摘 要:利用鋼護筒跟進穿過透水層、圍堰復合土工膜雙層隔水等方法相結合,成功解決輕軌橋跨海灘沉積粉煤灰層及石灰巖溶洞等挖孔樁TRANBBS施工難題,確保施工安全和質量。
關鍵詞:快速軌道TRANBBS交通;基礎;海灘;挖孔樁;施工TRANBBS技術
中圖分類號:Ｕ239．5,Ｕ443．1 文獻標識碼:Ｂ 文章編號:10042954(2004)05004403
1 工程概況
大連快速軌道交通工程3號線是連接大連市區和金石灘國家旅游渡假區的重要交通線路,全長46．5ｋｍ。其中13號橋為全線的重點難點工程,橋址位于大連開發區入口楊樹屯海灣中,部分橋墩(0號臺～8號墩)位于華能大連電廠排灰池內(原始地貌為海灘),其余樁基位于海灘中。橋長550ｍ,橋跨類型為22孔25ｍ預制預應力混凝土簡支梁,基礎TRANBBS設計為人工挖孔樁和擴大基礎。橋址處最高潮位黃海高程1．83ｍ,高潮位水深達6～8ｍ,海底依次為淤泥質亞黏土2～3ｍ;砂礫石4～6ｍ;石灰巖及部分泥巖。石灰巖地段溶洞發育頻繁且海底有暗溝。0號臺～8號墩段為電廠排灰池內,海底上表面沉積6～8ｍ粉煤灰,9～21號墩段為海灘原始地貌(圖1)。
圖1 全橋典型地質示意
2 工程特點
(1)全橋位于海灘之上,受潮汐影響大。(2)橋位處地質情況復雜,石灰巖地段溶洞發育,基礎施工難度大。(3)部分樁基位于華能電廠排灰場內,粉煤灰沉積密實,孔隙率小,遇水呈流塑狀態,其穩定性受海水漲落影響很大,為施工中的難點。
3 方案選擇
9～21號墩位于海灘上,需先進行圍堰才能進行挖孔施工,且圍堰能盡量減少海水潮汐對挖孔作業的影響。圍堰的高度、寬度以能消除最高潮汐時海水影響為準。實際施工圍堰頂高程為2．33ｍ,高于最高潮水位0．5ｍ。0號臺～8號墩位置屬于受海水潮汐影響的粉煤灰沉積層,其下又有溶洞存在,設計為挖孔樁,基底嵌入基巖2ｍ以上。為此,對選用何種挖孔方法進行了論證和試驗。
3．1 圍堰隔水施工
9～21號墩段圍堰填筑后,潮汐對樁孔開挖影響較大,根據以往沿海貌地下工程隔水施工經驗,決定采用兩布一膜土工膜密鋪下埋施工方案(圖2)。(1)截水溝開挖圍堰填筑至一半左右時開始在圍堰兩側底部采用挖掘機開挖截水溝,作業時間選擇在低潮位時進行。確保開挖寬度1ｍ及深度0．8ｍ,回淤后凈深確保0．
圖2 圍堰土工膜隔水示意(單位:ｃｍ) ｍ。
溝底塌方要清理干凈,邊坡修理平整光潔,不允許存在大塊尖角石塊和雜物,以免刺破復合土工膜。(2)土工膜鋪設為達到預期的隔水效果,采用1000ｇ/ｍ2的兩布一膜復合防滲膜,滲透系數2．7×10-11ｃｍ/ｓ。選用廠家現有最大幅寬料(6ｍ),以減少拼縫。要求廠家在整幅土工膜的四周留出10ｃｍ寬的拼縫帶,以便焊接。鋪設土工膜緊隨截水溝開挖進行,一般截水溝開挖及修整完畢30～50ｍ時開始鋪設。土工膜應以長度方向沿基坑邊線鋪設,以減少接縫,并應松鋪。首先將土工膜沿圍堰地面順方向全長打開,在土工膜底部間隔30～50ｃｍ用鍍鋅鐵絲綁設長20ｃｍ?32ｍｍ短鋼筋,以利土工膜沉底,保證密貼;同時,沿土工膜長向間隔3～5ｍ加設長木桿,木桿長度大于坑深及土工膜寬度1ｍ,以確保土工膜能夠覆蓋溝底。準備就緒,人工用木桿將土工膜送達溝底,并將上口預留段壓牢或釘牢。(3)截水溝土方固填底部溝槽采用黃黏土回填,以保證截水效果和避免刺破土工膜。溝槽以上采用山皮石回填。回填厚度以保證土工膜在海水漲落時不被沖擊松動為準,實際施工中采用1．5～2．0ｍ。回填過程中挖掘機挖斗盡量減少作業高度,以減少土料對土工膜的沖擊程度,并用挖掘機挖斗對土料進行預壓實,但不能破壞土工膜。
