深圳地区钻孔咬合桩围护结构施工技术的研究

张佐汉，刘国楠，胡荣华

(中国铁道科学研究院 深圳研究设计院，深圳 518034)

钻孔咬合桩(Secant pile wall or Benoto situ-cast piles)由法国Benoto公司于20世纪50年代发明，是采用全套管灌注桩机(也称磨桩机、摇管机或 Benoto钻机)施工形成的桩与桩之间相互咬合排列的一种基坑支护结构［1-2］。

钻孔咬合桩在国内外得到了广泛的应用。在欧洲(法国、德国、英国、俄罗斯、意大利)、美国等地区的使用历史接近50年，在亚太地区(如新加坡、泰国、印度尼西亚、日本、中国香港、中国台湾)的使用历史接近30年［2-4］。中国内地最先使用钻孔咬合桩是1999年在深圳地铁一期工程中，随后相继在昆明、南京、贵阳、杭州、天津、上海、中山、温州、北京等地的建筑深基坑和地铁基坑工程中成功应用了钻孔咬合桩［5-7］。

本文依托深港西部通道深圳侧接线工程钻孔咬合桩的工程实际，并结合前人的研究结果，对咬合桩的施工技术进行了研究，以期通过不断的试验、研究和工程总结进一步完善钻孔咬合桩支护结构施工工法和质量控制体系，丰富国内咬合桩的工程应用经验，为咬合桩在全国范围内的推广提供参考借鉴。

1 钻孔咬合桩工艺原理及特点

1.1 工艺原理

钻孔咬合桩施工时，一序桩采用超缓凝型混凝土先期浇注;在一序桩混凝土初凝前利用套管钻机的切割能力切割掉相邻一序桩相交部分的混凝土，然后再浇注二序桩，从而实现一序桩、二序桩的咬合，其施工过程简图见图1。

图1 咬合桩施工过程

根据工程需要一序桩可以采用素混凝土桩、混合材料(如水泥土)桩、水泥搅拌桩、钢筋(矩形或异形钢筋笼)混凝土桩或型钢加劲桩，二序桩中一般配置圆形钢筋笼。到目前为止，发现一序桩与二序桩搭配方式的种类有6种，如图2所示［1-9］。

1.2 钻孔咬合桩特点

钻孔咬合桩与其它几种软土围护结构方法相比较，优点显著，见表 1［9］。

2 工程概况

深港西部通道深圳侧接线为建在深圳市区的长大地道，采用明挖方案，基坑开挖深度10.0～12.0 m，宽度约32.0 m。地道主要穿过城区，相邻的建(构)筑物密集，周边环境保护问题十分突出。场地的地质条件也十分复杂，主要不利地层及环境条件有:

1)深厚的强透水砂层;

2)海相沉积超软弱的淤泥层;

3)填海形成的填石层;

图2 一序桩与二序桩搭配方式

4)地下水位高;

5)基坑两侧管线多。

表1 几种挡土结构类型的比较

鉴于以上不利地层及环境条件，基坑结构的变形、位移和地下水的控制要求都相当高。根据深圳地区建筑深基坑支护技术规范，按场地条件和地质条件的复杂性，基坑安全等级定为一级。根据表1的对比结果，确定围护结构形式采用钻孔咬合桩+多排钢支撑支护。

钻孔咬合排桩施工时不受填石层的影响且具有较好的挡土、截水功能，能避免因深基坑开挖而造成地下水大量流失，发生流砂、周边地面沉降塌陷等事故;采用钢支撑，具有较大的支撑刚度，通过施加预应力技术，可以将基坑的位移和变形控制在一定的范围内。

3 咬合桩施工工法研究

3.1 施工工法研究

结合试桩试验、现场施工及前人的研究结果，对咬合桩施工技术的以下几个方面做了研究。

1)钻机选择

施工器械的好坏，影响着咬合桩的质量。经过调研，几种型号的全套管钻机性能比较见表2。

表2 几种全套管钻机性能的比较

根据场地条件及钻机的性价比，建议选择国产套管钻机，如捷程MZ系列套管钻机。

2)原料选择及数量控制

通过试桩试验，选定原料的同时确定了其数量的控制标准，见表3。

3)桩体垂直度控制［9-10］

为了保证钻孔咬合桩底部有足够的咬合量，需对垂直度进行严格的控制，桩的垂直度应控制在3‰以内。桩的垂直度主要靠套管的垂直度进行控制，因此在钻机钻进的过程中，每一节套管的垂直度都应控制在3‰内。为此必须做好以下三个方面的工作。

