无锡市轨道交通3号线新区站临近新区城际立交, 3号线区间沿珠江路方向下穿该立交, 规划轨道4号线沿新华路方向下穿3号线。该立交采用箱体结构, 箱体段长48m, 采用2×净12.45m框架结构, 顶板厚0.75m, 底板厚1.2m, 侧壁厚0.8m。箱体段抗浮采用钻孔灌注桩抗拔桩, 基坑围护采用钻孔灌注排桩+水泥土搅拌桩及旋喷桩止水帷幕。土层性状和通道桩基布置具体如图1所示。

地铁3号和4号线分别从2个方向在地下穿越该立交, 线路与箱体原基坑围护桩和基底抗拔桩发生冲突, 需要对其进行拔除。其中, 抗拔桩直径800mm, 桩长20m, 本次拔除10根;围护桩直径 1 000mm, 桩长13m, 本次拔除32根。

场区内的地层主要分布有粉质黏土、粉土和粉砂, 具体分层如图1所示。场地35.40m深度范围内含水层有3层, 分别为:①填土, 地下水类型属上层滞水、潜水, 该层地下水的补给来源主要为大气降水和沟渠、河道渗流, 与地表水联系较密切;含水层为③粉土、④粉砂、⑤粉土, 地下水类型属微承压水, 该层地下水主要是接受横向补给, 与地表水联系相对较少, 排泄主要是侧向径流排出区外, 地下水位变化较小。

拔桩区域内的桩体主要分布在2个区间, 其中原基坑围护桩处于粉质黏土和粉土层, 桩端部分处在粉砂层;通道底板下的抗浮桩则完全位于粉砂层, 同时粉砂层为承压水含水层, 对施工降水和拔桩作业的施工影响较大, 主要施工难点为在不破坏原有通道结构和中断城市交通的条件下实施承压水降水、通道内低净空拔桩工艺和通道底板修复工艺等, 是本工程的重点研究内容, 随着城市地铁工程的发展, 拔除地铁线路上建筑物的桩基础普遍存在, 本工程的施工工艺将为后续工程的施工积累经验。

根据已有的拔桩工程经验, 拔桩区的降水深度宜保证对断桩情况的特殊处理要求, 降水深度宜在桩端以下。但考虑到本场地主要为承压水且含水层为粉砂层, 为防止大量降水引起地基中的砂层流失, 导致较大沉降和通道、路面产生开裂, 降水深度控制以保证通道底板拔桩作业干地施工的条件, 将降水深度控制在底板以下1.0～2.0m范围。

在场地原通道基坑范围 (基坑长度为75.5m, 宽度为27.5m) 内布置井点降水, 利用承压均质含水层水量计算方法, 计算出需降低水头的总出水量, 然后按单井出水能力布置井的数量。涌水量可根据承压非完整井按式 (1) 计算:

$Q=2.73{\rm K}\frac{{\rm M}S{}_{\text{w}}}{\lg \frac{R{}_0+r{}_0}{r{}_0}+\frac{{\rm M}+l}{l}\lg \left(1+0.2\frac{{\rm M}}{r{}_0}\right)}(1)$

式中:Q 为基坑总涌水量 (m³/d) ;K为承压含水层水平渗透系数 (m/d) , 取平均水平渗透系数1.47m/d;M为承压含水层厚度 (m) , 取33.0m;S_w为水位设计降深值 (m) , 取7.2m;r₀为基坑等效半径, 其中r₀=0.29 (a+b) , a, b分别为基坑的长、短边, a= 75.5m, b=27.5m;R₀为抽水影响半径 (m) , 其中$R{}_0=10S{}_{\text{w}}\sqrt{{\rm K}}$;l为滤管长度 (m) , 取17m。

计算可得通道拔桩总涌水量约为1 412m³/d。

根据长时间抽水时的群井干扰效应及地层情况等因素, 按式 (2) 确定单井出水量:

${\rm H}={\rm H}{}_0-\frac{Q}{2\text{π}{\rm K}{\rm M}}[\ln R{}^n-\ln (x{}_1\cdot x{}_2\cdots \cdot x{}_n)](2)$

降深幅度7.2m。承压含水层厚度取为25m, 为保证地基的稳定性和防止通道的不均匀沉降, 考虑在通道两侧同时设置降水井进行降水, 则单个断面两口井的总流量为:

$Q{}_{\text{双}\text{井}}=434.98\text{m}{}^3/\text{d}=18.12\text{m}{}^3/\text{h}$

共布置3排共6口降水井。根据承压水和粉砂层的层深, 井深度定为30m, 滤管为17m。

降水设计将充分利用原止水帷幕的有利因素。采用原止水帷幕内降水可减小降水对基坑外路面的影响。场地降水横断面布置如图2所示。由于原通道两侧设有止水帷幕, 故在止水帷幕和通道外壁之间设置降水井, 以减小降水对周围建筑物和地面的影响, 并在帷幕外布置观测井, 同时兼做回灌井, 监测地下水位的变化情况, 为预警提供依据。

