上海12号线关键技术应用：围护施工

3.4.3.1　低净空近距离钻孔桩施工技术

车站主体及南侧附属结构下穿高架段围护与立柱桩为φ1000mm（φ800mm）钻孔灌注桩形式。由于高架最低处净空仅4.8m，采用普通钻孔桩设备无法满足低净空施工要求，为此通过采取以下技术措施使工程能够如期顺利进行：

1.成孔前施工技术

1）桩机、配套设备选型及改造

直径1m以下的钻孔灌注桩常用施工设备为GPS型桩机，其型号主要包括10型、15型、20型三种，各型号施工参数见表3-53。

表3-53　各型号施工参数表

GPS-15、20型桩机底盘较稳定，在成桩垂直度方面控制比GPS-10型稍好一些，但鉴于这两种桩机都无法改造成矮桩架，而10型桩机能够将机架改装至5m高度，且能够满足本工程成桩的其他要求，因此本工程选用GPS10型桩机。同时为满足低净空施工要求，围护施工区域内还需挖除面层土约1 m。10型桩机相应的主钻杆，圆杆也由6m改短至3m。改造后的钻孔桩机见图3-112。

2）确定钢筋笼、格构柱分节

3号线下φ1000围护桩长度为23m、36 m两种，φ800立柱桩有效桩长38m。钢筋笼和格构柱长度原则上统一划分为3～4m一节。钢筋笼和格构柱采用焊接连接。具体分节尺寸如下：

（1） 23 m围护桩钢笼长度为22.4 m，分8节3m对接。

（2） 36 m围护桩钢笼长度为35.4 m，采用12节3m和1节2.04 m对接。

（3）主体结构立柱桩钢笼长度为38.2 m，采用13节3m和1节2.06 m对接。格构柱长度为19.5 m，采用4节4m和1节3.5 m对接。

（4）附属结构立柱桩钢笼长度为38.2 m，采用13节3m和1节2.06 m对接。格构柱长度为11.5m，采用2节4m和1节3.5 m对接。

2.成孔施工技术

1）成孔垂直度控制措施

垂直度控制是钻孔桩围护成孔质量的关键指标，也是钻孔施工中需解决的最大难题，由于10型钻机在垂直度控制方面也不存在优势，而且在钻机改造后这一问题更加突出。一般情况下影响成孔垂直度的主要原因有：

（1）护筒埋设不到位，桩自身变形或护筒中心与桩中心位置偏差较大。

（2）钻杆自身刚度低、杆壁薄、重量轻，钻进中挠度过大，钻头自由摆幅过大。

（3）钻杆改短加接钻杆次数增多，连接时法兰螺栓松动，造成钻头摆幅过大。

（4）钻机底座位移或不均匀沉降，使得钻杆未保持铅直状态。

（5）钻压过高，导致钻头承压歪钻。

为了解决成孔过程中极易出现的成孔垂直度偏差问题，我们采取如下技术控制措施：

（1）对每根钻孔桩桩位进行准确放样并做好栓桩工作，按要求设置护筒，护筒须伸入原状土或未扰动的土层内。

（2）钻机就位后，钻机底座保持平衡和牢固，同时校正钻架的垂直度。钻机塔架头部滑轮组、回钻盘中心与钻头中心在同一铅垂线上。

（3）钻头应在吊紧状态下钻进，观测、检查钻机的垂直、水平度和转盘中心位移，同时掌握好起重滑轮组钢丝绳和水龙带的松紧度，减少桩机晃动。

（4）加接钻杆时，应先将钻具提离孔底0.2～0.3 m，待泥浆循环2～3 min后，再拧卸接头加接钻杆，确保加接质量。

图3-112　低净空条件下施工设备

（5）成孔全程减压钻进，使钻杆保持垂直自由状态。钻进过程中根据钻机负荷、地层的变化、钻孔深度、含砂量等具体情况实时调整成孔速度。成孔钻进指数详见表3-54。

表3-54　钻进控制指数表

（6）每根桩完成后都必须进行桩身垂直度检测，根据检测结果在后续围护桩施工过程中调整成孔垂直度控制的技术措施。

2）预防成孔坍孔、缩颈等技术措施

由于低净空钻孔桩围护钻杆、钢筋笼等都进行了改短处理，各工序工时需比平时增加1倍以上，这对泥浆护壁性能提出更高的要求，泥浆质量控制不好，极易引起坍孔、缩径等成桩质量问题。通过采取以下措施减少成孔过程中发生坍孔和缩颈的可能性：

