1 工程概况

北京新机场旅客航站楼及综合换乘中心 (指廊) 工程坐落于永定河北岸, 北京市大兴区榆垡镇、礼贤镇和河北省廊坊市广阳区之间。其总建筑面积约30万m², 其中地下建筑面积约5.6万m², 地上建筑面积约24.5万m²。工程由中南、东南、东北、西北、西南共5座指廊组成, 其中最大的中南指廊建筑面积约10万m²。此外, 京霸高铁 (S1) 、新机场线 (S2) 及R4线 (S3) 3条轨道交通隧道由中南指廊的地下穿过, 3条轨道交通的建筑面积约2.1万m²。工程地下1层, 地上3层 (中南指廊3层, 其余指廊2层) , 檐口高度20 m, 实际开工日期为2016年3月15日, 计划竣工日期为2019年7月15日。 本工程设置有国内远机位候机厅、国内远机位到达厅、VIP休息区、办公、安检、机房、登机口、酒店、中转等待厅等各类用房, 同时含有售票、银行ATM、电话、保险、邮局、更衣、服务、储藏、餐饮、购物等配套商业服务设施。 本工程轨道交通区域采用桩筏基础, 板厚2~2.5 m, 均匀布设基桩, 桩径0.8 m, 有效桩长≥33 m, 单桩竖向抗压承载力特征值4 500k N, 桩侧、桩端复式注浆, 采用旋挖钻孔灌注施工工艺。指廊区域分别采用桩筏基础以及桩基础独立承台基础, 板厚1.5 m, 承台厚1~2 m, 柱下布桩, 桩径1 m, 有效桩长≥29~34m和33~40m, 单桩竖向抗压承载力特征值5 000~5 500k N, 桩侧、桩端复式注浆, 采用旋挖钻孔灌注施工工艺。轨道交通区域和指廊区域桩身混凝土强度等级均为C40。

2 技术特点分析

2.1 空钻施工技术

在进行旋挖钻孔灌注施工过程中, 有时开始钻孔的地面标高要比设计桩顶标高高很多, 这样会多钻出一部分空间, 但这部分空间不会安放钢筋笼, 也不会浇筑混凝土。它不计入桩长, 是实际发生需要钻孔的长度, 就形成了空钻。

2.2 空钻施工技术的确定

空钻施工技术难度较大, 标准要求高, 过程控制严格。本工程基础桩为混凝土灌注桩形式, 之所以采用空钻施工技术, 是综合考虑了多方因素的影响。以情况最为复杂的中南指廊为例分析, 主要确定原因如下。 1) 中南指廊基础桩直径为1 000 mm, 打桩面标高为-5.700m, 由浅至深基础桩桩顶标高-7.600~-12.400 m, 且高跨区域与低跨区域间隔较小, 不具备开挖打桩条件, 只能在同一标高面上打桩。中南指廊与轨道交通区域平面如图1所示。 图1 中南指廊与轨道交通区域平面Fig.1South central corridor and rail transport area plan 2) 轨道交通区域共5~6排基础桩, 基础桩直径为800mm, 桩顶标高为-20.650m, 每个轨道基坑两侧均有护坡桩、连梁及预应力锚杆支护体系。如果开挖至基础底部打桩, 20m的作业宽度不便于旋挖钻机、起重机及混凝土罐车运行。轨道交通宽18~20 m, 工作面狭窄, 旋挖钻机施工时所占用空间较大, 而且在施工过程中, 每3~4台旋挖钻机需配备1台50t履带式起重机、1台25t汽车式起重机和1台铲车共同作业, 打桩过程中还要挖设泥浆池等辅助设施。众多车辆均需留设行车道路, 狭窄的空间作业将会严重影响现场施工, 同时还会降低施工工效, 加大了施工安全风险。中南指廊及轨道交通区域打桩作业面剖面如图2所示。 3) 轨道交通区域最外侧的基础桩靠近护坡桩, 旋挖钻机的施工容易破坏预应力锚杆及工字钢梁, 而且个别基础桩甚至没有空间进行对位施工, 无法达到设计要求。 图2 中南指廊及轨道交通区域打桩作业面剖面Fig.2South central corridor and rail transport area pile working face profile 4) 本工程地下水位在-12.000 m左右位置, 若不采用空钻施工技术, 则需降低地下水位, 方可施工。而且为满足打桩和车辆行走的需求, 还需大量购置级配砂石垫路夯实, 工序较多, 工期较长。 5) 若开挖至基础底部打桩, 混凝土罐车无法到达个别基础桩位置, 需采用汽车泵浇筑混凝土, 施工难度和成本均有所增加。 6) 若不采用空钻施工技术, 打桩作业施工进度将至少延后3个半月, 需要等待护坡桩、连梁及预应力锚杆支护体系施工完毕后才能打桩, 而且施工期间恰逢北京市雨季, 质量控制难度加大。 综上所述, 在充分考虑了施工进度、施工成本、施工难度, 并在详细分析地质勘察报告和结合现场实际情况后, 方决定基础桩采用空钻施工技术。

