咬合桩在深基坑围护结构中的应用

颜佩君

（上海市浦东新区建设工程安全质量监督站，上海市200135）

0 引言

随着城市建设的发展和地下空间的开发利用，咬合桩作为一种新型的围护结构施工工法，是指混凝土桩相互咬合搭接形成的具有挡土和止水作用的连续桩墙。在北京、上海、广州、深圳等城市的市政、地铁和地下工程中广泛应用，施工工艺也日趋成熟。本文以咬合桩在上海杨高路改建工程基坑围护结构中的应用情况作介绍和分析。

1 工程概况

1.1 隧道围护结构

杨高路改建工程1标位于杨高南路花木行政中心，线路呈西南-东北走向，属于杨高路商务走廊核心路段。杨高路主线为地下隧道，工程基坑安全等级为一级，基坑全长720 m，宽度28～44 m，开挖深度2.4～17.1 m。基坑采用明挖法施工。隧道围护结构采用地下连续墙，墙长21.5～32.5 m，沿基坑深度方向设置1～4道支撑，其中分为2道钢筋混凝土支撑和2道钢管支撑。

Y19节段基坑长度14.46 m，宽度28 m，开挖深度16.3 m，围护结构采用地下连续墙，地连墙作为主体结构侧墙的一部分、与内衬墙共同受力。围护结构选用800 mm厚地连墙，采用锁口管接头，墙长32.5 m，混凝土标号水下C35 P8，共计16幅地连墙。基坑底部地基加固采用850@600 mm三轴水泥土搅拌桩，水泥掺量20%，采用裙边加固，厚度4 m，宽度3.85 m。

1.2 Y19节段污水管道概况

Y19节段基坑内留有1根现状污水管道，与基坑轴线斜交，污水管为1 500 mm混凝土管，管内底标高-2.2 m，管道埋深约6 m。由于该污水管道为花木行政区域的主管道，不能中断污水运行。为保证污水管道顺利改接，在围护结构施工前，将现状污水管道翻排至Y18节段主体结构混凝土中板上进行改接，然后将污水管道废除。

在Y19节段基坑外两侧污水管道位置，新建2座SMW工法井。工法井围护结构采用700@500SMW工法桩，内插H500×300×11×18型钢，双轴水泥土搅拌桩，水泥掺量13%。在污水管道位置处，H型钢插至污水管管顶，采用水泥土搅拌桩加固；同时在污水管道下部采用MJS全方位高压喷射注浆加固，桩径3 000 mm，搭接650 mm，水泥掺量40%，注浆深度至污水管底以下18 m。污水管道工法井与基坑地墙间净距为25cm，该空隙顶端采用高压旋喷桩进行止水。

Y19节段基坑内污水管道废除后，由于土体经过MJS全方位高压喷射注浆加固与双轴水泥土搅拌桩加固，导致Y19节段2幅地连墙无法正常施工，形成地连墙围护结构不能连续封闭，单侧断开间隔长度为3.8 m。

图1为Y19节段基坑平面布置图。

1.3 Y19节段咬合桩围护结构

Y19节段围护结构封闭是明挖法施工的前提条件，单侧3.8 m长度围护结构无法封闭，其一土体会因为无支护体系而坍塌，其二止水帷幕不封闭，基坑内外承压水将在此范围内贯通，影响基坑施工安全。因此需要选择一种既安全又可靠的施工工艺，封闭围护结构。经过参建各方讨论后，最终选择全套管护壁咬合桩围护方案来封闭基坑。

图1 Y19节段基坑平面布置图

Y19节段基坑污水管道位置未封闭区域单侧长3.8m，设置5根咬合桩，两侧共设置10根位于地连墙未封闭处。咬合桩桩径1 000 mm，桩长均为32.5 m，咬合桩分Za、Zb两种桩型相互交替，间距800 mm，两个桩相互咬合200 mm，咬合桩与地墙咬合200 mm，其中Za桩为圆形钢筋笼、Zb桩为方形钢筋笼，混凝土采用水下C35混凝土（见图2）。