①套管顺直度检查和校正;

②成孔过程中桩的垂直度监测和检查;

③纠偏。

表3 原料选择及数量控制标准值

理论上可用下式判断垂直度是否符合施工要求［11］。

式中，L为咬合桩中心距;a为方笼或异型笼的宽度(沿排桩轴线方向);D为套管外径;H为一序桩钢筋笼长度;V1、V2分别为桩、钢筋笼的垂直度。

4)咬合厚度

邻桩之间的咬合厚度应根据桩长选取。桩越短，咬合厚度越小;桩越长，咬合厚度越大。根据在深圳、南京、杭州、香港等地区的施工情况，咬合厚度可按照下面的公式进行选择

式中，l为桩长;k为桩的垂直度;q为孔口定位误差容许值;b为钻孔咬合桩的设计咬合厚度。公式(2)的意义在于必须保证桩底的最小咬合厚度不小于50 mm。

3.2 施工工艺流程

通过对咬合桩试桩试验、现场施工及前人的研究，总结出咬合桩施工工艺流程，见图3。

4 咬合桩质量通病及事故桩处理方法

4.1 咬合桩质量通病处理方法

针对试桩试验及施工过程中出现的一些咬合桩通病问题，根据现场情况及前人的研究提出了相应的解决措施［5-6，9-11］。

1)钢筋笼下沉

由于受桩底地质条件和施工工艺、操作水平的影响，钻孔咬合桩钢筋笼高程控制难度较大，开挖后，钢筋笼顶存在100～800 mm不等的下沉。处理方法如下述。

当钢筋笼沉降量＜150 mm时，直接将桩顶钢筋接到设计高程，钢筋的接头形式可以采取双面搭接焊，焊缝长度为5d(d为钢筋直径，下同)。

当钢筋笼沉降量 ＞150 mm，且 ＜300 mm时，采取直接将桩顶钢筋接到设计高程，钢筋的接头形式可以采取双面搭接焊，焊缝长度由正常的5d，增加到10d，即280 mm。

当钢筋笼沉降量＞300 mm时，可将桩头凿除一部分，使钢筋露出量超过400 mm，以满足焊接要求，保证焊接质量。破除桩头混凝土后，有的桩顶高程会比设计高程低，需要将桩头混凝土补起来。补混凝土方法是先将钢筋接完，对混凝土面进行凿毛清理，用水冲洗干净并湿润，与冠梁一起进行混凝土浇筑，浇筑的混凝土应该比咬合桩高一个等级，即C30，用振动棒振捣密实。

图3 咬合桩施工工艺流程

2)桩头未达到设计高程

从开挖出来的施工冠梁情况看，一序桩桩顶混凝土未达到设计高程，其原因主要是:

①旁边桩施工振动导致混凝土密实下沉;

②施工时混凝土浇注未严格控制高程，导致混凝土浇注方量不足，未能达到设计高程。

处理办法是将桩顶混凝土面浮浆或疏松的混凝土凿除，直至凿到能够满足设计要求，对混凝土面进行凿毛清理，用水冲洗干净并湿润，浇注比咬合桩高一个等级的混凝土。混凝土灌注与冠梁浇筑同时进行，避免增加混凝土接缝，减少受力薄弱面。浇筑时，用振动棒振捣密实。

3)露筋

在土方开挖过程中，有个别二序桩保护层不够而出现露筋的情况，经过分析是桩头混凝土被管道流出的水冲走，此情况可以采取如下两种办法处理。

①局部少量露筋的情况，可以将桩身表面的泥土清理干净，凿除表面松散的混凝土，将桩身用水润湿，用1∶2的防水砂浆将露筋位置抹起来，并浇水养护;

②大面积露筋的情况，可喷射C25早强混凝土将露筋的部分喷平。

4)桩间开叉

桩间开叉主要是由于垂直度控制不好而造成的，分叉最不利的影响是桩间漏水，如果基坑外侧具备旋喷桩施工条件，可以在分叉桩间先采取φ600旋喷进行止水，旋喷的深度与咬合桩深度相同，将大量的水阻隔在基坑外侧。