3．2 挖孔方案比選
(1)直接挖孔
這種方法就是不進行任何防護,直接按設計要求的孔徑由人工邊挖邊作混凝土護壁,直至設計高程。這種方法適用于挖深不大于4ｍ,且無地下水影響的穩定性極好的地層情況。優點是投入設備少,可以全面鋪開;缺點是安全性差,遇到有地下水影響或易坍地質情況時不能采用。根據前面講述過的情況,此種方法顯然不適用于本橋。(2)先壓漿將粉煤灰固結,然后再開挖該方法是先將壓漿管打入粉煤灰內直至底部,并與巖層接觸,再用壓漿泵將純水泥漿壓入地層內,壓漿順序是每1．0ｍ壓1層,直至巖層。壓漿管間距0．5ｍ,范圍以樁中心為圓心,半徑2．5ｍ。用這種方法在2號樁做了試驗,壓漿管在最底層時壓漿速度很快,每個壓漿管壓入的水泥漿量很大,個別達到500ｋｇ。但在粉煤灰層內壓漿時水泥漿量很小,甚至達到10ｋｇ。后經調查證明粉煤灰沉積密實,孔隙率小,水泥漿壓不進粉煤灰層內,也就是說用壓漿方法將粉煤灰固結的方案不可行。(3)采用周邊打井抽水,降低和阻斷外界水的影響在橋址范圍內先打孔徑為50ｃｍ的深井,直至打入基巖,用1臺直徑100ｍｍ泵抽水,井內水量始終很大,抽不干。后經分析,粉煤灰層下的巖層面間孔隙太大,并與海水相通,用抽水的方法降低井內水位的試驗方案也不可行。(4)長護筒跟進施工方案長護筒跟進,并嵌入巖層以此阻斷與外界水位聯系,并用鋼護筒本身的強度支撐護壁,確保井內施工安全。這種方法從理論上是完全可行的,關鍵是如何實施鋼護筒的打入和嵌入巖層段(0．5～1．0ｍ)的封閉阻水處理技術。為此,在3號墩基礎進行了試驗性的施工,后經證實此種方法是可行的。①鋼護筒的選擇 本橋鋼護筒要穿過粉煤灰層,并深入到不透水的淤泥質亞黏土或砂礫石層0．5～1．0ｍ,護筒最長達12ｍ。根據以往施工經驗,選擇用14ｍｍ鋼板卷制,直徑2．2ｍ(比挖孔樁直徑大20ｃｍ)。對于入土部分為減少護筒與土層間的摩阻力,護筒壁外側不設加勁肋。②鋼護筒的沉入 厚壁長大鋼護筒的沉埋要用振動式打樁錘。沉入前需根據鋼護筒所受的摩阻力確定打樁錘的振動力,并當摩阻力大于振動力時,鋼護筒才能順利安設。根據計算結果,結合過去的施工經驗,采用ＶＭ410000Ａ型打樁機,150ｋＷ發電機,最大擊振力為1080ｋＮ。施工時要對鋼護筒頂部進行必要的加固,以防止錘擊變形,并且要準確放樣,及時進行糾編,以防止護筒偏位。振動錘用16ｔ以上吊車起吊,在錘擊護筒時要在4個方向用長纜風繩穩住振動錘,以防掉落造成損壞。在該橋施工時考慮到護筒超過8ｍ以上時鋼護筒受到的摩阻力較大,打入困難,采用二次打入法。先打入首節護筒,長6～8ｍ,并進行開挖,開挖至接近護筒底時,在地面上焊接第二節鋼護筒,并打入至需要的深度。
4 挖孔作業
完成埋設鋼護筒的工作后,就可以進行挖孔作業,施工方法采用常規的人工挖掘、轤轆提升工藝。施工中應注意兩點:雖然護筒已經穿過粉煤灰層,但由于此處是原海灘,滲水量仍然很大,在挖孔作業接近護筒底部時,地下水涌出,這時根據出水量的大小配備相應數量的水泵抽水才能保證正常施工;由于護筒長度比較長,在開挖達一定深度時,護筒外側壓力不斷加大,護筒要采取必要的加固措施。具體方法是在護筒內側用加勁肋進行加固,必要時用角鋼在內側焊成橫支撐,防止護筒變形過大。
