滨海地区桩墙咬合支护结构施工关键技术*

郑伟锋,蒋赣猷,邱爱民,倪芃芃,董宏源,李莘哲, 杨茗钦,贾利强,汪志城

(1.上海远方基础工程有限公司,上海 200436; 2.中国建筑科学研究院地基基础研究所,北京 100013; 3.广西路桥工程集团有限公司,广西 南宁 530200; 4.中山大学土木工程学院,广东 珠海 519082; 5.广西欣港交通投资有限公司,广西 钦州 535000)

0 引言

悬索桥作为常用的桥梁形式,通常由桥塔、锚碇、主缆、吊索、加劲梁及鞍座等主要部分组成。锚碇作为悬索桥主缆拉力传递到深层地基的重要载体,其结构形式主要以重力式锚碇结构为主。重力式锚碇一般由锚体和基础组成,依靠巨大的自重及基底摩阻力来抵抗主缆的竖向分力和水平分力,并将缆力传给地基。随着悬索桥的跨径越来越大,基础的建设环境及几何尺寸往更大更深发展,这对基坑工程的支护结构及施工方法提出了新的要求。

目前已有众多学者对地下支护结构进行了研究。郑伟锋等[1]通过综合考虑现有规范、工效工期和施工质量,对旋喷桩等施工参数的取值提出了建议。赵志孟等[2]通过工字钢在深大基础支护中的应用,解决了目前常规钢板桩支护中基坑开挖变形量大、支护桩垂直度控制差及止水防渗效果不佳等问题,提高了深基坑支护工程的安全系数。邵治理等[3]通过现场试验对地下连续墙侧压力计算公式进行了修正。祝强等[4]、路乾等[5]通过对地下连续墙在粉砂地层中易发生塌孔现象进行分析,提出了超深地下连续墙在粉砂地层成槽的相关施工措施。贾建彬[6]、李建全等[7]通过数值分析、理论研究及现场验证的方法,总结了支护结构在富水砂砾层中的施工经验,提出了支护结构施工质量控制关键技术。王卫东等[8]对圆形基坑的2种支护方案进行分析,得到了圆形基坑支护结构在软土地区设计和施工的宝贵经验。王晓华等[9]通过分析成槽施工中槽壁单元的土体应力变化规律,探讨了槽壁土体侧向位移、地面沉降及土体土压力分布在空间效应上的相关性。殷超凡等[10]分析槽壁变形的相关因素,提出了满足现场施工质量的相关方案。黄茂松等[11]通过分析水平条分法与楔形体滑体分析法的内在联系,提出了基于三维等效楔形体计算成槽稳定性的改进方法。关于地下支护结构设计施工的研究,得出了许多有益的结论,但随着建设的推进,在地下支护结构施工建设中不断涌现出新的问题,如滨海地区地下水位高且波动大,基坑支护结构具备刚度足够大、止水效果好的特点,亟需进一步对其施工关键技术进行探究。

工程建设过程中支护结构施工方案处理不当,易造成基坑侧壁的变形和失稳,或造成施工时隔水帷幕发生渗漏,引发地面沉降、基坑失稳及海水倒灌基坑等问题。针对上述问题,有必要对滨海地区桩墙咬合支护结构施工的关键技术进行探究。

针对滨海地区基坑支护结构的施工过程复杂、施工周期长及防水防渗要求高等问题,创新性地提出了桩墙咬合联合支护结构,将地下连续墙优异的防渗、防水及承受水平推力性能等优点与圆形灌注桩基础的竖向刚度大、竖向抗拔承载力好及施工效率高等优点相结合,为基坑工程支护提供一种新型可靠的支护结构。通过在支护结构连接及搭接的槽段采取措施,结合桩墙咬合支护结构优化、桩与地下连续墙咬合铣槽施工工艺及现场桩墙施工垂直度的控制,形成了新型桩墙咬合支护结构施工关键技术,满足了滨海地区基坑支护结构刚度足够大、止水效果好的需求,可为后续类似支护结构的施工建设提供参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

