超深顶管施工中的组合支护方案选择

超深顶管施工中的组合支护方案选择

0沿溪分层开采,采用钢筋混凝土逆作支护方案管道顶井是管道顶板的启动端，是放置管道顶部的垂直井，是管道顶部施工中最重要的基础设施。井维护方法的选择对整个井的施工安全、进度、成本和井的施工质量有重要影响。西安市东月路(雁翔路-东三环)雨水工程起点位于东月路与雁翔路交叉口,上游接南郊水厂北侧规划路已设计d2400mm雨水管道,管道沿东月路自西北向东南敷设,终点接入东月路(长鸣路-河堤路)段d3000mm雨水管道起点。主线管道设计管径d2600~3000mm,管道长度2731m,管线位于湿陷性黄土地区,采用机械顶管法施工,平均工作井深度超过30m,是西安市截至目前承建的管道埋深最深的顶管工程。本工程顶管工作井原设计采用钢筋混凝土逆作法支护。钢筋混凝土逆作法支护利用土自身的结构强度和自稳能力,自上而下分层开挖土体,分层浇注钢筋混凝土完成基坑支护的施工方法。本工程于2010年12月开工,按计划首先实施Y7工作井支护,Y7工作井深度为33m,在采用逆作法进行支护施工时,随着工作井深度增加,该支护存在以下明显的施工缺陷:(1)施工和操作复杂随着基坑深度增加,钢筋混凝土浇注变得困难,且每次混凝土施工完成后,模板支架重新支设,作业环节多。(2)工作坑深度小,基坑支护数量少,且确定基坑长逆作法施工时,下一层土方开挖必须待上一层混凝土强度增长至设计强度80%以上才能实施,这一养护期至少需要7d,在基坑10m深度时,工期约为55d;而工作坑深度25m时,支护工期约为150d;显然,按逆作法施工,工期远远达不到合同要求。(3)分层开挖,深基坑一基承载力差,基坑土由于钢筋混凝土自重大,随着基坑深度增加,进行下一层土方开挖时,若挖土控制不好,基坑可能由于自身自重发生不均匀下沉,威胁施工人员安全。(4)支护成本成倍增加逆作法施工时,随着工作井深度增加,井壁厚度随之增加。工作井深度为10m时支护成本约为60万元,而25m时成本高达210万元。由此可见,随着工作井深度的增加,支护成本成倍增加。因此,在确保工作井施工安全和使用功能的前提下,寻求一种快捷、实用、经济的工作井支护方式成为我们面临的重要课题。1支护形式确定鉴于逆作法支护在超深工作井支护施工中存在的不足,课题组与西安市政设计院合作,对目前湿陷性黄土地区深基坑支护中采用的支护形式进行了比较分析,并结合东月路工程的地质特点,最终确定将钻孔灌注桩-型钢围檩组合支护作为本工程地下水以上的支护方式进行研究。2型钢水平支撑+支护顶管工作井钻孔灌注桩-型钢围檩组合支护施工原理是,首先在工作井四周布置一排一定间距的竖向钻孔灌注桩以提高土体强度、改良土体,然后在钻孔灌注桩形成的封闭区域内分层开挖土体,为了减少灌注桩的侧向变形,在工作井围护桩上一定位置(高度),设置型钢水平支撑,将分散的灌注桩连接起来,以提高围维护结构整体刚度和围护桩抵抗主动土压力的能力;通过对型钢水平支撑施加相应的预应力,以抵消土体的剪应力,从而保证土体的稳定;为满足工作井使用功能要求,在工作井底层浇注钢筋混凝土内衬墙。3钻孔灌注桩-型钢围组合支护优化设计依据东月路湿陷性黄土场地地质条件,结合工作井使用功能和要求,我单位与西安市市政设计院对钻孔灌注桩-型钢围檩组合支护进行了优化设计,在确保结构安全条件下有效降低了施工成本。本次优化设计采用了设计院对湿陷性黄土地区土压力计算成果和湿陷性黄土土压力作用范围的假设。3.1计算理论3.1.1土压力理论--土压力桩侧土压力理论采用西安市政设计研究院在《西安市北三环C09标段异形工作井侧向土压力实验研究项目研究成果》中提出的土压力理论--土压力在基坑深度2/3范围随深度递增,2/3以下随深度递减,即:依据该理论可减少灌注桩数量50%。3.1.2桩体投影面外受土压力桩侧土压力作用范围,采用桩直径投影面积,即考虑与桩直径等宽的土体在桩体上产生土压力。在C≥30kPa时,假定桩投影面以外土体对桩的影响可以忽略。依据该假设可确定型钢围檩的规格和围檩的水平间距。