随着城市建设的快速发展, 寸土寸金的城市核心区域是商家必争之地, 其建筑活动也更加频繁。在工程翻、扩建和重建过程中, 势必会遇到地下障碍物, 阻碍工程的顺利进行。地下障碍物的种类和产生原因也不尽相同, 主要包括市政管线、旧 (桩) 基础、旧混凝土、孤石及其他不明障碍物等。如何对地下障碍物采取合理的处理措施及方案是保证工程顺利进行的关键。

国内许多学者也对各种清障技术进行了研究。目前对地下障碍物的清障形式主要包括人工清障、爆破清障和大型机械清障等。其中人工清障在施工效率和安全度方面有所欠缺, 且无法清除深层地下障碍物, 在工期较紧的大型项目中一般不采用该形式。爆破清障对周边环境, 尤其地下环境有一定的影响, 由于爆破清障理论研究在国内尚不成熟, 主要还是依靠实践经验, 由于爆破控制难度较大, 所以爆破清障的操作过程对实施单位的要求较高, 应谨慎采用。受机械化施工的发展, 大型机械清障由于施工效率高、安全度好等优点, 被广泛应用。主要清障施工方法包括就地清障法和无损清障法, 其中就地清障法比较有代表性的有全回转钻进和双回旋正逆同步旋转钻进切割法, 无损清障法包括水冲法和FCEC全回转分离减摩法。葛国华通过对上海外滩通道综合改造工程进行研究, 分别表述了清障施工的方法及适用情况, 并重点介绍了全回转套管CD机和FCEC全回转清障法在实际工程中的应用, 保证了工程的顺利进行。蒋峰等通过采用全套管回转钻机清障方案在实际工程的成功应用, 表明了该清障技术在中心城区和周围建筑物密集区的适用性。

由于本工程基坑位于苏州工业园区核心区域, 周边分布有多栋高层建筑及市政管线, 另南侧紧邻苏州轨道交通地铁1号线, 周边环境极其复杂。在保护要求极高的基坑工程中完成清障工作的同时, 如何减小对复杂周边环境的影响, 是本工程清障工作的重点。

苏州新鸿基超高层项目是由新鸿基环贸广场房地产 (苏州) 有限公司开发的大型商业项目。由1栋303.7m高的71层商务楼及5～6层商业裙房组成, 并设置4层地下室。项目位于苏州工业园区CBD, 其中基坑总面积约为19 211m², 基坑开挖深度约为22.10m。

基坑周边环境较为复杂, 基坑四周为市政道路, 市政道路外侧均为在建或已建高层建筑, 且基坑南侧紧邻已经正常运营的苏州地铁1号线。由于本项目在2010年10月—2011年11月底期间, 已经完成工程桩、加固桩以及周边地下连续墙的施工。后期由于业主开发进度调整, 项目施工停滞5年后于2016年1月份重新启动。项目重新启动后, 基坑南侧地铁由2010年的已建成但尚未运营状态转变为正常运营状态, 保护要求提高, 原围护设计方案地下连续墙结合5道混凝土支撑的形式已不能满足此时环境保护及轨道交通部门的要求。故围护设计方案需要根据目前环境保护要求进行调整, 即在原围护设计方案的基础上, 增加1道地下连续墙作为分隔墙进行分坑开挖施工, 以减小基坑工程对周边环境, 尤其对南侧地铁的影响。

由于基坑内部工程桩及坑内加固桩已经施工完成, 后期新增分割地下连续墙设计时, 与工程桩位置有冲突。且工程桩桩间距较小, 分隔墙施工难度增大。选择合理的分隔墙布置路线和如何处理与工程桩冲突成为基坑工程顺利进行的关键。

本工程南侧紧邻地铁1号线, 为满足南侧地铁的保护要求, 保证地铁的正常运行, 考虑在基坑南侧增加1道分隔墙进行分坑施工。根据轨道单位要求及类似分坑经验, 考虑在平行于南侧基坑边线约15m处增加1道沿东、西方向地下连续墙作为分隔墙, 分为南、北2个基坑。另在南侧基坑增设2道东、西向分隔墙。其中由于东西向分隔墙长度约170m, 长度较长, 根据与工程桩的位置关系, 共设置3种分隔墙布置方案如下。

1) 方案1 非绕行方案, 即分隔墙沿直线布置。在基坑 (B) ～ (C) 轴线之间设置一直线型分隔墙。直线型分隔墙线路最短, 但该方案分隔墙线路上共有5根工程桩和14.8m加固桩, 清障工作量大, 操作难度及清障的时间成本较高。直线分布地下连续墙布置如图1所示。

2) 方案2 遇工程桩绕行方案, 即分隔墙遇工程桩绕行, 但14.8m的坑内加固桩不绕行。该方案增加多幅异形墙, 且绕行中隔墙与临近工程桩距离较近, 最近约为45cm, 大大增加了分隔墙的施工难度, 同时分隔墙的施工长度也大于方案1。经济性和操作性都不理想。遇工程桩绕行方分隔墙布置如图2所示。

3) 方案3 局部绕行方案, 即分隔墙绕行东侧加固桩及1根工程桩。该方案分隔墙路线总体为直线, 在减少了部分清障量的同时, 仅增加2幅异形墙, 分隔墙工作量增加6m, 施工难度相对方案2减小很多, 经济性和操作性相对较好。局部绕行方案分隔墙布置如图3所示。

