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静压植桩法在邻近既有轨道交通区间隧道基坑施工中的应用

拉森钢板桩·静压植入工法 2023年11月22日 项敏 124




摘 要


摘要:文章以苏州市立医院北区体检中心楼改建工程静压植桩法施工拉森钢板桩为例,介绍了该设备的优越性,并通过分析施工过程中监测数据,得出该施工方案在控制隧道变形方面的有效性,为同类邻近既有轨道交通区间隧道基坑拉森桩施工提供参考。


关键词:静压植桩机;拉森钢板桩;隆起


1 工程概况


本项目位于苏州市古城区,拟建工程为苏州市立医院北区体检中心楼改建工程,地上四层(局部三层),地下一层;基坑围护工程围护周长约218m,围护面积约1641m²。


本项目原址为市立医院四层急诊部及二层门诊部大楼,砖砌结构。急诊部建筑基础形式为筏板基础,埋深约0.8m,门诊部建筑基础为毛石基础,埋深约2.8m。


静压植桩法在邻近既有轨道交通区间隧道基坑施工中的应用


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图1  项目周边环境图

周边环境较复杂:其北侧为北浩弄、南侧24m处为地铁2号线山塘街站。基坑边线西侧距红线约3.3~5.6m,离红线外的自行车道约9.6m,红线外紧邻人行道,地下埋设有通信类管、路灯管等管线;基坑边线南侧离红线距离最近处约3.0m,离红线外的居民楼约5.5m,其中红线(围墙)和居民楼间有部分自行搭建民房;基坑边线东侧离红线距离最近处约6.2m,红线外紧邻住宅楼;基坑边线北侧离红线距离约4.1~7.8m,红线外紧邻道路。


2 难点分析


(1)施工场地非常狭小,只有一个出入口,且出入口在北浩弄,不具备大型设备进出场条件。


(2)南侧和东侧为既有居民楼,条形基础,离基坑5.5m。


(3)项目所在地北侧为苏州市立医院北区,南侧为山塘街地铁站及山塘街风景区,车流量和人流量非常大,本地居民和外地观光游客络绎不绝,安全文明和环境保护要求高。


(4)场地原有建筑已经经过两次翻建,年代久远,原有建筑可供参考的基础图纸有限,地下障碍物对施工的影响存在不可预见性。


(5)地层中②粘土层,呈可塑-硬塑,干强度高,韧性高,土层厚,③粉质黏土层,软塑-可塑,干强度中等,韧性中等,传统的工法不适用。


(6)地铁2号线正上方施工,设计基底距离地铁隧道上沿6.56m,钢板桩底面距隧道2.66m;沉桩施工对隧道变形的影响效应尚无可借鉴的施工经验。


考虑到复建项目施工的复杂性,安评单位通过数值模拟,对建筑物拆除及土方开挖过程左线和右线隧道最大隆起给出了控制值,但并未对拉森钢板桩施工对既有地铁隧道的变形控制值提供指导意见。


根据计算结果,原建筑物拆除时左线隧道最大隆起为1.7mm,右线隧道最大隆起为0.9mm。在拆除筏板基础,开挖2m土方时,左线隧道最大隆起为3.4mm,右线隧道最大隆起为1.3mm。


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3 专家意见


考虑到本项目在轨道2号线左线隧道正上方施工,在苏州尚属首例在运行轨道正上方施工的项目。


开工之前特地邀请相关专家对设计、施工方案进行了论证。专家组对基坑采用传统槽钢作为围护结构提出异议:考虑到普通槽钢采用传统机械手强行振动沉桩,在穿入②粘土层(r=19.5 c=53.0∅=13.1)及③粉质黏土层(r=18.8 c=30.0∅=15.0)时,振动对轨道安全运行的不利影响难以控制,建议采用静压植桩法对方案予以优化。


根据专家组意见,为避免原槽钢打设过程产生的振动对轨道运行的影响,将原钢板桩改为SP-IV型拉森桩,并采用静压植桩机作为施工机具。


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图2  基坑代表性剖面图


4 施工设备的选取


经过考察,施工设备定为日本进口GIKEN技研SUPER AUTO 100型植桩机,其原理是植桩机骑在已完成拉森桩顶,通过植桩机下方的四个液压钳夹持已完成拉森桩提供压桩反力,同时将前端的桩压入土体,施工时需要配备起重机喂桩至机头。


该设备由静压植桩机、动力单元和反作用力基座组成。


静压植桩机参数:最大压入力1000KN,最大拔出力1100KN,压入速度1.5~35.2m/min,拔出速度3.2~27.5 m/min。外形尺寸全长2070mm,全宽1000mm,全高2285mm,质量5900kg。


动力单元:柴油引擎(涡轮增压),超低静音,外形全长4300mm,全宽1705mm,全高2350mm,质量4500kg。通过高压油管与静压植桩机连接。


反作用力基座:折叠式,全长2680mm,全宽1770mm,全高472mm,质量1270kg。初始桩施工时静压植桩机下部液压钳夹住反力基座的槽内,打开折叠臂,在其上堆载配重。不施工作业时,静压植桩机夹住反力基座,保持平衡,以便吊运及运输。


静压植桩机最大特点是设备小巧、压桩时低噪音、低振动、高效率,压桩力和拔桩力满足本项目对钢板桩施工的要求。


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图3 静压植桩机压桩原理图


5 施工方案与难点处理


5.1计划的工序与调整

原植桩方案结合土方开挖顺序制定了拉森钢板桩的施工顺序,即:从门诊楼的东南角开始沿基坑边线逆时针施工,最后在此封闭。原则是:从离轨道隧道最远的一侧开始慢慢靠近隧道,然后在隧道正上方施工,最后离开隧道形成连续支护结构。


