钻孔咬合桩在基坑围护结构施工中的应用

摘要：在天津城区地铁隧道采用明挖法施工时，当地质条件复杂，不宜于施工水泥搅拌桩止水帷幕时，常采用地下连续墙。本文对钻孔咬合桩这一围护结构型式在天津地铁改、扩建工程中的首次应用进行了详细介绍，对其在天津地铁基坑中的应用进行了实际工程监测，并进行了评价分析，认为咬合桩在地铁施工中有广阔的应用前景。

　　关键词：基坑；钻孔咬合桩；工程监测

　　1.前言

　　天津目前正在进行大规模地铁建设，其中在市区部分地段采用了明挖法[1].由于城市中心地带建筑物、交通设施稠密，故地铁工程的基坑开挖只能在支护结构保护下进行垂直开挖。目前地铁深基坑围护结构一般采用的形式有钻孔灌注桩加水泥搅拌桩复合结构，地下连续墙结构和ＳＭＷ工法[23].相对上述围护结构，钻孔咬合桩在天津较少有应用。该方法在国外及国内部分地区，已具备成熟的施工经验与工法，有很多成功的工程实例。其适用于沿海地区软弱地层、含水砂层地质情况下的地下工程深基坑围护结构的施工。它采用的是钢筋混凝土桩与素混凝土桩切割咬合成排桩的型式，其围护和止水效果很好，工程造价比地下连续墙和人工挖孔桩要低20%～30%左右。为此，在天津地铁西南角车站深基坑工程中引入了钻孔咬合桩工法。

　　2.工程概况

　　天津地铁1号线既有线改、扩建工程西南角站，位于四马路、南开三马路与黄河道、南马路交口处，呈南北走向。本车站将既有结构全部拆除，按照新的建筑平面重新构筑新结构。改建段结构全长244.349ｍ。

　　2.1工程地质与水文地质

　　改建段区间位于第四系全新统人工填土层（Ｑｍｌ）、新近沉积层（Ｑ43Ｎｓｉ）、第Ⅰ陆相层（Ｑ43ａ1）、第Ⅰ海相层（Ｑ24ｍ）中，岩性以杂填土、粉质粘土、粉土为主，土质松软，多呈可塑～流塑状，属中～高压缩性土。场地地下水类型为孔隙潜水，储存于第四系粘性土、粉土及砂类土中，地下水埋深0.8～4ｍ，水位变幅1～2ｍ。

　　2.2设计情况

　　该车站主体为地下一层多跨矩形框架结构，采用明挖顺作法施工。原设计方案基坑围护结构采用钻孔灌注桩加水泥搅拌桩止水帷幕，坑内设钢支撑系统。但由于本工程基坑开挖较深，达到了10ｍ，且其中一段基坑与一栋高层建筑———金禧大酒店距离仅6ｍ，而且由于开挖处杂填土中埋有原地铁修建时抛弃的建筑垃圾，有很多如钢筋、废木料、模板等各种杂填物，情况非常复杂，经现场试验后发现一般钻孔灌注桩成桩较困难；此外，本段地下水埋藏较浅且丰富，桩孔易发生坍塌变形。钻孔咬合桩由于采用了全钢套管护壁，能有效地防止孔内流砂、涌砂现象的产生，并且通过现场实时监测其成孔精度即可得到有效控制，其“一荤（指钢筋混凝土桩）”、“一素（指素凝土桩）”相互咬合排列，挡土和止水效果极佳，经济性好。最后经多方面因素综合考虑，本工程决定采用咬合桩这一新型围护结构型式。

　　3.钻孔咬合桩施工技术

　　3.1工艺原理

　　钻孔咬合桩的排列方式为一根素混凝土桩（Ａ桩）与一根钢筋混凝土桩（Ｂ桩）间隔布置。Ａ桩采用缓凝型混凝土，Ｂ桩采用普通混凝土，先施工Ａ桩，后施工Ｂ桩。天津地铁西南角站钻孔咬合桩采用的是全护筒冲弧法，即在两侧Ａ桩成桩后利用护筒钻机的下压切割能力，在切割掉Ａ桩部分混凝土的同时使Ｂ桩成桩。最后效果是使Ｂ桩嵌入两侧Ａ桩一部分，形状类似于相互咬合，故形象的称为咬合桩。

