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[2 3]。
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(Ｑ43Ｎ ｓｉ)、第Ⅰ陆相层(Ｑ4 3ａ1)、第Ⅰ海相层(Ｑ2 4ｍ)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(如图1)。
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(见图1)。

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……,如图2所示。

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1 5ｍ;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。