臨近高鐵線全套管灌注樁施工影響研究

朱克宏

（中鐵二十四局集團有限公司，上海 200071）

1 概述

隨著我國城市化進程的飛速發(fā)展，高鐵與城市地鐵的路線網(wǎng)絡(luò)化在方便廣大市民出行、緩解市內(nèi)交通的同時，導(dǎo)致了新舊結(jié)構(gòu)的相互穿越，臨近既有路線的施工日益增多。尤其是在建筑物相對集中、臨近結(jié)構(gòu)變形控制嚴格、地下管道分布密集復(fù)雜等交通要道，施工過程中的安全性和穩(wěn)定性以及由此所造成的臨近結(jié)構(gòu)的變形問題已成為項目建設(shè)的重難點問題［1-2］。

隨著人們對樁的承載性能、設(shè)計方法、檢測技術(shù)等不斷探索研究，新的樁型和設(shè)計施工方法不斷呈現(xiàn)，施工技術(shù)和機械設(shè)備也不斷得到了改進，使得樁基礎(chǔ)出現(xiàn)了各種樁型和工法［3-4］。根據(jù)樁的施工類型可以把樁分為非擠土樁、部分擠土樁和擠土樁3大類［5］。其中全套管灌注樁又叫做貝諾特（Benoto）灌注樁，其施工工法集取土、成孔、護壁、吊放鋼筋籠、灌注混凝土等作業(yè)工序于一體，效率高，工序輔助費用低。與采用泥漿護壁的鉆、沖擊成孔及其他灌注樁的施工法相比，因使用全套管護壁，可以避免鉆孔、沖擊成孔灌注樁可能發(fā)生的縮徑、斷樁及混凝土離析等質(zhì)量問題，以及泥漿護壁法難以解決的流砂問題，故在臨近既有建筑物的工程中得到大量運用［6］。莊妍等研究了全套管灌注樁在臨近地鐵隧道的暗橋樁基工程中的應(yīng)用，表明其工法環(huán)保效果好、噪聲低、振動?。?］。黃大維等對護壁套管鉆孔灌注樁微擾動進行了施工分析，建議在鋼套管旋入過程中同時取出套管內(nèi)部分土體［8］。宋志彬研究了全套管鉆進套管柱損壞機理及其應(yīng)用技術(shù)，優(yōu)化和改進了全回轉(zhuǎn)鉆進套管結(jié)構(gòu)和加工工藝［9］。朱芝同等研究了全套管鉆孔咬合樁在臨近地鐵基坑工程中的應(yīng)用，認為其在軟土及高水位土層基坑支護中具有廣闊的應(yīng)用前景［10］。王平衛(wèi)對全套管灌注樁承載性狀及施工工藝進行了研究，全面深入地探討了全套管灌注樁的承載機理，促進全套管灌注樁及其咬合樁的應(yīng)用和發(fā)展［11］。以上學(xué)者大多采用監(jiān)測臨近建筑物的變形、理論分析、數(shù)值模擬來研究全套管工法，但針對全管套工法對周圍土體影響規(guī)律的研究尚不多見。

為此，本文在全套管灌注樁施工時，在其周圍埋設(shè)測點，深入土體內(nèi)部進行了地下不同深度水平位移、沉降、應(yīng)力等地質(zhì)參數(shù)的動態(tài)監(jiān)測，并進一步分析了土體水平位移與應(yīng)力的相關(guān)性，以期掌握全套管灌注樁施工全過程周圍土體的變化規(guī)律，為其施工的安全性評價和影響性分析提供必要依據(jù)。

2 工程概況

寧和城際臨近既有鐵路線京滬高鐵與滬蓉鐵路兩側(cè)，距離高鐵橋墩最近不足10 m，樁基施工安全風(fēng)險較大，為減少鉆孔樁對地層的擾動，造成既有線橋墩的位移或沉降，故臨近高鐵橋墩的ZBZ001、ZBZ004、ZBZ005、SBY020、SBY021、SBY024等墩的樁基施工均采用全套管施工法，逐樁、逐墩施工，利用全回轉(zhuǎn)鉆機將帶有鉆頭的套管逐節(jié)往復(fù)搓動并壓入地層，同時利用沖抓斗將套管內(nèi)的巖土沖鑿抓取出地面，搓管和沖抓交替進行，直至套管下到樁端持力層為止，然后清除孔底虛土，成孔后放入鋼筋籠，邊灌注混凝土邊起拔套管直至成樁，以確保臨近高鐵的運營安全，施工平面圖具體如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場施工平面圖

為掌握全套管灌注樁的施工影響，為后續(xù)的樁基施工積累經(jīng)驗。全回轉(zhuǎn)鉆機于06-16T06:06從距離高鐵橋墩相對較遠的SBZ001-1號樁開始施工，樁徑1.5 m，鋼套筒旋轉(zhuǎn)并下壓，首節(jié)套筒長度9 m，后續(xù)套筒標準長度為6.45 m，并逐步增加套管長度直至達到設(shè)計深度，最后拔出套筒。為了減小套筒旋壓的摩阻力，利用抓斗將套筒中土體抓除，并在套筒底端預(yù)留3~6 m厚的土層，防止底部土層發(fā)生管涌。