2.3 空钻施工技术的控制重点

本工程轨道交通区域基础桩有效桩长多为33 m, 桩孔成孔深度约为48 m, 空钻长度为15 m。超长基础桩需要穿透含水层、黏土层和砂层, 地下情况复杂, 而且成孔时间长、空钻长度长, 桩位易产生偏差, 混凝土灌注难度大, 成桩质量控制难度大。因此, 如何有效地对空钻施工技术进行控制是整个基础桩施工过程成败的关键, 而空钻施工技术的关键控制点就是对基础桩的垂直度偏差进行控制。为了将基础桩的垂直度偏差控制在设计要求范围内, 本工程采用了自动化旋挖钻机, 钻机上有车载点到系统, 可以自动显示和调节旋挖钻机的钻孔深度和垂直度。同时, 在施工过程中, 派出专业的测量人员采用经纬仪对钻杆垂直度进行双向90°校核, 基础桩的垂直度在成孔时由设立在钻机桅杆上的垂直度控制仪控制, 并且在钻机显示屏上自动显示, 钻机操作人员根据校核情况进行现场调整。 由于混凝土灌注桩最长的空钻长度为15m, 长度较长, 因此, 如何保证钢筋笼下放安装时位置准确也是施工过程中控制的一项重点。在此采取的措施是着重控制护筒埋设位置, 因为只有保证护筒位置的准确性, 才能保证基础桩定位基准, 否则钢筋笼安放的位置再精确也是徒劳。同时, 在桩身上焊接定位筋, 这样既可以保证混凝土保护层厚度, 又可以防止钢筋笼在下放过程中碰塌桩孔。在搬运和吊装钢筋笼时, 应防止变形, 安放应对准孔位, 避免碰撞孔壁和自由落下, 就位后应立即固定。钢筋笼应沉放到底, 不得悬吊, 下笼受阻时不得撞笼、墩笼、扭笼。 本工程压浆管最多的灌注桩设置了3根桩侧压浆管和2根桩端压浆管。由于需要考虑空钻长度, 在钢筋笼下放至孔口位置时短暂停留, 焊接并延长原有压浆管, 之后再下放钢筋笼, 再延长压浆管, 直至钢筋笼沉放到底。这样一来, 后注浆便可以在成桩后2~30d展开, 不必等待开挖至设计桩顶标高再进行, 既缩短了工期, 又保证了工程质量。 由于混凝土灌注桩空钻长度较长, 为了保证施工安全, 在进行基础桩施工时要预留一定厚度的槽底土, 避免对桩间天然土层的扰动破坏。施工采用跳桩施工顺序, 以防相邻基础桩同时施工可能发生交叉穿孔现象。混凝土浇筑完毕后, 立即在孔口设置专用护栏, 防止孔口和孔壁土层扰动。施工现场面积较大, 采用了多台旋挖钻机同时施工, 在相邻混凝土刚灌注完毕邻桩旁成孔施工时, 采取了相邻钻机开孔间距>6倍桩径, 并间隔≥36h的安全保障措施, 以防发生事故。 除了上述方法外, 通过分析地质勘察报告和借鉴以往的施工经验, 还采取了如下措施作为控制重点。 1) 选择先进合理的机械设备, 保证施工的顺利进行。 2) 成孔阶段的施工均安排在白天进行, 良好的光照有利于进行纠偏。 3) 挑选经验丰富的钻机操作人员进行成孔作业, 并配备专业人员进行钢筋笼吊放和混凝土灌注工作, 施工过程中做好现场管理和质量验收工作。 4) 根据地层情况选用合适的钻头。 5) 正式施工前进行试桩作业, 根据试桩情况并结合勘察报告, 进一步了解现场土层情况, 为正式施工收集第一手资料并做好准备。 6) 施工前做好详细的书面技术交底记录。 通过这一系列的控制手段, 本工程的基础桩垂直度偏差控制在了0.5%以内, 符合设计要求, 基础桩施工质量在可控范围内。