按图2所示方案预抽水发现, 在抽水过程中涌现大量细砂, 同时打开底板进行拔桩作业时承压水喷涌严重, 说明降水效果较差, 表明止水帷幕止水效果存在失效问题。进而采用在止水帷幕以外打设降水井的方案。因此, 对于此类工程的降水应根据止水帷幕的止水情况合理布置降水井。

拔桩断面位置精准降水, 减小影响。结合试抽水时的涌砂现象, 采用基坑全区域降水, 将对通道结构产生不利影响, 因此根据拔桩工序, 实施降水时仅对正在进行拔桩作业的位置进行降水, 即以单排双井降水为主, 以对地基的影响最小。降水布置具体如图3所示。

依据图3为获得最佳降水效果, 在计算的基础上共设置了3种不同的降水井流量, 即15～17.5, 18.5～20, 21～23m³/h, 通过现场比较, 当开启两个降水井流量18.5～20m³/h时, 含泥量为1/20 000, 水位降至箱涵底板下2m左右, 地表隆起可控制在2cm内。观测井 (远) 读数为2m左右, 观测井 (近) 读数为6～8m。最终选择的抽水流量为 18.5～20m³/h。

因此, 针对有帷幕情况下的降水施工, 应判断帷幕在现有条件下的有效性, 同时只要选择合理的抽水流量和布置降水井, 采用单排双井降水的方案可满足拔桩施工要求, 做到少涌砂、减沉降和利于施工。

为对施工过程中降水和拔桩引起的地表与通道沉降做评价, 按图4所示位置进行了变形监测。不同位置沉降变化过程如图5, 6所示。

由图5, 6可知, 在抽水初期, 随着抽水流量的增加, 地表沉降逐渐增大, 增量与距离降水井的位置和降水深度有关, 降水稳定后趋于平稳, 靠近井点的位置最大, 分别为25mm和28mm。沉降处于可控范围。在通道外侧36m范围内地表均有沉降。因此, 在粉砂层地基进行潜水降水作业, 应注重降水影响区域内的地基变形情况。通道横断面最大沉降为18mm, 横断面没有发生较大不均匀沉降, 结构以整体下沉为主。

现场检查表明, 抽水过程中通道、两侧路面未产生裂缝, 只要控制好抽水流量和合理布置降水的位置, 采用单排双井降水方案可满足拔桩对降水的要求。

对原通道底板的抗拔桩依据地铁线路的施工时间和隧洞位置采取分阶段多次拔桩的施工方案, 渐进性地保证通道结构的稳定性。从保护结构抗浮稳定性出发, 前期主要拔除通道范围内部桩体, 保留通道两端部的抗拔桩, 后期待拔桩稳定后结合地铁隧道施工再进行4号线范围桩基的拔除作业。具体布置如图7所示。原抗拔桩共有37根, 本次通道底板共拔除10根抗拔桩, 尽量减小一次拔除大量桩体后对通道稳定性的影响。

通道底板原抗浮桩拔除后, 受承压水的影响, 通道的抗浮稳定性将无法满足要求, 需对其进行加固。具体措施可在结构侧壁靠近顶板角隅处增设牛腿及5m长、35cm厚搭板, 在搭板上部进行相交道路路面铺筑, 利用与通道相邻的城市道路路面的压力荷载和未拔桩体保证通道抗浮稳定。

本拔桩工程的关键技术是如何减小桩侧摩阻力、在不破坏通道结构的条件下实现通道低净空下的拔桩作业和有效控制拔桩后砂层的稳定问题。

减小桩侧摩阻力通常可采用套管法 (回钻式^[1,2,3,4]和振动式^[5,6,7]) 、桩侧取土法、桩侧旋喷法^[8]。由于本项目待拔桩体处于完全粉砂层位置, 拔桩过程中严格控制拔桩后桩孔成型、防止砂层流失造成通道结构失稳成为关键问题, 同时结合桩径大、抗拔力大的特点, 采用回钻式套管法进行拔桩作业, 通过套管可防止桩孔坍塌, 拔桩后待桩孔回填完成后再进行套管的拔出作业, 可保证地基和结构稳定。

本项目底板抗浮桩的拔桩施工作业位于通道内部, 其最大净空高度为5m, 采用常规吊桩设备无法满足净空要求, 结合本项目设计了可在通道低净空条件下进行拔桩作业的静力顶升式拔桩设备, 设备由支架和千斤顶组成。拔桩力由千斤顶提供 (见图8) , 根据千斤顶行程, 分段依次拔出、截除桩段, 直至拔出全部桩体。

千斤顶的组数根据千斤顶的顶升力 (980kN) 和桩体的重力与侧壁阻力计算确定, 并验算其反力和通道底板的极限承载力, 防止底板被压坏。

抗拔力可按式 (3) 计算:

$F=1.1(G+\text{π}D{\displaystyle \sum f}{}_{\text{s}i}l{}_i)(3)$

式中:f_si为第i层土的极限摩阻标准值 (kPa) ; G为桩体重力 (kN) ;D为桩体直径 (m) ;l_i为第i层土厚度 (m) ;F为顶拔力 (kN) 。

计算可知顶拔力为3 250kN。同时, 在考虑千斤顶组数时必须保证千斤顶底座的反力小于底板混凝土的极限承载力, 进而设计套管的材料尺寸 (C35混凝土强度f_sk=16.7MPa) , 以4组千斤顶进行验算:

$\begin{array}{l}\frac{F}{nA}=\frac{3250}{0.75\times 4}=1084\text{k}\text{Ρ}\text{a}=\\ 1.084\text{Μ}\text{Ρ}\text{a}<0.8f{}_{\text{s}\text{k}}=13.362\\ \frac{F}{n}=\frac{3250}{4}=812.5\text{k}\text{Ν}<980\text{k}\text{Ν}\end{array}$

因此, 采用4组千斤顶可满足本项目拔桩对抗拔力和底板极限承载力的要求。

抗拔桩低净空拔除工艺如下:①确定钻孔灌注桩位置;②风镐凿除箱体底板, 暴露钻孔灌注桩桩头;③小型回转钻机在钻孔灌注桩ϕ1 200一圈钻孔探明障碍物;④安装静力压桩支架、钢底板 (厚6cm) , 焊接和切割要求满足GB50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》, 确保质量和安全;⑤安装油压千斤顶, 压铁。压铁根据压入钢套管过程中受到的阻力进行选择, 套管内侧土体液化, 考虑的阻力主要是管外侧摩阻力;考虑轻型机架压桩力不能过大, 采用注浆减摩方式, 估算压铁配重100t, 利用钢管及支架、千斤顶自重压重;⑥压钢套管, 并采用高压水液化管内泥土, 以减小拔桩摩阻力, 套管深度宜在桩底以下2m左右, 具体如图8所示;⑦限位截桩, 顶升高度达到要求后割断桩体, 吊离;⑧拔桩验收, 将每段顶升截断的桩长相加, 确保满足设计桩长, 并检查孔内是否有断桩存在, 检查桩端头钢筋, 确保抗拔桩全部拔除;⑨桩孔回填土施工;⑩拔除护筒。

在开孔之前准确获得桩的位置是关键, 可利用原设计图纸或采用物探方法判明桩位的确切位置。但由于底板钢筋较多, 对物探回波的准确性造成较大影响, 试验表明其无法获得准确桩位。因此, 在水位达到施工水位时, 可采用试钻结合图纸和物探相结合的方法进行。开孔的大小应充分考虑后期底板修复工程的需要, 桩体直径为800mm, 考虑拔桩套管的安装工艺, 本项目开3m×3m方孔, 现场实践表明, 可满足拔桩的施工作业和结构底板及防水修复要求。结构底板受力主筋和分布钢筋按同等直径相接原则进行焊接连接, 并留有足够的搭接长度, 孔洞范围内浇筑微膨胀防水混凝土。

开孔后的底板及修复工序如图9, 10所示。

本工程为既有城市地道的改建工程, 原抗拔桩与结构底板相连, 拔桩作业开凿底板后修复, 原有防水体系受到影响, 根据“防、排、截、堵相结合, 刚柔相济, 因地制宜, 综合治理”的防水设计原则, 重点对结构底板开槽处进行防水设计。

在新老混凝土结合处, 参照原防水体系采用防水卷材作为附加防水, 同时再结合水平面增设防水涂料, 然后结合立面增设多道遇水膨胀橡胶止水条, 最后在新老混凝土接缝表面设置反扣槽钢作为排水通道, 并导入边沟。

原设计箱体段顶板采用单组分聚氨酯涂料防水层, 作为柔性防水层加强顶部防水, 并加铺7cm厚C20细石混凝土保护层+油毡隔离膜进行保护, 以防后续施工对防水层造成破坏。对于围护桩拔桩工程影响范围内应按原设计防水做法恢复。

1) 对通道区域实施降水时应重视原基坑帷幕对降水的影响, 合理布置降水井位置。采用合适的抽水流量和布置降水井, 可采用单排双井降水的方法满足待拔桩体的降水要求, 以减小实施基坑全断面降水对通道结构和周边道路产生不利影响。降水深度宜保证底板下拔桩的干地施工条件为宜。

2) 粉砂层地基实施潜水降水作业时, 应重视影响区域内的地表变形情况, 及时对砂层的流失情况进行评估监测。

3) 在通道内部低净空条件下进行底板的抗浮桩拔桩作业, 可以采用静力顶升法分段拔出和截除桩体, 采用钢套管分离桩土并在回填桩孔后拔除套管, 可有效防止桩孔塌孔和涌砂现象发生, 保证通道稳定性。

4) 通道底板拔桩作业完成后需重视底板结构、防水等的修复工作。