复杂环境下的桩基无损清障施工技术研究
苏州新区污水处理厂迁建与综合改造工程
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摘 要
摘要：针对盾构推进前方障碍物（废弃灌注桩）埋深大、土体易坍塌及周边环境变形控制要求高等特点，在比较不同清障方法的基础上，选用全回转机全套管跟进钻孔进行无损清障。工程实践表明：被清除桩桩孔周边管线最大沉降为 5 mm，差异沉降为 2 mm，满足管线变形控制要求；盾构隧道以上 6 m之内的旧桩孔内采用了水泥掺量30%的水泥土充填，其强度既能保证盾构正常向前推进，又能避免推进过程中隧道上部的桩孔土体塌陷。成果可为城市轨交清障工程 提供借鉴与参考。
关键词：桩基；无损清障；全回转钻机；回填；变形控制
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研究背景
地下工程施工过程中常遇到地下残留的旧钢筋混凝土 结构、围护锚桩及工程桩基等障碍物，进而影响盾构推 进及桩基或地下连续墙等新的结构物施工。地下障碍物的 清除引起周边环境的变形，已成为地下工程施工中棘手的 问题。而障碍物的清理施工方法和设备选型受实际工程 自身特点影响极大，依据现有的施工经验分为有损清障和无损清障2种类型。
有损清障法适用于对周边环境变形控制要求较低的工程中，而本文背景工程周边环境复杂，对变形控制要求较高，需采用无损清障法，故如何寻求一种快速、有效的清障施工方法，是当前最需要的推广应用价值。本文以苏州新区污水处理厂迁建与综合改造工程为背景，详细介绍了一种无损清障法——旋转挖掘式全套管工法，该方法对旧桩进行无损清障施工及清障后孔洞回填材料的选择对后期盾构推进无重大影响。
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工艺原理
全回转钻机在施工时产生向下压力和扭矩，这种压力和扭矩会驱动钢套管转动，从而借助高强刀头对周围土体、岩层及障碍物进行切削，在钢套管向下钻入的同时， 使钢套管内的土体与灌注桩发生分离，破坏土体和桩体之间的侧阻力强度。在钢套管钻入桩底以后，利用全回转钻机的自身拔力将钢套管和灌注桩向上顶升，在升至某种程度后便可利用吊车将桩体吊走。
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工程实例
3.1 工程概况
苏州新区污水处理厂迁建与综合改造工程位于竹园路与运河路路口。拟建的轨交5号线将穿越该工程东侧进出口通道下部，其间因规划需要，轨交区间隧道标高调整，致 使局部桩基底部已进入隧道区间内，为不影响后期轨交5 号线正常建设，需要在盾构机推进前将影响范围内灌注桩进行保护性清障且回填材料强度既能保证盾构正常向前推进，又能避免推进过程中隧道上部桩孔土体塌陷。进出口通道桩基为钻孔灌注桩，影响盾构推进工作的 灌注桩为C003、D001、D002、D004、D007、D008共6根 钻孔灌注桩桩，其直径为600 mm，桩顶标高4.90 m，桩底 标高－18.10 m，有效桩长23.0 m，混凝土强度等级为水下 C35。单桩竖向抗拔承载力特征值为640 kN。盾构隧道顶标 高为－17.50 m，桩底进入隧道内0.60 m。C003桩基与隧道 平剖面相对位置关系如图1所示。
3.2 水文地质条件
3.2.1 地质条件拔桩深度范围内土层主要有①2杂填土、③1黏土、③2 粉质黏土、④1粉土、④3粉质黏土及⑤粉质黏土夹粉土。
3.2.2 水文条件 本场地地下水主要为潜水、微承压水。潜水稳定水位标高1.55～1.63 m；微承压水主要赋存于④1粉土、④2粉砂 夹粉土层中，⑤、⑥、⑦层富水性及透水性较好，稳定水头标高0.64～0.91 m。
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技术难点
4.1 扩径现象严重