5)桩间漏水

桩间漏水可分为三种情况。

①漏水量较大。可以采取小导管注浆的办法进行处理。

②桩间不是大量漏水，而只是有个别漏水点。可以采取铝管注浆。具体施工方法是:找到漏水点，人工将此处凿开15 cm左右的槽，用手电钻在漏水点上钻孔，孔深10～15 cm，插入铝管，用高标号(52.5)水泥掺加防水专用外加剂拌制的水泥砂浆将铝管埋住，12 h后，用小型注浆机注环氧树脂封闭漏水点，注浆压力一般为1 MPa。

③桩身上有水浸透，但无明水。可用1∶2.5防水砂浆进行封堵。

6)桩身缩径

由施工情况看，桩身缩径一般出现在一序桩上。经分析主要是由于地质冲孔导致一序桩发生下沉，桩头塌陷造成的。处理办法需依据桩身的情况来定，如果缩径情况不严重，未造成漏水，可将缩径的位置清理干净，凿毛润湿，挂网喷射混凝土或填补防水砂浆;如果缩径引起桩身漏水，则需要在喷射混凝土之前埋设小导管，喷射混凝土完成之后，进行注浆止水。桩身缩径较小或仅局部存在轻微孔洞，则可以用防水砂浆补平即可。

7)相切桩

施工中，由于管线影响以及机械故障造成了几根相切桩。处理办法是在桩身背后进行φ800旋喷桩处理，开挖后如果相切面依然有漏水现象，则采用小导管注浆或铝管注环氧树脂进行止水。

8)桩身表面蜂窝麻面

施工中出现个别桩身表面呈蜂窝麻面，即桩身表面不密实。处理的办法是将表面虚浮的混凝土凿除干净，用防水砂浆掺环氧树脂进行补平处理。

9)冲孔回填区缺陷桩处理

对于施工中冲孔回填区缺陷桩的处理，采取了以下三点措施。

①在有孔洞的一序桩与二序桩相交处施作φ800旋喷桩，桩长为原冲孔回填深度下2 m至桩顶冠梁，桩体背后通过补旋喷桩并与原咬合桩咬合，有效地避免了在主体土方开挖过程中地下水沿孔洞进入基坑。

②随主体土方开挖进程，对孔洞进行喷锚处理。具体处理方法是先将孔洞内夹杂物掏干净，再将孔洞内表面凿毛并用水冲洗干净，后挂网(φ6.5@200双向布置)喷射C20混凝土。

③如通过①、②项措施后仍存在渗漏，则对其进行小导管注浆或其它堵漏处理。

4.2 事故桩处理方法

由于受地质条件，施工设备及操作水平的影响，在施工中出现了一些事故桩，根据现场条件及前人的研究，对事故的原因进行了分析并总结出了相应的处理措施。

4.2.1 咬合桩施工时导管等设备无法取出

1)原因分析

施工咬合桩时，在混凝土灌注完起拔导管等设备时，由于机器设备故障，设备等无法取出，如本工程在施工二序323桩时，在混凝土灌注完起拔导管时，因为导管箍圈开裂，导致两节导管埋入混凝土中。经现场测定混凝土，发现桩东北部位局部混凝土离析，未探到石子，具体深度在导墙面下4.5 m(冠梁顶下3.9 m)。

2)处理方案

导管灌入混凝土内，不再取出，增强桩身强度和刚度，增强桩身抗弯性。桩身处理待桩身开挖视桩身灌注情况，采取注浆或者旋喷加固。导管平面位置示意见图4。

4.2.2 一序桩凝固，二序桩无法咬合施工

1)原因分析

由于机器故障、操作原因、混凝土等其他材料因素，导致一序桩混凝土超过缓凝时间，二序桩无法咬合施工。

2)处理方案

图4 导管平面位置示意

①平移桩位单侧咬合

将二序桩平移20 cm，与一序桩相切施工，然后在这两根桩之间施作旋喷桩止水，如本工程在施工二序452桩时，一序451桩已经凝固，无法相切，只能将二序452桩桩位向一序450桩方向平移20 cm，二序452桩与一序451桩相切，然后在此两桩桩缝间补 φ550 mm旋喷桩止水。补桩平面位置示意如图5所示。

图5 补桩平面位置示意

②背桩补强

二序1桩成孔施工时，其两侧一序1桩、一序2桩的混凝土均已凝固，处理方法为放弃二序1桩的施工，调整桩序继续后面咬合桩的施工，然后在二序1桩外侧增加三根咬合桩及两根旋喷桩作为补强、防水设施。在基坑开挖过程中将一序1桩和一序2桩之间的夹土清除并喷上混凝土即可，如图6所示。

