形成原因
隨著中國城市化進程的加速,地下空間和設施也得到空前的發展。在建築物高聳密集的城市,可供建築施工使用的場地越來越小加上工程周圍環境複雜,使得傳統的基坑支護工藝及技術已經不能滿足21世紀城市地下空間建設的需要。針對基坑工程的特點,尤其是環境複雜、空間狹小、深度較大的基坑工程,泛華建設集團有限公司、北京六建集團有限責任公司發明了長螺旋鑽孔壓灌混凝土後插型鋼支護樁工藝。
長螺旋鑽孔壓灌混凝土後插型鋼支護樁工藝(以下簡稱:後插型鋼支護樁)是21世紀在工程實踐中探索發明的一種新的混凝土灌注支護柱施工技術,該工藝是利用長螺旋鑽機鑽孔至設計深度,在提鑽的同時向樁孔內壓灌混凝土,混凝土灌注到設計標高后,利用型鋼自重並藉助振動設備將型鋼插入混凝土中,形成了《長螺旋鑽孔壓灌混凝土後插型鋼支護樁施工工法》。
工法特點
《長螺旋鑽孔壓灌混凝土後插型鋼支護樁施工工法》的工法特點是:
1、工序少,操作簡便,施工速度快:長螺旋鑽孔壓灌混凝土後插型鋼支護樁工藝,在鑽機成孔和壓灌混凝土方面與傳統工藝完全一致。與後插鋼筋籠灌注樁相比,型鋼在現場加工製作容易,採用特製的型鋼下放設備安放型鋼簡便,整個過程簡單明了,工藝容易被操作人員掌握。由於省去了傳統鋼筋籠的下料、焊接、綁紮等過程,施工速度提高。
2、型鋼整體穩定性好,成樁質量有保障:型鋼自身的整體穩定性較好,不容易變形,在型鋼後插入樁孔混凝土的過程中,專業人員只負責型鋼下沉高度和垂直度校正,就能確保型鋼能夠準確定位,成質量易達到設計要求。
3、低噪聲,無泥漿製備,施工環保:採用長螺旋鑽機成孔,施工過程中噪聲低,無須製備泥漿,對環境無污染
4、材料機具設備類型少,方便備料和保管:型鋼代替鋼筋籠,省去了鋼筋的加工、綁紮、焊接的過程,減少了設備,節省了材料加工和堆放場地,方便現場材料採購和保管。
5、施工操作場地基本不受限制:由於成樁直徑小,受施工場地範圍制約影響少,對於空間狹小的基坑護坡工程,尤為適用。
6、施工成本低:由於樁徑相對較小,且體受力狀態好,材料用量少,成本費用較低。
操作原理
適用範圍
《長螺旋鑽孔壓灌混凝土後插型鋼支護樁施工工法》適用於小樁徑(樁徑範圍:200~40毫米)混凝土灌注支護樁的施工,樁長在5-30米範圍,同時也可作為建築物樁基。不受地下水位條件限制,地層適應性強,可用於黏性土、粉土、砂土、素填土、非密實的碎石類土等地層。
工藝原理
《長螺旋鑽孔壓灌混凝土後插型鋼支護樁施工工法》的工藝原理敘述如下:
在長螺旋鑽孔後插鋼筋籠灌注樁施工工藝的基礎上,用型鋼代替傳統的鋼筋籠,並對型鋼做簡單的加工,在鑽孔混凝土壓灌到設計標高后,通過特製的連線器上附著振打樁錘,下端連線型鋼,通過型鋼自重和振動力將型鋼振動插入混凝土樁體中,將型鋼送至樁設計標高,並將混凝土振搗密實。型鋼可選用工字鋼、H型鋼、鋼軌等,一般常選用工字鋼。由工字鋼的截面力學特性可知,X-X軸方向的抗彎剛度大、受力特性好,所以在工字鋼插入混凝土灌注樁體的方向應如下圖所示。
施工工藝
《長螺旋鑽孔壓灌混凝土後插型鋼支護樁施工工法》的施工工藝流程如下圖。
《長螺旋鑽孔壓灌混凝土後插型鋼支護樁施工工法》的操作要點如下:
一、施工準備
1.清理平整施工場地,按照總體場地施工平面布置圖劃分場地各施工功能區,達到“三通一平”,施工用的臨時設施及材料均準備就緒。
2.合理安排鑽機的進出路線和鑽孔順序,制定施工方案,做好技術交底。
二、樁位放線
1.根據平面控制點和高程控制點,在施工區域內布置並測設施工基線和水準點:
(1)覆核平面控制點和水準點。
(2)布置並測設施工
基線和
