地铁盾构隧道沿线障碍桩冲桩破除施工技术【摘 要】通过西安地铁二号线盾构区间隧道穿越障碍桩的工程案例,对4种废弃障碍桩的处理工艺的优缺点进行对比,确定采用基坑开挖+冲桩的方法,并介绍冲桩施工的要点以及关键技术措施。采用的施工方案施工效果明显:工序简单、容易操作、工期短;工序相对安全,工艺可靠。所得以验可供今后类似工程借鉴参考。【关键词】盾构隧道;障碍桩;冲桩破除;技术控制引言 在城市地铁盾构施工中,经常遇到前方出现障碍物侵入隧道净空,不及时清除,盾构将无法通过。这些障碍物包括建(构)筑物桩基、围护结构等,如果影响建筑物的承载力,通常采用桩基托换;如果不影响建筑物的承载力,通常利用竖井或挖孔桩下去或冲桩破除即可。文献1-4阐述了盾构在隧道施工中遇到了施工技术难题并加以分析与解决;文献5介绍了某系杆拱桥基础采用的群桩基础施工工艺;文献6从施工方法、地下水及恶劣天气影响3个方面对类基桩产生的原因进行了分析。西安地铁二号线行政中心北客站区间隧道受建筑物钢筋混凝土桩基侵入净空的影响,盾构无法顺利推进,必须采取相应的措施凿除桩基后,才可顺利施工。1、工程概述1. 1工程概况 西安地铁二号线北苑站北客站左线盾构区间在推进方向上里程ZDK1+708位置,有西潼高速公路改扩建施工的已废弃的0号桥台,但其2、3号承台桩钢筋混凝土桩侵入盾构隧道, 2根桩分别距隧道中心1. 77、2. 12m(隧道线路与障碍桩位置如图1),桩下穿盾构隧道且伸入隧道底板下67m,该桩直径1. 2m,长26m,钢筋笼长26. 86m,主筋20根28螺纹钢,箍筋10圆钢,水下灌注C25混凝土。该区间使用土压平衡盾构,适应软土掘进配置的刀盘和刀具,无法切割钢筋混凝土障碍桩体。根据该盾构使用说明:在掘进过程中若土层中直径大于15 cm的铁件或整体碎块,可能导致刀具损坏或螺旋输送机卡死,甚至导致盾构无法掘进。为保证盾构机安全,必须对这2根桩进行破除处理。1. 2水文地质情况 该段地下水位-12-13m,土层由上至下依次为:杂填土、黄土状土、粉质黏土、粉细砂、中砂、粗砂,桩底处于中砂层,盾构主要穿越粉细砂、中砂地层(障碍桩地质示意图如图2)。2、障碍桩处理方法选择2. 1处理方法比较 通常盾构施工遇到废弃障碍桩的处理方法有:拔桩、冲桩、爆破、利用盾构直接掘进破除。4种工艺优缺点比较详见表1。 根据表1各工艺优缺点比较,结合本工程的实际,确定采用“基坑开挖+冲桩”的方法。2. 2冲桩方案 基坑开挖放坡开挖上部6m高度范围的土体,破除此段开挖面以上的桥桩;再采用冲击钻冲压桩体的方式将剩余14m的桥桩冲压至隧道底板以下0. 5m处。其原理是利用冲击式钻机或卷扬机悬吊冲击钻头(冲锤)往复冲击,将混凝土桩体破碎成碎渣,通过泥浆循环带出地面,将冲锤凿断的钢筋进行清理并进行监测,用砂浆回填,不影响盾构的通过。3、冲桩施工3. 1基坑开挖 采用放坡开挖上部6m高度范围的土体,利用挖掘机按照1：1. 25进行放坡开挖,边开挖边喷锚支护,并利用液压破碎锤破除上部的桥桩。3. 2冲桩施工要点3. 2. 1施工工艺流程 见图3。3. 2. 2施工工艺要点 为加快施工进度,采用2台1. 5m冲击钻同时施工。冲击钻在施工过程中的振动较大, 2根障碍桩间距仅5. 5m,除了采用轮环施工、不同步进尺的办法来减少对地层的扰动外,还可通过提高泥浆的黏度来防止孔壁坍塌。3. 2. 2. 