钻孔咬合桩基坑围护施工技术研究|咬合桩基坑受力分析

　　摘要：以沪宁城际苏州站改造工程南北联系通道深基坑为例，介绍了钻孔咬合桩的特点、施工工艺流程；对钻孔咬合桩施工技术进行研究，将这种围护结构形式应用在深基坑围护中具有一定的指导作用。
　　关键词：钻孔咬合桩；基坑围护结构；施工技术
　　钻孔咬合桩是一种新型围护结构形式，目前在围护结构中尚属新技术、新工法、新工艺。该围护结构是指桩身密排而且相邻桩桩身相割而形成的具有防渗作用的连续挡土支护结构，即可全部采用钢筋砼桩，也可采用素混凝土桩与钢筋混凝土桩相间布置。
　　钻孔咬合桩一般采用套管钻机施工，实质上是一种冲抓斗跟着套管钻进的施工方法。钻机上装有液压驱动的抱管、晃管、压拨管机构。成孔过程是将套管边晃边压，进入土壤以后，并使用锤式抓斗在套管中取土。抓斗用自重插入土中，用钢绳收拢抓瓣。这种特殊的单索抓斗可在提升过程中完成向外摆动、开瓣卸土、复位，并开瓣下落等过程。成孔后，在灌注混凝土的同时，逐节拔出并拆除套管，最后将套管全部取出。
　　1.钻孔咬合桩特点
　　（1）钻孔咬合桩成桩精度和超缓凝混凝土是决定桩间能否有效咬合的关键因素。其施工的关键技术是桩身的垂直度和混凝土缓凝时间的控制。前者主要与施工机械和施工工艺有关，后者受诸多因素影响，特别是60h左右的超缓凝混凝土配比，需要施工前反复试验后确定，与其他桩型比，咬合桩的施工技术难度较大。（2）与常用的围护结构形式相比，钻孔咬合桩施工工艺单一，便于施工组织；此外，由于咬合桩采用连续咬合施工，基坑土方开挖时围护结构变形协调性大为增强，接缝抗渗能力强，因此，近年该围护结构钻孔咬合桩施工技术在许多地下工程中得到应用，具有极大的推广应用价值。（3）与连续墙相比，咬合桩施工灵活。由于钻孔咬合桩施工时可以根据需要容易转折变线，所以咬合桩施工时非常适合于平面形状复杂或弧形平面基坑。（4）钻孔咬合桩一般采用全套管桩机施工，成孔深，振动小，澡声低，无需泥浆护壁，成桩质量稳定，施工现场整洁文明。由于钢套管护壁，避免孔壁坍塌、缩颈、断桩、混凝土离析等质量问题，可紧邻建筑物、地下管线成桩，特别适用于周边建筑保护等级较高、对基坑变形控制要求较严的工程。（5）全套管钻机施工除岩层以外，可适用于任何土层，尤其适用于有淤泥、流砂、地下水丰富等不良条件下沿海地区软土地层。另外，当地下水位下有厚细砂层时，由于摇动作业使砂层压密，造成压进或拉拔套管困难，故应避免在厚砂层的土层中使用。（6）由于咬合桩的全套管钻机需要配置多种直径的钢套管，首次投入费用较传统设备略高，但考虑普通钻孔桩混凝土超增量、泥浆的制作和处理费用、扩孔系数、土方外运、基坑外放值、桩体混凝土凿除、文明施工费用以及成桩市场价，实际比普通灌注桩更经济。
　　2.工程概况
　　南北联系车道是连接苏州火车站南广场和北广场的地下行车通道，横穿整个苏州站。车道分3段施工，即城际场段、过渡场段和普速场段。城际场段已施工完成，苏州站城际场已正式启用。普速场待过渡场施工完成并迁至过渡场运营后，再进行施工。本次围护结构的施工范围就是过渡场段的南北联系车道。该施工段位于苏州站城际场和普速场的夹心地带，两侧均为既有线。
　　图1　　　苏州站改造工程平面示意图
　　图2　　　南北联系通道基坑围护平面示意图
　　苏州站所在区域为太湖冲积平原，地下水富集；地下20m内地质为黏土、淤泥、粉土、流沙；地面以上有雨棚、接触网高压线等；南北两侧分别是京沪铁路和沪宁高铁。本次围护基坑深8.5m。基坑边至既有线铁路中线最近距离6.1m。一般的工法桩、拉森钢板桩、钻孔桩+旋喷桩止水等基坑围护形式无法适应现场条件。而钻孔咬合桩具有围护强度大、桩机高度矮、对场地要求小、防水效果好、噪音低、施工快、对周围土体没有挤压等优点。所以过渡场的基坑围护设计采用钻孔咬合桩围护，咬合桩桩长18m，桩径为800mm，相互咬合200mm，导墙采用宽度1500mm、厚度300mm的C25混凝土，基坑围护设两道钢支撑。
　　3.钻孔咬合桩施工工艺流程
