某桩基工程施工清障方案比选

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  摘要:本文先介绍了某桩基工程的各类背景情况,提出了施工中遭遇偏离地质勘察设计文件地下障碍物影响,列举了清除地下障碍物的技术方案及其特点,从工程质量、进度、安全文明、投资目标控制角度进行定量和定性分析,通过综合比选形成最终清障方案,实施后给出效果评价。
  关键词:桩基工程;障碍物;方案;比选
  1.工程背景
  1.1工程概况
  某城市火车站配套邮政转运站大楼工程,用地红线面积9622㎡,地下3层,地上12层,裙房4层,建筑总高49.9米。建筑面积52111㎡,其中地下建筑面积18521㎡。本工程基坑呈长方形(见图,图中出土口为北侧),东西向长约66米,南北向长约104米,基坑占地面积约6938㎡,围护周长约333米,基坑开挖深度为16.05~18.85米,坑中坑局部加深1.25~2.80m。
  1.2桩基简况
  工程桩:Φ800钻孔灌注桩398根,以8-3圆砾层为持力层,桩底采用后注浆工艺,有效桩长36米。围护桩:Φ1000@1200钻孔灌注桩作排桩支撑,共277根,设计桩长38米;Φ850@600三轴水泥搅拌桩作止水帷幕,共279幅,有效桩长21.6米,水泥掺量24%;坑内水平支撑立柱桩采用型钢格构柱埋入钻孔灌注桩,利用工程桩12根,新增Φ800支撑桩12根;电梯井坑中坑采用Φ850@600三轴水泥搅拌桩加固,共576幅,有效桩长6-10米,水泥掺量22%;其中钻孔灌注桩设计允许采用GPS-10型桩机成孔工艺。
  1.4周边环境
  本工程场地目前南侧为火车站东广场工地,与围墙紧贴的是施工中的城市主干道路下穿隧道,其结构已完成,下穿隧道距离基坑边约为27米;场地东侧为未出让地块,该地块内目前搭设有其他承包商的彩钢板活动房,层数为两层,活动房距离基坑边约为20米,距离基坑边约58米有电力、污水及煤气的管线;场地北侧为规划城市次干道路,距离基坑边约为12米;场地西侧为其他承包商的临时办公区域,为原先遗留的三幢学校建筑,层数3层,距离基坑边约为40米。本工程临时用水水源位于场地北侧,临时用电电源位于场地南面东侧(配备有2×315KVA变压器及临时租借1*200KVA变压器),场内空间非常狭窄。
  2.问题提出
  2.1现象
  工程桩试成桩时,自然地坪下遇地下障碍物使成孔受阻,最深处达8M,采用土方反铲挖掘机开挖后,发现桩位上部土层是大量建筑垃圾回填料,其中较多达50-80 cm以上大粒径的混凝土块和砖砌体块,同时发现有Φ500的厚壁预应力管桩,局部地表下1.5-1.8米处有混凝土地坪。
  2.2直接原因分析
  在钻孔桩机成孔钻进过程中,在钻头范围遇较大粒径的硬物,或裹挟、或侧咬,该硬物成为钻头附着物切削周边土体,令钻头偏心受力十分强烈,桩机本身提供的扭矩无法克服而被迫停机。如强制进尺将使桩机受损,或扭断钻杆(头),或烧毁电机,必须采用其他技术解决桩基成孔难题。
  2.3地质勘察报告描述
  本工程地质勘察报告地表杂填土描述:主要成分为碎块石、混凝土块、碎砖等建筑垃圾,含量一般为40-80%,粒径大小不均,一般3-10cm为主,大者达20-30cm以上,以粉土充填,表部多分布15cm左右厚度的水泥地坪,钻孔揭示层厚2.40-5.00米。
  2.4地块历史情况调查
  因地块实际情况与地质勘察报告描述偏离较大,则向城建档案馆查询,没有获得该地块上建筑的任何历史档案。初步判断该地块原处城郊结合部,有过带池塘农用土地的使用状态,改革开放后村办企业活动踊跃,本地块填平建成自用工业性质建筑,则有埋深达8米的障碍物,却无城建建筑档案。本地块因建城市火车站被征用,地表建筑被拆平,留下大量建筑垃圾,根据管桩在本地大面积应用是近15年的事,原建筑等级较高,则对新建工程障碍较大。本地块曾作为其他工程承包人的生活区,则有表部混凝土地坪。
