高水位碎石层新型复合基坑围护结构施工工法.docx
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1、高水位碎石层新型复合基坑围护结构施工工法1.前言近年来,地铁凭借其具有安全、准点、快捷、舒适、环保等优点,已成为当今城市交通发展的 主要方向。目前,地铁施工中基坑围护结构主要以钻孔桩+钢支撑、钻孔桩+锚索、地连墙为主。在 现有围护结构施工的经验基础上,济南市轨道交通R3线施工基坑围护结构结合环保、渣土利用、节 约资源等方面,将传统基坑围护结构改为内插式预制混凝土方桩+新型高压旋喷桩共同组成支护体系 及止水帷幕的新型复合基坑围护结构,该围护结构还与车站主体结构叠合,对桩体的方向与高程有 了更高的要求,总结和探索施工中的技术问题,对加快我国地铁建设步伐,提高工程质量,节约投资具有十分重要的现实意义
2、。中铁三局集团有限公司自2016年开始依托济南市轨道交通R3线一期土建工程孟家庄站进行高水 位碎石层新型复合基坑围护结构施工技术的研究与应用, 通过在实践中细致而详细地分析、论证,克 服了工期带来的压力及环境因素的影响, 从根本上解决了高水位碎石层地质条件下深基坑施工关键 工序中的技术难题,研究应用了内插式预制混凝土方桩基坑围护结构施工技术、高水位碎石层潜孔 冲击高压旋喷桩施工技术等一列施工工艺,开发了精准定位接桩平台设备、渣土筛分设备,在工期 紧,工程量大的情况下实现了内插式预制混凝土方桩围护结构的高效施工、精准定位;同时实现了 帷幕桩与支护桩的紧密连接,止水效果优于同类工艺,各项指标符合设
3、计要求,对今后同类型工程具有切实的指导意义。目前,本工法已成功应用于济南市轨道交通R3线一期土建工程孟家庄站施工建设,其核心技术 的市场竞争力强,专项技术在青连铁路、济青高铁等多个项目进行应用,关键技术通过中国公路建 设行业协会组织鉴定,达到“国内领先”水平 ,以本技术为核心的科技成果“内插装配式预制混凝土方桩新型复合基坑围护结构施工技术”获得2018年度中国公路建设行业协会科技创新成果一等奖,QC成果“提高新型复合围护结构内插装配式预制混凝土方桩一次性成桩合格率”荣获2018年度 全国工程质量建设优秀QC成果一等奖,并授权国家实用新型专利2项。该方法具有施工速度快、操作简单、施工安全等优点,
4、为进一步推广应用,特总结形成工法。2.工法特点2.1 开发了内插式预制混凝土方桩基坑围护结构施工工艺,采用成孔后注入特制水泥土浆液+ 内插装配式预制混凝土方桩的新型复合桩结构,后期通过在预制方桩预埋螺栓上安装连接钢筋与侧墙结合成整体结构,提高了资源的使用率(侧墙混凝土节约约 30%) ;2.2 设计应用了一种(接桩平台)沉桩定位及接桩操作平台设备,利用液压系统进行设备调配及定位,在预制桩接桩过程中精确固定下节桩体,完成接桩作业;2.3 设计应用了一种特制水泥土搅拌设备,开发了特制水泥土拌合施工工艺,利用现场开挖粘 土作为原材料,采用开挖粘土和水,水泥和水分开进行搅拌再混合拌合的方法,提高了流动
5、性能;同时在生产过程中,采用水泥土生产监督和管理系统,对水泥土的加工质量进行严格控制。2.4 采用高压水(浆)+高压气+高频振动冲击+地下微气爆的全新联动机理的新型高压旋喷桩施工技术,流塑状态的土和水泥浆充分混合,形成直径较大、混凝土均匀的止水帷幕桩;2.5 实现了帷幕桩与支护桩的紧密连接,相比传统工艺,水和水泥用量减少约 25%,泥浆排放量减少约 60%,工程造价降低约 20%,施工工期缩短约 20%。3.适用范围适用于公路、铁路、地铁施工深基坑围护结构施工,同时对其它工程深基坑围护施工也有积极的指导意义。4.工艺原理4.1 基坑支护体系及止水帷幕采用内插式预制混凝土方桩新型复合围护桩+新型