　　3.2工艺流程

　　3.2.1导墙施工

　　为了保证钻孔咬合桩孔口定位的精度并提高桩体就位效率，应在咬合桩成桩前首先在桩顶部两侧施作混凝土导墙或钢筋混凝土导墙。

　　3.2.2单根咬合桩施工工艺流程

　　（1）护筒钻机就位：当定位导墙有足够的强度后，用吊车移动钻机就位，并使主机抱管器中心对应定位于导墙孔位中心；

　　（2）单桩成孔：其步骤为随着第1节护筒的压入（深度为1.5～2.5ｍ），冲弧斗随着从护筒内取土，一边抓土一边继续下压护筒，待第1节全部压入后（一般地面上留1～2ｍ，以便于接筒）检测垂直度，合格后，接第2节护筒，如此循环至压到设计桩底标高；

　　（3）吊放钢筋笼：对于Ｂ桩，成孔检查合格后进行安放钢筋笼工作，此时应保证钢筋笼标高正确；

　　（4）灌注混凝土：如孔内有水，需采用水下混凝土灌注法施工；如孔内无水，则采用干孔灌注法施工并注意振捣；

　　（5）拔筒成桩：一边浇注混凝土一边拔护筒，应注意保持护筒底低于混凝土面≥2.5ｍ。

　　3.2.3排桩施工工艺流程

　　流程：Ａ1→Ａ2→Ｂ1→Ａ3→Ｂ2→Ａ4→Ｂ3……。

　　3.3控制措施

　　（1）成孔精度控制：为控制咬合桩的成孔精度达到《地下铁道工程施工及验收规范》[4]要求，采用成孔精度全过程控制的措施。本工程采用的是在成桩机具上悬挂两个线柱控制南北、东西向护筒外壁垂直度并用两台测斜仪进行孔内垂直度检查。发现有偏差时及时进行纠偏调整。

　　（2）Ａ桩混凝土缓凝时间的确定：在测定出单桩成桩所需时间ｔ后，可根据下式计算Ａ桩混凝土缓凝时间Ｔ

　　Ｔ=3ｔ+Ｋ

　　其中，Ｋ为储备时间，一般取1.5ｔ。

　　3.4施工问题与解决方案

　　（1）防止管涌措施：在Ｂ桩成孔过程中，由于Ａ桩混凝土未完全凝固，还处于流动状态，因此其有可能从Ａ、Ｂ桩相交处涌入Ｂ桩孔内，形成“管涌”。克服措施有：①控制Ａ桩坍落度<14ｃｍ；②护筒应超前孔底至少15ｍ；③实时观察Ａ桩混凝土顶面是否下陷，若发现下陷应立即停止Ｂ桩开挖，并一边将护筒尽量下压，一边向Ｂ桩内填土或注水（平衡Ａ桩混凝土压力），直至制止住“管涌”为止。

　　（2）遇地下障碍物处理方法：由于咬合桩采用的是钢护筒，所以可吊放作业人员下孔内清除障碍物。

　　（3）克服钢筋笼上浮方法：在向上拔出护筒时，有可能带起放好的钢筋笼。预防措施可选择减小Ｂ桩混凝土骨料粒径或者可在钢筋笼底部焊上一块比其自身略小的薄钢板以增加其抗浮能力。

　　4.工程实践效果与分析

　　在对各种围护结构型式比选后，最终在天津西南角地铁车站基坑工程中选择了钻孔咬合桩这一新工法。施工中，在靠近金禧大酒店一侧的基坑采用φ1200咬合桩，其余基坑段采用φ1000咬合桩，桩间咬合200ｍｍ，桩长为19.2ｍ。由于咬合桩这一围护型式首次在天津地铁工程中使用，而且基坑工程又是整个项目的重要工程，因此非常有必要在基坑开挖过程中跟踪施工进程，对桩体侧移、坑周地面沉陷和地层位移、附近建筑物、地下管网等变形及受力情况进行监测[5]，用取得的监测数据，与预测值或计算值相比较并进行分析，能可靠的反映工程施工所造成的影响，能较准确地以量的形式反映这种影响的程度，也可以对咬合桩的适用性进行客观、准确的评价。

　　4.1监测方案

　　监测设备包括：高精度水准仪，经纬仪和测斜仪。根据施工设计，在基坑开挖和主体结构施工期间，主要进行了变位、沉降、咬合桩变位和地下管线位移监测，监测对象及相应使用的仪器。

