微型抗拔樁在微風(fēng)化巖層地鐵車(chē)站抗浮中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

徐華生　隗志遠(yuǎn)

摘要：擴(kuò)底抗拔樁是明挖地鐵車(chē)站常見(jiàn)的抗浮設(shè)計(jì)之一，在微風(fēng)化花崗巖地層中一般采用人工爆破的開(kāi)挖方式，施工難度較大，且爆破后對(duì)巖石節(jié)理破壞嚴(yán)重，影響抗浮效果。采用機(jī)械鉆孔的微型抗拔樁在花崗巖地層中成孔快，施工機(jī)械小型化占地小。文章通過(guò)工程實(shí)例介紹了某地鐵車(chē)站首次采用微型抗拔樁的設(shè)計(jì)與計(jì)算及其施工方法。

關(guān)鍵詞：微風(fēng)化花崗巖；機(jī)械鉆孔；微型抗拔樁；地鐵建設(shè)；抗浮設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：U231 文章編號(hào)：1009-2374（2016）02-0015-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.02.007

隨著城市地鐵修建進(jìn)程的加快，全國(guó)各大城市迅速掀起地鐵修建熱潮，地鐵車(chē)站抗浮設(shè)計(jì)非常重要，相比于降排地下水、壓重法、大直徑抗浮樁等抗浮技術(shù)措施，微型抗拔樁更具優(yōu)勢(shì)，如地層適應(yīng)性較強(qiáng)、布置形式更靈活、施工占用場(chǎng)地小、成孔快、施工機(jī)械小型化、更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保，在硬質(zhì)巖地層，特別是中風(fēng)化及微風(fēng)化花崗巖地層中，大直徑抗浮樁施工周期長(zhǎng)，鉆機(jī)鉆進(jìn)困難，而微型抗浮樁施工工藝與巖石抗浮錨桿類(lèi)似，采用潛孔鉆機(jī)進(jìn)行施工，用高壓風(fēng)力吹走套管內(nèi)的巖石碎屑，成孔速度快，但抗拔力及耐久性均優(yōu)于抗浮錨桿，在硬巖地區(qū)更具優(yōu)勢(shì)。

1 工程概況

青島站是青島市地鐵3號(hào)線(xiàn)的起點(diǎn)站，車(chē)站全長(zhǎng)213.1m，為兩端暗挖中部明挖結(jié)構(gòu)形式，其中主體結(jié)構(gòu)明挖段長(zhǎng)86.6m，為三層多跨框架結(jié)構(gòu)，寬49.35m，高19.7m，車(chē)站底板坐落于第18層花崗巖微風(fēng)化帶，該層巖石堅(jiān)硬程度為較硬巖～堅(jiān)硬巖，巖體呈整體塊狀結(jié)構(gòu)，較為完整。該站地面高程約5.7～12m，車(chē)站結(jié)構(gòu)的抗浮設(shè)防水位絕對(duì)標(biāo)高為+0.6m，原設(shè)計(jì)采用抗拔樁的方案，抗拔樁位于柱子下方，為底部擴(kuò)大頭形式，樁徑1.2m，樁長(zhǎng)3.6m，共41根。

2 抗拔樁方案設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

由于青島地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的特性，青島站抗拔樁樁身全部位于微風(fēng)化花崗巖地層，巖石強(qiáng)度最高可達(dá)70MPa，底部為擴(kuò)大頭形式，所以一般采用人工爆破開(kāi)挖的方案。

根據(jù)一期工程施工經(jīng)驗(yàn)，原方案擴(kuò)大頭形式的抗拔樁，每根樁施工周期約15～20天。采用人工鉆眼后進(jìn)行爆破，然后采用人工出渣的方式進(jìn)行作業(yè)，由于人工挖孔樁樁徑較小、作業(yè)空間受限、鉆孔出渣等工序的施工效率均非常低，孔內(nèi)人員作業(yè)時(shí)存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)由于爆破作業(yè)臨空面較小，爆破效果不佳。由于爆破對(duì)巖石節(jié)理破壞嚴(yán)重及超挖影響，特別是擴(kuò)大頭部分爆破時(shí)對(duì)上部巖石整體性破壞較嚴(yán)重，對(duì)樁體的抗浮效果產(chǎn)生了較大影響，由于人工挖孔樁施工風(fēng)險(xiǎn)較大，現(xiàn)代地鐵施工應(yīng)盡量采用機(jī)械化的作業(yè)方式以提高施工效率及施工安全性，為提高施工效率和安全性，提出了優(yōu)化方案。經(jīng)過(guò)研究與對(duì)比分析，最終確定了將原設(shè)計(jì)方案優(yōu)化為機(jī)械成孔微型抗拔樁方案。微型樁是指樁徑為0.1～0.4m的小直徑鉆孔樁，被廣泛用于基礎(chǔ)托換、擋土結(jié)構(gòu)、邊坡支護(hù)等工程，本工程中將微型樁直徑設(shè)計(jì)為400mm，有效樁長(zhǎng)為4m，微型抗拔樁設(shè)于柱、梁、側(cè)墻和底板下，孔內(nèi)灌注C45P10細(xì)石混凝土，主筋采用9根Φ28鋼筋，保護(hù)層厚度50mm。微型抗拔樁結(jié)構(gòu)的平面布置及結(jié)構(gòu)形式詳見(jiàn)圖1、圖2。

