箍筋直徑12 mm，間距100 mm。

4 超大框支樁施工

4.1 大直徑旋挖灌注樁施工

大直徑旋挖樁由于其鉆孔、清孔等工藝技術(shù)難度大，并且大直徑旋挖樁比普通直徑旋挖樁更容易產(chǎn)生塌孔、樁身質(zhì)量缺陷等事故[1]，本文從大直徑旋挖樁具體樁位的地質(zhì)情況判斷、護筒制作與埋設(shè)、泥漿參數(shù)控制、鉆孔工藝、大直徑鋼筋籠的制作與安裝、清孔方式的選擇等方面進行工藝探索和改進。

4.1.1 護筒制作與埋設(shè)

旋挖樁施工前應(yīng)埋設(shè)鋼護筒，鋼護筒埋入樁位深度一般為3 m，鋼護筒頂面比地面高300～500 mm，護筒采用15 mm的鋼板制作，因護筒截面較大，為防止其變形在護筒頂部、底部各設(shè)置一道環(huán)形加勁肋，加勁肋采用寬200 mm、厚15 mm的鋼板制作，頂部加勁肋的頂面與護筒頂面平齊，與護筒雙面滿焊，底部加勁肋同理。

4.1.2 泥漿參數(shù)控制

大直徑旋挖灌注樁因其樁徑較大，在鉆進過程中對土體的擾動會加大，且其孔壁環(huán)拱效應(yīng)較弱，自穩(wěn)定較差，更容易發(fā)生縮頸及塌方事故，所以，對泥漿的比重、稠度等技術(shù)參數(shù)要求較高，泥漿的形成目前有3 種方案[2]：原樁土造漿、膨潤土造漿、化學(xué)聚合物泥漿。為提高泥漿護壁質(zhì)量，本工程護壁泥漿主要采用膨潤土造漿，地質(zhì)較差時采用化學(xué)聚合物泥漿。鉆孔階段泥漿參數(shù)見表2。

表2 鉆孔階段泥漿參數(shù)詳表

4.1.3 鉆進工藝

1）樁在土層中施工

樁在土層中的施工需要注意5 個要點：（1）埋設(shè)較深的護筒，減少鉆孔對土層的擾動，平衡重型旋挖機設(shè)備對孔壁的側(cè)壓力；（2）增大膨潤土用量，配置比重大的化學(xué)泥漿，摻入羧甲基纖維素（CMC）等材料，比重一般大約控制在1.3，膠體率在98%；（3）控制進尺，緩慢鉆進，減少對土層的擾動；（4）降低鉆斗提升和下沉的速度，減少因鉆斗上下運動引發(fā)的泥漿回流的速度，減少泥漿回流對側(cè)壁的沖擊；（5）及時補充泥漿，提高孔內(nèi)泥漿面高度，增大對側(cè)壁的壓強。

2）樁在巖層中施工

大直徑旋挖樁在巖層中成孔時，需要特別大的扭矩，目前的旋挖設(shè)備無法滿足要求，需采用分級擴孔成孔[3]、小鉆頭引孔破碎法、沖孔錘破巖法等工藝。本工程采用分級擴孔成孔工藝進行，旋挖入巖鉆進分級擴孔級數(shù)示意圖如圖1 所示。

圖1 旋挖入巖鉆進分級擴孔級數(shù)示意圖

分級擴孔成孔工藝是采用牙輪筒鉆與取芯鉆、掏渣鉆相結(jié)合，先用小直徑牙輪鉆切削巖體，然后，采用取芯鉆或撈渣鉆頭取出碎塊，為大一級鉆頭成孔創(chuàng)造自由工作面，便于破碎巖石；依次循環(huán)，直至設(shè)計樁徑，分級擴孔級差一般為300～400 mm。