水準點,基點應布設在通視良好、不易被干擾和損壞的地方,並能有效覆蓋整個施工區域。基點套用混凝土墩製作,點位以十字銅頭標記,並設定明顯的保護標誌。
(3)施工期間定期對基線及水準點進行覆核。
2.根據設計圖紙的要求,用全站儀進行放線、定樁位,在地面做好標記,樁位誤差應符合《建築樁基技術規範》JGJ94的規定。樁位測放完畢後,由技術負責人組織質檢員、施工員、班組長共同對樁位進行檢查,確認無誤後方可與監理或甲方辦理預檢簽字手續。將水準儀架設在樁位附近,以便施工過程中控制鑽孔壓灌混凝土後插入型鋼的標高。
三、型鋼及振動連線器的製作
1.型鋼選擇:型鋼一般選用工字鋼,選用型鋼時應根據基坑穩定和變形的要求,計算截面彎矩和剪力,同時還應考慮樁身保護層厚度,型鋼的規格、樁長度等因素,並符合設計規範要求。
2.保護層的設定:樁身保護層的設定方法是用
扁鋼彎成園環並與工字鋼焊接,然後在圓環上焊接鋼筋保護層支撐,保護層支撐與樁土壁留20毫米間隙,在工字鋼的上中下分別設定保護層支撐,保護層支撐間距不大於5米。以20a的工字鋼為例,工字鋼保護層設定見後插型鋼樁體剖面下圖1。後插型鋼樁常用型鋼規格表及相應力學性能見下圖2。
3.加工起吊孔:在型鋼腹板中間距離頂端30-50毫米處,加工一直徑50毫米圓孔,用於起吊,見下圖。
4.振動連線器的製作:送樁器由振動錘、
連線器組成。連線器製作方法是:連線器上部為一段工字鋼,長約1500毫米,下部為一段鋼管,長約700毫米。連線器中的工字鋼分別與連線器鋼管和法蘭盤焊接在一起,連線器構造見下圖1。距鋼管上端200毫米處製作一貫通的60毫米×30毫米的矩形孔,配合用直徑20毫米的鋼筋製作的丁字形插銷吊裝工字鋼(下圖1、圖2、圖3)。
5.型鋼倒角:對型鋼下端翼緣處加熱後進行加工向內倒角,使不易與樁邊緣產生刮蹭,避免影響成質量(見下圖1、下圖2)。
四、鑽機就位
1.樁位放線後,鑽機應立即就位進行試鑽。鑽進時確保鑽桿的連線牢固,鑽機支撐平穩,鑽機鑽頭中心點保證和樁位點垂直。鑽機啟動前應將鑽桿、鑽尖內清理乾淨。
2.鑽機就位時必須保持機身平穩,不發生傾斜和位移。為準確控制鑽孔深度,應在機架上做出控制的標尺,以便在施工中進行觀測和記錄。
3.鑽機定位後,應進行樁位複測,鑽頭中心與樁位點偏差符合規範要求。
五、鑽進成孔
1.技術人員複測樁位後,鑽機開始鑽進成孔。在型鋼支護樁鑽孔施工前,宜先進行現場試鑽,根據試鑽的地質情況、鑽進速度等相關參數確定鑽孔控制標準。如需要穿越老黏土、厚層砂土、碎石土以及塑性指數大於25的黏土時,應進行試鑽。
2.開始鑽孔時,關閉鑽頭閥門,向下移動鑽桿至鑽頭觸及地面時,啟動馬達鑽進。
3.開孔時下鑽速度應緩慢;在鑽進過程中,不宜反轉或提升鑽桿;當遇到卡鑽、鑽機搖晃、偏斜或發生異常聲響時,應立即停鑽,查明原因,採取措施後方可繼續作業。
4.當鑽頭鑽至設定標高時,在動力頭停留位置處對應鑽機機身上做醒目標記,作為施工時控制樁長的依據。
六、製備、壓灌混凝土
1.混凝土的製備要求:
(1)壓灌用混凝土的強度等級應符合設計要求,混凝土和易性和流動度要求較高,一般情況下坍落度200±20毫米。
(2)拌制的混凝土所採用的骨料要清潔,不得含有泥土、草等雜物。
(3)碎石級配要符合要求;中砂級配合理,質地堅硬,顆粒清潔。
(4)嚴格按照申請批覆的混凝土配合比執行。
(5)混凝土投料偏差:水泥:±2%、骨料:3%、水:±2%。
2.壓灌混凝土:
(1)無論是採用商品混凝土還是現場製備混凝土,均應在開鑽前準備完成。鑽孔到達設計孔深後應立即向孔內壓灌混凝土。混凝土開始壓灌時,宜先提升鑽桿200~300毫米後,開始泵送混凝土。在確認鑽頭閥門打開後方可提鑽,提鑽速率按試樁工藝參數控制,提鑽速率與混凝土泵送量要相匹配,保持料斗內混凝土的高度不低於400毫米,並保證鑽頭始終埋在樁內混凝土面以下1000毫米以上。鑽頭提升到設計標高時停止壓灌,利用鑽桿內貯存的混凝土來排出樁頂上浮渣。