　　4.2数据分析

　　从2003年8月初开始监测，到2004年2月底结束，前后共计七个月的时间。在基坑开挖期间，工程中没有出现险情和事故，咬合桩防渗效果很好，各项监测数据也比较平稳，现对下面几个监测内容得到的监测数据进行分析说明。

　　由监测数据结果所绘出的桩体侧向变形曲线图可以看出，咬合桩围护结构桩体的最大侧向变形一般均发生在基坑开挖面以上靠近坑底的部位。比较186号桩与52号桩的侧移曲线，可明显看到52号桩的桩顶水平位移和桩体最大侧移均比186号桩要大很多。分析其原因，在图3中可以看出，186号桩位于一号线靠近金禧大酒店一侧的基坑边，由前述其桩径为1200ｍｍ，而52号桩桩径为1000ｍｍ。由于围护桩的桩径增大，所以其抗弯刚度势必会相应提高，在基坑内支撑型式相同的情况下，则桩身各部侧向变形量相应的会变小。52号桩桩顶最大侧移达到了8.5ｍｍ，远大于186号桩的2ｍｍ。分析原因是由于基坑开挖时第1道支撑加撑不及时，导致开挖后桩体悬臂状态暴露时间过长所致。综合这两个桩体位置与其他测点桩体侧移数据来看，绝大部分桩体变形值均满足要求，最大变形值11.9ｍｍ，小于设计要求的灌注桩、地连墙等围护结构水平侧移限值14ｍｍ。

　　在开始测量时地面已经存在微小的沉降。由于场地地下水位埋深较浅（0.8～4ｍ），为了防止基坑开挖时坑内外水位差较大而引起的流砂、管涌等渗透破坏现象，本工程采取的是基坑外井点降水措施。所以可以认定，初始的微小地面沉降是由于基坑开挖前坑外降水引起的。地表沉降会随着施工过程时间的增大而加大，最大沉降发生在52-2测点处，其次是桩头测点52-3，而距离基坑最远的52-1点沉降值已非常小了，说明此位置处地面沉降受基坑开挖影响已很小。

　　建筑物在坑外降水时即有一定的沉降，但沉降值很小。而出现沉降最快的时候，正是基坑从开挖至开挖到底这段时间内。而后，这些测点虽然继续下沉，但下沉的速率明显变缓，最大沉降值仅为3.5ｍｍ。综合基坑周围其他几幢建筑物的沉降值及地下管线的变形情况来看，最大沉降量在15ｍｍ以内，完全满足了规范[7]限定对主基坑周围建筑物和管线的沉降限值20ｍｍ的要求。

　　4.3钻孔咬合桩新工艺的评价分析

　　从天津地铁一号线西南角站基坑工程采用钻孔咬合桩这一新型围护结构型式的实际施工过程和效果看出，钻孔咬合桩相比较其他几种常用的围护型式有其自身很大的优势：

　　（1）咬合桩采用的是全护筒冲弧法，能够克服不良地质条件下灌注桩成桩困难的问题；

　　（2）咬合桩采用钢护筒，不像灌注桩用的是泥浆护壁，可以大大减小泥浆四溢对周围环境的影响；

　　（3）咬合桩垂直度比灌注桩好，不会塌孔，下挖过程中如遇到土体内有杂物影响时可以直接下去作业人员对杂物进行清理；

　　（4）从经济角度，咬合桩比地铁隧道基坑常用的地下连续墙结构要省20%～30%的经费，经济性好。

　　同时在本次工程的施工过程中也总结出了一些钻孔咬合桩施工的改进方法，如咬合桩导墙若采用预制结构而代替现浇结构，不仅可以更加方便施工，而且经济性更好等等。

　　5.结论

　　（1）在本文所涉及的工程地质条件复杂的情况下进行地铁隧道施工，基坑开挖围护结构采用钻孔咬合桩这种新的围护结构型式，达到了预期的目的；

　　（2）在基坑工程中，只要围护结构的挡土和止水效果好，并及时架设支撑，基坑开挖时对周围环境不会造成太大的影响，完全可以保证紧邻高层建筑物的沉降变形满足要求；

　　（3）基坑外地表沉降会随着施工过程时间的增长而加大，通过对本工程后续观测的结果来看，后期的沉降将持续半年左右才逐渐趋于稳定；

　　（4）钻孔咬合桩围护结构型式，当条件适当时，可应用在城市地铁施工中，一定会取得可观的社会效益和经济效益，将会有广阔的应用前景。