1钻机就位 按照实测桩位坐标,测放桩位,开挖埋设护筒。3. 2. 2. 2埋置钢护筒 采用1. 8m钢护筒,在顶部焊接环向加强筋和吊耳,开出水口,先用破碎锤将桩体破碎到基地0. 5m,压实回填,护筒底部埋入地面以下不小于1. 5m,护筒顶端标高高出基坑开挖地面0. 3m,护筒四周必须填充黏性土层;钻进过程中要经常检查,确保护筒不发生偏移和下沉。3. 2. 2. 3冲桩 钻机就位前,应对钻孔前的各项准备工作进行检查;钻机安装就位后,底座和顶端应平稳;开始钻孔时,应稍提钻头,在护筒内制浆,黏土以及泥浆指标符合表2(黏土、泥浆性能指标表)要求,并启动泥浆泵进行循环,待泥浆均匀后方可开始钻进。进尺要适当控制,对护筒底部,应慢速钻进;确保底部处有好的护壁效果;钻至护筒底部以下1m后,则可以按实际情况以正常速度钻进。 钻进过程中应注意以下事项: 1)检查钢护桶不发生偏移和下沉; 2)冲锤的磨损,定期检查提取钻头,检查钻头磨损情况,有磨损及时修补,必要时更换; 3)测量冲孔垂直度,及时纠偏; 4)检查孔内泥浆体积质量,并做相应的调整; 5)现场施工人员必须认真执行岗位责任制,随时填写钻进施工相关记录。3. 2. 2. 4磁铁吸附钢筋 冲桩是一个持续的循环工程:十字锥冲击泥浆循环(测量深度、测量十字锥直径)吸附钢筋称量钢筋(记录)。一次冲桩完成后开始新的循环。在泥浆循环完成后,用磁铁先沿孔壁四周吸附钢筋,再吸附孔中位置的钢筋,直到3次吸附的都是铁屑而没有钢筋条时中止。吸附上来的钢筋分开堆放,待钢筋晒干后用磅秤称量质量并记录。3. 2. 2. 5清孔 终孔检验合格后,立即进行清孔工作,采用换浆法清孔,清孔过程必须始终保持孔内原有水头高度,以防塌孔。3. 2. 2. 6灌注砂浆 灌注砂浆采用导管法。导管接头为卡口式,直径300mm,壁厚10mm,分节长度12m,最底部一节长5m。导管在使用前需进行水密、承压和接头抗拉试验。导管在吊入孔内时,其位置应居中、轴线顺直,平稳沉放,防止碰撞孔壁。砂浆尽可能采用低强度的回填料。本工程采用C5砂浆,以实现对刀盘和刀具的保护。 灌注首批砂浆时,导管下口至孔底的距离控制在2540 cm,且使导管埋入砂浆的深度不小于1m。剪球灌注开始后,应连续地进行,并尽可能缩短拆除导管的间隔时间;灌注过程中应经常用探测孔内砂浆面位置,及时调整导管埋深(导管的埋深控制在24m为宜,特殊情况下为16m);同时指定专人负责填写灌注记录。全部砂浆灌注完成后,拔除钢护筒,清理场地。4、冲桩关键技术措施 此次冲击障碍桩的施工过程,主要对泥浆、孔位偏差、出筋率及遗留钢筋检测4个工序进行了严格控制。4. 1泥浆 泥浆在冲桩过程中主要有3个方面的作用: 1)保持孔内泥浆与孔周围的水、土压力的平衡; 2)泥浆护壁作用; 3)携带渣土。 冲击钻成孔泥浆的液位控制主要在前期,钻孔泥浆采用优质黏土在泥浆池内制备,通过在孔内注入清水和黄土,保持泥浆液位在护筒顶以下20 cm。由于隧道上方主要为粉质黏土,可以采用黄土孔内造浆来保证泥浆的黏度在1821 s和体积质量为1. 311. 38。隧道洞身范围为中砂层,在施工过程中出现了泥浆黏度降低的现象,应及时在孔内加入膨润土来保证泥浆的黏度,体积质量也保持在1. 3左右,防止在冲桩过程中出现孔壁坍塌。4. 2孔位偏差利用全站仪用三点共圆的方法测量并计算出桩中心的坐标,同时线坠将点引至地面,埋设护桩保护。