　　钻孔咬合桩，就是桩与桩之间相互咬合排列的一种基坑围护结构。施工大多采用‘套管钻机+超缓凝型混凝土’方案。钻孔咬合桩的排列方式有两种，一种为一个素混凝土桩（A桩）和一个钢筋混凝土桩（B桩）间隔，如图3（a），苏州站就是采用这种形式；另一种排列方式为一个钢筋笼为矩形的混凝土桩（A桩）和一个钢筋笼为圆形的混凝土桩（B桩）间隔布置，如图3（b）。两种排列方式在施工时均先施工A桩，后施工B桩，A桩混凝土采用超缓凝型混凝土，B桩必须在A桩混凝土初凝前完成施工，B桩施工利用套管钻机的切割力切割掉与A桩相交部分的混凝土，则实现了咬合，如图3所示。
　　（a） 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（b）
　　图3　　　钻孔咬合桩平面示意图
　　图4　钻孔咬合桩施工工艺流程图
　　3.1导墙施工
　　为了提高钻孔咬合桩孔口的定位精度并提高钻孔咬合桩垂直度，在桩顶上部施工钢筋混凝土导墙，导墙采用宽度1500mm、厚度300mm的C25混凝土。具体步骤为：1、平整场地，清除地表杂物　2、测放桩位中心线，根据导线控制点进行实地放样，并作好护桩。3、在桩位放样符合要求后即可进行沟槽的开挖。开挖结束后，确保导墙位置、中心线和槽底标高正确无误。4、沟槽开挖结束后绑扎导墙钢筋，导墙钢筋设计用Φl4螺纹钢，采用双层双向布置，钢筋间距按150mm排列，水平钢筋置于内侧，经验收合格后方可进行下道工序施工。5、安装模板和混凝土浇筑、养护等。
　　3.2单桩施工工艺
　　3.2.1钻机就位
　　等导墙有足够的强度后，拆除模板，重新定位、放样桩的中心位置，作为钻机定位控制点。移动套管钻机至正确位置，使套管钻机抱管器中心对应定位在导墙孔位中心。 　　3.2.2取土成孔
　　在桩机就位后，吊装第一节管在桩机钳口中，找正桩管垂直度后，磨桩下压桩管，压入深度约为2.0　m，然后用抓斗从套管内取土，一边抓土、一边继续下压套管，始终保持套管底口超前于开挖面的深度2.5　m。第一节套管全部压入土中后（地面以上要留1.2～1.5　m，以便于接管），检测垂直度，如不合格则进行纠偏调整，如合格则安装第二节套管继续下压取土，如此继续，直至达到设计孔底标高。
　　3.2.3吊放钢筋笼
　　B桩为钢筋混凝土桩，成孔检测合格后进行安放钢筋笼工作，安装钢筋笼时应采取有效措施，以保证钢筋笼标高的正确。
　　3.2.4灌注混凝土
　　如孔内有水时需采用水下混凝土灌注法施工，如孔内无水时则采用干孔灌注法施工，此时应加强振捣。
　　3.2.5拔管成桩
　　一边浇注混凝土一边拔管，应注意始终保持套管底低于混凝土面2．5　m。
　　3.2.6工艺流程
　　咬合桩单桩施工工艺流程
　　平整场地--→测量放样--→施工混凝土导墙--→套管钻机就位对中--→吊装安放第一节套管--→测控垂直度--→压入第一节套管--→核对垂直度--→抓斗取土，套管钻进--→测量孔深--→清除虚土，检查孔底--→B桩吊放钢筋笼--→放入混凝土灌注导管--→灌注混凝土逐次抜套管--→测定混凝土面--→钻机移位。
　　4.钻孔咬合桩关键施工技术研究
　　成桩精度控制和超缓凝混凝土缓凝时间控制是决定桩间能否有效咬合的关键因素。如成桩精度控制不好，则相邻桩不能正常咬合；如果先序施工桩缓凝时间控制不好，则后序桩在成桩时将无法切割前序桩。因此　　成桩精度控制和超缓凝混凝土超缓凝时间控制是咬合桩施工中的关键技术。成桩精度控制包括孔口定位偏差及垂直度的确定、孔口定位偏差控制、垂直度控制。
　　4.1孔口定位偏差及垂直度的确定
　　孔口定位偏差的允许值可按表1确定。
　　孔口定位偏差及垂直度的确定，一般咬合厚度a和最小咬合厚度（50mm）由设计单位给定。为了确保所选定的孔口偏差和垂直度能满足桩间最小咬合厚度的要求，需对初步选定的孔口偏差和垂直度按照下式进行验算：a-2（Kh+　q）≥50mm，式中　h为桩长，K为桩身垂直度，q为孔口定位偏差。
　　4.2孔口定位偏差控制
