复杂海相地质条件下的咬合桩施工关键技术

2020-03-01罗光财戴华良朱嘉岚

建筑施工 2020年9期

罗光财戴华良曹勇朱嘉岚

中国建筑第五工程局有限公司湖南长沙 410004

咬合桩有支护、承重和止水三重功能，近年来在城市深基坑围护结构中得到广泛应用[1]。在地铁明挖车站咬合桩围护结构设计中，咬合桩多以相切形式布置。这种类型的围护结构虽能起到挡土作用，但对于地下水较丰富的沿海城市来说，因为复杂海相地质条件，咬合桩成孔时多数穿越填石土层或部分桩基需要进入岩层。由于设备动力不足或垂直度精度控制存在一定差距，故其施工进度和止水效果一般均不理想[2-5]。

咬合桩在基坑围护中既能支护又能防水，是一种具有广泛应用前景的新型基坑支护形式，但复杂的地质条件下，却存在各种不足。

针对咬合桩施工中存在的技术问题，本文以深圳城市轨道交通13号线深圳湾口岸站—登良东站明挖区间围护桩施工为载体，通过科学管理、合理选择施工顺序、优化混凝土配比和工艺改进等措施，形成了一整套复杂海相地质条件下的咬合桩施工关键技术。

1 工程概况

1.1 咬合桩概况

深圳城市轨道交通13号线深圳湾口岸站—登良东站区间明挖段总长315.24 m，设计采用φ1 200 mm@900 mm咬合桩作为围护结构。咬合式排桩布置形式采用钢筋混凝土桩（一序桩方形钢筋笼）和钢筋混凝土桩（二序桩圆形钢筋笼）搭配（也称为“全荤咬合桩”）。

一序桩桩身采用超缓凝C35（S6）混凝土，二序桩桩身采用C35（S6）混凝土，相邻桩咬合量不宜小于200 mm，平均桩长32 m。

1.2 工程地质特征

地面高程3.07～9.57 m，主要为低台地地貌，局部为台地间冲沟地貌。揭露土层为淤泥质土、可塑性粉质黏土、砾砂土、全风化花岗岩。场区特殊岩土主要为人工填土、软土。

1）人工填土：主要为素填土、块石、碎石土，填筑年限大于10 a。其中，块石、碎石土成分主要由中、微风化黑云母花岗岩块石组成。这些土质对桩基施工具有非常不利的影响。

2）软土：主要为海积泥炭质土，流塑状，局部软塑状。埋深6.0～17.8 m，厚度0.9～8.9 m。其抗剪强度低，对基坑支护具有不利影响。

1.3 水文地质条件

工程位于海积平原区，区域内第四系孔隙水主要赋存于第四系人工填土、海相沉积淤泥质砂层及沿线砾（砂）质黏性土层中，地下水初见水位埋深2.4～4.8 m，稳定水位埋深2.80～6.00 m，以孔隙潜水为主。

2 咬合桩施工工艺

2.1 工艺原理

咬合桩按照排列方式，分为一序桩（A桩）和二序桩（B桩）间隔布置。先施工一序桩（A桩）后施工二序桩（B桩），在一序桩的超缓凝混凝土初凝之前必须完成二序桩的施工。二序桩施工时切割掉相邻一序桩相交部分的混凝土，从而实现咬合排列的基坑围护结构（图1）[6-8]。

图1 咬合桩示意

2.2 施工机械比选

目前，国内咬合桩施工的机械主要有3种（搓管机、全回转钻机、双动力头强力智能螺旋钻机），需要根据施工场地实际的地质水文条件，选取合适的设备或设备组合。本工程在咬合桩成孔时必须穿越含有块石回填的复杂海相地质，部分一序桩（A桩）和二序桩（B桩）成孔时必须进入风化岩层。通过多种方案对比，形成3种成桩设备的组合方案。

1）搓管机+旋挖钻。一般地层采用搓管机成孔，搓管机为小角度来回搓动套管成孔。由于施加的扭矩及垂直荷载小，故处理孤石困难，且一般无法直接穿越。如若遇到孤石，需先采用旋挖钻处理，然后再搓动套管跟进；需要入岩时，只能采用旋挖钻处理。

2）全回转钻机+旋挖钻机。全回转钻机扭矩及垂直荷载大，能360°旋转套管，套管钻头能直接切削岩体，适宜在各种地质条件下施工，但是套管入岩时进度较慢。为加快成孔进度，在遇到大的孤石或需要入岩时，须提前使用旋挖钻机处理孤石或提前入岩切削岩体，再采用全回转钻机套管跟进。

3）双动力头强力智能螺旋钻机。双动力头强力智能螺旋钻机通过外侧套管护壁，钻杆连续排土成孔，可以应对复杂土层、卵石漂石层等复杂地层，钻孔效率高，但钻进速度易受地层条件影响，垂直度不稳定，易造成涌管现象；在粉质黏土层成孔时，易出现咬合面夹泥现象。若遇到大的孤石或入岩强度较高时，其成孔速度较慢，需要与潜孔锤组合，配置相应的空压机供气系统，设备占用场地较大。

场地内揭露土层自上到下可能遇到含花岗岩块石或碎石的人工填土、海积泥炭质土、可塑性粉质黏土、砾砂土、含砾石的全风化花岗岩等，需要穿越粉质黏土层和砂砾层，结合现场试验时各种施工机械的功能特性，综合考虑施工场地大小、施工垂直精度、止水质量、进度和效益等要求，最终决定选用全回转钻机+旋挖钻机的成孔机械设施组合。