3 施工过程和经验总结

3.1 基础桩施工工艺流程

旋挖钻孔基础桩工艺流程如图3所示。

3.2 主要方法和经验总结

图3 旋挖钻孔基础桩工艺流程Fig.3Rotary drilling foundation pile process

1) 桩位放线

钻孔前施放桩位点, 放样后四周设置保护桩并复测, 误差控制在5mm以内。之后进一步确定是否有障碍物, 待建设单位或监理单位验收合格后方可进行成孔施工。

2) 埋设护筒

根据桩位点设置护筒, 护筒内径大于钻头直径100 mm, 护筒高出地面20~30 cm, 护筒与坑壁之间用黏土填实。中南指廊区域护筒埋深为1.5m, 轨道交通区域护筒埋深为4m。埋设护筒时为保持护筒垂直度, 应通过不同的引桩到桩心的距离进行交汇控制, 直至护筒埋设到指定位置。护筒埋设后应检测护筒中心是否与桩位中心重合, 护筒中心和桩位中心偏差控制在50mm以内, 倾斜度的偏差控制在1/150以内。埋设护筒后随即注入稳定液, 保证孔内稳定液面高于地下水位1m以上。

3) 钻机就位

钻机就位前应检查场地情况, 防止土质松软产生不均匀沉降。钻机就位应保持平稳, 不发生倾斜、位移。钻机就位后钻头中心和桩位中心应对正准确, 误差控制在2cm以内, 钻头对准孔位后开启电机进行开孔。

4) 制备泥浆

钻进过程中泥浆护壁主要采用人工造浆的方法, 泥浆相对密度控制在1.15~1.20。正式施工前泥浆进行配合比试验, 由于施工时采用由短至长进行各类基础桩的施工, 所以泥浆的配合比试验也根据不同桩长分别进行。泥浆配合比根据试桩的情况及时调节各项参数, 造浆材料优先选用造浆液和膨润土。

5) 成孔

当钻机就位准确、泥浆制备合格后即开始钻进, 钻进时每回次进尺控制在60cm左右, 刚开始要放慢旋挖速度, 并注意放斗要稳、提斗要慢, 特别是在孔口5~8m阶段旋挖过程中要注意通过控制盘来监控垂直度, 如有偏差及时进行纠正, 而且必须保证每挖1斗的同时及时向孔内注浆, 使孔内水头保持一定高度, 以增加压力, 保证护壁的质量, 防止塌孔。成孔后, 待泥浆指标满足要求后, 立即进行成孔检测, 检测桩孔的直径和垂直度等指标是否符合设计要求。

6) 一次清孔

钻进至设计孔深后应进行孔深检查, 符合要求后立即进行清孔, 目的是清理孔内钻渣, 尽量减少孔底沉淀的厚度, 保证基础桩的承载力。清孔时将钻斗留在原处机械旋转数圈, 将孔底虚土尽量装入斗内, 起钻后仍需对孔底虚土进行清理。采用沉渣处理钻斗来排出沉渣, 遇到沉淀时间较长时, 则采用水泵进行循环清孔, 必要时还会重新投钻。特别注意的是严禁用超钻的方法来代替清孔作业。

7) 下放钢筋笼

本工程基础桩桩长22~39m, 基础桩钢筋笼采用整根加工、整体吊装的方式进行, 吊装采用1台50 t履带式起重机和1台25 t汽车式起重机共同配合完成。钢筋笼下入孔口时要扶正, 徐徐下入, 以免将孔壁土刮入孔内。下放钢筋笼时要重点检查钢筋的直螺纹接头以及声测管和压浆管的接头。特别是声测管的接头要检查是否有穿孔现象, 以防泥浆、砂浆渗入管中。钢筋笼下放后为了保证钢筋笼中心与桩位中心一致, 还应在上口设置定位筋。

8) 下导管

钢筋笼下放至设计深度后, 立即下放混凝土输送导管, 并且要避免导管与钢筋笼碰撞。导管由直径为250mm的钢管制作, 内壁表面光滑, 管段的接头密封良好且便于装拆。连接导管时, 在导管的接头装入密封圈, 同时在丝扣上涂抹黄油, 以保证其密封效果。下导管时采用吊车起吊第2节导管与首节导管进行对接, 并借助外力将丝扣拧紧, 最后缓慢下放。循环重复上述操作, 直至将导管下放完毕。