　　为了保证钻孔咬合桩底部有足够厚度的咬合量，应对其孔口的定位误差进行严格的控制，孔口定位误差的允许值根据桩长和咬合厚度，查上表得出需要控制在10mm以内。
　　为了有效提高孔口定位精度，应在钻孔咬合桩桩顶以上设置钢筋砼导墙，导墙上定位孔直径宜比桩径大20mm，如图5所示。钻机就位后，将第一节套管插入定位孔并检查调整，使套管周围与定位孔之间的空隙保持均匀。
　　图5　　　孔口定位平面示意图
　　4.3桩垂直度的控制
　　为了保护钻孔咬合桩底部有足够厚度的咬合量，除对其孔口定位误差严格控制外，还应对其垂直度进行严格的控制，主要三个方面：（1）随时检查和校正套筒的顺直度。根据我国《地下铁道工程施工及验收规范》规定，桩的垂直度标准为2‰以内。（2）成孔过程中垂直度的监测与检查。采用经纬仪或者线锤。（3）及时纠偏。如发现垂直度偏差过大，必须及时进行纠偏调整，纠偏的常用方法有3种：1）利用钻机油缸进行纠偏：如果偏差不大于或套管入土不深（5m以下），可直接利用钻机的两个顶升油缸和两个推拉油缸调节套管的垂直度，即可达到纠偏的目的。2）A桩纠偏：如果A桩在入土5m以下发生较大偏移，可先利用钻机油缸直接纠偏，如达不到要求，可向套管内填砂或粘土，一边填土一边拔起套管，直至将套管提升带上一次检查合格的地方，然后调直套管，检查其垂直度合格后再重新下压。3）B桩的纠偏：B桩的纠偏方法和A桩基本相同，其不同之处是不能向套管内填土而应与A桩相同的混凝土，否则有可能在桩间留下土夹层，从而影响排桩的防水效果。
　　4.4超缓凝混凝土配制、浇筑
　　在钻孔咬合桩施工过程中，A桩混凝土早凝会造成B桩无法成桩或者垂直度无法保证。一般情况下，先序施工的A桩混凝土初凝时间需要控制在60小时左右，而且60小时超缓凝混凝土，目前的技术尚无标准可循，初凝时间和坍落度较难控制。所以超缓凝混凝土的设计和质量控制在咬合桩施工中起着十分重要的作用，尤其是缓凝时间和坍落度的控制对咬合桩施工至关重要。
　　4.4.1A桩混凝土缓凝时间的确定
　　A桩混凝土缓凝时间是根据单桩成桩所需时间t来确定，单桩成桩时间与地质条件、桩长、桩径和钻机性能等有关，具体应根据情况和所选钻机的类型在现场做成桩试验来确定，也可按照以下经验公式作参考。
　　T=3t+K
　　式中　　　T——A桩混凝土的缓凝时间（初凝时间）。
　　K——混凝土安全储备时间，一般取1.5t。
　　t——单桩成桩所需时间。
　　4.4.2混凝土坍落度
　　如果A桩混凝土坍落度过大、开挖面距套管底部距离过小，　A桩混凝土就有可能从A、B桩相交处涌入A桩孔内，这种现象叫做‘管涌’，为了克服‘管涌’，A桩混凝土坍落度比一般水下混凝土小一些。干孔不宜超过14cm，水下混凝土不宜超过18cm，同时待A桩混凝土坍落度损失一段时间后再继续施工B桩。控制管涌除对A桩混凝土坍落度有要求外，B桩成孔时其套管底口应保持的超前开挖面一定距离　　一般不小于2.5m。
　　4.4.3超缓凝混凝土配置要点
　　超缓凝混凝土试配的要点是确定缓凝减水剂掺量和掺合料　主要是粉煤灰掺合料的掺量。使用缓凝剂是使混凝土具有超缓性能的主要手段　　最好采用复合型缓凝高效减水剂。混凝土配比需要反复试验确定。合适的粉煤灰掺量对降低混凝土的水化热、延缓混凝土凝结、降低混凝土水胶比、提高混凝土后期强度均极为有利。另外混凝土的3　d强度值R3d不大于3　Mpa。其作用是：在施工过程中遇到意外情况（如设备故障等）拖延了时间，以致于在A桩混凝土终凝后才施工B桩，这时，由于混凝土早期强度不高，使A桩咬合部分混凝土处理起来方便。 　　4.4.4灌注混凝土
　　咬合桩的混凝土灌注同普通钻孔桩水下混凝土灌注一样，超缓凝混凝土灌注时，每车混凝土均取一组试件，监测其缓凝时间及坍落度损失情况，直至该桩两侧的全部完成为止。如发现问题及时反馈信息，以便采取应急措施。
　　4.5钻孔咬合桩厚度的确定
