贝诺特灌注桩在上海外白渡桥保护工程中的应用

-1-贝诺特灌注桩在外白渡桥保护中的应用摘要:本文介绍了上海外白渡桥改造时所面临的地下障碍情况，重点总结了贝诺特（Benoto）灌注桩工法的原理及在外白渡格改造中的应用，并与传统工法进行了对比，对施工效果也进行了总结，以期能够对同工况条件下的钻孔桩施工提供借鉴。关键词：钻孔灌注桩贝诺特灌注桩全回转清障外白渡桥原址重建隆起下沉拔桩1.引言上海外白渡桥进行移桥改造，需要对原南、北桥台进行拆除并原址重建。桥台基坑围护采用Φ1200mm钻孔灌注桩，桩深18m，桩中心间距1300mm。由于围护桩紧贴原有防汛墙施工，拆除防汛墙后存在大量的抛石和基础水泥板桩及木板桩，按照传统工艺，必须在施工钻孔灌注桩之前将抛石、桩等障碍物清除后回填，再进行钻孔灌注桩的施工，费时费力，在工期和施工场地较为紧张的环境条件下难以达到预期的效果。施工过程中，采用了贝诺特（Benoto）灌注桩工法，利用全回转钻机清障后在全回转钢套筒的保护下，以干作业的形式直接放置钢筋笼，下导管浇注混凝土；整个施工过程中以全回钻的钻杆为护筒完成灌注桩的施工，与传统钻孔桩工艺相比，全回转钻孔桩成桩速度快，效率高，成桩质量较佳，在场地条件和施工工期较为紧张的环境条件下，较好地满足了施工的需要。2.贝诺特灌注桩的工艺原理及特点2.1贝诺特灌注桩工艺原理贝诺特灌注桩为全钢套管施工，利用全回钻设备回转装置的回转减少钢套管与土层间的摩阻力，边回转边压入，同时利用冲抓斗挖掘取土，直至钢套管下到桩端持力层为止，然后清除虚土，至此完成成孔作业；成孔后将钢筋笼放入，将导管竖立在钻孔中心，最后灌注混凝土成桩1。由于是钢套管回转钻孔并且最下部钢套管带有硬质合金切削齿，因此不需泥浆护壁，可进行大口径强力切削坚硬岩石、钢筋混凝土，适用于砾石岩石层、地下障碍物的切削钻孔作业，也适用于原位重建等需进行清障的施工区域。图2-1：贝诺特灌注桩施工流程示意图2.2贝诺特灌注桩的特点与传统钻孔灌注桩工法相比，贝诺特灌注桩成孔成桩工艺方面有以下特点：1)在钢套管的前端装有硬质合金切削齿，适合于挖掘坚硬的地基，可在各种杂填土中施工，也适合于旧城区改造的基础工程等2。-2-2)噪声低，振动小，无泥浆污染。3)孔壁不会坍落，充盈系数小，节约混凝土。4)钢钢套管护壁，可避免缩颈、断桩及混凝土离析等质量问题，挖掘精度高2（挖掘精度1/300～1/400）。5)设备自重较大，对施工场地要求较高，并且需配套大型吊机，施工成本相对较高。3.贝诺特灌注桩施工运用外白渡桥移桥保护工程施工时，原有的南北两个桥台需开挖重建，设计采用直径1200mm的灌注桩作为围护，桩间中心距为1300mm，桩深18.3m，底标高-13.2m，共有围护桩120根。施工时采用Exl1500全回转设备，该设备能够驱动钢钢套管做360度回转，并利用硬质合金切削齿对土体、岩层及钢筋混凝土等障碍物的切削作用，将钢套管钻入到设计深度；然后用冲抓斗将钢钢套管内土体、抛石等障碍物抓除，再下钢笼浇混凝土，完成单根桩的施工。图3-1：北桥台基坑围护桩、基坑及周边建筑物3.1围护桩施工存在的困难1)原址重建，地下障碍复杂始建于1907年的外白渡桥，已属于第三代桥，与前两二代桥相比，主桥长度有所缩短，故桥下部结构20m深度范围内遗留下大量的木桩及花岗岩条石。