本工程场地④1粉土层为含水层，渗透性较高，埋深8.6～11.0 m。据周边已施工的工程桩可知，其扩径现象比较严重，故施工工艺选型要考虑灌注桩扩径的影响。
4.2 周边环境复杂
拔桩所在位置紧邻竹园路辅路，下埋排水管道、电力设施及燃气管道等，因此需考虑拔桩对周边市政管线的变形影响。
4.3 桩周土体易坍塌
盾构推进过程中，会引起上部土体扰动，若原灌注桩孔洞底成渣过厚可能导致土体塌陷至隧道内，进而影响盾构机施工。
4.4 孔洞回填材料的选择
拔桩以后，桩孔回填材料及质量需要进行控制。回填材料强度偏低，可能会引起坍塌。回填材料强度偏高，可能阻碍盾构机的正常推进。
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方案选型分析
5.1 受力分析
本工程需要拔除的灌注桩长度达23 m，为提高拔桩效率，尽量将桩体整体拔除，故需对其抗拔强度进行核算：桩自重162.5 kN，侧摩阻力为970.8 kN。起吊灌注桩的受拉设计承载力480 kN＜（桩自重＋1/2侧摩阻力）=647.9 kN，即采取强制拔桩，单桩呈破坏状态，对周边土体扰动较大。因此需采取减小侧摩阻力（减小至635.0 kN）的措施，方可整体拔除该钻孔灌注桩。
5.2 施工流程及操作要点
5.2.1施工流程
旧桩定位→套管回旋压入→起吊旧桩→起拔套管→回填桩孔
5.2.2操作要点
旧桩拔除施工时，首先采用回旋压入全套管，把旧桩与周围土体剥离，然后采用吊车整体吊装出旧桩，最后回填桩孔。
1）减小侧摩阻力。本工程钻孔灌注桩φ600 mm，考虑到④1粉土扩孔影响，套管选择φ1 500 mm，利用360°旋转的旋转动力装置驱动拔桩钢套管高速旋转，充分发挥钢套管内齿、中齿及外齿钛合金切削土方及障碍物的性能，开挖旧桩周围土体或障碍物，以使套管旋转至桩底，使旧桩与地下土体分离，进而减小侧摩阻力。原扩孔后灌注桩与套管头相对位置如图2所示。
2）吊装。在旧桩与周围土体或障碍物剥离后，下放钢丝绳；在绳索下放就位后，利用绳索锁紧旧桩，再采用2台吊车把旧桩整体吊装出地面。旧桩起吊如图3所示。
3）孔洞回填。拔桩后，为防止坍孔，需尽快做回填处理。本工程难点主要在于：回填材料不密实，强度太低会因后期盾构机推进过程中振动引起土体塌陷。回填强度太高，影响盾构正常推进。回填方案经过多次优化，填充材料具有如下特性：
①盾构机推进影响范围内回填材料需达一定强度，既不可因强度过高无法推进，又不能因强度太低而导致土体的塌陷。
②回填材料需要经济型，避免资源浪费。综合考虑，隧道以上6 m范围内，回填材料的质量配合比通过试验确定为水泥∶水∶黏土=65∶39∶177；其上采用黏土回填至原灌注桩桩顶。
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检测分析
桩基北侧竹园路辅路下埋各类市政管线，桩基清除前，在桩基清除区域周边管线上布设沉降监测点，无损清障过程中派专人巡查。监测频率每天2次，监测数据报至相关单位，共同分析清障所致周边环境变形影响。图4、图5为拔桩区域周边沉降监测点平面布置图与周边土体竖向位移曲线图。由图可见，周边土体竖向位移为5 mm，差异沉降为2 mm，满足市政管线变形保护控制要求。
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结 语
施工经验表明，全套管护壁拔桩施工工艺是一种较为先进适用的清障方法，能满足复杂地层下扩径后钻孔灌注桩的清障施工。
对于存在透水性较强砂层的钻孔灌注桩的拔除，需要考虑扩径的影响，根据前期试桩试验预估扩径大小选择合适的套筒以满足压入要求。
盾构隧道以上6m之内采用水泥掺量30%的水泥土回填，其强度既能保证盾构正常向前推进，又能避免推进过程中隧道上部桩孔土体塌陷。
采用全回转机全套管无损清障法对周边环境影响较小，桩孔周边市政管线变形最大值仅为5mm，差异沉降为2mm，该工法对环境影响降至最低。
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