3 微型抗拔樁抗浮力檢算

微型抗拔樁抗浮力檢算主要從車(chē)站結(jié)構(gòu)抗浮力計(jì)算、抗拔樁承載力驗(yàn)算、鋼筋配置、裂縫寬度驗(yàn)算及構(gòu)造要求五個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)算。根據(jù)地勘報(bào)告中本工程中結(jié)構(gòu)的抗浮設(shè)防水位為+0.6m，經(jīng)計(jì)算直徑400mm的抗拔樁，抗拔樁單位面積需提供抗浮力為67kN/m2，單樁需提供抗浮力804kN。單根樁的抗拔承載力在地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50157）中規(guī)定如下：“在底板下設(shè)置土錨或拉樁。在軟黏土地層中采用土錨或拉樁時(shí)，對(duì)樁土間的摩擦力的設(shè)計(jì)取值應(yīng)作限制，不宜超過(guò)極限摩阻力的一半，否則在浮力的長(zhǎng)期作用下，由于土層的流變效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致變形過(guò)大。另外，抗浮安全系數(shù)不宜小于2～2.5?！北竟こ贪踩禂?shù)取2.0的情況下單樁抗拔力為908kN>804kN，因此符合要求。其他鋼筋配置率、裂縫寬度驗(yàn)算及構(gòu)造要求均計(jì)算合格。

4 微型抗拔樁施工及機(jī)械配置

4.1 施工方案

4.1.1 微型樁成孔采用JKS400A履帶式多功能水井鉆機(jī)，配套1臺(tái)34m3/min移動(dòng)式螺桿空壓機(jī)為鉆機(jī)提供鉆進(jìn)動(dòng)力。JKS400A型履帶式多功能水井鉆機(jī)是一種新型、高效、多功能的液壓鉆機(jī)，行動(dòng)靈活。

4.1.2 樁孔內(nèi)清孔采用高壓風(fēng)噴射清孔法，用上述型號(hào)空壓機(jī)配以風(fēng)管來(lái)實(shí)施，在澆筑混凝土前采用水泵將孔內(nèi)積水完全抽排干凈。

4.1.3 微型樁鋼筋籠在鋼筋加工棚內(nèi)加工成型，四周根據(jù)混凝土保護(hù)層厚度焊接定位鋼筋，采用塔吊吊放入孔內(nèi)，混凝土澆筑采用混凝土泵車(chē)直接輸送進(jìn)樁孔內(nèi)，每次澆筑高度不超過(guò)0.5m，采用插入式振搗棒振動(dòng)密實(shí)。

4.1.4 混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后將樁頭混凝土鑿毛，施作防水層，樁頭部位的防水節(jié)點(diǎn)采用背貼式止水帶加強(qiáng)。

4.2 施工工藝介紹

4.2.1 混凝土墊層施工。先施工混凝土墊層再施工微型樁，可以使得鉆機(jī)的移動(dòng)、就位以及調(diào)平作業(yè)大大簡(jiǎn)化，大大提高了鉆機(jī)穩(wěn)定性及施工效率。

4.2.2 樁位測(cè)設(shè)。采用全站儀對(duì)樁位進(jìn)行精確定位，并設(shè)護(hù)樁，對(duì)各測(cè)設(shè)點(diǎn)進(jìn)行明確標(biāo)識(shí)，現(xiàn)場(chǎng)采用在混凝土墊層上打入水泥鋼釘?shù)姆绞綐?biāo)識(shí)樁中心點(diǎn)。

4.2.3 鉆機(jī)定位。鉆機(jī)的定位必須準(zhǔn)確、安裝必須牢固，要確保在鉆機(jī)就位后鉆桿軸線(xiàn)與樁軸線(xiàn)位于同一直線(xiàn)上；在鉆進(jìn)過(guò)程中鉆機(jī)不會(huì)發(fā)生位移、沉降等。由于鉆頭較大，為保證每次定位鉆頭中心線(xiàn)與樁的中心一致，現(xiàn)場(chǎng)加工了一個(gè)直徑為400mm的定位輔助盤(pán)，圓盤(pán)中心與放樣點(diǎn)吻合，然后鉆頭周邊與圓盤(pán)吻合即可。

4.2.4 鉆進(jìn)成孔。鉆進(jìn)過(guò)程中，設(shè)專(zhuān)人及時(shí)清理因鉆進(jìn)產(chǎn)生的廢渣，并及時(shí)清運(yùn)。在即將成孔時(shí)，降低鉆進(jìn)速度，緩慢進(jìn)尺，嚴(yán)格控制鉆進(jìn)深度，達(dá)到設(shè)計(jì)深度時(shí)，停止向下鉆進(jìn)，但繼續(xù)給壓，以便將孔內(nèi)各種雜物用高壓風(fēng)清理出樁孔外。施工時(shí)為了降低鉆孔過(guò)程中的粉塵飛揚(yáng)，在鉆孔過(guò)程中需采取降塵措施。

