濱海地區樁墻咬合支護結構施工關鍵技術*

鄭偉鋒,蔣贛猷,邱愛民,倪芃芃,董宏源,李莘哲, 楊茗欽,賈利強,汪志城

(1.上海遠方基礎工程有限公司,上海 200436; 2.中國建筑科學研究院地基基礎研究所,北京 100013; 3.廣西路橋工程集團有限公司,廣西 南寧 530200; 4.中山大學土木工程學院,廣東 珠海 519082; 5.廣西欣港交通投資有限公司,廣西 欽州 535000)

0 引言

懸索橋作為常用的橋梁形式,通常由橋塔、錨碇、主纜、吊索、加勁梁及鞍座等主要部分組成。錨碇作為懸索橋主纜拉力傳遞到深層地基的重要載體,其結構形式主要以重力式錨碇結構為主。重力式錨碇一般由錨體和基礎組成,依靠巨大的自重及基底摩阻力來抵抗主纜的豎向分力和水平分力,并將纜力傳給地基。隨著懸索橋的跨徑越來越大,基礎的建設環境及幾何尺寸往更大更深發展,這對基坑工程的支護結構及施工方法提出了新的要求。

目前已有眾多學者對地下支護結構進行了研究。鄭偉鋒等[1]通過綜合考慮現有規范、工效工期和施工質量,對旋噴樁等施工參數的取值提出了建議。趙志孟等[2]通過工字鋼在深大基礎支護中的應用,解決了目前常規鋼板樁支護中基坑開挖變形量大、支護樁垂直度控制差及止水防滲效果不佳等問題,提高了深基坑支護工程的安全系數。邵治理等[3]通過現場試驗對地下連續墻側壓力計算公式進行了修正。祝強等[4]、路乾等[5]通過對地下連續墻在粉砂地層中易發生塌孔現象進行分析,提出了超深地下連續墻在粉砂地層成槽的相關施工措施。賈建彬[6]、李建全等[7]通過數值分析、理論研究及現場驗證的方法,總結了支護結構在富水砂礫層中的施工經驗,提出了支護結構施工質量控制關鍵技術。王衛東等[8]對圓形基坑的2種支護方案進行分析,得到了圓形基坑支護結構在軟土地區設計和施工的寶貴經驗。王曉華等[9]通過分析成槽施工中槽壁單元的土體應力變化規律,探討了槽壁土體側向位移、地面沉降及土體土壓力分布在空間效應上的相關性。殷超凡等[10]分析槽壁變形的相關因素,提出了滿足現場施工質量的相關方案。黃茂松等[11]通過分析水平條分法與楔形體滑體分析法的內在聯系,提出了基于三維等效楔形體計算成槽穩定性的改進方法。關于地下支護結構設計施工的研究,得出了許多有益的結論,但隨著建設的推進,在地下支護結構施工建設中不斷涌現出新的問題,如濱海地區地下水位高且波動大,基坑支護結構具備剛度足夠大、止水效果好的特點,亟需進一步對其施工關鍵技術進行探究。

工程建設過程中支護結構施工方案處理不當,易造成基坑側壁的變形和失穩,或造成施工時隔水帷幕發生滲漏,引發地面沉降、基坑失穩及海水倒灌基坑等問題。針對上述問題,有必要對濱海地區樁墻咬合支護結構施工的關鍵技術進行探究。

針對濱海地區基坑支護結構的施工過程復雜、施工周期長及防水防滲要求高等問題,創新性地提出了樁墻咬合聯合支護結構,將地下連續墻優異的防滲、防水及承受水平推力性能等優點與圓形灌注樁基礎的豎向剛度大、豎向抗拔承載力好及施工效率高等優點相結合,為基坑工程支護提供一種新型可靠的支護結構。通過在支護結構連接及搭接的槽段采取措施,結合樁墻咬合支護結構優化、樁與地下連續墻咬合銑槽施工工藝及現場樁墻施工垂直度的控制,形成了新型樁墻咬合支護結構施工關鍵技術,滿足了濱海地區基坑支護結構剛度足夠大、止水效果好的需求,可為后續類似支護結構的施工建設提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