图6 咬合桩背桩补强示意

③预留咬合锲口

在一序1桩成孔施工中发现二序1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，可及时在二序1桩右侧施工一砂桩以预留出咬合锲口，待调整完成后再继续后面桩的施工，如图7所示。

图7 预留咬合锲口示意

4.2.3 钢筋笼上浮

1)原因分析

①钢筋笼变形过大，施工中有几根桩的钢筋笼上浮，都是下吊的钢筋笼已损坏然后修复的钢筋笼。

②桩垂直度偏差过大，操作没有严格按规范施工。

③套管内壁变形过大容易和钢筋笼卡在一起。

④混凝土采用粒径大的石子，石子很容易卡在钢筋和套管壁间，增大摩擦力。

⑤混凝土沿导管冲下，在冲击力的作用下产生振实作用，混凝土把钢筋笼和套管“粘合”成一整体，在套管上拔时，钢筋笼发生一起上移。

2)处理方案

在施工中一旦发现钢筋笼上浮，应立即用压轮器压笼，如果不行，就直接把钢筋笼拔出，然后检查相邻一序桩的情况;如果一序桩塌落，应立即重新成孔二序桩且一序桩重新施工。

4.2.4 填石段二次成孔

1)原因分析

本工程场地内南侧ZXK3+679.2～ZXK4+023.5以及北侧ZXK3+965～ZXK4+023.5区段范围内与图纸给定的地质勘测报告不符，实际勘测显示这段里程内有大量人工填石，无法直接采用套管钻孔桩工艺。

2)处理方案

通过对各种方案进行技术、经济比选，经业主、监理、设计院以及相关单位研究决定在这些施工区域采用φ 1 200冲孔桩冲碎人工填石后回填，再按原设计套管钻孔桩施工，冲孔桩数量约为500根，冲孔深度为11～14 m之间。必须保证回填后孔内土体的密实度，防止在冲下一孔时发生塌方，造成周围边坡失稳和排洪渠出现损坏。通过试验，采用石粉渣(内掺5%的水泥)回填，取得了良好的工程效果。

5 施工影响及监测

5.1 施工影响

施工中发现基坑场地外侧局部地点沉降达5 cm，经分析是由于咬合桩套筒下沉及冲抓振动对土体的扰动引起的。最后通过增加套管超前支护长度，成孔后慢速取土以及局部地点采取地基加固与隔离的措施解决了该类问题。

5.2 施工监测

1)桩身水平位移监测

各桩顶水平位移观测标累计位移量介于-9～21 mm之间，平均位移量为6.19 mm，日平均位移速率介于-0.0452～0.0905 mm之间。

2)桩身沉降位移监测

各桩顶沉降位移观测标累计位移量介于16.8～19.1 mm之间。

3)桩身内力监测

由钢筋应力计监测结果，最大压应力为13.39～52.96 kPa。最大拉应力为15.16～81.33 kPa。

由以上监测结果可知，基坑安全稳定。

5 结论

本文以深港西部通道深圳侧接线工程钻孔咬合桩施工中的经验并结合前人的研究成果，对钻孔咬合桩围护结构施工技术进行了研究，并根据施工影响及监测得出如下几点主要结论。

1)本文总结的咬合桩施工工艺流程、对咬合桩通病问题及事故桩的相应处理措施，在本工程中取得了良好的工程效应，可推广应用。

2)本工程中桩体最大水平位移为21.0 mm，最大沉降为19.1 mm，满足规范要求，基坑安全稳定。钻孔咬合桩成功解决了常规深厚软土中的深基坑变形大、桩身弯矩大、基底易隆起等问题，不会对主体结构施工造成影响，相比其它软土维护结构节约了投资成本及施工工期。

3)软土地层中，咬合桩套筒下沉及冲抓振动对土体的扰动引起的周边路面或建筑物沉降必须引起重视。在施工之前，应通过分析研究，选择正确的成桩工艺参数，如套管超前支护长度、成孔取土方式等，以减少对土体的扰动，形成真正的微扰动施工。成桩扰动往往是全深度范围的，必要时应采取基础加固、隔离等措施，以免在咬合桩施工时造成临近路面或建筑物发生过大沉降。

4)钻孔咬合桩围护结构既保证了安全、节约了造价又赢得了工期，同时对环境影响较小，因此其有着良好的应用前景和推广价值，可在全国各地推广使用。

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