图2 咬合桩平面示意图

1.4 地质与水文

该工程所在区域地貌类型为滨海平原，沿线地势平坦，各勘察点地面标高为3.82～5.29 m。沿线场地内自上而下可划分为7个大层及若干亚层，共计10层。各土层分别为①1层填土、②层褐黄～灰黄色粉质黏土、③层灰色淤泥质粉质黏土、③T灰色砂质粉土、④层为淤泥质黏土、⑤层灰色粉质黏土、⑥1层暗绿色粉质黏土、⑥2层草黄色粉质黏土加砂质粉土、⑦1层草黄色砂质粉土、⑦2层灰色粉细砂（未揭穿）。

场地地下水由浅部土层中的潜水和深部粉（砂）性土层中的承压水组成，地下水补给来源主要为大气降水与地表泾流，地下水与地表水水力联系密切。勘察测得场地地下潜水位埋深为0.9～2.8 m（高程 1.21～4.26 m）；所揭露的承压水为⑦层承压水，勘察测得场地⑦层承压水埋深约6.23～6.31 m（高程 -2.28～-2.22 m）。

2 咬合桩工法简介

咬合桩采用全套管护壁施工，相邻混凝土排桩间部分圆周相嵌，并于后序次相间施工的桩内置入钢筋笼，使之形成具有防渗漏作用的整体连续防水和挡土双重功能的围护结构。施工主要分为硬法切割和软法切割。咬合桩的排列方式采用为一根素混凝土桩或有筋桩（简称B桩）和一根钢筋混凝土桩（简称A桩）间隔。硬法切割先施工B桩，等B桩强度达到30%后，再施工A桩；软法切割先对B桩采用超缓凝混凝土进行施工，要求在B桩混凝土初凝前完成A桩施工。两种施工方法均在A桩施工时，利用全套管钻机切割掉相邻B桩相交部分的混凝土，从而实现桩与桩的咬合。该项工程杨高路Y19节段咬合桩采用硬法切割。

3 咬合桩施工工艺

3.1 施工流程（见图3）

图3 咬合桩施工流程图

3.2 导墙施工

为提高咬合桩孔口的定位精度和就位效率，在咬合桩施工前，在桩顶上部沿咬合桩两侧先施作钢筋混凝土导墙。导墙宽度2.5m，厚度500 mm。相邻桩位时保证搭接长度200 mm。导墙内配16@250双向钢筋，导墙的混凝土等级C25。导墙模板采用自制泡沫模板，导墙预留定位孔模板直径为钢套管直径。模板定位牢固，严防跑模，并保证轴线和孔径准确，混凝土浇注前对模板的垂直度、中线、孔径净距等进行验收。图4为导墙平面示意图，图5为导墙施工之实景。

图4 导墙平面示意图

图5 导墙施工之实景

3.3 桩位施工顺序

该项工程咬合桩单侧5根，两侧共计10根。咬合桩分为Za桩和Zb桩。Za桩、Zb桩均采用普通水下混凝土，首先施工Zb桩，等Zb桩强度达到30%后，再施工Za桩。Za桩对相邻Zb桩混凝土进行硬切割成孔，同时对地下连续墙混凝土进行切割，形成封闭止水效果。施工顺序为2→4→3→1→5。咬合桩桩位顺序示意图见图6所示。

图6 咬合桩桩位顺序示意图

为保证基坑封闭止水效果，咬合桩与地连墙处留有200 mm咬合量；由于地下连续墙已提前施工完毕，在地连墙相邻的Za桩施工时，需等Zb桩混凝土强度达到100%后，再同时切除地连墙混凝土与Zb桩混凝土，确保桩身垂直度和咬合效果。

3.4 全套管施工设备

根据该项工程咬合桩的情况，采用全套管全回转钻机（型号盾安DTR1505）进行咬合桩施工（见图7）。整套设备包括全回转驱动装置、液压动力钻、钻机、钢套管、锤式冲抓斗、钻架等组成。全回转动力设备夹紧钢套管进行360°回转钻进，在压入力和扭矩的共同作用下将1 000 mm钢套管压入土层，首节套管带高强度合金刀头,在钻进的同时可切割混凝土。