龍門大橋作為目前廣西建造的最大跨海大橋,全長5 868m,主橋為單跨吊懸索橋,采用門式混凝土索塔,塔高176.8m,主跨1 098m,鋼箱梁橋面寬38.6m。龍門大橋布置如圖1所示。其錨碇基坑支護結構采用樁墻咬合支護結構(Ⅰ期槽采用鉆孔灌注樁,Ⅱ期槽為地下連續墻,二者交替結合)。Ⅰ期槽樁徑3.5m,共52根,Ⅱ期槽墻厚1.5m,共52幅,兩者在軸線處搭接長度為0.431m,接頭處采用銑接法連接。樁基深度為25～43.3m,墻深24.7～42.9m,樁底、墻底進入中風化砂巖不小于5m。目前鮮有對樁墻咬合支護結構施工工藝的研究。

圖1 龍門大橋布置Fig.1 Layout of Longmen Bridge

1.2 工程地質條件

根據地質勘察中鉆孔揭露的數據,其上覆第四系地層為角礫及碎石,部分地段基巖裸露,出露基巖為志留系下統連灘組強風化砂巖、中風化砂巖、強風化頁巖、中風化頁巖,其中強風化巖厚度大,發育層底標高為-88.400～-21.900m(埋深24.70 ～91.20m),起伏較大,橫縱方向砂巖、頁巖交錯分布,該區域中等風化層頂埋深24.70～50.60m,層頂標高為-35.740～-17.420m,層位相對穩定,錨碇以中風化頁巖、中風化砂巖作為天然地基持力層。

1.3 工程水文情況

1)潛水 潛水主要埋藏于橋位區陸地及島嶼第四系覆蓋層中的孔隙水和上部強風化基巖中裂隙水。海平面以上地層的地下水主要由大氣降水補給,含水量小;海平面以下地層除接受上層滲水補給外,還接受海水側向滲透補給,含水量取決于巖體裂隙發育程度及離岸距離,巖體越破碎,離岸越近,地下含水量越大,反之亦然。

2)裂隙承壓水 通過野外水文地質調繪,含水層主要為裂隙承壓含水,主要在砂巖的垂向裂隙中,地面出露裂隙寬度為1～6cm。

3)滲透性 通過前期勘察進行抽水試驗,得出地下支護結構持力層的中風化頁巖、中風化砂巖地層滲透系數K分別為0.027 6,0.136 4m/d。因此,錨碇區地層判定為弱-中等透水層。

2 施工關鍵技術

基坑工程中,地下連續墻作為常用的支護結構,具有施工振動小、噪聲小、墻身剛度大、整體性好、形式多樣化的特點。在實際工程應用中地下連續墻表現出優異的防水、防滲、深基坑圍護等功能,但其厚度難以滿足超大開挖深度側向抗力需求,因此在地下連續墻圍護結構施工完成后,通常需在基坑逐層開挖工序中施作植筋并進行二次澆筑,提高支護結構的穩定性,該工序復雜且受混凝土養護齡期控制,存在施工工期長、造價高等問題。而圓形灌注樁基礎具有承載力高、沉降小、沉降速度慢、便于機械化施工等優點。因此,通過充分結合樁與地下連續墻在支護結構中的優點,在龍門大橋錨定基坑支護中采用樁墻咬合支護結構(樁+地下連續墻咬合式圍護結構)進行支護,確保支護結構滿足基坑開挖施工的要求。樁墻咬合支護結構順利施工成型后,能避免逐層開挖二次澆筑工序,有效縮短基礎工程施工周期。

2.1 圍護結構槽段之間連接、搭接措施

傳統咬合樁支護結構是在相鄰混凝土排樁間采用部分圓周鑲嵌法連接,并于后序次相間施工的樁內植入鋼筋籠,使之形成具有良好防滲作用的整體連續防水、擋土支護結構。在此基礎上,項目根據實際工程需求,創新使用圓樁+地下連續墻咬合的組合支護形式,即采用相鄰鉆孔灌注樁間嵌入地下連續墻進行咬合,從而形成具有高防水性、穩定性好的支護結構。由于灌注樁和地下連續墻兩種施工工藝差異較大,傳統的咬合樁或地下連續墻的接頭形式不完全適于二者咬合形成的復合支護結構。

首期施工的灌注樁和二期施工的地下連續墻需形成有效搭接、咬合,保證樁、墻連接處的防滲性能。實際工程中采用φ3 500圓樁+1.5m厚地下連續墻咬合的組合支護形式,如圖2所示。地下連續墻通過榫結構接頭與樁基礎進行連接,使樁基礎與地下連續墻基礎之間互相結合、互相支撐,保證了樁基礎與地下連續墻之間的彎矩、剪力傳遞,提高了樁墻咬合的連接節點強度及其協同作用,增強了樁墻結構咬合支護體系的整體性。