4.2.5 成孔檢查。在鉆進(jìn)作業(yè)結(jié)束后，檢查孔徑（不小于設(shè)計(jì)樁徑）、孔深（不小于設(shè)計(jì)深度）、垂直度、孔底虛渣厚度等符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求后方可進(jìn)入下道工序。

4.2.6 清孔。若孔底虛渣過(guò)厚，用風(fēng)壓機(jī)連接自制風(fēng)管插入孔底進(jìn)行清孔直至虛渣厚度符合要求。在清孔完畢灌樁之前，用竹膠板將樁孔嚴(yán)密覆蓋，防止人員及雜物落入樁孔內(nèi)。

4.2.7 鋼筋籠的安放。鋼筋籠根據(jù)鉆樁進(jìn)度提前在現(xiàn)場(chǎng)加工成型，由塔吊配合人工進(jìn)行鋼筋籠的安裝。為保證鋼筋籠在樁孔中心，在鋼筋籠周邊應(yīng)每隔一定距離在鋼筋籠的三個(gè)方向焊接定位鋼筋。

4.2.8 灌樁。樁孔澆筑前應(yīng)檢查孔內(nèi)是否存在地下水，應(yīng)采用水泵抽排干凈，并確認(rèn)鋼筋籠標(biāo)高準(zhǔn)確無(wú)誤后方可進(jìn)行混凝土澆筑施工，樁身混凝土采用混凝土汽車(chē)輸送泵進(jìn)行施工，每澆筑50cm采用插入式振動(dòng)棒進(jìn)行振搗密實(shí)，直至澆筑完成。

5 微型抗拔樁抗拔力檢測(cè)

抗拔力試驗(yàn)隨機(jī)選擇3根混凝土強(qiáng)度達(dá)到28d齡期的微型樁進(jìn)行檢測(cè)，3根樁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到45MPa以上，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

抗拔樁按《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106）要求應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)單樁抗拔靜載試驗(yàn)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求單樁豎向抗拔承載力特征值應(yīng)不小于950kN。抗拔樁單樁豎向抗拔力檢測(cè)采用靜力載荷測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由千斤頂、采集裝置、油壓傳感器、位移傳感器等組成。檢測(cè)原理采用錨樁法，由錨樁、主梁、鋼筋、墊板焊接成加載反力系統(tǒng)，如圖3所示：

單樁抗拔力檢測(cè)采用慢速持荷載法逐級(jí)加載，分級(jí)荷載為設(shè)計(jì)試驗(yàn)荷載的1/10，第一級(jí)為分級(jí)荷載的2倍，每級(jí)荷載施加后按第5、15、30、45、60min測(cè)讀樁頂拔出量，以后每隔30min測(cè)讀一次，記錄主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)上拔荷載-樁頂上拔量（U-δ）和樁頂上拔量-時(shí)間（δ-lgt）繪制出關(guān)系曲線(xiàn)如圖4、圖5。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)樁進(jìn)行豎向抗拔靜載試驗(yàn)，在最大加荷950kN的作用下，樁長(zhǎng)為4m的微型抗浮樁總上拔量?jī)H4.58mm，試驗(yàn)樁的極限承載力均大于950kN，抗拔力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。由于本工程中設(shè)計(jì)要求的微型樁單樁抗拔承載力在安全系數(shù)為2.0的情況下的抗拔力為908kN，因此本次靜載試驗(yàn)未進(jìn)行極限承載力試驗(yàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）在設(shè)計(jì)荷載作用下，樁長(zhǎng)為4m、直徑為400mm的微型抗浮樁總上拔量不超過(guò)4.6mm，抗拔承載力較高，能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；（2）微型抗拔樁采用C45P10細(xì)石混凝土灌注，耐久性能優(yōu)于砂漿或水泥漿，能夠滿(mǎn)足地鐵工程設(shè)計(jì)使用100年的要求；（3）當(dāng)?shù)罔F車(chē)站處于硬質(zhì)巖層中時(shí)，特別是中風(fēng)化及微風(fēng)化花崗巖地層中，大直徑抗浮樁施工周期長(zhǎng)，鉆機(jī)鉆進(jìn)困難，采用人工挖樁施工效率及安全性比較低，而微型抗浮樁施工工藝與巖石抗浮錨桿類(lèi)似，采用潛孔鉆機(jī)進(jìn)行施工，具有成孔速度快、施工占用場(chǎng)地小、施工機(jī)械小型化及經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在硬巖地區(qū)更具優(yōu)勢(shì)，具有一定推廣意義。

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作者簡(jiǎn)介：徐華生（1976-），男，中鐵四局集團(tuán)有限公司第七工程分公司高級(jí)工程師；隗志遠(yuǎn)（1981-），男，中鐵四局集團(tuán)有限公司第七工程分公司工程師。

（責(zé)任編輯：周 瓊）