6、高压旋喷桩(桩间)(见图 4.1-1, 图 4.1-2)。新型复合桩间距 1.5m,桩直径 1.1m,采用钻机成孔后注入预搅拌水泥土浆液,然后插入 70cm70cm 预制混凝土方桩。新型复合桩之间设新型高压旋喷桩,旋喷桩与复合桩共同组成支护体系及止水帷幕。图 4.1-1 新型复合围护结构桩位布置图图 4.1-2 新型复合围护结构示意图4.2 开发了新型复合围护桩灌注水泥土拌合配套工装及施工工艺,利用现场开挖粘土作为原材 料,采用开挖粘土和水,水泥和水分开进行搅拌再混合拌合的方法(见图 4.2-1) ,提高了流动性 能, 同时在生产过程中,采用水泥土生产监督和管理系统(见图 4.2-2) ,对水
7、泥土的加工质量进行严格控制。图 4.2-1 特制水泥土拌合设备图 4.2-2 水泥土生产监督和管理系统4.3 自主设计应用了预制桩接桩、沉桩施工平台(见图 4.3-1) ,使用时,在行走轨道基础上 安装行走轨道,孔桩成孔、注水泥土浆完成后,使用履带吊将接桩平台滚轮置于行走轨道上, 同时 将轨道限位装置扣在行走轨道上,利用平台操作系统通过调整平台支撑液压支腿进行下平台调平, 调平过程中确保支腿底座与地面紧密接触,在下平台调平后利用液压调平杆进行上平台调平,接桩 平台对位、调平完成后,利用下桩孔进行预制桩第一节桩体沉桩作业,第一节桩体下送在接桩平台 上部剩余 1-1.5 米时,利用预制方桩夹紧装置
8、对第一节桩体进行制动固定, 吊装第二节桩体进行接 桩施工,施工人员在施工平台上完成接桩作业(见图 4.3-2) ,接桩完成后,过预制方桩限位装置对整个桩体的沉桩作业进行精确控制。图 4.3-1 预制桩接桩、沉桩施工平台图 4.3-2 利用接桩平台进行接桩作业4.4 设计一种可固定式送桩设备(见图 4.4-1) ,送桩设备通过“蘑菇头 ”与预制桩顶进行连 接(见图 4.4-2) ,通过液压系统进行固定,送桩前根据桩顶标高,对送桩器外露高度进行测量,最后利用震动锤,对预制方桩标高进行控制,确保送桩质量。图4.4-1 加工制作好的可固定式送桩设备 图4.4-2 连接“ 蘑菇头 ”4.5 新型复合桩之
9、间设新型高压旋喷桩,新型高压旋喷桩采用高压水(浆)+高压气+高频振动 冲击+地下微气爆的全新联动机理(见图 4.5-1, 图 4.5-2, 图 4.5-3) ,使周围土体迅速软化,处 于一种流塑状态,在高压泵转化为喷射高压水泥浆后,流塑状态的土和水泥浆充分混合,形成直径较大、混凝土均匀的止水帷幕桩,止水效果优于同类工艺。图 4.5-1 高水位碎石层潜孔冲击高压旋喷桩钻机设计图图中:1-潜孔锤冲击器;2-喷射器;3-钻杆;4-气浆分离减震装置;5-长螺旋动力头;6-高压空气管路;7-高压浆液管路;8-潜孔锤冲击器润滑油箱;9-空压机;10-搅拌桶;11-虑浆桶;12-储浆桶;13-储水桶;14-
10、高压注浆泵;15-钻机机架图 4.5-2 钻进成孔原理图 4.5-3 潜孔冲击高压旋喷桩起爆效果接桩、沉桩平台固定导轨安装接桩、沉桩平台就位第一根方桩吊运第二根方桩吊运、接桩送桩器送桩移位接桩平台至下个桩位采用专用水泥土拌合设备进行预制5.施工工艺流程及操作要点5.1 施工工艺流程5.1.1 内插装配式混凝土新型复合围护桩施工工艺流程见图 5.1.1。施工准备测量放线确定桩位钻机就位准确对准桩基放样点开始钻进钻至设计底标高停止钻进停止钻进灌注;泵送水泥土提升钻杆至设计桩顶标高钻机移位,进行下根施工图 5.1 内插装配式混凝土新型复合围护桩施工工艺流程水泥等材料进场验收材料复试搅拌水泥浆/储备清