3 全回旋鉆孔樁施工全過程監(jiān)測方案

地下土體的監(jiān)測是巖土工程項目質(zhì)量安全評價、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的重要手段及研究熱點。它可以深入巖土體內(nèi)部進行地下不同深度水平位移、沉降、應(yīng)力、水位等地質(zhì)參數(shù)的動態(tài)監(jiān)測，能準確檢測地下位移形變信息，確定變形范圍，進而研究變形機制、成災(zāi)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及防災(zāi)預(yù)報。臨近既有高鐵線的樁基施工極易改變周圍土體應(yīng)力狀態(tài)，而高速鐵路的正常運行對線路的平穩(wěn)性有著嚴苛的要求，一旦造成高鐵橋墩側(cè)移或沉降，將直接影響高鐵的使用功能和運行安全。因此，本監(jiān)測在SBZ001墩位樁基施工時，對樁周徑向土體的沉降、水平位移、應(yīng)力進行了全過程監(jiān)測，以掌握因施工引起的土體變形及其沉降情況，為后續(xù)墩位樁基施工制定相應(yīng)的隔離加固措施提供指導(dǎo)。

3.1 土體沉降的監(jiān)測方案

本監(jiān)測在不受施工干擾空地設(shè)觀測站，架設(shè)全站儀，取遠方50 m外位置穩(wěn)定、成像清晰的永久性目標作高程的基準點，同時選取全回轉(zhuǎn)鉆機底座上左右兩個角點為監(jiān)測點。固定后視方向，測出基準點的高程H1，再分別瞄準全回轉(zhuǎn)鉆機底座兩角點，測出監(jiān)測點高程分別為H2和H3，則豎向沉降ΔH=H1-1/2（H2+H3）。為實現(xiàn)測量準確，測3次取平均值 。

3.2 土體水平位移及應(yīng)力的監(jiān)測方案

為監(jiān)控樁基施工過程中樁周土體的水平位移、應(yīng)力狀況，在SBZ001號墩及距其最近的H19#橋墩之間布設(shè)4個土壓力測點和2個測斜點，測點布置詳見圖2。其中，同一土壓力測點處埋設(shè)2個土壓力盒，深度間隔5m，編號分別為AT1、AT2、BT1、BT2、CT1、CT2、DT1、DT2，同理測斜點編號為AX、BX，測點深度25 m。

埋設(shè)測斜點采用鉆機成孔，在孔內(nèi)安裝測斜管，采用粗砂、細砂、膨潤土球、原壩料等進行分段回填。每填至3~5 m時進行一次注水，使膨潤土球遇水后膨脹或使原壩料、粗砂、細砂更密實與孔壁結(jié)合更牢固，直到測斜管周圍殘留空間填滿為止，保證了測斜管和周圍土體很好結(jié)合成一整體，真實反映土體的變形特征。而土壓力測點則需先將土壓力盒焊接在鋼筋架固定位置處，再埋設(shè)于鉆孔5 m和10 m深度處。埋設(shè)時，保證承受土壓力的土面嚴格整平，回填與周圍土料相同的土料，人工分層夯實，保證土壓力盒與周圍土體緊密接觸，確保應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果的準確性。

圖2 測點布置圖

4 監(jiān)測結(jié)果分析

4.1 土體豎向沉降分析

基于SBZ001號墩位處6根樁施工時土體豎向沉降監(jiān)測結(jié)果，繪制了樁位處土體累積沉降與鉆土深度的關(guān)系曲線，如圖3所示。其中前3根樁施工時全回轉(zhuǎn)鉆機直接作用于土體表面樁位處，后3根樁施工時在鉆機底部鋪設(shè)鋼板。

圖3 土體豎向累計沉降

由圖3可知：全回轉(zhuǎn)鉆機施工時，旋壓過程施工擾動相對較小，對樁位處土體的豎向擠壓較小，累積沉降平緩上升；而鋼套管上拔階段，鋼套筒上拔反力對土體的豎向擠壓較大，累積沉降陡升。同時對比前3根樁與后3根樁的累計沉降可知，因在全回轉(zhuǎn)鉆機底座四周鋪設(shè)鋼板達到了荷載分散的效果，累積沉降由250 mm降低至100 mm，對施工所引起的土體豎向沉降控制效果顯著。

4.2 土體水平位移分析

根據(jù)SBZ001-1號樁施工時土體水平位移的監(jiān)測結(jié)果，處理時以靠近樁身方向為正，以遠離樁身方向為負，將同深度的水平位移值減去前一次監(jiān)測值，得到了不同深度處樁周土體水平位移的次變化量，具體如圖4所示，圖例前3位數(shù)字為日期，后2位為當天測量時間。