但施工现场沟槽开挖时,发现门诊楼西侧和北侧毛石基础与拉森钢板桩位置冲突,无法植桩,不得不多次调整施工顺序。毛石基础埋深底标高为2.8米,比新建项目基坑底标高还要深0.2米。考虑到噪音震动的不利影响,无法用镐头机机械破拆,只能人工手持风镐凿除,并且拉森钢板桩桩位再向外扩,沿着毛石基础的外边布置,将毛石基础包在基坑内。


最终根据土方开挖和地下室分块施工的顺序,对钢板桩施工顺序调整为先东侧,然后西侧南段,再南侧,最后西侧北段,北侧改为放坡。


初期施工方案压桩速度计划控制在每天不超过60根,但实际实施过程中,因场地狭小,顾及到有部分拆除的建筑垃圾要外运等客观因素的影响,实际平均每天施工速度约40根桩。


5.2初始压桩力的确定与实施

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起始桩施工最为繁琐,前四根桩施工时配重加载约40吨,加之起始点位置地勘报告显示②黏土层厚度在3.5米,实际压桩进度较慢,主要原因是现场准备的配重不足(常规情况都用拉森钢板桩做配重,整齐堆放至反力基座上,若堆载过高,植桩机压桩时晃动存在安全隐患),以及配重堆载的不均衡导致配重产生的反力不能完全用于压桩。后经过到此反复插拔,并采取向桩身和桩洞内灌水的措施,最终压桩至设计标高。


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图4 静压植桩机压桩步骤


当前四根桩完后,就可以取消配重,骑桩顺序作业了。后面的桩完全可借助前四根桩咬合力以及四根桩形成的摩擦面提供的摩阻力进行压桩。实践证明四根排桩摩阻力提供的反力远比堆载配重提供的反力更大更稳,压完的桩垂直度更好。


根据植桩机上的压力表显示,本项目压桩力基本都在400~600kN。局部淤泥质土层较厚的区域,植桩机向前行走时拉森钢板桩竖向摩阻力小于机头的重力,此时就需要起重机配合将植桩机吊至下一桩位。


经过在本项目的几段不同地层情况下施工分析,静压植桩机更适合在粘性土层中施工,地下无障碍情况下,压桩速度非常快,按照每天施工10小时,可完成400~450米。若所在土质太差,像淤泥质土层太厚,桩短时,单根桩压桩速度更快,但是植桩机行走时前桩不能提供足够的反力,每前进一桩都要通过起重机配合移动,反而整体施工速度会降下来。若桩端需要进入硬质土层,就要采取辅助沉桩措施,在周边环境及地下管线复杂时,辅助措施还是以桩身刷润滑剂或钢板桩沟槽内直接加水,通过反复插拔来减少阻力更稳妥些。


6 监测数据与施工进度的对应

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图5 隧道监测点位置与植桩机施工区域对应图


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6.1第一阶段:东侧远离区间隧道

12月7日,远离隧道约17米处施工,隧道拱顶隆起最大值为0.8mm,与未施工时初始数据基本相同,可认为桩长较短距离较远的情况下,施工对隧道无影响。


6.2第二阶段:西侧南段区间隧道正上方

12月11日和12日在隧道上方南侧施工,对应监测点位为左线Z5~Z13区段。下表罗列了监测点每天上午6点的监测值,10日和11日数值可认为初始数值,根据下表,在轨道上方施工时数据变化不大,在施工后两天隧道拱顶有向下0.2~0.3mm的沉降,但是随着时间推移隧道拱顶上部施工荷载卸除后仍将回到初始或隆起状态。其原因为:钢板桩施工过程的竖向荷载引起土体压缩,在荷载卸除(施工机具远离)后土体回弹,考虑到施工中的土体结构性受到一定破坏,导致其回弹量略高于初始值,参见12月21日隧道隆起数值。


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6.3第三阶段:南侧逐渐靠近隧道

12月12日至19日轨道上方未施工,现场也没有进行拆除和土方外运等作业,但是从表中Z5~Z13区段数据仍然呈隆起趋势。


6.4第四阶段:西侧北段区间隧道正上方

12月20日至21日在轨道上方施工,对应监测点位为Z14~Z23区段,静压植桩后监测点数据变化规律基本类似于第二阶段。


通过数据我们也发现,第四阶段施工期间,第二阶段施工区域的隆起变形更为明显,数据从19日的0.8~1.0mm,变化到21日晚18点的检测值1.0~1.4mm,区间隧道隆起速度变化更快一些。


6.5 左线总体分析

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通过长时间对相关数据的分析对比,可以看出,在轨道上方施工对轨道是有影响的,但在施工过程中影响非常小,不会立刻从监测数据上反应出来,一般要该区段施工完毕4~5天后,隧道结构的变形达到峰值,其滞后效应明显。


7 结束语


通过全过程的监测数据分析,静压植桩法在本工程的应用是非常成功的,即很好的完成了基坑支护目的,又对轨道交通区间隧道、周边建筑的影响降低到最小。


此法非常适用于市区或场地狭小的场地,并且围护工程结束拉森钢板桩可拔除,做到“无痕施工”。虽然这种工法已经很成熟,但该施工设备目前主要依靠日本进口,施工费用远远高于常规拉森桩打拔,因此目前尚未被广泛推广应用,但是随着建设工程的不断发展与探索,以及城市建设要求的不断提高,静压植桩机的优势必将逐步显现出来,广泛用于轨道交通隧道周边、市政建设及文物古建筑的保护等其他用中。


静压植桩法在邻近既有轨道交通区间隧道基坑施工中的应用

 

来源:《工程技术》
作者:刘军
编辑整理:项敏
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