浅谈静压顶进技术在铸造机基础附井孔桩施工中的应用

　　摘要：山东兖矿高性能大型工业铝挤压材熔铸车间中的铸造机基础施工，是我部承建的施工难度大、精度要求高的基础核心项目。对项目存在的高承压水，大量涌砂，及周边严重塌陷的难题，我们提出了静压顶进等优化实用技术，安全快速，经济有效的完成了工程。取得良好效果。
　　关键词：孔桩、沉井、施工
　　1铸造机基础特点及现状
　　工程概况：兖矿高性能大型工业铝挤压材镕铸车间30t铸造机基础的几何尺寸为13.4×5.7m，如下图1所示。铸造机基础主井中心位于C列以北5.95m，⑧线以西3.054m，且距西面已施工完的30t保温炉基础边线9.026m,铸造机基础底标高分别为-12.92m，内设的钢沉管底标高为-21.50m。铸造机基础设计采用沉井施工，钢沉管孔桩直径φ1800mm，孔桩护壁为钢筋砼护壁、顶底面标高分别为-12.92m和-21.50m,钢沉管垂直度设计要求控制≦5mm。
　　

铸造机基础的几何尺寸
　　2铸造机基础施工流程
　　铸造机基础施工的常见的施工流程可以归结为，场地平整、测量放线――管井降水――机械挖土－－夯实基底——铺砂垫层——刃脚浇筑C20砼垫层—制作沉井刃脚――刃脚砼养护――沉井井壁制作――井壁砼养护――沉井下沉――孔桩施工--钢沉管预埋及砼充填――沉井封底板――隔墙制作养护――沉井回填收尾。本文主要提出孔桩开挖施工，可能出现的问题的解决方法。
　　3施工中几个特殊问题介绍及技术处理
　　3.1钢筋砼护壁设计的方案改进：
　　本工程铸造机液压缸的工艺要求工作区域在-12.92m至-21.50m间，液压缸钢沉管成孔设计采用人工挖孔桩，护壁为钢筋砼护壁。钢筋砼护壁一般适用在土层较均匀，地下水较弱，或无流沙，淤泥、有害物质等层面上。实际在沉井下沉作业时，施工到-11.5m，发生了出碴不沉现象，后出现10分钟内从下往上涌砂达30多立方，周边地基伴随塌陷，致使沉井作业一度停止。经现场探测该区域砂层有3.5m以上，地下压力水强度高，孔桩成孔工艺采用钢筋砼护壁设计存在缺陷。经于设计协商、将钢筋砼护壁改为钢护筒护壁。钢护筒钢板壁厚12mm，直径φ1650mm。为下步人工挖孔桩施工采用的静压顶进方案，做好技术准备工作。
　　3.2地下水技术处理：
　　地下水是深基础施工中最常见的问题，它给人工挖孔桩施工带来许多困难。含水层中的水在开挖时破坏了其平衡状态，使周围的静态水充入桩孔内，从而影响了人工挖孔桩的正常施工。一般在动态水压土层施工，不仅开挖困难，且细砂、粉砂土层，在压力水的作用下，发生流砂和喷涌现象。控制好施工区域地下水的释放，是保证孔桩施工顺利及周边构筑物结构安全的关键。
　　本项目采取的技术措施是：外降内排。即铸造机基础四周设置6个管径为φ600，深30m的管井降水井（注：流砂层区域降水井及易被流砂填埋，一般应比需求的降水标高深5.0m，否则达不到预期的降水要求），井内采用污水泵直接向外排水。
　　由于周边的保温炉基础，厂房柱基已施工完毕，距离近。外降内排抽水前，应对周边的构筑物加设沉降观测点，并在施工过程中定期观测。不允许无限制抽水；降排水以保证在正常抽水时，达到正常开挖即可。
　　3.3孔桩开挖成孔技术处理
　　查阅地勘资料，该作业区域，土层分布以细砂，粉砂层为主。常规孔桩开挖，因涌水、涌砂、塌陷等现象严重无进尺，难成孔。本工程10t铸造机基础采用了冷冻法冻结技术，在孔桩四周形成冻土墙，承受水、土压力并阻隔地下水，在它的保护下进行地下工程作业，完成了成孔施工。但存在费用高、工期长、技术含量高等因素。因此30t铸造机基础孔桩成孔施工采用了静压顶进技术，取得了良好的效果。
　　静压顶进技术施工方案，是根据铸造机基础结构设计的特点，以铸造机基础井壁本身自重及与地基之间的侧摩阻力为配重，应用作用力与反作用力的原理，通过对钢护筒阻力的计算，选用高吨千斤顶。千斤顶向上的作用力由钢梁传替给铸造机基础，由于铸造机基础配重的重量远远大于千斤顶向上的作用力，千斤顶产生的的作用力，只能向下由承压短柱、承压平台传替给钢护筒，并将钢护筒压入流砂层，阻隔或减少地下压力水对钢护筒孔内流砂层开挖的影响，完成成孔作业工艺。作业示意图见下图：
　　