(2)壓灌樁的充盈係數一般土為1.1,軟土為1.2~1.3。為保證成柱質量,樁頂混凝土超灌高度不宜小於0.5米。
3.鑽機移位
(1)壓灌混凝土完成後,鑽機應迅速移位為吊放型鋼騰出場地。
(2)鑽機移位應由專人指揮,確保全全。
(3)由於鑽孔時排出的土較多,經常將臨近的樁位點覆蓋,有些還會出現鑽機支撐腳壓住未施工的樁位點,因此在下一根樁施工前,還應對樁位點進行覆核,確保樁位準確。
七、插入型鋼
1.吊車起吊型鋼時,先在原地調整,利用型鋼自重垂直於地面。
2.移位至柱頂後,進行型鋼就位、調直控制;在插入鑽孔混凝土前的過程中,吊車吊繩要保持一定的張力,確保型鋼準確就位,型鋼慣性矩較大的一面與護坡面保持一致,見下圖。
3.型鋼接近混凝土面時,開動振動器,使型鋼緩慢沉入混凝土至樁頂標高,吊車同時仍要保持一定的拉力。
4.在型鋼插入樁體混凝土的過程中,由專人採用兩台經緯儀控制垂直度,用水準儀控制頂標高,控制就位準確(下圖1、下圖2)。
5.在型鋼緩慢沉入混凝土至樁頂標高后,振動器應再振動2-3分鐘,以保證混凝土的密實度。
6.混凝土壓灌完成、鑽機移位後即進行後插型樁施工,如遇特殊情況,間隔不得超過2小時,應在凝土初凝前安插型鋼完畢,否則應重新鑽孔或者補樁。
八、清理鑽具和土方
中途停鑽或者施工完成,及時清理鑽具上的土以及鑽管內的殘留混凝土,清除型鋼樁連線器上附著的混凝土,以免影響機具性能。樁體混凝土達到設計強度值的60%~70%(常溫下,一般是在壓灌混凝土後3-5天)後,方可進行樁上部的樁間土挖除等清理工作,宜採用人工清運;樁體砼達到設計強度時,才能進行基坑開挖。
九、樁頂水平位移監測
根據基坑側壁安全等級、周邊環境及設計要求等制定切實可行的施工監測方案,經監理、設計、業主認可後實施對樁體結構水平位移進行監測,監測點的設定、監測方法和頻率均應滿足相關規範要求。
材料設備
一、《長螺旋鑽孔壓灌混凝土後插型鋼支護樁施工工法》所用的施工材料見下表。
二、《長螺旋鑽孔壓灌混凝土後插型鋼支護樁施工工法》的施工機具設備見下表。
質量控制
《長螺旋鑽孔壓灌混凝土後插型鋼支護樁施工工法》的質量控制要求如下:
一、執行的標準規範
《建築樁基技術規範》JGJ 94、《建築樁基檢測技術規範》JGJ 106、《混凝土結構工程施工及驗收規範》GB 50204。
二、質量控制措施
1、施工前應對型鋼、混凝土等原材料進行檢測,質量應符合國家標準規定,規格、強度等級應符合設計要求和施工規範的規定。主要試驗項目及配備檢測儀器見下表。
2、型鋼加工過程中,檢查型鋼上部腹板的吊裝孔、連線孔的尺寸和型鋼底端的翼緣板倒角處理,滿足施工要求。
3、施工前要合理確定鑽機行走路線圖,避免鑽機碾壓已完成的支護樁,造成質量隱患。
4、施工過程中應對鑽機成孔、混凝土灌注、型鋼的安裝等進行全過程檢查、監控。
5、混凝土的灌注必須連續,嚴禁出現中途間歇,造成斷樁。嚴禁將土及雜物和混凝土一起灌入孔中。
6、頂超灌高度不宜小於0.5米,樁間土宜採用人工清運。
7、質量標準的主控項目應滿足下表的規定。
| | | | |
| | | | |
| | 支護樁沿基坑側壁方向100毫米, 垂直基坑側壁方向150毫米 | |
| | | |
| | | |
| | | |
| | | |
8、質量標準的一般項目應滿足下表的規定。
安全措施