5 成孔檢查
挖孔樁達到設計深度及嵌巖深度后便進行終孔檢查,首先進行孔徑、孔位、垂直度等方面的常規檢查。由于在挖孔前此處沒有詳細的地質資料,且為石灰巖地區,溶洞較多,為保證樁底一定范圍內沒有溶洞,在終孔前要對孔底進行樁底檢測。具體作法與樁基的無損檢測相似,其檢測的深度在樁底4～8ｍ,通過該檢測有效避免了樁基礎落在溶洞的可能性,保證了嵌巖樁的質量。
6 挖孔施工中出現的故障及處理方法
(1)涌水的處理
受潮水漲落的影響,粉煤灰層內及基巖上部覆蓋層內含水量大,在挖孔接近護筒底部時處理不當就會發生涌水,甚至造成傷人事故。在本橋7、13號墩挖孔施工至巖層段即遇到涌水現象,采用環式封閉處理工藝(圖3),然后再進行護筒底部區域開挖。
圖3 環式封閉處理涌水示意(單位:ｃｍ)
①工藝流程
施工準備→抽水清底→預鋪孔底卵礫石→安裝組合短護筒→護筒外填卵礫石→護筒內堆放裝泥麻包→水下混凝土封頂→安裝變位傳遞桿→壓漿封閉24ｈ后抽水→吊出填芯麻包→拆除短護筒→檢查封閉效果→繼續開挖。②工藝操作要點短護筒采用厚5ｍｍ鋼板焊接,由3塊制作拼接,采用螺栓連接以利拆卸。先入孔再安裝,置于孔底預鋪的卵礫石之上。封閉圈壓漿厚度由最高水位時計算的最大水壓力來計算,一般不宜小于40ｃｍ。壓漿管要仔細放置,同時要配備用管。其出口放在孔底卵礫石底部。在壓漿管埋入混凝土封頂處設鋼板卡,以保證壓漿管定位及防止漿液外露,造成失壓,影響封閉效果。卵礫石底層及填料孔隙率按35%～40%考慮。水下封頂采用Ｃ20混凝土,厚度40～60ｃｍ,要求承壓1～1．5ＭＰａ。加入適量速凝劑,以保證24ｈ內達到抗水壓力強度。封閉完成過24ｈ后將孔內水抽凈,按孔位中心放樣
關鍵詞:快速軌道TRANBBS交通;基礎;海灘;挖孔樁;施工TRANBBS技術
中圖分類號:Ｕ239．5,Ｕ443．1 文獻標識碼:Ｂ 文章編號:10042954(2004)05004403
1 工程概況
大連快速軌道交通工程3號線是連接大連市區和金石灘國家旅游渡假區的重要交通線路,全長46．5ｋｍ。其中13號橋為全線的重點難點工程,橋址位于大連開發區入口楊樹屯海灣中,部分橋墩(0號臺～8號墩)位于華能大連電廠排灰池內(原始地貌為海灘),其余樁基位于海灘中。橋長550ｍ,橋跨類型為22孔25ｍ預制預應力混凝土簡支梁,基礎TRANBBS設計為人工挖孔樁和擴大基礎。橋址處最高潮位黃海高程1．83ｍ,高潮位水深達6～8ｍ,海底依次為淤泥質亞黏土2～3ｍ;砂礫石4～6ｍ;石灰巖及部分泥巖。石灰巖地段溶洞發育頻繁且海底有暗溝。0號臺～8號墩段為電廠排灰池內,海底上表面沉積6～8ｍ粉煤灰,9～21號墩段為海灘原始地貌(圖1)。
圖1 全橋典型地質示意
2 工程特點
(1)全橋位于海灘之上,受潮汐影響大。(2)橋位處地質情況復雜,石灰巖地段溶洞發育,基礎施工難度大。(3)部分樁基位于華能電廠排灰場內,粉煤灰沉積密實,孔隙率小,遇水呈流塑狀態,其穩定性受海水漲落影響很大,為施工中的難點。
3 方案選擇
9～21號墩位于海灘上,需先進行圍堰才能進行挖孔施工,且圍堰能盡量減少海水潮汐對挖孔作業的影響。圍堰的高度、寬度以能消除最高潮汐時海水影響為準。實際施工圍堰頂高程為2．33ｍ,高于最高潮水位0．5ｍ。0號臺～8號墩位置屬于受海水潮汐影響的粉煤灰沉積層,其下又有溶洞存在,設計為挖孔樁,基底嵌入基巖2ｍ以上。為此,對選用何種挖孔方法進行了論證和試驗。