3.2单元模拟桩、围梁、横撑和斜撑采用MIDAS有限元程序进行计算,采用空间梁单元模拟桩、围梁、横撑和斜撑,见图1。土压力根据第一部分计算理论,计算出沿深度方向的分布情况,以梁单元荷载形式施加于桩上,见图2。3.3灌注桩冠梁的确定经过计算,横撑与斜撑的最大应力达到287MPa,桩结构最大变位为3.95cm。根据以上计算结果确定钻孔灌注桩桩径为1000mm,桩间距为2500mm,冠梁尺寸为1200mm×800mm,横向水平支撑层间距3000mm,第一、二层采用300mm×300mmQ345cH型钢,以下各层采用400mm×400mmQ345cH型钢。4比较方案优化设计后的钻孔灌注桩-型钢围檩支护与传统的逆作法支护相比,具有如下优点:(1)大缩短、大缩短钻孔灌注桩-型钢围檩支护施工可连续进行,减少了作业环节,因而工期大大缩短。以本工程埋深最浅的Y9工作井为例,该工作坑深度为25m,采用逆作法支护施工工期约为150d,而采用钻孔灌注桩型-钢围檩支护工期为90d(包括检查井施工),工期可提前60d以上。(2)逆作支护投资回收回收施工成本由于采用型钢围檩支护,大大节约了钢筋及混凝土用量,且钢围檩施工完成后可回收,从而节约了施工成本,同样以Y9工作坑为例,据测算,逆作法支护直接费为211万元,钢围檩支护直接费为188万元,仅直接费用节约20余万元;加之型钢可周转使用,其经济效益将更加可观。(3)灌注桩施工安全保障钻孔灌注桩-型钢围檩支护在进行工作坑开挖和支撑时,作业人员在灌注桩形成的围护结构内施工,大大降低了安全风险,作业人员安全有保障。(4)节约了环境,减少对环境的污染由于大大减少了混凝土用量,且型钢可回收,从而节约了资源,减少了对环境的污染。由此可见,钻孔灌注桩-型钢围檩支护在施工安全、进度、成本等方面,均优于逆作法支护。5该计划的实施(1)孔和注射桩的施工钻孔灌注桩施工前要对桩位进行准确放样,施工时要严格控制灌注桩垂直度,确保开挖后的桩体与设计轴线一致。(2)冠梁施工冠梁施工前先将钻孔桩顶部混凝土浮浆凿除、清理干净;将桩顶伸入冠梁的钢筋清除干净,确保冠梁与灌注桩紧密衔接。(3)预应力的安装型钢围檩施工是该工艺的重要控制环节,型钢围檩安装的过程是:放线定位→修整土体→钻孔植筋→安装钢牛腿→安装围檩→加预应力(焊接)→安装斜支撑。a.安装型钢围檩应遵循“先长边,后短边,先两边,后中间”的原则,尽量减少接头。b.安装时,型钢围檩与灌注桩应全面接触,以保证力的传递,若型钢围檩与灌注桩及土体间有空隙,则按设计要求配制混凝土进行浇筑密实。c.施加预应力是支护工程的重要环节,施加预应力成功与否,直接影响到基坑支护的效果,因此,该环节应严格把关,详实记录。施加预应力时,应对角同时加力,采用同大小的力进行。d.加力应选在低气温时候,但不宜在雨雪天气中进行。在加力过程中长边型钢与短边型钢产生缝隙后,应加垫板密实,最后对其进行焊接固定。(4)浇注钢筋混凝土东南角墙为满足围护结构受力要求和顶管工作井使用功能,工作井底层浇注钢筋混凝土内衬墙。a.作为支护结构一部分,满足结构受力要求。b.作为顶管设施一部分,承受管道顶进时受力要求。(5)做好施工过程的检测工作为监测工作井在施工过程中和后续顶管施工中各结构的受力状况,在进行各工序施工时,要同时安装检测装置,在施工的每个环节及时采集数据并对数据进行分析,使施工的各个阶段处于实时监控之中,从而确保结构安全。6工作坑内检查井施工效果该工艺于2011年2月18日在东月路D标雨水工程Y9工作井实施,于4月15日完成全部支护施工,取得令人满意的效果,实施效果分析如下:(1)工作坑支护实际工期56d,工作坑内检查井施工预计为40d,而同期采用逆作法支护施工的Y7工作井施工至同深度施工工期为156d,工期提前60d。(2)通过对Y9工作井3号、11号、13号和16号桩土压力及型钢围檩变形监测显示,支护结构安全可靠。实测土压力与设计值比较见图3。(3)Y9工作井支护实际施工成本为167万元(检查井构筑成本预算50万元),Y7井采用逆作法支护至同深度时施工成本为211万元,由此可见