图7 全套管全回转钻机施工设备作业平面布置图

3.5 钢套管安装

全套管护壁采用1 000双壁钢套管，在成孔套管使用前，进行套管顺直度的检查和校正。首先检查和校正单节套管的顺直度，然后检查按桩长配置的全长度钢套管的顺直度，并对各节套管编号，做好标记，按序拼装。钢套管为双壁式，标准段每节6 m，底管7 m，短节3 m，均采用螺栓接头连接而成。在钢套管底部安装刀头，刀头上的高强合金齿可用于切割土层、混凝土及其他障碍物。图8为钢套管及其构造示意图。

图8 钢套管及其构造示意图

3.6 咬合桩成孔

将钻机设备的钻杆中心与咬合桩桩位中心对齐，并调整设备的水平度，保证导杆及钢套管的垂直度。在导墙上统一编写桩号，钻机移动调平支稳，使桩机中心准确对准桩位中心，以免造成重桩和漏桩。

桩机就位后，先进行垂直度复测，复测用两台经纬仪双向复测或吊线锤，满足要求后开始成孔，保证进入桩位预孔的垂直度要求。先埋设第一节钢套管（每节套管长约6 m）压入2 m～3 m，然后用冲抓斗从钢套管内取土，一边卸土、一边继续下压钢套管埋入土中，第一节钢套管按要求压入土中后，地面上预留2 m，以便于接管。再用驱动器压钢套筒时，桩位垂直度的检测一般为抽样检查。在咬合桩施工时必须使钢套管的深度比钢套管内的土面深3～4 m，切割咬合时，要控制垂直度，放慢钻进速度，防止钻进时钻头的钛合金磨损太快而无法切割至桩底部。

钢套管下压钻进和取土，一节套管完成后再接下一节，直至成孔深度达到设计要求桩长。在成孔过程中要保证套筒下压的垂直度，当垂直度超出标准和设计要求时，要采取纠偏措施。

3.7 钢筋笼安装

该项工程咬合桩钢筋笼分为圆形和方形钢筋笼。钢筋笼分为4节吊装，主筋连接采用单面搭接焊。采用搭接焊的其焊缝长度单面焊大于10 d，并保持钢筋的同轴性。在吊装钢筋笼前，对钢筋笼进行检查。检查内容包括：长度、直径，焊点是否变形等。完成检查后开始吊装，吊装采用履带吊双勾多点缓慢起吊，筋笼吊运时应防止扭转、弯曲，缓慢下放，避免碰撞钢套管壁。

3.8 混凝土灌注

混凝土利用导管灌注，导管口距混凝土表面的高度保持在2 m以内，在施工中连续灌注，中断时间不得超过45 min。浇筑混凝土应连续浇捣，导管随浇随提。钢套管随混凝土灌注逐段上拔，起拔套管应摇动慢拔，保持套管顺直，严禁强拔。导管直径为300 mm，导管连接顺直、光滑、密闭、不漏水。在浇注过程中，随时检查是否漏水。第一次浇注时，导管底部距孔底30～50 cm，浇注混凝土量经过计算确定，在浇注中导管下端埋深控制在2～4 m范围。提升套管和导管时，采用测绳测量，严格控制其埋深和提升速度，严禁将套管和导管拔出混凝土面，防止断桩和缺陷桩的发生。混凝土要连续浇注不得中断，边灌注边拔套管和导管，并逐步拆除。混凝土灌注至设计桩顶标高以上1 m（超灌量1 m），完全拔出套管和导管。桩顶混凝土不良部分要凿掉清除，要保证设计范围内的桩体不受损伤，并不留松散层。

4 技术质量控制措施

4.1 控制桩位

为了保证咬合桩具有良好的咬合效果，应严格控制孔口的定位误差，将套管钻机对准桩位，调平钻机机身以控制桩位；同时，要使得动力头、搅拌头、桩位线三点一线。钻机定位后的钢套管中心与桩中心偏差不应大于±10 mm。