（1）成孔开始前做好准备工作，成孔一次不间断完成，不得无故停钻，禁止隔夜孔出现。每根桩成孔完毕至浇筑混凝土间隔时间不大于24 h。

（2）钢筋笼焊接需要花费较长的时间，在保证焊接质量的前提下加快焊接速度，减少成孔过程中的等待时间，每个工作面配备两台电焊机同时作业。

（3）试配、调制优质泥浆，采用原土自然造浆与膨润土相结合的泥浆护壁，以提高泥浆的护壁能力。施工过程中泥浆性能指标严格按表3-55执行。

（4）在容易缩径的地层中采取钻完一段再复扫一遍的方法。在提拔钻具时，发现有受阻现象的孔段，应及时纠正。

表3-55　泥浆性能控制表

3.混凝土浇筑质量控制措施

混凝土浇筑存在的主要问题是按照同一配合比拌制的混凝土坍落度偏差过大造成离析。在浇筑过程中，由于坍落度不一致，也可能造成混凝土上升速度不一致，从而造成混凝土表面沉淀不均，产生夹沙裹泥。采取的主要技术措施有：

（1）根据成孔检测曲线，合理确定不同部位浇筑速度。在笼底、孔壁突变等处控制浇筑速度。

（2）对混凝土导管进行重点检查，每根导管必须备有密封圈，导管连接后的性能检测合格后方可施工。混凝土浇筑间隙，适当上下活动导管。

3.4.3.2　低净空近距离MJS桩施工技术

1.低净空近距离条件下止水帷幕的选择

下穿高架段钻孔桩围护外的止水帷幕由于其施工位置紧贴3号线高架而且高架净空仅5m，使得施工方式的选择也受到限制，在低净空且周边环境保护要求较高的情况下，MJS工法桩是唯一的选择。MJS工法桩施工设备详见表3-56。

表3-56　MJS工法桩施工设备表

MJS工法可以进行超深度加固，水平地层或倾斜地层加固。整个系统最大的特点是通过一种位于高压喷射口端头的排泥吸嘴与能测量地基内压力的传感器，使深处排泥和地内压力得到合理控制，地基内压力保持稳定，也就降低了在坑外止水帷幕施工中引起地表变形的可能性。

1） MJS工法桩施工参数

MJS工法桩施工参数详见表3-57。

表3-57　MJS工法桩施工参数表

2） MJS施工流程

（1）根据图纸准确放样；

（2）采用钻机钻导孔或MJS工法钻机自行成孔；

（3）数据记录仪在地面或基坑内无荷载情况下清零，并依次开启回流水、回流气、排浆阀门、主气、浆，确认管路通畅；

（4）分节拼装钻杆、同步连接数据线、检查钻杆密封圈并确认数据显示正常；

（5）钻杆到达预定位置后，根据工艺要求试开启回流水、回流气、排浆阀门，确认排浆及地内压力数据正常后，再依次开启主气、浆；（6）按预设参数摆动，再次确认各项技术参数达到设计要求、地内压力正常、排浆正常后提升或回抽钻杆，在施工过程中如出现地内压力异常，应及时调整；

（7）喷射施工完毕后立即拔出钻杆，并用水冲洗浆液管路。

2.小角度MJS隔离桩的应用

车站下穿高架段采用钻孔桩围护，由于钻孔桩围护与3号线原桩基仅1.2 m距离，结合土质情况有20 m以上在砂性、粉性土中，围护成桩过程中极易发生坍孔、缩颈等现象，引起桩周土体水平位移，从而导致原PHC桩基桩侧摩阻力损失，严重威胁3号线的安全运营。

先做MJS止水帷幕后做钻孔桩围护，可以解决成孔过程中坍孔、缩颈对3号线桩基的影响。但由于止水帷幕施工位置有限（围护外侧与3号线桩基距离仅1.2 m），而MJS最小桩径为1.2 m，因此施工过程中一旦控制不慎就容易侵入钻孔桩施工区域，围护成桩过程中两侧土体软硬不均，将会影响成桩垂直度。

有两种方案可以解决这个问题，一种是在MJS工法桩内成围护桩，另一种是小角度MJS隔离桩。但是根据现有数据和已知案例并不能够为这两种方案的选择提供依据，故我们通过现场试验验证两种方案的可行性。

1） MJS工法桩内成围护桩(www.xing528.com)