待孔口回填后,利用全站仪将护筒中心放出,并用护桩核对,减少施工误差。在冲击过程中,利用护桩和全站仪2种方法对孔的偏差进行检查,每冲击12m都要对十字锥进行对中,出现偏差时及时校正。4. 3出筋率 在冲桩的过程中承台桩的钢筋变化过程:砸弯凿断变短铁屑,实际冲桩过程中45m才能用磁铁吸收到钢筋,前期的出筋率不高,但后期较为稳定。由于2个重锤的质量不一, 2、3号桩使用重锤质量分别为3. 5、5 ,t施工过程中3号桩的冲击速度明显快于2号桩,但2号桩的出筋率却大于3号桩。具体数据见表3。 经过十字锥的反复冲击,承台桩的主筋、箍筋和加强筋被凿成了20 cm左右的钢筋条,但整个打捞过程中只出现了1条最长的钢筋条为50 cm,钢筋长度比例见图4。 从表1、2的数据可以得出,钢筋的出筋率和碎屑率与其冲击的质量有直接的关系, 3号桩的重锤质量较大,其钢筋长度较短,碎屑率较大,基本上被凿成了碎屑。在用磁铁收集钢筋的过程中,也收集到了很多的铁屑,但由于铁屑大多裹有泥浆,不利于收集,故主要收集钢筋条。同时每次打捞钢筋后都要用测绳进行深度的测量,掌握每次的冲击深度,钢筋收集量对控制整个工程有着重要的作用。4. 4遗留钢筋检测 为了防止在冲桩过程中有钢筋被嵌入孔壁,造成钢筋不能被全部打捞出来,需采用相应措施对遗留的长钢筋进行检测,确保盾构顺利通过。在施工前,拟采用地质雷达、水下可视金属探测仪2种方式,但经过查阅相关资料及咨询相关专家发现地质雷达探测深度最大只有6m,不能达到探测深度;水下可视金属探测仪不能探测土体内的金属;由于强力电磁铁在水下效果不能肯定且设备购买周期长,使用强力磁铁的办法不可行;最终采用捞钩对孔壁周围的钢筋进行检测。通过在孔四周反复排查,没有发现钢筋。5、施工效果 通过采用“基坑开挖+冲桩”的施工方案处理侵入盾构隧道的障碍桩,施工效果明显: 1)工序简单,容易操作,工期短,整个在处理障碍桩施工过程只用2周; 2)工序相对安全,工艺可靠,盾构穿越该区域时掘进参数反映无异常,随后通过进仓检查盾构,设备正常,确保盾构顺利掘进。6、体会 1)盾构隧道碰到废弃的钢筋混凝土障碍桩,易于地面施工时,采用冲桩施工,工艺简单、工期短、可靠性高、成本低。 2)类似工程采用冲桩施工时,选择重锤质量35,t障碍桩中的钢筋回收率控制在60%左右,能够保证盾构掘进。 3)盾构隧道通过钢筋混凝土障碍桩时,要注意控制泥浆平衡压力,防止泥浆从冲桩冒出。 4)冲桩过程中可能有钢筋被嵌入孔壁,不能打捞出来,可能导致盾构无法掘进,采用地质雷达、水下可视金属探测仪因其各自的局限性探测效果不能确定,需要再研究出更为先进的钢筋含量检测方法。参考文献:1 于学馥,郑颖人,刘怀恒,等.地下工程围岩稳定分析M.北京:煤炭工业出版社, 1983.2 董明钢.盾构隧道施工安全的若干问题研究D.上海:同济大学, 2005.3 游少鸿,刘琼,孙荣翠,等.盾构隧道通过不良地质工程施工技术J.广州环境科学, 2009 (2): 10-15.4 彭基敏,张孟喜.盾构法施工引起邻近地下管线位移分析J.工业建筑, 2005(9): 50-53.5 宋延涛.钻孔桩钻孔方案的选择及施工J.建筑机械,2009(9): 103-104.6 石立国,刘强.类基桩原桩破除原位成桩处理技术J.交通科技, 2008(6): 21-23.文章来源： 隧道建设原作者：陈世明