4.2 垂直度控制

为了保证咬合桩底部有足够的咬合量，除严格控制孔口定位误差外，在成桩过程中，设置两台经纬仪对钻杆的垂直度进行观察，同时用水平尺附挂在钢套管的两正交方向上，通过观察水平尺上的竖直气泡居中。两种方法同步控制桩身垂直度，并根据设计要求控制桩的垂直度允许偏差不得大于1/300。成孔过程中如发现垂直度偏差过大，可利用钻机油缸及时进行纠偏调整。桩位成孔后，采用全自动超声成孔检测仪对垂直度进行质量检测。

4.3 预防“浮笼”

由于钢套管内壁与钢筋笼外缘之间的间隙较小，灌注桩芯混凝土起拔套管的时候，钢筋笼有可能被钢套管带着一起上浮形成“浮笼”。应采取如下预防措施：

（1）确保灌桩混凝土的和易性良好，其粗骨料粒径满足＜20 mm的要求；

（2）钢筋笼的加工尺寸应确保精确，在转运、吊装过程中采取可靠措施防止钢筋笼扭曲变形；

（3）在钢筋笼底部加焊一块比钢筋笼略小50 mm的薄钢板，增加其抗浮能力。

4.4 咬合时间控制

该项工程咬合桩采用硬法切割施工，先施工Zb型桩，在Za型桩咬合时，应使Zb桩的强度达到30%方可施工，且不得小于C10混凝土强度。

4.5 高强度合金齿控制

该项工程咬合桩采用硬法切割施工，不仅需咬合桩身，同时咬合地下连续墙，对第一节钢套管的高强度合金齿质量要求较高。在钻进过程中，需放慢钻进速度，防止合金齿磨损太快而无法切割至桩底部；同时，要避免发生高强度合金齿根开裂、合金齿磨圆、合金齿掉落等情况。如发现此类情况，应及时更换合金齿，确保施工周期。

5 施工效果

由于Y19节段基坑内留有污水管道，故地下连续墙和咬合桩分为二次施工。首先施工的是地下连续墙围护结构，随后挖除污水管道，再采取咬合桩方式进行封闭基坑。因为地墙与咬合桩接缝处为二次施工，存在施工冷缝。在基坑开挖过程中，发现该处交界面冷缝部位，有二处轻微渗漏水现象，施工人员及时进行了封堵注浆处理，采用双快水泥做封堵材料，注浆采用水泥水玻璃双液浆，经封堵注浆处理后效果明显，有效地控制了冷缝位置的渗漏现象。

除上述因地连墙和咬合桩未连续施工所引起的冷缝交界面渗漏外，从Y19节段基坑开挖出的咬合桩，桩体外观整齐光洁，并通过钻孔取芯、超声波检测，以及混凝土试件的试验检测，在桩身垂直度、桩身完整性、桩芯混凝土质量、桩身咬合量、挡土止水等方面均达到了预期的效果，未发现桩间漏水情况。同时，后期通过对围护结构深层水平位移，顶部水平位移，坑边地表竖向位移、水位观测等监测数据来看，也达到了理想的效果。

6 结语

杨高路咬合桩基坑围护结构施工技术的成功应用，为今后其他同类基坑咬合桩围护结构施工提供借鉴。结合咬合桩施工技术总结以下几点：

（1）咬合桩作为围护结构具有防渗能力强、无需泥浆护壁、扩孔（充盈）系数小、配筋率低，在穿过软弱富水地层时无需增加其它辅助措施。

（2）咬合桩采用全套管护壁钻进及其取土方法，避免了塌孔、缩径等质量通病，有效防止孔内流砂、涌砂现象；同时，全套管护壁方式保证了成桩质量，桩间紧密咬合，形成整体连续基坑围护结构；对该项目紧邻的外侧污水管道起到很好的安全保护作用。

（3）在全套管咬合桩施工中，可干孔作业，无须排放泥浆，机械设备噪声低，振动小，大大减少工程施工时对环境的污染，有利于文明施工。

（4）严格控制好咬合桩桩体的垂直度是保证咬合桩的关键，在施工前要制订完善的垂直度控制及纠偏措施。

（5）咬合桩施工的薄弱环节是桩与桩之间的咬合搭接面，因此需要保证足够的咬合量，并使混凝土在咬合搭接面相互嵌入、紧密黏结。这是咬合桩结构有效防水的关键所在。