根据以上3种方案, 综合对比施工操作难度、工程造价及工期等因素, 考虑采用第3种局部绕行方案作为本工程分隔墙布置形式。

局部绕行方案清障工作量包括东、西向分隔墙布置路线分布4根ϕ600灌注桩, 灌注桩有效长度25.1m, 须清除桩底。南、北向分隔墙路线上抽条加固的6.5m三轴搅拌桩, 清障深度为23m。分隔墙与原地下连续墙交接处槽壁加固的25m三轴搅拌桩, 须清除至桩底。需清除的各桩型平、剖面如图4, 5所示。

本工程清障数量较少, 施工难度一般。综合对比施工功能、施工效率及经济效益等因素, 考虑选用DTR1505全套管全回转钻机进行清障施工。通过清障试验, 证明该设备清障深度可满足工程要求。清障设备挖掘口径1 200mm, 压入行程750mm, 套管拉拔力2 444kN, 瞬时2 690kN, 套管压入力最大360kN+自重210kN。

DTR1505型全回转钻机具有如下特点:①无噪声, 无振动;②对周围土体扰动最小;③性能良好的楔型夹紧机构可以将强大马力传递给套管;④为有效利用强大马力而设计的钻头负荷自动控制等机构。⑤自动水平调整机构可以保证垂直精度;⑥具有相当强的扭矩及拔桩力。

主要施工工艺流程:设备拼装→测定孔位中心、铺设钢板→全回转钻机定位→钢套管旋转切割切削钻进→钢套管沉入并清除障碍物→回填→清障机移位。

按照预先定位的桩位, 钻入钢套管。在旋转钻进钢套管的同时, 采用冲抓斗抓出套管内土方。随着钻进深度的增加, 套管长度不足时, 进行接管, 直至钻至桩顶标高。对于三轴搅拌桩障碍物, 直接采用重锤冲砸桩体, 然后采用抓斗清除碎桩即可。对于灌注桩, 利用套管下口及端头内侧刀盘, 通过套管在桩周作360°旋转切割, 进行土体分离。然后利用负载控制装置对桩体进行夹紧、扭转, 结合重锤冲砸, 最终清除灌注桩。随后采用优质黏土回填, 同时拔出套管, 完成整个清障工作。清障施工如图6所示。

根据结构图纸可知, 分隔墙路线上工程桩桩径600mm, 有效桩长25.1m。对混凝土桩身采用实体单元模拟建立灌注桩有限元模型如图7所示。其中灌注桩纵向钢筋与箍筋采用桁架单元进行模拟, 钢筋骨架与混凝土桩身采用“埋入”的方式进行约束。

由于常规清障时采取套筒将桩身套入一段长度通常在10m左右。将桩身套入后, 在套筒与桩身之间卡入1个特制的楔形锁紧装置, 地面动力站扭动套管带动桩身转动将桩拧断。模拟过程中, 对上部10m桩身施加扭矩, 10m以下部分采用固定约束方式进行受力计算分析, 在有限元模型中采取位移加载的方式加载, 直至破坏。

桩体扭转过程中, 首先产生弹性变形, 随着扭矩的增大, 变形也逐渐增大, 桩身由弹性变形转为塑性变形, 直至桩体扭矩最大位置发生破坏, 在扭矩—转角曲线上可以看出有2个区段, 第1区段基本是弹性变形, 第2区段逐步产生塑性变形, 刚度也显著下降, 反映到曲线上即斜率减小较多。

根据计算结果, 断开位置在套筒下约2m的位置, 与实际施工时桩身扭断位置基本吻合。有限元模拟计算的扭矩-转角曲线如图8所示。

以G1工程桩为例, 对工程桩清障过程的受力情况进行数据统计, 到桩顶深度22.95m, 桩设计长度25.1m, 到桩底深度48.05m, 超灌段2m。统计信息表如表1所示, 清障施工如图9所示。

根据模拟计算数据及实际数据对比可知, 有限元计算时模拟时扭矩-转角曲线未能捕捉到下降段, 这是由于混凝土材料的本构模型不能很好模拟混凝土压溃后的力学性能, 实际在压溃过程中开裂的混凝土之间可以继续受力, 而有限元力学模型无法模拟这一过程, 故在扭矩—转角曲线上只反映了两段扭矩上升的曲线。捕捉到的最大扭矩与实测值符合度较好, 说明在压溃之前有限元模型能较好地反映。

有限元计算结果显示桩断口在套筒下部2m左右位置, 与实际情况基本吻合。桩断口在套筒下部2m位置是由于套筒下部被楔形块锁紧, 在上部动力源转动套筒时, 处于锁紧位置的混凝土受到套箍的作用, 裂缝不能很好发展, 而套筒下部2m附近区域裂缝开展后周围土体对桩身的约束作用远远小于钢管的套箍力, 故此区域的混凝土压溃后进一步发展, 导致最终桩身断口出现在该处。综上可知, 采用有限元模拟的方法, 能够准确反映工程桩受套管扭转受力的全过程, 能够为工程实践提供有效的数据支持。

1) 本工程后加分隔墙遇灌注桩及三轴搅拌桩障碍物, 综合考虑经济性、施工操作难度及工期等多种因素, 确定合理的分隔墙布置方案, 优化了基坑工程量及工期。

2) 采用DTR1505全套管全回转钻机进行就地清障, 该清障方法噪声小, 对周边土体扰动小, 清障效果好, 适用于中心城区和周围建筑物密集区的清障工程。

3) 采用有限元模拟的方法对灌注桩清障过程进行模拟验证, 模拟结果与实际施工过程基本吻合, 可以为施工提供指导。

4) 后加分隔墙方案遇工程桩障碍物时, 通过优化分隔墙布置路线, 并结合合理的清障方案, 保证了工程的进度, 取得了良好的经济效益, 可为同类工程提供参考和相关经验。