  3.清障技术方案罗列
  3.1地表土层处理
  针对场地钻孔灌注桩施工遇地下漂浮固体障碍物时,通常先探明地下障碍物,即采用挖掘机开挖土体,清理障碍物后回填土体,再进行桩机成孔施工。挖掘机清障时犹如挖灶埋锅,障碍物埋深越深则锅口越大,地下水的影响使挖深与施工难度正相关。
  3.1.1维持自然地坪。保持自然地坪状态,挖掘机和桩机均在自然地坪上进行施工操作。其优点有:迅速进入桩基工程施工状态,施工总平面布置按自然地坪进行,不必考虑地下水位对土体的影响,有利于施工平面布置和材料运输。其缺点有:挖方回填区域土体松软使地面承载力严重不足,对成桩质量有负面影响;地下障碍物埋深较大时挖土工作量较大,引起上口部过大而影响障碍物周边桩位施工;邻近桩位有障碍物时,清障发生大量重复挖土工程量;因施工难度较大,对进度、投资和安全文明目标控制也十分不利。
  3.1.2先行卸土。将地表大于地下室投影面一定范围的一定厚度的土层先行挖除,挖掘机和桩机均在下降后的地坪上进行施工操作,经查核地下水位长年在地表下2.5米,则考虑先行卸土2.0米。其优点有:因清障深度减小使每次挖土工作量变小,施工难度也明显降低,有利于桩基工程施工质量、进度、投资和安全文明目标控制。其缺点有:必须先进行土方工程后才能进入桩基工程施工状态;红线地块内发生两个标高,使地块有效利用率降低,既必须保证有围护桩工程施工操作面,也必须考虑地下水位对土体的影响,不利于施工平面布置和材料运输。
  3.1.3置换土。开挖出带障碍物的全部土层,进行必要的土方初选,部分好土留下,将影响桩机成孔运行带障碍物的土方外运,回填不影响成桩的好土。其优点是:一次性处理地下障碍物,使成桩工作较为顺利;施工总平面布置按恢复的自然地坪进行,有利于施工平面布置和材料运输。其缺点是:必须先进行土方工程后才能进入桩基工程施工状态;挖土时必须考虑地下水位对土体的影响,必须设置临时降排水设施;挖土周期较长,换土后土体松软影响成桩质量;因换土工程量较大,对进度和投资目标控制也十分不利。   3.2成孔技术和特点
  3.2.1磨盘桩机成孔。成孔原理:用带泥浆管的钻头以旋转方式切削孔位土体,被切削土体与泥浆混合后排出孔位,成孔过程分段增加钻杆,桩壁用泥浆护壁,孔口用钢护筒。特点分析:最常用设备型号为GPS-10,因成孔后可利用桩机自身的卷扬机吊装钢筋笼和灌注砼导管装拆,使打桩成本最为低廉,市场占有率极高,正常条件每天成桩1根;又因扭矩较小,成孔过程对障碍物十分敏感,通常遇半块标准砖大小的硬颗粒即可令成孔受阻,必须清障后才能继续钻进。
  3.2.2旋挖桩机成孔。成孔原理:在可伸缩钻杆下端设带底板的管状钻头,以旋压方式挖取孔位土体,提升至孔位边地坪上将钻头内土方倒出,重复进行土方取倒成孔,桩壁用泥浆护壁,孔口用钢护筒。特点分析:成孔过程对障碍物较不敏感,能轻松挖取桩位20-30cm的硬颗粒,单价是GPS-10型桩机的2.5-3倍;该工艺成桩工效很高,正常条件每天可成桩2-3根,必须有吊机辅助完成钢筋笼和灌注砼导管装拆,并及时翻晒桩位湿土和清运,否则影响施工工作面;针对大于30 cm硬颗粒也须先行清障。
  3.2.3冲击锤桩机成孔。成孔原理:用卷扬机钢丝绳吊一秤砣状钻头,以重复进行自由落体运动冲剪孔位土体,钻头行程上部深插泥浆管,被切削土体部分被挤压至孔壁,部分与泥浆混合后排出孔位,桩壁用泥浆护壁,孔口用钢护筒。特点分析:成孔过程对障碍物大小不敏感,单价是GPS-10型桩机的2-2.5倍;该工艺桩身混凝土充盈系数较大,成桩工效甚低,正常条件须3-5天成桩1根,同时成孔冲击振动对临近已成桩混凝土早期强度存在破坏隐患。
  4. 清障技术方案比选
  4.1清障技术方案比选内容
  选用技术方案讲究针对性、可行性、经济性,与工程质量、进度、安全文明、投资目标控制一脉相承,则清障技术方案以多方案为比选对象、以对工程目标控制影响程度为比选内容,进行定量或定性分析。