採用《長螺旋鑽孔壓灌混凝土後插型鋼支護樁施工工法》施工時,除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外,尚應遵守注意下列事項:
1、施工人員嚴格執行“安全第一、預防為主、綜合治理”的方針,嚴格執行國家和地方有關安全施工規範、規程。
2、對作業人員做好安全技術交底工作樹立良好的安全意識。
3、進入施工現場的人員必須正確戴好安全帽,按照規定正確使用個人防護用品。
4、夜間作業時,應有充足的照明措施。夏季作業時,應注意避開高溫、雷雨和大風天氣。冬季作業時,應避免雨雪天氣。
5、從事特種作業的人員,必須持證上崗,嚴禁無證操作,禁止操作與自己無關的機械設備。
6、電工負責施工現場全部用電設施、用電設備的接拆工作和現場安全用電檢查工作,對發現的用電安全隱患應及時上報項目部並提出整改措施。
7、鑽機操作人員應了解鑽機結構,熟悉鑽機性能,掌握鑽機操作技術,熟練掌握鑽機出現故障時的緊急處理措施。
8、鑽機安拆時,應先立鑽架後裝機,先拆機後拆鑽架;立架應從下而上,拆架應從上而下。鑽機運轉中,迴轉範圍內不得有人,同時操作者身體要避開並防止鑽具突然落下傷人。鑽機電源必須架空,照明器具與機架絕緣,遇暴風、雷雨時切斷電源停鑽機
9、混凝土輸送泵應停放在平整堅實的場地上,支腿底部應設定墊木,支架應平穩
10、吊車起吊型鋼時,必須由專人指揮。起吊時起重臂下不得有人停留或行走。起重臂、物件必須與鄰近的架空電線保持安全距離。起吊完畢後,起腿、迴轉臂不得同時進行。行駛時,應將臂桿放在支架上,吊鉤掛在保險槓的掛鈎上,並拉緊鋼絲繩。
環保措施
《長螺旋鑽孔壓灌混凝土後插型鋼支護樁施工工法》的環保措施如下:
1、在施工交底和班前會議中,應明確環保措施和獎罰制度,並在施工過程中加強監管和落實。
2、減少噪聲:嚴格按照夜間、白天施工噪聲控制標準控制作業;進入現場的挖土機、汽車不準鳴笛,現場大門處基槽坡道入口處,設定“不準鳴笛”的明顯標誌。採用低噪聲、低振動的施工機械施工,減輕噪聲擾民。保護現場圍牆不被破壞,以阻擋噪聲擾民。
3、防止粉塵:樁間土挖運應派專人灑水,外運土方車輛設洗車池。樁體棄土要及時運送到指定地點堆放,運土時要及時清理被污染的路面,避免產生揚塵。
4、合理處置生活和建築垃圾,保證不污染地方環境,注意保護綠地和現有植被。
5、工程完成後,按要求及時拆除工地安全防護設施和其他臨時設施,並將工地及周圍環境清理整潔,做到工完、料淨、場地清。
效益分析
《長螺旋鑽孔壓灌混凝土後插型鋼支護樁施工工法》的效益分析如下:
一、經濟效益分析
與傳統的後插鋼筋籠混凝土灌注樁比較,採用該工法進行混凝土灌注樁的施工,現場無鋼筋籠加工製作過程,無加工原料損耗和綁紮鋼筋的人工費用,可縮短約1/4的施工工期。對狹窄施工場地效益更加明顯,成本相對較低(見下表)。
二、質量效益分析
對於小孔徑長螺旋鑽孔壓灌混凝土後插鋼筋籠支護樁工藝,鋼筋籠的製作是一個比較複雜的過程,質量控制難度較大。小直徑鋼筋籠力學性能差,剛度低,在鋼筋籠的起吊和插樁內的過程中容易產生變形,質量隱患較多。而該工法的實施過程中不存在類似問題,成質量容易得到控制。
三、社會效益分析
該工法解決了空間狹小護坡工程中小直徑(200~400毫米)混凝土支護樁施工難題,套用空間廣泛。與傳統鋼筋籠加工焊接相比,該工法基本無焊接作業,對環境無污染、低碳環保無需降水,不影響地下水系,減少了設備投入。
套用實例
《長螺旋鑽孔壓灌混凝土後插型鋼支護樁施工工法》的套用實例如下:
一、西安綠色家園住宅小區Ⅱ標段工程