龙门大桥作为目前广西建造的最大跨海大桥,全长5 868m,主桥为单跨吊悬索桥,采用门式混凝土索塔,塔高176.8m,主跨1 098m,钢箱梁桥面宽38.6m。龙门大桥布置如图1所示。其锚碇基坑支护结构采用桩墙咬合支护结构(Ⅰ期槽采用钻孔灌注桩,Ⅱ期槽为地下连续墙,二者交替结合)。Ⅰ期槽桩径3.5m,共52根,Ⅱ期槽墙厚1.5m,共52幅,两者在轴线处搭接长度为0.431m,接头处采用铣接法连接。桩基深度为25～43.3m,墙深24.7～42.9m,桩底、墙底进入中风化砂岩不小于5m。目前鲜有对桩墙咬合支护结构施工工艺的研究。

图1 龙门大桥布置Fig.1 Layout of Longmen Bridge

1.2 工程地质条件

根据地质勘察中钻孔揭露的数据,其上覆第四系地层为角砾及碎石,部分地段基岩裸露,出露基岩为志留系下统连滩组强风化砂岩、中风化砂岩、强风化页岩、中风化页岩,其中强风化岩厚度大,发育层底标高为-88.400～-21.900m(埋深24.70 ～91.20m),起伏较大,横纵方向砂岩、页岩交错分布,该区域中等风化层顶埋深24.70～50.60m,层顶标高为-35.740～-17.420m,层位相对稳定,锚碇以中风化页岩、中风化砂岩作为天然地基持力层。

1.3 工程水文情况

1)潜水 潜水主要埋藏于桥位区陆地及岛屿第四系覆盖层中的孔隙水和上部强风化基岩中裂隙水。海平面以上地层的地下水主要由大气降水补给,含水量小;海平面以下地层除接受上层渗水补给外,还接受海水侧向渗透补给,含水量取决于岩体裂隙发育程度及离岸距离,岩体越破碎,离岸越近,地下含水量越大,反之亦然。

2)裂隙承压水 通过野外水文地质调绘,含水层主要为裂隙承压含水,主要在砂岩的垂向裂隙中,地面出露裂隙宽度为1～6cm。

3)渗透性 通过前期勘察进行抽水试验,得出地下支护结构持力层的中风化页岩、中风化砂岩地层渗透系数K分别为0.027 6,0.136 4m/d。因此,锚碇区地层判定为弱-中等透水层。

2 施工关键技术

基坑工程中,地下连续墙作为常用的支护结构,具有施工振动小、噪声小、墙身刚度大、整体性好、形式多样化的特点。在实际工程应用中地下连续墙表现出优异的防水、防渗、深基坑围护等功能,但其厚度难以满足超大开挖深度侧向抗力需求,因此在地下连续墙围护结构施工完成后,通常需在基坑逐层开挖工序中施作植筋并进行二次浇筑,提高支护结构的稳定性,该工序复杂且受混凝土养护龄期控制,存在施工工期长、造价高等问题。而圆形灌注桩基础具有承载力高、沉降小、沉降速度慢、便于机械化施工等优点。因此,通过充分结合桩与地下连续墙在支护结构中的优点,在龙门大桥锚定基坑支护中采用桩墙咬合支护结构(桩+地下连续墙咬合式围护结构)进行支护,确保支护结构满足基坑开挖施工的要求。桩墙咬合支护结构顺利施工成型后,能避免逐层开挖二次浇筑工序,有效缩短基础工程施工周期。

2.1 围护结构槽段之间连接、搭接措施

传统咬合桩支护结构是在相邻混凝土排桩间采用部分圆周镶嵌法连接,并于后序次相间施工的桩内植入钢筋笼,使之形成具有良好防渗作用的整体连续防水、挡土支护结构。在此基础上,项目根据实际工程需求,创新使用圆桩+地下连续墙咬合的组合支护形式,即采用相邻钻孔灌注桩间嵌入地下连续墙进行咬合,从而形成具有高防水性、稳定性好的支护结构。由于灌注桩和地下连续墙两种施工工艺差异较大,传统的咬合桩或地下连续墙的接头形式不完全适于二者咬合形成的复合支护结构。

首期施工的灌注桩和二期施工的地下连续墙需形成有效搭接、咬合,保证桩、墙连接处的防渗性能。实际工程中采用φ3 500圆桩+1.5m厚地下连续墙咬合的组合支护形式,如图2所示。地下连续墙通过榫结构接头与桩基础进行连接,使桩基础与地下连续墙基础之间互相结合、互相支撑,保证了桩基础与地下连续墙之间的弯矩、剪力传递,提高了桩墙咬合的连接节点强度及其协同作用,增强了桩墙结构咬合支护体系的整体性。

