倒挂井法竖井在桥梁承台深基坑中的应用

1倒挂井法在桥梁承台深基坑中的应用崔红军1曾毅2熊旺2（1.北京城建集团有限公司，北京，100088；2.上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海，200235）摘要倒挂井法施工竖井有技术成熟，工艺灵活，初期投入低效率高等优点，在地下隧道工程中已广泛运用，桥梁承台深基坑施工区域有限，穿越地层土性差、分布复杂，工后围护易拆除等特点，传统基坑围护形式难以满足要求，因此需要制定切实可行的支护方案，本文以轨道交通房山线跨永定河桥梁工程为例，介绍了倒挂井法施工竖井作为桥基础深基坑的方法和效果，供类似工程借鉴。关键词倒挂井法竖井桥梁承台深基坑应用1引言一般高架桥墩柱的承台基坑，在没有地下水的情况下，开挖常采用放坡或土钉锚喷形式；对于基坑深度较深或开挖放坡宽度有限定的情况，常采用桩基围护来进行施工。而针对大江大河由于其泄洪时设计冲刷深度深、过水断面要求高，为保证桥梁结构安全，基础埋设需在泄洪冲刷线以下，因此桥梁基坑开挖较深，同时为保证泄洪时的过水断面，随着冲刷深度加深，基坑围护结构不能阻碍水流通过，围护结构在桥墩结构完工后需拆除。因此在围护形式选择上，如采用放坡或土钉锚喷混凝土支护形式，需要对既有河床进行大面积开挖施工，影响范围大，超出规划所批准的施工区域面积，土方运输量也大，对河道内环境破坏严重；如采用桩基围护，其结构后期不便拆除，因此难以满足泄洪过水断面的要求。本工程在传统工法效果难以满足需要的情况下，设计需突破常规，探索一种新的围护形式以达到，安全可行、技术环保、经济高效的工程建设目的。考虑以上建设难点，本工程采用倒挂井法进行设计，倒挂井法竖井是一种基于新奥隧道施工法(TheNewAustrianTunellingMethod)原理在原位土体中打设注浆导管加固周边土体，铺设格栅钢架并喷射混凝土作为井壁结构从而使整体土工系统的力学性能得以改善从而提高基坑开挖稳定性的支挡技术。由于矿山法初期支护施工技术具有技术成熟、施工机具轻便灵活、工艺简单、对场地周围建筑影响小、适用于狭窄施工场地及投资少等优点，因而受到岩土工程界的广泛重视。但此技术在北京从未在桥梁承台基坑围护中使用。本工程是第一次采用这种形式。此围护形式对开挖穿越各种复杂地层适应性强，竖井断面形式根据需要灵活可变，且围护结构工后拆除方便，取得了较好的效果，特别适用于桥梁承台深基坑施工作为临时围护结构。2工程概况北京轨道交通房山线工程线路全长约24.79㎞，沿线设车站11座，其中高架站9座，地下站2座，稻田站～世界公园站（大葆台站）区间段，为全线最长的一段区间，长约6.4km，2跨越永定河区间长为3.6km。图2-1竖井施工区域位置图在河中区段综合考虑永定河中桥墩布置对流水的影响和孔跨布置的经济性，本区间线路平面比较顺直，曲线半径较大，跨越永定河高架段以预应力钢筋混凝土单线简支箱型梁为主，局部采用钢筋混凝土双线箱梁、槽形梁或大跨度连续梁，基础采用钻孔灌注桩及尺寸为7x7x2.5m的承台，为保证泄洪冲刷时结构的安全，要求承台顶面的埋深不小于规划河床底10m（即承台顶面标高为43.8m），由于现状河床面的标高差异较大，基坑开挖最深达14.004m。需采用倒挂井法施工围护的桥墩位于稻田站～世界公园站高架区间永定河既有河道区域内，分两段里程范围分布，分别为K18+059.737~K18+339.737及K19+299.737~K19+664.737，基坑底面埋深大于10m需围护的承台共计19个，承台平面位置如下图所示。3图2-2承台第一区段平面布置图2-3承台第二区段平面布置3工程地质条件永定河河道内表层人工堆积层以下为厚度约7～13m的新近沉积层，其浅部松散的砂土层力学性质较差，与相邻地质单元存在明显差异，其新近沉积层之下为厚度约8～20m的第四纪沉积的砂卵石层，第四纪沉积层以下为第三纪岩层。