深厚软土地基上跨浅埋地铁桩板结构施工技术研究

刘家兵

深厚软土地基上跨浅埋地铁桩板结构施工技术研究

刘家兵

(杭州铁路枢纽建设有限公司,杭州 310020)

桩板结构具有强度高、刚度大、稳定性好、沉降小等特点。沪杭客运专线DK5+344.8～DK5+374.8段为上跨浅埋地铁深厚软土路基,采用桩板结构处理此段特殊路基。对施工难点进行分析,深入研究桩板结构路基的施工技术,包括施工控制要点、施工工艺和施工流程等。采用全套管钻孔桩施工工艺,对桩板结构钻孔桩桩底进行注浆加固,基坑开挖与混凝土浇筑施工按分部、分段进行,同时采用硬化施工场地等措施。工程实践表明,桩板结构新技术、新工艺的应用,满足了深厚软土地基沉降控制要求。

沪杭客运专线;深厚软土;浅埋地铁;桩板结构;施工技术

1 概述

桩板结构由钢筋混凝土桩、托梁和承载板,或钢筋混凝土桩和承载板组成,较传统的路基形式而言,不仅是一种新的路基结构形式,也是一新型的地基处理技术与加固方法,它是介于桥梁与传统路基之间的一种特殊的结构形式,具有强度高、刚度大、稳定性好、沉降小等特点[1-2]。目前,桩板结构在国内外无砟轨道高速铁路建设中,主要用于处理深厚软弱地基、湿陷性黄土地基、桥隧间短路基过渡段等[3-4],广大学者和工程人员对桩板结构应用于高速铁路也做了大量研究[5-6]。在2010年8月,中华人民共和国铁道部发布的行业标准《铁路工程地基处理技术规程》中,对钢筋混凝土桩板结构的设计及施工作出了原则规定,但对于特殊条件下的桩板结构还需要特殊情况特别考虑[7]。结合新建上海至杭州客运专线中采用桩板结构处理深厚软土路基的工程实践,深入研究了对于上跨浅埋地铁深厚软土路基应用桩板结构的施工技术,包括施工控制要点、施工工艺和施工流程等。

2 工程概况

新建上海至杭州客运专线虹桥至七宝段为冲海积平原区,地势平坦开阔。在DK5+284～+435范围内以87°交角上跨上海市9号地铁后下穿沪淞公路立交桥及其匝道立交桥,交叉处路基填高约1.0 m、地铁为3股道的盾构隧道。地铁围岩为深厚(厚22 m)淤泥质黏土,下覆厚层粉土、粉细砂。盾构直径6.2 m、线间距10m、埋深7.5m,属浅埋地铁。经过多方论证及深入研究,决定采用全套管钻孔桩桩板结构联合桩底注浆技术上跨上海市9号地铁,如图1所示。主要措施[8]为:(1)桩板结构跨度10 m,3跨1联,沿线路纵向10m(即盾构隧道线间距)设置一处托梁,托梁上部按上下行线分幅铺设承载板,承载板上铺设无砟轨道,如图2所示。路基轨道按一次性铺设跨区间无缝线路设计,采用CRTSⅡ型钢筋混凝土轨道板,尺寸为L× B×H=6.45 m×2.55 m×0.20 m。混凝土支撑层采用C15素混凝土浇筑,其尺寸为L×H=5.0 m×0.30 m。(2)根据地铁竣工图和现场实测准确确定地铁线位,平行于地铁中线布设托梁和钻孔桩,托梁横向采用4根桩径0.8m全套管钻孔桩,桩长43m。

图1 9号地铁工点线_路平面示意

图2 9号地铁工点桩板结构示意(单位:m)