3．1 圍堰隔水施工
9～21號墩段圍堰填筑后,潮汐對樁孔開挖影響較大,根據以往沿海貌地下工程隔水施工經驗,決定采用兩布一膜土工膜密鋪下埋施工方案(圖2)。(1)截水溝開挖圍堰填筑至一半左右時開始在圍堰兩側底部采用挖掘機開挖截水溝,作業時間選擇在低潮位時進行。確保開挖寬度1ｍ及深度0．8ｍ,回淤后凈深確保0．
圖2 圍堰土工膜隔水示意(單位:ｃｍ) ｍ。
溝底塌方要清理干凈,邊坡修理平整光潔,不允許存在大塊尖角石塊和雜物,以免刺破復合土工膜。(2)土工膜鋪設為達到預期的隔水效果,采用1000ｇ/ｍ2的兩布一膜復合防滲膜,滲透系數2．7×10-11ｃｍ/ｓ。選用廠家現有最大幅寬料(6ｍ),以減少拼縫。要求廠家在整幅土工膜的四周留出10ｃｍ寬的拼縫帶,以便焊接。鋪設土工膜緊隨截水溝開挖進行,一般截水溝開挖及修整完畢30～50ｍ時開始鋪設。土工膜應以長度方向沿基坑邊線鋪設,以減少接縫,并應松鋪。首先將土工膜沿圍堰地面順方向全長打開,在土工膜底部間隔30～50ｃｍ用鍍鋅鐵絲綁設長20ｃｍ?32ｍｍ短鋼筋,以利土工膜沉底,保證密貼;同時,沿土工膜長向間隔3～5ｍ加設長木桿,木桿長度大于坑深及土工膜寬度1ｍ,以確保土工膜能夠覆蓋溝底。準備就緒,人工用木桿將土工膜送達溝底,并將上口預留段壓牢或釘牢。(3)截水溝土方固填底部溝槽采用黃黏土回填,以保證截水效果和避免刺破土工膜。溝槽以上采用山皮石回填。回填厚度以保證土工膜在海水漲落時不被沖擊松動為準,實際施工中采用1．5～2．0ｍ。回填過程中挖掘機挖斗盡量減少作業高度,以減少土料對土工膜的沖擊程度,并用挖掘機挖斗對土料進行預壓實,但不能破壞土工膜。
3．2 挖孔方案比選
(1)直接挖孔
這種方法就是不進行任何防護,直接按設計要求的孔徑由人工邊挖邊作混凝土護壁,直至設計高程。這種方法適用于挖深不大于4ｍ,且無地下水影響的穩定性極好的地層情況。優點是投入設備少,可以全面鋪開;缺點是安全性差,遇到有地下水影響或易坍地質情況時不能采用。根據前面講述過的情況,此種方法顯然不適用于本橋。(2)先壓漿將粉煤灰固結,然后再開挖該方法是先將壓漿管打入粉煤灰內直至底部,并與巖層接觸,再用壓漿泵將純水泥漿壓入地層內,壓漿順序是每1．0ｍ壓1層,直至巖層。壓漿管間距0．5ｍ,范圍以樁中心為圓心,半徑2．5ｍ。用這種方法在2號樁做了試驗,壓漿管在最底層時壓漿速度很快,每個壓漿管壓入的水泥漿量很大,個別達到500ｋｇ。但在粉煤灰層內壓漿時水泥漿量很小,甚至達到10ｋｇ。后經調查證明粉煤灰沉積密實,孔隙率小,水泥漿壓不進粉煤灰層內,也就是說用壓漿方法將粉煤灰固結的方案不可行。(3)采用周邊打井抽水,降低和阻斷外界水的影響在橋址范圍內先打孔徑為50ｃｍ的深井,直至打入基巖,用1臺直徑100ｍｍ泵抽水,井內水量始終很大,抽不干。后經分析,粉煤灰層下的巖層面間孔隙太大,并與海水相通,用抽水的方法降低井內水位的試驗方案也不可行。(4)長護筒跟進施工方案長護筒跟進,并嵌入巖層以此阻斷與外界水位聯系,并用鋼護筒本身的強度支撐護壁,確保井內施工安全。這種方法從理論上是完全可行的,關鍵是如何實施鋼護筒的打入和嵌入巖層段(0．5～1．0ｍ)的封閉阻水處理技術。為此,在3號墩基礎進行了試驗性的施工,后經證實此種方法是可行的。