人工填土层，土质不均，工程性质差。场区分布的第三纪岩层属软岩～极软岩，其成岩时间短、胶结较差。根据取样的室内力学试验和水理性状测试结果，均表明第三系岩样单轴抗压强度相对较低，为弱胶结软岩，干岩块浸水后快速完全崩解，但结合本工程实际工况和设计条件分析，地层还是适应倒挂井壁竖井围护施工。主要应考虑，施工前做好土层注浆加固，在施工过程中，保证超前小导管注浆质量，并减少对地层原状结构的扰动，在开挖面形成后应及时支护并浇筑结构，以保持地层天然状态下的结构特征和土层自身承载力性状。图3-1承台纵断面图钻孔揭露该范围内岩土层自上而下分别为：1）人工堆积层：该层厚度变化较大，一般厚度0.00～2.50m，局部受人工采砂影响该大层缺失，土质不均，工程性质差。2）新近沉积层：该大层层顶标高基本随自然地面标高的起伏而变化，受人类活动（采砂、4水库挖掘）影响层顶标高及厚度均变化较大，且部分地段该大层缺失，一般厚度2.5-3.7m，主要为粉砂，结构松散，工程性质较差。3）第四纪沉积层：该层局部混粘性土，局部含粒径大于20cm的漂石、混圆砾、含细砂夹层，一般厚度为3.7-16.4m，层厚变化较大，土体结构松散，工程性质较差。4）第四纪残坡积层：属中～中低压缩性土，含氧化铁、风化碎石屑。该大层分布于第三纪基岩顶面，分布不连续。主要地层计算参数指标详见下表3-1：表3-1主要土层计算参数序号土层层厚γ（kN•m-3）c/kPaψ(°)N①3细砂填土118.00819②1粉细砂419.002416②5粉细砂5.519.50103②6圆砾1.52102812④卵石、园砾72203660⑥卵石、园砾8.8220401004支护方案4.1方案确定根据基坑所处的环境条件、地质条件及承台尺寸，为使围护设计受力合理，满足施工使用的要求。本承台竖井围护选用圆形截面，基坑外包尺寸为Φ11.1m，井顶部锁口圈梁，采用双台阶形式，每台阶尺寸分别为1x1m，竖井开挖超前加固采用注浆锚管，注浆锚管长3m，间距0.5m（竖向）×0.3m（环向），井壁厚度为350mm，结构采用格栅钢架锚喷形式。基坑为临时辅助施工竖井，待承台施工完成后分步拆除支护结构并回填土，恢复原地貌。由于承台基坑范围内土层分布复杂，粉细砂等土层，结构松散，土层性质差，施工中容易发生坍塌，竖井开挖存在一定风险，因此开挖前需对基坑外一定范围内的土体进行先期注浆加固，在地层加固完工后才能进行倒挂井壁施工。4.2设计原则1）开挖深度大于10m的基坑支护结构安全等级为一级，其结构重要性系数r0=1.1；2）变形控制标准为基坑支护最大侧移为30mm；3）基坑周边10m范围内堆载不大于20KN／m2。4.3建筑材料1）基坑锁口圈梁：C25钢筋砼；2）井身初衬：C25喷射砼；3）注浆锚管：ø25壁厚2.75mm热轧钢花管，ø42壁厚3.5mm热轧钢花管（尽量采用自进式锚管）。5注：图中未标明的尺寸单位均为mm。图4-1竖井设计图4.4模拟计算采用荷载-结构模型取结构最深、受力最大处的1m宽结构，对井壁进行建模，核算结构在土压力作用下，井壁厚度及钢筋配筋是否安全，根据地质报告及北京地层经验，土层侧压力系数取0.4，计算模型及结果如下。图4-2竖井模型图图4-3弯矩图（KN.m）图4-4剪力图（KN）图4-5轴力图（KN）6经计算井壁的承载力能满足最不利情况下的受力要求，结构受力安全。5施工方法5.1基坑土体加固注浆1）加固方案（此处设计采用深孔注浆加固实际是否改为旋喷加固）对承台开挖基坑外3.0m范围内土体进行地层注浆加固，加固深度大于基坑深度0.5米。加固方式采用旋喷桩，旋喷桩直径为φ800mm环向相互切割200mm。3.0m土体设计为四排，基坑外0.5米为第一排环型喷桩中线与第二排，第三及四排径向间距为0.6m，径向相互切割200mm。形成一个围绕承台基坑外3.0m厚密实稳定的加固土体，防止土体坍塌和滑坡。