  4.2定量分析
  4.2.1地表土层处理造价估算。
  (1)先行卸土将土方工作提前实施,没有增加土方工作量,而使挖机清障开挖土方工作量减少。取工程桩和围护桩位清障比例25%,开挖时按1:1放坡,设障碍物埋深6.5米,则取孔口半径6.5米,由此计算近似土方量(298+277+12)根*25%*(5.5*5.5*3.14*2)=27878 m3;区域内土方翻挖的市场价格调查为10元/m3;得可节约土方费用27.88万元。
  (2)以先行卸土2.0米后进行测算,投影面积取红线内面积和建筑占地面积的平均值(9622+6938)/2㎡,深度取建筑垃圾埋深的平均值(0.4+6)/2米,挖土比例70%,得须挖土方量为18547m3;取换土比例为挖土方量的50%;区域内土方翻挖、外运和借土回填的市场价格调查为10元/m3、70元/m3和50 元/m3;得置换土方费用129.83万元,尚未包括临时降排水措施费。
  4.2.2成孔技术单价测算
  (1)磨盘桩机成孔。以GPS-10桩机进行测算,针对Φ800-1000的钻孔灌注桩区域内成孔的市场价格调查为110-130元/m。
  (2)旋挖桩机成孔。以SR220桩机进行测算,针对Φ800-1000的钻孔灌注桩区域内成孔的市场价格调查为320-360元/m。
  (3)冲击锤桩机成孔。以CZ-6桩机进行测算,针对Φ800-1000的钻孔灌注桩区域内成孔的市场价格调查为230-260元/m。
  4.3定性分析
  根据各清障技术方案特点可对工程目标控制负面影响程度排序,见表2。由于冲击锤桩机成孔会影响相邻已成桩强度,则在质量定性上被否决;由于旋挖桩机成孔工艺改变了工程桩既定设计条件,必须增加试桩数量以验证桩基工程质量,其修改设计必须重走必要的建设程序,将较大地增加工期和投资额,则也被弃用。先行卸土2米对桩顶标高控制、围护主动土减压、减少重复工作量均十分有利,综合降低了质量、进度、安全文明、投资目标控制风险,属优选方案。
  5.清障方案比选结论和效果评价
  5.1比选结论
  基于不能超越本工程目标控制的红线、综合影响目标值最小、风险适当、约束投资增加额有一定优先权的原则,工程各参建主体形成比选结论:地表土层处理采用先行卸土2米;确定无障碍物区域,工程桩和围护桩中钻孔灌注桩采用磨盘桩机成孔;探有障碍物区域,工程桩采用旋挖桩机在空钻区域引孔后由磨盘桩机成孔,围护桩中钻孔灌注桩直接采用旋挖桩机成孔。桩机投入为1台三轴水泥搅拌桩机、1台SR200旋挖桩机、6台GPS-10型桩机。
  5.2过程修正
  清障方案实施过程中因遇特殊情况进行修正。针对工程桩和围护桩中钻孔灌注桩,有8根桩遇到旋挖桩机不能排除的大粒径障碍物,采用土方反铲挖掘机开挖清障,有4根桩遇到原有预应力管桩,以设计人重新确定的桩位施工;针对三轴水泥搅拌桩,因遇原有预应力管桩而以设计人重新确定的桩位施工,止水帷幕部分共增加5幅,坑内加固减少3幅,坑内外补充实施Φ800高压旋喷桩26根。
  5.3遭遇无奈情况
  桩基施工期发生北侧规划道路施工,使本工程运输通道严重受阻,因施工场地过于狭窄,无法储备较多材料和废料以保证工程连续施工而停工;桩基施工期处于雨季,旋挖桩机成孔土方不能及时晾干外运,为保证其他施工必要的工作面,也因施工场地过于狭窄无处临时堆放而窝工。
  5.4效果评价
  清障方案的先行卸土措施较为成功,尤其是剥除了自然地坪下1.5-1.8的砼地坪,对桩基施工十分有利,其他措施也是基本得到有效贯彻,既未发生安全事故,也促使桩基工程最终完成。工程桩经静载和应变检测,均为一、二类桩,基坑开挖后的基坑检测数据均在设计规定范围内。针对有关清障的合同条件变更,参建主体确认工期延误86天和合同价格相应调整约56.7万元,均形成有效资料后顺利报送政府审计机构审计。
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