①鋼護筒的選擇 本橋鋼護筒要穿過粉煤灰層,并深入到不透水的淤泥質亞黏土或砂礫石層0．5～1．0ｍ,護筒最長達12ｍ。根據以往施工經驗,選擇用14ｍｍ鋼板卷制,直徑2．2ｍ(比挖孔樁直徑大20ｃｍ)。對于入土部分為減少護筒與土層間的摩阻力,護筒壁外側不設加勁肋。②鋼護筒的沉入 厚壁長大鋼護筒的沉埋要用振動式打樁錘。沉入前需根據鋼護筒所受的摩阻力確定打樁錘的振動力,并當摩阻力大于振動力時,鋼護筒才能順利安設。根據計算結果,結合過去的施工經驗,采用ＶＭ410000Ａ型打樁機,150ｋＷ發電機,最大擊振力為1080ｋＮ。施工時要對鋼護筒頂部進行必要的加固,以防止錘擊變形,并且要準確放樣,及時進行糾編,以防止護筒偏位。振動錘用16ｔ以上吊車起吊,在錘擊護筒時要在4個方向用長纜風繩穩住振動錘,以防掉落造成損壞。在該橋施工時考慮到護筒超過8ｍ以上時鋼護筒受到的摩阻力較大,打入困難,采用二次打入法。先打入首節護筒,長6～8ｍ,并進行開挖,開挖至接近護筒底時,在地面上焊接第二節鋼護筒,并打入至需要的深度。
4 挖孔作業
完成埋設鋼護筒的工作后,就可以進行挖孔作業,施工方法采用常規的人工挖掘、轤轆提升工藝。施工中應注意兩點:雖然護筒已經穿過粉煤灰層,但由于此處是原海灘,滲水量仍然很大,在挖孔作業接近護筒底部時,地下水涌出,這時根據出水量的大小配備相應數量的水泵抽水才能保證正常施工;由于護筒長度比較長,在開挖達一定深度時,護筒外側壓力不斷加大,護筒要采取必要的加固措施。具體方法是在護筒內側用加勁肋進行加固,必要時用角鋼在內側焊成橫支撐,防止護筒變形過大。
5 成孔檢查
挖孔樁達到設計深度及嵌巖深度后便進行終孔檢查,首先進行孔徑、孔位、垂直度等方面的常規檢查。由于在挖孔前此處沒有詳細的地質資料,且為石灰巖地區,溶洞較多,為保證樁底一定范圍內沒有溶洞,在終孔前要對孔底進行樁底檢測。具體作法與樁基的無損檢測相似,其檢測的深度在樁底4～8ｍ,通過該檢測有效避免了樁基礎落在溶洞的可能性,保證了嵌巖樁的質量。
6 挖孔施工中出現的故障及處理方法
(1)涌水的處理
受潮水漲落的影響,粉煤灰層內及基巖上部覆蓋層內含水量大,在挖孔接近護筒底部時處理不當就會發生涌水,甚至造成傷人事故。在本橋7、13號墩挖孔施工至巖層段即遇到涌水現象,采用環式封閉處理工藝(圖3),然后再進行護筒底部區域開挖。
圖3 環式封閉處理涌水示意(單位:ｃｍ)
①工藝流程
施工準備→抽水清底→預鋪孔底卵礫石→安裝組合短護筒→護筒外填卵礫石→護筒內堆放裝泥麻包→水下混凝土封頂→安裝變位傳遞桿→壓漿封閉24ｈ后抽水→吊出填芯麻包→拆除短護筒→檢查封閉效果→繼續開挖。②工藝操作要點短護筒采用厚5ｍｍ鋼板焊接,由3塊制作拼接,采用螺栓連接以利拆卸。先入孔再安裝,置于孔底預鋪的卵礫石之上。封閉圈壓漿厚度由最高水位時計算的最大水壓力來計算,一般不宜小于40ｃｍ。壓漿管要仔細放置,同時要配備用管。其出口放在孔底卵礫石底部。在壓漿管埋入混凝土封頂處設鋼板卡,以保證壓漿管定位及防止漿液外露,造成失壓,影響封閉效果。卵礫石底層及填料孔隙率按35%～40%考慮。水下封頂采用Ｃ20混凝土,厚度40～60ｃｍ,要求承壓1～1．5ＭＰａ。加入適量速凝劑,以保證24ｈ內達到抗水壓力強度。封閉完成過24ｈ后將孔內水抽凈,按孔位中心放樣
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