图2 桩墙咬合复合支护结构形式Fig.2 Shape for a novel secant pile-diaphragm wall supporting structure

2.2 桩墙咬合支护结构优化

钻孔灌注桩通常使用圆形截面的钢筋笼,如图3所示。本工程中为确保桩墙咬合施工中铣槽作业的顺利实施,将桩孔内下放的钢筋笼截面设计为圆形+矩形的复合截面,从而有效避免了铣槽过程中存在的诸如连接段距离短、铣槽过程中钢筋笼遭遇切割破坏等现象的发生。

图3 钢筋笼结构形式优化设计Fig.3 Optimization design of steel cage structure

2.3 桩与地下连续墙咬合铣槽施工工艺

通过在前期施工的灌注桩混凝土中掺入缓凝减水剂,延缓混凝土的初凝时间,在桩基础处于未初凝状态下时,完成地下连续墙导沟、导墙、成槽及泥浆制备的施工,并根据施工要求进行槽段的划分,再利用铣槽机及连续墙抓斗进行槽孔施工,从而提高后续地下连续墙咬合施工的成槽效率。

2.4 桩和地下连续墙的垂直度控制

钢筋笼垂直度作为桩墙咬合施工顺利实施的一个重要指标,是影响桩-墙支护结构整体受力、协同变形的关键因素。为此,需在施工中对桩墙咬合支护结构的桩钢筋笼及连续墙钢筋笼垂直度进行严格控制。

1)桩钢筋笼垂直度控制方法 ①限位块法 如图4所示,桩孔成型后,在图示限位块预设位置处可放置一定深度(以4m为例)的预制限位块作为钢筋笼下放的导向限位装置,确保钢筋笼下放过程中满足垂直度控制要求。②外包层法 如图5所示,制作钢筋笼时,在钢筋笼外围添加低强度玻璃纤维材料外包层,从而使外包层尺寸与桩孔尺寸相匹配,该施工方法不仅有利于钢筋笼下放的垂直度控制,且方便后期铣槽施工过程中对连接段处外包纤维层进行切削成槽,提高后期地下连续墙的施工效率。

图4 限位块法示意Fig.4 Limit block method

图5 外包层法示意Fig.5 Outsourcing layer method

2)地下连续墙钢筋笼垂直度控制方法 连续墙的垂直度控制方法为限位块法,具体实施方法参照桩体钢筋笼下放限位块法,其减少了传统地下连续墙施工中需提前浇筑素混凝土导墙的施工工序,缩短了连续墙施工工期。基于限位块法施工垂直度控制工艺,进行预制地下连续墙钢模导墙,控制地下连续墙钢筋笼下放过程中的位置,使其垂直度满足要求,此外导墙采用预制装配式结构,易安装、易拆卸,进一步提高了施工效率。

现场通过在支护结构连接及搭接的槽段采取措施,结合桩墙咬合支护结构优化、桩与地下连续墙咬合铣槽施工工艺及现场桩墙施工垂直度的控制,形成了满足滨海地区基坑支护结构需求的桩墙咬合支护结构。模型如图6,7所示。

图6 桩、地下连续墙三维模型Fig.6 Three-dimensional model of pile and underground diaphragm wall

图7 桩墙咬合支护结构模型Fig.7 Model of a novel secant pile-diaphragm wall supporting structure

3 结语

通过分析滨海地区地下水位高且波动大的特点,提出具备刚度足够大、高防水性及稳定性好等特点的桩墙咬合复合支护结构体系,并为支护结构的施工提供了现场实施方法。根据现场实际施工,优化了桩墙结构设计及施工方法,结合围护结构槽段之间连接、搭接措施,完善了桩墙连接、搭接构造,并提出合理的施工工艺,确保桩墙咬合支护结构施工的顺利进行。

通过对桩与地下连续墙咬合铣槽施工工艺进行探究,解决了桩墙不同步施工咬合连接问题,提高了支护体系的施工效率,同时确保了支护体系的可靠性。使用装配式地下连续墙导墙施工工艺,对桩和地下连续墙的垂直度进行控制,确保桩墙咬合连接的有效性及支护结构的完整性。