11、水设备组装调试潜孔冲击高压旋喷水泥浆过滤高压泵泵送水泥浆或水5.1.2 高水位碎石层潜孔冲击高压旋喷桩施工工艺流程见图 5.1.2。场地三通一平测量放线定桩位桩钻机就位进入储浆桶开动潜孔锤、高压泵喷射水 或水泥桩进行成桩作业根据地层土质情况结合试桩结果必要时进行从复旋喷必要时孔口补浆成桩验收进行下一根桩施工图 5.1.2 高水位碎石层潜孔冲击高压旋喷桩施工工艺流程图5.2 关键工序施工工艺及操作要点5.2.1 内插装配式混凝土新型复合围护桩施工1 接桩、沉桩平台固定导轨施工施工前对接桩平台定位导轨进行施工(见图 5.2.1-1),方便后期钻机定位,有效提高了孔桩定位精度。2 孔桩钻进、提钻注浆
12、1)钻进时螺旋钻机孔口反土,需使用小挖机配合将粘土清理。2)钻至设计深度后,边提钻,边注浆。使用砼地泵进行注浆,水泥土浆的泵送速度与钻机提升速度相匹配。水泥土浆液需提前制备,并满足每孔桩的需用量。3 接桩平台就位1)注浆完成后,钻机后移,使用履带吊将接桩平台下部的两个卡槽扣在钢轨上(见图 5.2.1-2)。2)通过操作杆对接桩平台四个液压支腿进行调平、 固定。图 5.2.1-1 定位导轨安装定位图 5.2.1-2 接桩平台就位4 第一根方桩吊运1)第一节方桩吊运时,使用卡环与方桩上吊装孔连接,然后起吊(见图 5.2.1-3)。2)送至高于接桩平台上 1 米左右,通过接桩平台液压装置将方桩夹住。
13、5 第二根方桩吊运、接桩1)第二根方桩顶部特别加工起吊连接件,桩身留有预埋件,需内外侧做好标记;2)接桩时将上下两接头清理干净并涂上润滑脂, 同时保证桩体整体顺直(见图 5.2.1-4)。图 5.2.1-3 第一节预制方桩吊运图 5.2.1-4 接桩作业6 送桩器送桩1)桩顶标高位于地表以下 3 米时,需使用送桩器进行送桩。2)送桩器底部液压钳与桩顶蘑菇头连接,最后利用震动锤,对预制方桩标高进行控制,确保送桩质量。5.2.2 高水位碎石层潜孔冲击高压旋喷桩施工1 测量放线定桩位根据高压旋喷桩平面布置图,在施工完毕后的围护桩之间利用全站仪测放出每根桩施工桩位,插入竹签并撒白灰标识。2 钻机就位调
14、平潜孔冲击高压旋喷桩钻机就位后,应用钻机塔身两个方向的垂直标杆检查塔身导杆,使钻杆垂直对准桩位中心, 同时调平钻机,放置平稳,钻杆垂直度偏差不大于 0.5%。3 制备水泥浆桩基移位时,即开始安装设计确定的配合比拌制水泥浆,首先将水加入搅拌桶中,再倒入水泥, 开动搅拌机 1015 分钟,然后拧开搅拌桶底部阀门放入滤浆桶过滤后流入储浆桶中,待压浆时备用。4 钻进成孔1)开动大功率动力头旋动钻杆,向钻杆底部的冲击器提供高压空气(空气压力不低于 2.0MPa), 潜孔锤在高压空气驱动下开始产生冲击效能;在冲击、振动和高压空气作用下,钻头部分一边破坏土体一边下沉钻进,遇到碎石土地层时,直接冲击破碎。2
15、潜孔锤的高频振动冲击和高压空气的联合作用会在锤底空间内产生“起爆 ”效果,调整碎石土地层石块位置,打开通道,利于后续水泥浆进入被加固区域。5 喷射高压水转进的同时, 向位于钻杆下方、冲击器上部的喷射器提供高压水,喷嘴在不小于 20MPa 的压力下侧向喷射高压水流,切割软化土体,经反复提钻下钻,使钻杆周围一定范围内的土体充分软化。6 喷射高压水泥浆、成桩1)成孔完成后,将喷射高压水切换为高压水泥浆,同时提升喷射压力至 2530MPa,由喷射器侧壁的喷嘴向周围土体进行高压喷射注浆,经过上下反复提钻下钻,形成水泥土桩。2)成桩过程中土体被喷射器四周喷射高压浆充分搅拌、混合, 同时,锤底喷射的高压气可
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