图3-2：开挖基坑后暴露出的原木桩实况2)紧临重要建筑物，沉降控制难度大北桥台紧临俄罗斯联邦驻上海总领事馆、百年老建筑浦江饭店及上海大厦，北苏州路存在大量地下公用管线，故对围护桩的施工要求非常高，主要是控制周边建筑物的不均匀沉降。-3-3)工况条件复杂，要求成桩精度高桥台施工完毕后，14.27m超大直径土压平衡盾构将从三个桥墩台及围护桩下方穿越，盾构穿越顶标高为-14.09m，距离围护桩桩底仅0.89m，故对桩身的桩顶及桩底标高控制要求较高，严防桩体下沉后侵入盾构轴线以内而导致盾构无法推进。3.2Exl1500型全回转钻机设备性能施工选用Exl1500型全回转钻机作为主要清障、钻孔设计，配备100吨履带吊车作为辅助设备。图3-3：Exl1500型全回转钻机1)钻进硬质地基能力强钻机自身配备的钢套管底部装配可掘进硬岩的钻齿，保证全回转钻机在较大扭矩工作状态时，能够掘削原桥台后钢筋混凝土结构、桥铭牌花岗岩等地下构筑物。2)保护周边环境能力强钢套管的设置，可有效防止孔位周边土体的塌落，尤其是在含砂量较高、砂质、淤泥质等土层中，钢套管可对周围土体作用侧向压力，在保证周围土体自立性的前提下进行钻进，对零距离的俄罗斯驻上海总领事馆不均匀沉降控制较为理想。3)钻孔精度易于控制钻进过程中可保证相对独立而不影响周围已有建筑物，在水平工作面上不易受其它机械影响；此外，钻机自身的升降设备配置垂直导向架，可满足垂直度要求较高的灌注桩桩基钻进施工要求。3.3贝诺特灌注桩施工流程1)定位及钻进根据测量放样的孔位停置Exl1500型钻机，安装内径1200mm的钢套管，在钻进过程中，使用抓斗清除孔内土石。安装第一节钢钢套管时，采用两台测斜仪附贴在钢套管外壁垂直方向进行校核，并通过互相垂直方向的两台经纬仪复核合格后方可开钻，按此控制第二、三节接管垂直度及纠偏，在钢套管切压过程中采用经纬仪全过程监控，发现偏差及时纠正，要求成孔精度为3‰。2)清障当钢套管钻进一定深度后，用100吨吊车吊起冲抓斗在钢套管内冲抓取土及碎石，若遇块径较大的石块无法抓取时，可用十字冲击锤冲砸击碎。-4-图3-4：钻机清理出的混凝土结构照片3)钻进和取土至设计深度挖掘完毕后立即测定桩孔深度，确认桩端持力层，清除孔底虚土，考虑桩的下沉作用，取土时保留桩底以上30cm~50cm土体。4)吊放钢筋笼及导管钢筋笼底部加装钢板封底，在加工完成的钢筋笼上焊接吊筋，将钢筋笼起吊后固定在孔口机架盘上，使钢筋笼准确地安放在桩孔标高中心位置上。5)灌注桩身混凝土钻孔结束后，为避免孔壁坍塌，采取拔钢套管与灌注混凝土交替进行的方法，即边拔钢套管边灌注混凝土。灌注过程要连续不间断进行，尽量缩短混凝土灌注时间，以防止钢套管顶升困难，造成质量事故。图3-5：基坑开挖后的桩身实况3.4施工难题及处理措施3.4.1桩外水位较高时桩底土体隆起问题及处理措施南、北两个桥台紧临苏州河，地下水位较高，在钻孔达到设计标高后进行下道工充，发现部分桩底土体有所隆起，钢笼下不到位，分析认为该现象是由于钢套管内外水头压差较大引起，从而导致桩底粉土粉细砂在地下水作用下涌人孔内。为防止桩底土体隆起，采用以下的解决方法解决：1)加大钢套管下沉深度3，终挖时钢套管超过孔深1m，但是孔内桩底标高以上30cm～50cm土体保留。2)内外水头差较大时，可在孔内回灌水，提高孔内水位，平衡内外压力差。3)若发生底部土体隆起时，向套筒内压水，保持一定的水位压力，防止土体继续隆起。