加固参数如下表：表5-1高压旋喷施工工艺参数项目参数项目参数孔距0.6m气压0.4-0.6MPa高压水泵压力30-32MPa高压水泵流量75L/min提升速度13-15cm/min旋转速度8-14min泥浆泵流量60-80L/min泥浆泵压力0-0.5MPa水灰比1：1水泥浆比重＞1.50水泥掺量350-400kg/M注浆加固强度2.0MPa2）高压旋喷施工工艺流程定孔位→铺设钻机平台→导孔钻机就位、调平→导孔钻进→高喷钻机就位、调平、定向→钻具下放至设计深度→开高压泵试压、搅拌水泥浆→高压旋喷、提升→清洗泵、管路及钻具→注浆液配制→高喷钻机移位→摆旋喷孔回填及夯实3）注意事项钻机要按设计孔位准确定位，保证孔位偏差＜5cm，钻机安装必须作水平校正和重直校正，保证“三点一线”，立轴中心和孔口中心处于同一垂直线上，保证偏斜度小于1%。砂卵石层中喷射时可能出现返浆现象，要及时停止提升，进行灌浆，严重时要加入水玻璃速凝剂。5.2锁口圈梁及井壁施工1）施工工艺锁口圈梁基槽采用挖土机挖土人工修整边墙，挂网片喷射侧面混凝土形成圈梁基槽，承台圈梁钢筋主筋为φ22，间距为200，承台圈梁上口预埋安全护栏和提升架预埋钢板，浇注时先浇下1米，需振捣均匀。注浆锚管采用Φ42×3.75mm或Φ25×3钢管，环向间距300mm，外插角15°。注浆锚管在钢管的一端做成100mm长的圆锥状尖端，在另一端100mm处焊接Ф6钢筋箍进行管口加强以便打设。从注浆口600mm往管端部，每隔200mm梅花型布设4xФ6～Ф8mm的溢浆7孔。见下图：图4-6小导管制作工艺图（mm）竖井井壁施工，分块开挖完基坑土体后先安装临土体侧网片(φ8：150×150)，再装格栅钢架。打注浆锚管外露300mm，沿井壁环向间距0.3米一根，格栅钢筋安装时，焊在注浆锚管上，格栅竖向间距0.5米。焊连接钢筋φ22内外交错排列，间距为0.5m，再挂内网片筋φ8：150×150，搭接150mm点焊要牢固。2）承台基坑施工工艺施工放线→挖锁口圈梁土方→喷射100mm厚C25侧面混凝土→绑钢筋→支模→现浇锁口圈梁混凝土→分层开挖基坑土→安钢筋网片→安装钢格栅→打锁脚锚杆→压浆→焊连接钢筋→挂网片钢筋→喷射C25混凝土→每层0.5米施工依次循环到底→安装底板工字钢和钢筋→现浇底板混凝土→施工桥梁承台及桥墩结构→分层1m依次拆除井壁结构并回填到顶。3）注意事项井身开挖前，井口应设好遮雨棚，并做好地面排水系统，避免雨水和地表水进入基坑，确保施工安全。开挖施工期间，应加强基坑内排水。如果开挖中发现明水较多，应加强支护背后的止水措施。6监测方案采用信息化施工，基坑开挖后进行监测，监测内容包括井壁水平收敛、地面沉降变形及地下水位等。至工程竣工，未发现较大的位移和变形，偏差均在规范要求的范围之内。注：图中未标明的尺寸单位均为mm。图3.4-1基坑监测布置图（未注明尺寸单位均为mm）7总结8由于粉细砂等土层结构松散，工程性质较差，施工中容易发生坍塌，因此桥墩承台深基坑开挖支护具有较大的风险性和特殊性，采用倒挂井法施工竖井方案具有以下优点:(1)对施工场地要求小，可根据承台形式及施工空间要求，灵活制定最合理的竖井开挖断面形式及尺寸，结构受力合理，且基坑不需放坡，开挖土体方量小，对周边环境影响少。(2)工艺灵活，可靠性高。施工前可根据不同的地质情况，制定相应的地层加固方案，且开挖过程中可以根据地层情况的不同点，调整开挖步的深度，及小导管的加固范围，从而控制基坑变形保证工程质量。(3)围护结构在桥墩承台施工完成后需拆除，不阻碍行洪过水断面。参考文献：[1]王梦恕，地下工程浅埋暗挖技术通论[M]，合肥：安徽教育出版社，2004.[2]施仲衡，地下地铁设计与施工[M]，西安：陕西科学技术出版社，1997.[3]郑颖人，地下工程锚喷支护设计指南[M]，北京：中国铁道出版社，1988.4[4]牛正军，臧德胜，砖砌倒挂井在市政工程中的应用[J]，湖南工程学院学报，2010.6第20卷第2期