圖4 土體水平位移次變化

由圖4可知，（1）施工過程中測點AX處的水平位移次變化量隨時間推移正負交替出現(xiàn)，測點BX處則明顯表現(xiàn)出樁周土體水平位移整體趨勢朝向樁身方向。分析表明，測點AX距機位更近，受到挖機運土等施工影響更為復(fù)雜，同時，鉆孔施工過程中套管旋壓與沖抓取土交替進，打樁過程并不連續(xù)，土體孔隙水壓力消散對土體水平位移存在影響，因此測點BX數(shù)據(jù)對樁周土體水平位移趨勢刻畫更為合理。（2）綜合AX及BX次變化量曲線可看出全回轉(zhuǎn)施工對土體擾動程度由淺及深逐漸減少，樁周5~8 m范圍內(nèi)，表層土體水平位移在1 cm以內(nèi)。為進一步衡量全回轉(zhuǎn)施工的影響程度，將水平位移的次變化量逐漸疊加得到了測點AX與BX處的水平位移累計變化結(jié)果，如圖5所示。

由圖5可知，由測點AX及BX最終測試數(shù)據(jù)（61914數(shù)據(jù)線）可以看出，樁基施工過程中土體水平位移累計變化基本朝向樁身方向，且5 m以上表層土體水平位移較大，超過1 cm；5 m以下土體累計水平位移大致以初始位置為中心呈波動狀。BX曲線由于距樁中心較遠，受到施工不確定因素影響較小，隨時間推移土體水平累計位移變化規(guī)律明顯，可以看出隨著施工的進行，地表沉降加大，影響范圍不斷擴展，樁周土體水平累計位移逐漸加大并偏向樁身，變形程度由淺及深逐漸縮小。

圖5 土體水平位移累計變化

4.3 土體應(yīng)力變化分析

同樣根據(jù)SBZ001-1號樁施工時，AT、BT、CT、DT 4個土壓力測點處埋設(shè)的8個土壓力傳感器的土體應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果，繪制了全回轉(zhuǎn)施工全過程的土體應(yīng)力變化曲線，具體如圖6所示。

由圖6可知，（1）深度5 m處土體應(yīng)力的整體波動較大，而深度10 m處的土體應(yīng)力變化則較為平穩(wěn)，與水平位移的監(jiān)測結(jié)果相一致；（2）深度5 m處土體應(yīng)力隨著樁基施工略有減小的趨勢，表明在鋼套管旋壓取土過程中，周圍地下水易透過接口空隙滲入鋼套筒內(nèi)，導(dǎo)致樁周土體孔隙水壓力消散，從而引起土體應(yīng)力的減小，且消散作用由近及遠逐漸減?。唬?）CT、DT距離樁基施工距離分別為15 m和18 m，特別是DT測點處幾乎不受施工影響，土壓力幾乎不變，表明全回轉(zhuǎn)套管灌注樁施工的影響范圍不超過18 m。

圖6 土體應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

5 土體水平位移與應(yīng)力相關(guān)性分析

為進一步研究全套管工法對周圍土體的影響規(guī)律，對SBZ001-1號樁施工期間周圍土體的水平位移及應(yīng)力變化進行相關(guān)性分析。根據(jù)上述監(jiān)測結(jié)果，表層土體受施工不確定因素影響大，且深度15 m以下土體幾乎不受施工影響，同時綜合土壓力傳感器的埋設(shè)深度，選取3~15 m范圍內(nèi)土體進行研究。表1為測點AX與測點BX水平位移與土壓力測點所測應(yīng)力的相關(guān)性系數(shù)。

表1 土體水平位移與壓力的相關(guān)系數(shù)

由表1可知：（1）不同深度處土體水平位移與應(yīng)力的相關(guān)性不同，且距離樁徑向不同距離處兩者相關(guān)性也不同；（2）土體水平位移與AT壓力測點應(yīng)力的相關(guān)性較弱，表明淺層土體受施工擾動大，與上述監(jiān)測結(jié)果相一致；（3）測點BX處水平位移與壓力的相關(guān)性系數(shù)整體大于測點AX處，且波動較小，表明全套管施工監(jiān)測的測點埋設(shè)不宜距離樁位過近，否則易受其他因素干擾，導(dǎo)致所測數(shù)據(jù)對現(xiàn)場施工情況的反映不夠準確。

6 結(jié)論

（1）全套管施工法旋壓過程施工擾動較小，而鋼套管上拔階段施工擾動大。通過在鉆機底座四周鋪設(shè)鋼板分散施工荷載，豎向沉降控制可達到顯著效果。

（2）全回轉(zhuǎn)鉆機施工時樁周土體整體變形趨勢朝向樁身方向，5 m以上表層土體傾斜變形較大，5 m以下土體傾斜變形以初始位置為中心略有波動，變形程度由淺及深逐漸縮小。

（3）全套管施工時淺層土體應(yīng)力波動大，深層土體應(yīng)力波動相對較小，其影響范圍由近及遠逐漸衰減，影響范圍不超過18 m。

（4）距離樁位5 m處土體水平位移與壓力的相關(guān)性較弱，距離樁位8 m附近兩者相關(guān)性較強，表明對全套管施工而言，過近距離的監(jiān)測受施工不確定因素影響較大。

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