3.4.2钢筋笼下沉问题及处理措施钢筋笼吊放到位后，进入浇灌混凝土工序，由于在浇灌混凝土的过程中，全回转钻机的钢套筒需要回转及提升，钢筋无法进行有效固定，若控制不当，在浇灌混凝土的过程中，会发现桩身钢筋笼下沉，造成桩顶标高不足，影响顶圈梁的连续整体性，更重要的是桩底距离盾构隧道顶部仅0.89m，若桩底下沉，将为盾构-5-推进造成重要障碍，导致盾构无法推进。下沉的原因主要是由于桩底存在欠挖浮土，钢筋笼在混凝土的重力作用下下沉产生的，针对此类问题，采用以下措施解决：1)钢筋笼下放完毕后，在钢笼吊筋上设立明显的观测标记，观测混凝土浇捣过程中钢筋笼是否有下沉现象。2)孔内取土至桩底标高以上时，保留30～50cm土体，为钢筋自由沉降预留空间。3)桩身混凝土浇捣完毕套筒拔出后，立即将钢筋笼预留的4根Ф28的主筋升到地面以上，并焊制10cm×30cm×2cm的吊点2块，钢套管拔出后通过工字钢扁担搁置在地面上，控制钢筋笼和混凝土下沉，并设立标尺，以便对笼顶标高进行复量。3.4.3拔桩问题及处理措施在混凝土浇灌过程中，由于外钢套管需要不断回转及反复提升，若操作控制不当，会遇到连桩拔起的现象，即当混凝土灌注到一定高度后，提拔钢套管时，会将钢钢套管连同已灌注混凝土和钢筋笼整体拔出，直接导致整桩报废。外套筒加上桩身钢筋混凝土，自重非常大，对于这样完全报废的桩来说，彻底拔出费时费力，对后期外钢套管整修重新利用也带来一些难题。图3-6：拔出的桩身实况：桩身已与外套筒连成一体根据现场施工情况分析，造成“拔桩”的主要原因有以下几个方面：1)在钢套管内灌注混凝土，由于钢套管约束作用混凝土压力垂直集中作用于桩底部，随着灌注高度的增加，压力增大，底部混凝土在压力作用下产生泌水现象，形成“硬壳”与钢管连成一体，致使在提拔钢套管时将钢套管内混凝土及钢筋笼一起拔出3。2)混凝土初凝预留时间不够。混凝土灌注的时间越长，下部可能已经达到初凝时间，下层混凝土就会出现凝固成块，和钢套管紧密结合，形成一个固定的混凝土活塞。在大气压力和凝固混凝土层与钢套管的附着力双重力作用下，使钢套管内的混凝土和钢筋笼同时随钢套管的而提升3。根据以上原因分析，除了常规的钻孔灌注桩浇灌措施外，针对性地采取了以下措施：1)混凝土初灌后，即开始回转和提拔外钢套管，且在灌注过程中随着灌注混凝土顶面的提高，连续提拔外钢套管，外钢套管在混凝土中埋深不大于2m。2)保证混凝土浇灌的连续性，不得拖延每次灌注的间隔时间。3)钢筋笼下方设置2cm厚钢板，与钢筋底部主筋焊接牢固，形成一个筒形的钢筋笼，浇灌的混凝土直接作用在钢筋底部，增大桩身的自重，防止初始起拔的时候钢筋随外钢套管提升。4.结语贝诺特灌注桩由于环保效果好、噪声低、振动小、施工现场文明，在海内外被广泛采用，已成为大型深基础施工所不可缺少的设备。目前，国际上该种设备的最大钻孔直径为3m，最大钻孔深度为73m，垂直钻孔精度可达1／500TRD。虽然施工成本相对较高，但由于其具有其他工法无法替代的优点，特别是我国很多城市都面临着二次开发，对原有基础的处理为贝诺特灌注桩的推广应用提供了广阔的前景。外白渡桥移桥保护，在原有桥台位置重新施工桩基础，在总结经验教训的基础上最终成功运用了贝诺特灌注桩，为相似工况条件-6-下的桩基础积累总结了施工经验。参考资料：1.《贝诺特灌注桩施工技术的新进展》《建筑技术开发》2002年04期沈保汉刘波刘富华2.《贝诺特灌注桩》《施工技术》沈保汉第8期，2000年3.《钻孔咬合桩在软土深基坑围护施工中遇到的难题分析》江苏地质2003年第03期高玉明