3 施工技术难点及解决方案

3.1 施工技术难点分析

客运专线无砟轨道铁路首次采用桩板结构路基上跨浅埋盾构隧道,主要存在以下技术难点。

(1)紧贴地铁盾构施工桩基,国内外尚属首例,且均无类似工程实例可以借鉴。地铁盾构管片对外围土体的扰动高度敏感,管片出现较大位移或变形将可能对整体结构产生不可修复的破环,造成结构开裂、渗漏水、轨道变形等。采用常规钻孔桩施工工艺,势必扰动盾构周围土体,严重时影响地铁的运营安全。

(2)为减小地基沉降,采用了桩底注浆处理技术,要求在压浆过程中不能对地铁隧道产生影响。

(3)地铁盾构上表覆土7.5 m左右,为浅埋地铁,托梁和承载板施工开挖最少要下挖1.5 m,施工过程中最小覆土厚度只有6.0m左右,减少25%左右的覆土厚度,在30 m承载板施工影响范围内卸载约8 100 kN土体,每平米减少约30 kN。克服地铁盾构地表上浮也是施工难点之一。

3.2 全套管钻孔桩施工工艺

3.2.1 超深度钢护筒施工方案比选

参照深水墩平台法中的钢护筒一次性插打、二次跟进的施工技术在陆上施工时,精确定位相对简单,本工程43m长度的插打深度符合需求,使用设备简单,施工工艺成熟,施工成本相对低,但2种施工方法目前国内均采用振动下沉的方法,在表层回填土或者淤泥质土质可以自重下沉,但在砂层和密实的粉黏土中需要振动下沉,势必会对盾构周围的土体带来扰动,如遇到地下障碍物很难处理[9]。

全套管液压全回转转机采用日本Super Top工法施工,设备和技术均是进口,套管内径可以选择,46m全套管(双壁钢护筒)在软土地区可以轻松到位,即使在地铁盾构范围遇到障碍物(如人工回填砌块、废弃管片等)也可以旋转切割、液压静态下沉,对地铁盾构的影响减少到了最小限度,安全性最高。

经过综合分析比较后,决定参照使用全套管全回转(套管不拔除)工法,虽然一次性投入较大,但能确保地铁运营安全,可以有效降低潜在的施工风险,避免宝贵的工期损失,并具有良好的社会效益。

3.2.2 全套管全回转不拔除施工工艺

全套管全回转施工工艺流程如图3所示。

图3 全套管全回转施工工艺流程

3.2.3 主要施工注意事项

(1)地面硬化:由于全回转钻机为大型设备,平整度和承载力要求较高,又正好坐落在地铁隧道上方施工,为减少施工对地铁的附加荷载和地层扰动,采用厚度30 cm的C15素混凝土进行地面硬化。

(2)垂直度控制:考虑到地铁隧道与桩基净距仅150 cm,而且总桩长43m,所以对全套管压入的垂直度要严格控制。采用2台电子经纬仪,在互相垂直的2个方向进行全程控制。

(3)全套管固定:考虑到套管压入后还要进行正循环钻孔灌注桩的施工,而且桩长较长,为防止成孔后套管沉降,故套管上端须进行固定。套管固定后采用三级测量复核制核准桩位。

3.3 承载板、托梁施工工艺

克服浅埋地铁盾构减载上浮是本工程难点之一,桩板结构基坑开挖后,在盾构上方局部范围最大将减少25%的覆土厚度,在30 m承载板施工影响范围内卸载约8 100 kN土体,每平米减少约30 kN。板宽2× 4.40 m、跨度3×10 m的桩板结构施工按分部、分段施工:首先在钻孔桩施工完成后,进行托梁的施工,然后开挖施工30m连续承载板。地铁上部托梁基坑可采用放坡开挖,一次性施工4条托梁;为减少盾构上浮,承载板开挖采用左右线按顺序作业,先施工左线,然后施工右线,直立开挖,不设置工作边。托梁、承载板钢筋集中加工成半成品,现场绑扎;混凝土采用泵送,托梁和承载板分别一次性浇筑[10、11]。