圖2 樁墻咬合復合支護結構形式Fig.2 Shape for a novel secant pile-diaphragm wall supporting structure

2.2 樁墻咬合支護結構優化

鉆孔灌注樁通常使用圓形截面的鋼筋籠,如圖3所示。本工程中為確保樁墻咬合施工中銑槽作業的順利實施,將樁孔內下放的鋼筋籠截面設計為圓形+矩形的復合截面,從而有效避免了銑槽過程中存在的諸如連接段距離短、銑槽過程中鋼筋籠遭遇切割破壞等現象的發生。

圖3 鋼筋籠結構形式優化設計Fig.3 Optimization design of steel cage structure

2.3 樁與地下連續墻咬合銑槽施工工藝

通過在前期施工的灌注樁混凝土中摻入緩凝減水劑,延緩混凝土的初凝時間,在樁基礎處于未初凝狀態下時,完成地下連續墻導溝、導墻、成槽及泥漿制備的施工,并根據施工要求進行槽段的劃分,再利用銑槽機及連續墻抓斗進行槽孔施工,從而提高后續地下連續墻咬合施工的成槽效率。

2.4 樁和地下連續墻的垂直度控制

鋼筋籠垂直度作為樁墻咬合施工順利實施的一個重要指標,是影響樁-墻支護結構整體受力、協同變形的關鍵因素。為此,需在施工中對樁墻咬合支護結構的樁鋼筋籠及連續墻鋼筋籠垂直度進行嚴格控制。

1)樁鋼筋籠垂直度控制方法 ①限位塊法 如圖4所示,樁孔成型后,在圖示限位塊預設位置處可放置一定深度(以4m為例)的預制限位塊作為鋼筋籠下放的導向限位裝置,確保鋼筋籠下放過程中滿足垂直度控制要求。②外包層法 如圖5所示,制作鋼筋籠時,在鋼筋籠外圍添加低強度玻璃纖維材料外包層,從而使外包層尺寸與樁孔尺寸相匹配,該施工方法不僅有利于鋼筋籠下放的垂直度控制,且方便后期銑槽施工過程中對連接段處外包纖維層進行切削成槽,提高后期地下連續墻的施工效率。

圖4 限位塊法示意Fig.4 Limit block method

圖5 外包層法示意Fig.5 Outsourcing layer method

2)地下連續墻鋼筋籠垂直度控制方法 連續墻的垂直度控制方法為限位塊法,具體實施方法參照樁體鋼筋籠下放限位塊法,其減少了傳統地下連續墻施工中需提前澆筑素混凝土導墻的施工工序,縮短了連續墻施工工期。基于限位塊法施工垂直度控制工藝,進行預制地下連續墻鋼模導墻,控制地下連續墻鋼筋籠下放過程中的位置,使其垂直度滿足要求,此外導墻采用預制裝配式結構,易安裝、易拆卸,進一步提高了施工效率。

現場通過在支護結構連接及搭接的槽段采取措施,結合樁墻咬合支護結構優化、樁與地下連續墻咬合銑槽施工工藝及現場樁墻施工垂直度的控制,形成了滿足濱海地區基坑支護結構需求的樁墻咬合支護結構。模型如圖6,7所示。

圖6 樁、地下連續墻三維模型Fig.6 Three-dimensional model of pile and underground diaphragm wall

圖7 樁墻咬合支護結構模型Fig.7 Model of a novel secant pile-diaphragm wall supporting structure

3 結語

通過分析濱海地區地下水位高且波動大的特點,提出具備剛度足夠大、高防水性及穩定性好等特點的樁墻咬合復合支護結構體系,并為支護結構的施工提供了現場實施方法。根據現場實際施工,優化了樁墻結構設計及施工方法,結合圍護結構槽段之間連接、搭接措施,完善了樁墻連接、搭接構造,并提出合理的施工工藝,確保樁墻咬合支護結構施工的順利進行。

通過對樁與地下連續墻咬合銑槽施工工藝進行探究,解決了樁墻不同步施工咬合連接問題,提高了支護體系的施工效率,同時確保了支護體系的可靠性。使用裝配式地下連續墻導墻施工工藝,對樁和地下連續墻的垂直度進行控制,確保樁墻咬合連接的有效性及支護結構的完整性。