成孔作业示意图
　　3.3.1顶管参数及设备先用
　　顶管过程中管道受到的阻力，主要有切土正压力、管壁摩阻力。
　　（1）切土正压力。
　　F1=S1×K1=πr2×K1=π×1.65×0.012×50=3.11t
　　式中F1为顶管正阻力，t；S1为顶管正面积，m2；K1为顶管正阻力系数，t/m2。
　　管道切土正压力与土层密实度、土层含水量、切土状况有关，据有关统计资料,软土层一般为20～30t/m2，硬土层一般为30～60t/m2，本工程顶管经过地层为粘土和粉质粘土，K1取50t/m2
　　（2）管壁摩擦阻力。
　　F2=S2×K2=πDL×K2=π×1.65×(8.58+2)×0.9=49.33t
　　式中F2为顶管侧摩擦力(顶管两面计算摩擦力。筒内受力：长度取2.0m，筒外受力：长度取8.58m，)，t；S2为顶管侧面积，m2；K2为顶管侧阻力系数t/m2,查阅地勘报告等资料,管壁摩擦阻力一般在0．5～1．2t/m2之间,K2取0.9t/m2。
　　顶进长度按21.5-12.92=8.58m计。
　　（3）顶管总阻力。
　　F=F1+F2≈52.44t
　　考虑地下工程的复杂性及不可预见因素，顶管设备取1.5-2.0倍能力储备，设备顶进能力应为100t。
　　3.3.2顶管及孔桩施工注意事项
　　通常地下土层分布与地勘报告有一定的出入,施工过程因根据现场的实际环境预以调整。
　　（1）流砂情况较轻时
　　钢护筒压入开挖作业面以下300-500mm左右，就可进行孔内土方循环开挖。减少挖层孔壁的暴露时间，减轻顶管推力。开挖时从中心向四周褔射。当孔壁塌落，有泥砂流入而不能形成桩孔时，可暂停开挖作业，继续往下压入钢护筒，防止流砂发展的趋势扩大，保证孔内作业人员的安全。
　　（2）流砂情况较严重时
　　钢护筒压入开挖作业面以下1000mm以上，就可进行孔内土方循环开挖，每次开挖控制500mm厚。开挖时进尺不宜太快，应注意加大地下压力水能量自然释放的过程，减轻孔桩内外水压力的不平衡，防止施工中钢护筒周边土质突发外塌、内涌的流砂现象发生，保证孔内作业人员的安全。同时应配备一定数量的砂袋，对出现塌陷、涌砂的部位做到能及时填压。防止事态恶化，减轻损失。
　　（3）钢护筒垂直度控制
　　铸造机液压缸钢沉管垂直度设计要求控制在5mm以内。在顶管作业循环过程中，必须对上次作业误差进行检查并预以消除或减少。控制的方法是：护筒内设置铅垂吊中、核查护筒垂直度。顶压作业前后应先检查护筒顶标高，保证顶压管过程中，钢护筒受力均衡，不产生偏移。将每次作业误差记录在案，供下一循环调整。
　　4施工安全要求
　　4.1孔桩挖掘应连续作业，中途不能停顿，以防塌孔。孔内外用电设备必须有二级以上的防漏电保护装置1。
　　4.2孔内作业人员必须佩戴安全帽、安全绳，配置安全绳梯、搭设掩体。顶压作业开始时，严禁孔内挖孔作业。
　　4.3挖孔时应设机械通风,经常检查孔内的二氧化碳等有害气体的含量，如超标及时排除。土、石、杂物及时清理，挖孔暂停时，孔内必须罩盖。
　　结束语：
　　铸造机液压缸钢沉管孔桩成孔施工是本类项目施工中的一大难点，尤其在地质条件复杂，存在高承压水、流、涌砂严重的区域。采用静压顶进施工技术，在该地区内施工铸造机液压缸钢沉管孔桩，取得了成功经验，与冷冻法相比，技术简单，节约资金，保证安全（减少作业人员冻伤的可能性），可供类似工程借鉴。
　　参考文献
　　1兖矿集团邹城华建设计研究院有限公司：岩土工程勘察报告
　　