采用硬化施工场地、控制大型施工设备进场和加强地铁变形监测等措施,避免地表超载导致地铁盾构下沉。桩板结构施工工艺流程如图4所示。

图4 桩板结构施工工艺流程

3.4 桩底注浆工艺

对上跨9号地铁4个托梁基础共16根φ80 cm钻孔灌注桩进行桩端注浆,技术要点如下。

(1)注浆在混凝土初凝5～6 d后进行。

(2)注浆水泥用量:每根桩的注浆水泥用量200～300 kg,采用PO 42.5普通硅酸水泥,浆液由水、水泥和缓凝型减水剂等组成。

(3)浆液浓度:依据压水试验结果确定浆液浓度,先用稀浆、随后渐浓、最后注浓浆。水灰比范围(1∶0.6)～(1∶1)。

(4)注浆压力:一般在深厚软土中施工钻孔灌注桩的注浆压力为1.0～3.5MPa[12],但本次施工桩与既有地铁盾构距离仅1.5 m,注浆压力过大可能对盾构产生扰动影响,且桩顶上抬量上抬不得超过3 mm,因此,确定注浆压力范围为1.0～1.5MPa。

(5)终止注浆条件:①注浆量和注浆压力均达到设计要求;注浆量达到设计值75%且注浆压力超过设计值。②桩顶上抬量超过3 mm时,采用低压慢速注浆,满足注浆量和注浆压力要求。

4 结论

目前该工程已成功运营1年,状态良好,得到上海轨道交通运营管理中心的高度认可。从实施监测情况看:(1)全套管全回转工法利用护筒前端的合金刀头旋转、液压静态下压进行切割岩土层或障碍物,直至套管沉入到设计高程;然后在套管内进行钻孔桩施工,较好地解决了桩基施工对地铁盾构的扰动;(2)对上跨地铁段桩板结构钻孔桩桩底进行注浆加固,不仅减少结构沉降对地铁的影响,提高了桩基的承载力,也确保了桩基施工质量;(3)桩板结构基坑开挖与混凝土浇筑施工按分部、分段进行,同时采用硬化施工场地、控制大型施工设备进场和加强地铁变形监测等措施,解决了地铁盾构出现减载上浮和超载下沉的难题。

桩板结构新技术、新工艺的应用,实现了深厚软土地基沉降控制,保证了上海市9号地铁的正常使用,满足了工程设计要求,为类似工程施工提供了可供借鉴的实践经验。

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Research on Construction Technology of Sheet-Pile Structure Used for Deep Soft Soil Subgrade Crossing above Shallow ly-Buried Metro

LIU Jia-bing
(Hangzhou Railway Terminal Project Co.,Ltd.,Hangzhou 310020,China)

Sheet-Pile structure has characteristics of high strength and stiffness,good stability and small settlement.DK5+344.8～DK5+374.8 section of Shanghai-Hangzhou Passenger Dedicated Railway had deep soft soil subgrade crossing above a shallowly-buried metro,so sheet-pile structure was adopted to treat this spacial subgrade.This paper analyzed the construction difficulties firstly and deeply studied the construction technology of sheet-pile structure used in this special subgrade.This construction technology consisted of construction controlling points,construction process and procedure and so on.Full-sleeve bored pile technology was used and the bottom of the pile was strengthened by grouting method. Foundation pit excavation and concrete pouringwere processed by sections and step by step.At the same time,construction site hardening measures were implemented.It has been found that this construction technology of sheet-pile structure has been able tomeet the requirments on settlement control of deep soft soil subgrade.

Shanghai-Hangzhou Passenger Dedicated Line;deep soft soil;shallowly-buried metro; sheet-pile structure;construction technology

U238;U213.1+52.1

A

1004- 2954(2013)07- 0016- 03

2013- 01- 17;

2013- 03- 09

刘家兵(1968—),男,高级工程师,1990年毕业于石家庄铁道学院。