（1）试验方案。

由于钻孔围护桩与MJS工法桩是两种工序，试验需要解决成孔的时间、能否成孔、成孔后的垂直度、剩余加固体的隔离效果这几个关键问题。MJS工法试桩为2根φ2400mm全圆摆喷，桩长为36 m。钻孔围护试桩桩径φ1000，桩长同MJS工法桩。

（2）试验结论。

①成孔的时间。

围护桩成孔的时间需要取决于先施工的MJS工法桩强度，我们根据以往MJS工法桩的经验，14 d后的强度预计在0.8 MPa左右，21 d后的强度预计在1.2 MPa左右。强度小于0.8 MPa时围护成孔即使完成剩余加固体也起不到隔离作用；强度大于1.2 MPa时围护极有可能无法完成成孔。因此我们决定在MJS工法桩完成14 d，21 d后分别进行成孔。

②成孔的成功率。

我们总共进行了4根围护桩的成孔试验工作，MJS工法桩完成14 d及21 d的各做2根围护桩，试验结果为：仅14d的成功了1根桩，其余3根均未成孔到位，成功率偏低。

③成孔的垂直度。

对仅有的1根成孔到位的桩进行垂直度检测，检测结果发现垂直度有偏差且在某些地层中也有较大的坍孔，剩余隔离体并未起到明显的隔离作用。

2）小角度MJS隔离桩

（1）试验方案。

小角度扇形隔离桩对施工机械要求较高，施工机械损耗程度及小角度MJS桩是否成桩，桩体强度是否达到设计要求都需要通过试验来确定。试验桩摆喷角度设置为25°，3根直径2400mm间距800mm，桩长为36m。

（2）试验结论。

①施工机械损耗。

随着摆喷角度减小，MJS桩的提升速度由40 min/m减小到167 s/m，增加了设备损耗的可能性。我们按此技术参数连续进行3根小角度MJS桩试验，机械设备能够满足施工要求。

②桩体外观观察。

根据完成后的外观情况，25°隔离桩能够成桩，成桩角度为30～35°，弦长接近°70cm，桩体外观详见图3-113。

③桩体取芯。

桩体取芯的位置为两根MJS桩体搭接处，取芯结果为q u（28）=1.25 MPa，能够达到隔离桩设计强度要求，因此小角度MJS隔离桩是可行的。

图3-113　小角度MJS隔离桩外观

（3）实施方案。

为了减少排桩围护施工期间对3号线原桩基的影响，实际施工时我们在主体围护与3号线原桩基之间施做一排25°扇形摆喷，直径2400mm间距800mm，深度同钻孔桩深度。小角度MJS隔离桩布桩详见图3-114。

（4）实施效果。

MJS隔离桩及钻孔桩围护施工期间3号线高架监测数据如图3-115所示。

图3-114　主体MJS隔离桩布桩示意图

图3-115　监测数据分析

根据监测数据分析，MJS隔离桩施工期间3号线高架沉降几乎没有变化，钻孔桩围护期间3号线高架沉降小于0.5 mm。小角度MJS隔离桩在3号线高架基础旁施工对其影响很小，同时隔离桩完成后也起到了隔离钻孔桩围护对3号线高架的影响。

3.MJS止水帷幕布桩形式的调整

下穿高架段钻孔桩围护之间存在桩间土，根据土质情况，车站范围内有20m以上的⑤2层土分布，坑内降水可能无法将桩间土中的水位完全降到指定目标，当基坑开挖见底时该部位存在较大的渗漏水安全隐患，若采用常规180°摆喷间距1700mm布桩，则围护桩与MJS桩桩径不同，模数不匹配，将导致某些围护桩的桩间土无法处理，因此我们在本工程施工中调整布桩形式，采用对桩缝进行135。摆喷，将围护桩与MJS工法桩模数匹配，布桩形式调整为φ2400 mm＠1200mm，使每条缝的桩间土都能够得到处理。两种MJS止水帷幕布桩形式详见图3-116、图3-117。