4.1.4 鋼筋籠的制作與安裝

1）鋼筋籠制作需要更加平整、剛度更高的加工平臺。

2）采取加大箍筋直徑，鋼筋籠內(nèi)設(shè)置“十”字形支撐，三角形支撐等防止鋼筋變形的加強措施。

3）大直徑鋼筋保護層“耳環(huán)”，采用圓形預(yù)制高強混凝土墊塊。其半徑比設(shè)計保護層厚度小3 mm，厚度一般為40 mm，圓心處留有小孔，小孔直徑為18 mm。墊塊固定時，采用直徑為16 mm 的螺紋鋼穿過墊塊中心的小孔，螺紋鋼兩端焊接在主筋上。每節(jié)鋼筋籠上應(yīng)設(shè)置不少于4 組墊塊，每組不少于6 塊，呈梅花形布置。

4）鋼筋籠與孔壁距離較小，大直徑鋼筋籠在向孔內(nèi)下放過程中更容易發(fā)生擺動，由于其自重大，底部鋼筋容易戳入孔壁，輕則造成鋼筋籠下放困難，重則造成塌孔事故，所以，吊裝前應(yīng)將鋼筋籠底部800 mm 范圍內(nèi)的主筋向內(nèi)傾斜10°～15°，該措施在不影響成樁質(zhì)量的前提下，有效地克服了鋼筋籠下放困難的問題。

5）由于鋼筋籠重量大，吊裝前應(yīng)對每個吊點采取加強措施。具體做法為：在加勁箍上側(cè)增焊2 根直徑為25 mm 的鋼筋，其長度≥300 mm，相鄰鋼筋之間雙面滿焊，連接吊鉤的U形鋼筋頂面與加強箍下部頂緊并滿焊牢固，兩側(cè)與鋼筋籠主筋滿焊，焊接長度≥200 mm。

4.1.5 清孔方式的選擇

目前，二次清孔工藝主要有正循環(huán)工藝、泵吸反循環(huán)工藝及氣舉反循環(huán)工藝等，本項目從安全、質(zhì)量、進度、工程造價及樁的設(shè)計形式[4]等維度進行綜合考慮，最終確定采用氣舉反循環(huán)進行二次清孔。

4.2 大尺寸框架梁施工

大尺寸地梁底筋配置量非常大，鋼筋排布非常密，鋼筋綁扎非常困難；為了滿足鋼筋凈距要求，與設(shè)計方溝通對底筋進行優(yōu)化排布，施工時，先布上部鋼筋并套入箍筋進行綁扎，再從梁端部分層傳入底筋，工人在地梁鋼筋籠內(nèi)分層進行鋼筋底筋綁扎，最后，由工人自地梁端部往另一側(cè)端部退著綁扎架立筋、拉筋。

5 全生命周期監(jiān)測

本工程還通過光纖監(jiān)測技術(shù)對隧道兩側(cè)的地鐵樁從施工開始到完全工作狀況下的荷載與變形進行監(jiān)測，借以分析后續(xù)隧道開挖應(yīng)力釋放及地鐵運行動力響應(yīng)對建筑物基礎(chǔ)的影響。

6 結(jié)語

針對地鐵規(guī)劃控制區(qū)內(nèi)建筑物基礎(chǔ)的設(shè)計與施工，需要提前考慮后期地鐵開挖的應(yīng)力釋放及運營過程中動力響應(yīng)的影響。考慮上述影響，本工程將基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化為超大框支樁，然后，對大直徑灌注樁護筒制作與埋設(shè)、泥漿參數(shù)控制、鉆孔工藝、大直徑鋼筋籠的制作與安裝、清孔方式的選擇和大尺寸地梁的鋼筋綁扎等方面進行工藝探索和優(yōu)化改進；大大提高了大尺寸地梁及灌注樁的施工效率，保證了大直徑灌注樁的成型質(zhì)量。同時，采用光纖監(jiān)測技術(shù)對樁基承載力進行全生命周期監(jiān)測，為后續(xù)持續(xù)更深入的動荷載研究提供寶貴的技術(shù)參數(shù)支持。通過本次研究為后續(xù)類似地鐵規(guī)劃控制區(qū)條件下建筑物基礎(chǔ)的設(shè)計、施工及后期監(jiān)測提供很好的技術(shù)借鑒或參考。