　　相邻桩之间的咬合厚度d根据桩长来选取，桩越短咬合度越小（但最小不宜小于100mm），桩越长咬合度越大，按下式进行计算（南北联系通道基坑围护，设计给定为200mm）：d－2（kh＋q）≥50mm（即保证桩底的最小咬合厚度不小于50mm），式中　　　h——桩长；k——桩的垂直度；q——孔口定位误差容许值；　　　　d——设计咬合厚度。
　　4.6如何克服“管涌”
　　如图6所示，在B桩成孔过程中，由于A桩混凝土未凝固，还处于流动状态，A桩混凝土有可能从A、B桩的相交处涌入B桩孔内，称之为“管涌”，克服“管涌”有以下几个方法：
　　图6　　B型桩施工过程中的混凝土管涌现象示意图
　　（1）A桩混凝土的坍落度应尽量小一些，不宜超过18cm，以便于降低混凝土的流动性。（2）套管底应始终保持超前于开挖面一定距离，以便于造成一段“瓶颈”，阻止砼流动，若钻机能力许可，这个距离越大越好，但至少应大于2.5m。（3）如有必要（如遇地下障碍物，套管底部无法超前时）可向套管内注入一定量的水，使其保持一定的反压力来平衡A桩混凝土的压力，阻止“管涌”的发生。（4）B桩成孔过程中应注意观察相邻两侧A桩混凝土顶面，如发现A桩混凝土下陷应立即停止B桩开挖，并一边将套管尽量下压，一边向B桩内填土或注水，直到完全制止住“管涌”为止。
　　4.7分段施工接头的处理方法
　　往往一台钻机施工无法满足工程进度，需要多台钻机分段施工，这就存在与先后施工段之间的接头问题。采用砂桩是一个比较好的方法，如图7所示，在施工段的端头设置一个砂桩（成孔后用砂灌满），待后施工段到此接头时挖出砂灌上混凝土即可。
　　图7　　分段施工接头预设砂桩示意图
　　4.8事故桩的处理方法
　　在钻孔咬合桩施工过程中，因A桩超缓混凝土的质量不稳定出现早凝现象或机械设备故障等原因，造成钻孔咬合桩的施工未能按正常要求进行而形成事故桩。事故桩的处理主要分以下几种情况：
　　4.8.1平移桩位侧咬合
　　如图8所示，B桩成孔施工时，其一侧A1桩的混凝土已经凝固，使套管钻机不能按正常要求切割咬合A1、A2桩。在这种情况下，宜向A2桩方向平移B桩桩位，使套管钻机单侧切割A2桩施工B桩，并在A1桩和B桩外侧另增加一根旋喷桩作为防水处理。
　　图8　　平移桩位单侧咬合示意图
　　4.8.2背桩补强
　　如图9所示，B1桩成孔施工时，其两侧A1、A2桩的混凝土均已凝固，在这种情况下，则放弃B1桩的施工，调整桩序继续后面咬合桩的施工，以后在B1桩外侧增加三根咬合桩及两根旋喷桩作为补强、防水处理。在基坑开挖过程中将A1和A2桩之间的夹土清除喷上混凝土即可。
　　图9　　咬合桩背桩补强示意图
　　4.8.3预留咬合企口
　　如图10所示，在B1桩成孔施工中发现A1桩混凝土已有早凝倾向但还未完全凝固时，此时为避免继续按正常顺序施工造成事故桩，可及时在A1桩右侧施工一个砂桩以预留出咬合企口，待调整完成后再继续后面桩的施工。
　　图10　　预留咬合企口示意图
　　5.结束语
　　南北联系通道深基坑施工位于苏州站既有线夹心地带，地下水丰富，流砂层地质。基坑深8.5m，通过采用钻孔咬合桩围护，保证了基坑的安全，保护了基坑两侧的既有线路、管线和地上接触网、雨棚的安全，对既有线运营的影响降到了最低。在基坑降水过程中，因咬合桩止水和连续性效果好，既有站线沉降保持在4mm以内。在整个施工过程中，通过沉降、位移观测，地面位移变形累计平均8mm。同时通过本次实践，再次验证了其工艺参数、验证其实用性，取得了较好的经济效益和社会效益。
　　随着我国经济的飞速发展，许多大中城市在进行地铁建设和地下工程，同时土地成本越来越昂贵，周边的约束条件也越来越复杂。城市地下工程的发展，导致基坑向大深度、大面积方向发展，深基坑工程的围护结构是地下工程的前期保障，承担施工过程中的挡土和止水功能，也是节约施工空间、解决约束条件的可行途径。另外将围护结构与主体结构复合使用又是国内外研究的新课题，具有一定的现实意义和经济价值。
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