9) 二次清孔

利用混凝土输送导管吹水, 采用反循环方式进行清孔。灌注混凝土前仔细清孔, 用新拌泥浆置换孔内高浓度泥浆, 使孔内泥浆密度、黏度、含砂率等指标满足要求。清孔时将钻具提离孔底30~50cm, 缓慢旋转钻具, 补充优质泥浆, 同时保持孔内水头, 防止塌孔。换浆清孔后要对孔口泥浆进行密度、黏度、含砂量、p H值等项目测定, 循环流动的泥浆以无粗糙砂砾感为宜。清孔时要注意控制压力, 不宜过大或过小。压力过大可能会损坏泥浆壁, 造成塌孔;压力过小则不能使沉渣翻滚, 不利于清孔效果。灌注混凝土前孔底沉渣厚度控制在100mm以内。

10) 灌注混凝土

混凝土质量从原材料、工艺管理和施工组织3个方面加以控制。施工中要严格控制混凝土的强度等级与和易性, 混凝土必须连续灌注至设计标高, 并在灌注过程中密切关注。导管的埋深控制在2~6 m, 而且首灌混凝土的数量必须保证导管埋深和填充导管底部的需要, 灌注过程中严禁将导管提出混凝土面, 并设专人测量导管埋深和管内外混凝土液面高差, 避免断桩情况的出现。

11) 后压浆

本工程基础桩采用桩侧、桩端后压浆技术以提高桩基承载力。混凝土灌注桩后压浆技术是近年来发展的桩基改良技术, 通过压浆, 可以使桩周及桩底松软土体得到有效加强, 从而提高混凝土灌注桩的桩侧阻力和桩端阻力, 并大幅度提高混凝土灌注桩的承载性能。施工中, 钢筋笼直立吊起入孔前旋接桩端压浆阀, 钢筋笼入孔过程中插接桩侧压浆阀, 压浆阀应固定牢固、坚挺。混凝土灌注后1h内, 及时监测压浆导管通畅状态, 并做好记录。

3.3 结论

由于超长混凝土灌注桩采用了空钻施工技术, 为确保基础桩的顺利施工, 在大面积施工前进行了试桩作业。通过试桩, 来研究基础桩的施工设备、施工组织和相关技术参数是否满足设计要求和施工需要。试桩过程中分别对混凝土灌注桩的泥浆指标、混凝土配置、成孔等施工工艺进行了专题研究和科学的试验与检测分析, 为基础桩的顺利施工提供了充分的理论依据。 成桩后对桩体的质量检测结果也是令人满意的, 使用RS-1616K (S) 基桩动测仪和RS-ST01D (P) 非金属超声检测分析仪, 分别采用低应变法和声波透射法对桩身完整性进行了全面检测, 经过检测, 除个别基础桩属于Ⅱ类桩外, 绝大多数基础桩均达到了Ⅰ类桩的标准, 基础桩的施工质量符合设计要求。

4 结语

经过工程实践, 超长空钻施工技术在北京新机场工程混凝土灌注桩中的应用是成功的。该项技术的成功应用, 不仅为工程本身节约了工期和成本, 也减少了工程量, 更在于通过实践应用让我们认识到对于使用空钻技术的混凝土灌注桩只有认真进行垂直度偏差的控制, 才能有效进行施工质量的控制。混凝土灌注桩施工广泛, 空钻施工技术的作用和价值还值得工程技术人员去研究和挖掘, 使之充分发挥其应有的效用。

参考文献

[1]

上海市基础工程公司.建筑地基基础工程施工质量验收规范:GB50202—2002[S].北京:中国建筑工业出版社, 2002.

[2]

中国建筑科学研究院.建筑地基基础设计规范GB50007—2011[S].北京:中国建筑工业出版社, 2011.

[3]

建筑地基基础工程施工规范:GB51004—2015[S].北京:中国计划出版社, 2015.

[4]

中国建筑科学研究院.建筑桩基技术规范:JGJ94—2008[S].北京:中国建筑工业出版社, 2008.

[5]

中国建筑科学研究院.建筑基桩检测技术规范:JGJ106—2014[S].北京:中国建筑工业出版社, 2014.