图3-116　180°摆喷布桩图

图3-117　135°摆喷布桩图

3.4.3.3　浅层松散土层三重管高压旋喷桩技术改良

龙漕路南侧附属结构基坑部分围护外止水帷幕采用双排φ1200mm＠900 mm三重管旋喷桩，该施工区域紧贴围墙，围墙外为社会道路及地下市政管线，而且根据地勘报告地面以下2～4m范围原为人防基础，经过处理有大量回填土。在此条件下旋喷桩施工不可避免地会使周围地层产生较大的隆起，从而威胁地下管线的安全。旋喷加固常用形式为双重管法与三重管法，其中双重管法利用钻杆深入土体中，喷射浆、气两种介质直接挤压土体；三重管法则利用同轴的高压水流及空气切削土体，再由泥浆泵注入低压水泥浆液，土体中的压力由泄压孔释放，水泥浆不直接挤压土体，相对而言三重管法对土体挤压作用较小，为此我们选用三重管法施工，并且在施工之前预先采取措施：将导孔孔径由110mm扩大为150 mm并将所有导孔一次性打至加固底标高泄压，然后在围墙内开一排沟槽释放地内压力，并且施工过程中严格按照三重管高压旋喷桩操作流程（详见图3-118）进行施工，技术参数详见表3-58。

图3-118　三重管高压旋喷桩施工流程

表3-58　三重管高压旋喷技术参数

1.产生问题

虽然我们预先采取技术防范措施，严格按照操作流程和技术参数进行施工，但仍发现施工区域返浆不顺畅，距离施工地点很远的位置甚至围墙外人行道都开始冒浆，导致地面隆起情况严重（从第一根桩开始地面就有明显抬起），且旋喷完成后隆起回落值并不明显，使施工围墙产生很大的裂缝，路面抬升影响行人通行。

2.分析原因

三重管高压旋喷桩施工原理是使用分别输送水、气、浆三种介质的三重钻杆，以高压泵产生的大于20 MPa的高压水喷射流周围，环绕一股0.7 MPa的圆筒状高压气流，喷射流和气流同轴冲切土体，形成较大的空隙，再由泥浆泵注入低压水泥浆液进行填充，当喷嘴作旋转和慢速提升运动时，便在土层中凝固成直径达到设计要求的旋喷加固体，所以起到围护外止水帷幕或土体加固的目的。

由于三重管法排浆是通过钻杆周边的间隙在地面上自然排出，因此必须要保证排浆通道通畅才能正常返浆。当地层中存在较为松散的土层时，钻杆提升会不断地将松散回填土带落至孔口直至返浆孔堵塞，一旦浆液的正常返浆渠道被堵住后，浆液会寻找最薄弱和松散的土层不断窜入填充空隙，当空隙填满后最终的结果就是周围地层隆起、地面开裂。旋喷桩原因分析详见图3-119。

3.技术改良

根据上述原因分析，导致地面隆起的最根本原因还是返浆不畅，因此我们通过采取以下技术改良措施，保证返浆口顺畅并能够从原孔返浆。改良措施原理详见图3-120。

图3-119　三重管高压旋喷桩地面隆起问题原理图

图3-120　旋喷技术改良措施原理图

（1）增设PVC套管：针对浅层有近4m松散土层的情况，设置长5m、直径160 mm的PVC套管，将套管插入下层黏土层中。PVC套管可以在旋喷施工时起到护壁作用，防止松散土层坍落至孔口，从而堵塞返浆口。

（2）再次扩大反浆孔：将之前已经扩孔的150 mm直径再次扩大至200 mm。扩孔后首先保证PVC套管能够放置于孔口内。其次再次扩孔后，理论返浆量又可以得到提升，浆液再向其他区域流窜的可能性减小。

（3）原孔返浆：施工过程中指定专人密切注视返浆情况，一旦发现其他引孔或远处区域有冒浆情况，立即停止喷浆，将旋喷钻杆上下提拉几次，使返浆口通畅后再开始喷浆。

4.实施效果

施工前我们沿围墙周边共布设4个地面沉降观测点，编号为A1～A4，监测点平面布置图见图3-121。

图3-121　监测点平面布置图

通过对图3-122和表3-59的数据分析，高压旋喷桩从9月6日开始施工至9月10日，沉降数据反映地面隆起情况相当严重，累计隆起值接近4 cm。在此期间我们按照正常的流程进行施工，选用的技术参数也符合规范要求，并且按每天1根桩的速度施工，但地面隆起未得到有效控制。9月10日采取技术改良措施后，不仅施工速度提升为每天3根桩，而且隆起情况已有明显改善，甚至地面略有沉降，表明本次三重管高压旋喷桩经技术改良后取得了良好的效果。

图3-122　监测点沉降曲线图

表3-59　采取技术改良措施前后隆起累计统计表单位：mm