總建築面積174840平方米,由地下車庫、6棟住宅樓、1棟商業樓組成。該工程地下2層,基坑深度為10.65米,由於基坑南側空間狹小,且距離已有建築物較近,根據場地條件,基坑南側全部採用長螺旋鑽孔壓灌混凝土後插型鋼支護樁工藝進行護坡施工,總計167根。該工程所處地理位置土質較差,屬弱濕陷性土質地區。護坡樁施工由2010年6月30日開始至7月21日全部完成。經過對樁頂位移觀測,水平最大位移為1.2厘米,滿足設計要求。
二、中國科學院電子學研究所科研綜合樓基坑支護工程
位於北京市海淀區中科院中關村3號園區內,中關村北二街與中關村北二條交叉路口西南角。建築面積約24124.01立方米±0.00相當於絕對標高51.75米,室外自然地面標高約為51.40米,基坑開挖深度為10米基坑西側鄰近電子所總裝技術樓,樓高4層,底板外邊緣距離該工程地下室結構外牆皮為1.35米(局部約18米範圍內為0.51米),基礎埋深-5.80米,底板厚度800毫米,底板伸出採光井外牆500毫米。地下防水層厚度為40毫米,此建築物建於2002年。基坑南側為電子所試驗樓,樓高3層,結構外皮距離該工程地下室結構外皮為4260毫米,基礎埋深-2.00米,建於20世紀50年代,為磚混結構。
本基坑支護的難點和重點在西側和南側。西側電子所總裝技術樓的底板外邊緣距離該工程地下室結構外牆皮為1.35米(局部約18米範圍內為0.51米),施工空間極其有限(見下圖1~圖2)。南側電子所試驗樓的結構外皮距離該工程地下室結構外皮為4260毫米,且為磚混結構,對差異沉降比較敏感。因此,西側和南側支護不僅要保證現存建築物的絕對安全,而且同時要考慮總裝技術樓與擬建科研綜合樓距離太小帶來的施工困難,在設計上該範圍內的基坑邊坡應按變形控制進行,施工工藝上應儘可能控制振動和噪聲。基坑西側採用長螺旋鑽孔壓灌混凝土後插型鋼施工工藝,樁徑300毫米,樁身採用20b工字鋼。設定2排預應力錨索,基坑施工完成後,對頂進行了位移觀測,水平最大位移量0.5厘米,滿足了基坑變形要求,施工現場及效果見下圖3、下圖4。
三、北京合生馬駒橋商業金融E1區項目
位於北京市通州區馬駒橋,北臨姚村南路,東依小白村西路,南靠國家環保園區大道,西鄰環科大道。擬建工程包括E11、E12、E15-E18高層公寓、E13地下車庫及附屬裙房,E11、E12、E15-E18地上14層,地下2層;E13車庫地下2層;其中高層公寓為框架剪力牆結構,筏板基礎;其餘為框架結構,獨立基礎。該工程±0.000=27.400米。根據勘察報告顯示,場地平均地面標高約為25.90米,相當於±0.000以下1.50米。E13號地下車庫基坑底標高原設計為-9.06米,基坑開挖支護已經完成後,由於設計變更。E13號車庫東側16軸交A-N軸發生變更,原設計基底標高-9.06米變更為-11.06米,原設計基坑支護方案不能滿足安全要求,但該部位基坑支護已按原設計方案施工完畢,故需要對該部位基坑支護重新進行設計加固。
基坑工程原設計深度7.7米,採用土釘牆支護土釘長度4.0-6.0米,1:0.3放坡。該工程基坑深度加深至9.7米,且加深2米高度不允許放坡,只能採取直立邊坡,故在原邊坡坡腳部位設定一排微型護坡樁,採用長螺旋鑽孔壓灌混凝土後插型鋼施工工藝,樁徑300毫米,樁長4.0米,樁身採用20a工字鋼。嵌入深度1.44米,並在-5.5米和-8.4米標高各設定預應力錨桿一排,見下圖。基坑施工完成後,對樁頂進行了位移觀測,水平最大位移量1.1厘米,滿足設計要求。
榮譽表彰
2011年9月30日,中華人民共和國住房和城鄉建設部審定《2009-2010年度國家二級工法名單》,以建質[2011]154號檔案公布,《長螺旋鑽孔壓灌混凝土後插型鋼支護樁施工工法》被評定為中國國家二級工法。