2.3 施工顺序安排

采用全回转钻机施工咬合桩的总原则仍为先施工一序桩（A桩），后施工二序桩（B桩）。其具体顺序为：A1→A2→B1→A3→B2→A4→B3……，如图2所示。

图2 咬合桩施工顺序示意

在成孔过程中，下压钢套管超前开挖面2～4 m，并配合旋挖钻挖取钢套管中的土体，形成孔位，无泥浆施工。分段施工时，在施工段端头设置砂桩（成孔后用砂灌满）作为接头，后续施工到此接头时挖出砂子，灌上混凝土即可，如图3所示。

图3 端头砂桩处理示意

3 咬合桩施工关键技术

采用全回转套管钻机施工时，成桩质量受地质条件、工艺控制、混凝土配比等因素的影响较大，因此，科学管理、优化混凝土配比和工艺改进是确保咬合桩工程实施成功的关键。

3.1 桩位精确定位控制

在钻孔咬合桩桩顶部设置钢筋混凝土导墙，导墙必须有足够的厚度（一般≥50 cm）和强度（一般为C20以上），并设置定位孔（图4）。为保证钻孔咬合桩底部有足够的咬合量，必须对定位孔的定位误差进行严格的控制，其直径宜比设计桩径大20 mm。钻机就位后，将第1节套管插入定位孔并检查调整对中情况，使套管周围与定位孔之间的空隙保持均匀。调整并调平钻机平台，使桩机钻头中心、套管中心准确对准桩位中心，方可进行下一步施工。

3.2 成孔垂直度精确控制

3.2.1 套管顺直度检查和校正

施工前首先检查和校正单节套管的顺直度，然后将按照桩长配置的套管全部连接起来进行整体顺直度检查与校正，确保单节和整体套管的顺直度偏差均小于10 mm。

图4 桩基定位

3.2.2 钻机平台检测

套管的钻进主要依靠全回转套管钻机自身的液压系统提供动力，因此套管钻进时垂直度的控制也主要依靠钻机平台自身来完成，施工时通过不断调整各油缸的伸缩量来实现套管纠正，从而达到控制成桩垂直度的目的（图5）。

图5 钻机平台就位现场

钻机平台必须做好3个方面的检测：

1）垫实垫平钻机底部后，采用水平尺检查全回转套管钻机操作平台的水平度，将2个水平尺放置在操作平台的2个正交方向上，直接操作钻机，通过观察水平尺上的气泡并使其居中即可。

2）采用水平尺检查钢套管顶面水平度，水平尺以长1.2 m为宜，将2个水平尺附挂在钢套管的2个正交方向上，通过观察水平尺上的气泡直接操作桩机，只要使气泡居中即可。

3）校核取土钻机的钻孔垂直度，先调节钻机垂直度，再用全站仪校核钻机和钻杆的垂直控制精度。采取旋挖钻机处理孤石或提前入岩切削岩体时，操作前也要满足上述要求，以校核钻机和控制钻杆的垂直精度。

3.2.3 地面垂直度监测

在地面选择2 个相互垂直的方向（距离钻机一般≥20 m）采用全站仪监测地面以上部分的套管垂直度，发现偏差随时纠正。每台桩机均安排专人定岗进行垂直度监测，定时按进尺长度对套管垂直度进行监测。

这项监测在每根桩的成孔过程中应自始至终坚持，不能中断，确保套管垂直度不符合要求时能在第一时间被发现并得以纠偏。

3.2.4 孔内垂直度检查

在每节套管压完后安装下一节套管之前，都要停下来在套管正交方向设2个重线锤进行套管孔内垂直度检查；不合格时立即进行纠偏，直至套管整体垂直度合格后才能进行下一节套管施工。

3.2.5 套管匀速钻进控制

在套管下压过程中，严格控制好套管的下压行程，保持在20 cm/次以内，同时使套管磨动和下压过程异步进行。保持套管的相对稳定性，避免套管上部倾斜。

3.3 孤石处理技术

对于较大的石块，若全部在套管范围之内，则采用旋挖钻机直接抓出；当石块横跨套管内外不能直接取出时，则可以先采用十字冲锤冲碎套管内的部分，再用旋挖钻机将碎石块抓出，然后继续成孔。

3.4 穿越砾砂土、全风化花岗岩层

全回转套管钻机的套管入岩能力较差，管底的刀齿遇到k1g-3以上的中风化岩层，开挖厚度超过2 m以上或遇到较大的砾石就很难继续切割，套管进尺慢。施工过程中，在下压钢套管前，采用大功率旋挖钻机超前开挖2～3 m，无泥浆施工，然后再配合挖取钢套管中的土体或岩层，形成孔位。

3.5 超缓凝混凝土配比优化及施工技术

3.5.1 超缓凝时间确定（设计时间≥60 h）

一序桩混凝土缓凝时间一般情况下根据单桩成桩时间来确定，单桩成桩时间与施工现场地质条件、桩长、桩径和钻机能力等因素相关[9-10]。根据咬合桩施工工艺，A桩初凝时间应为：

式中：t ——单桩成桩时间；

K——预留时间，一般取1.0t。

本工程根据现场3 组试桩，统计出成桩时间为10～16 h，故取上限值16 h，初步控制一序桩初凝时间T=64 h。本工程地虽处深圳繁华地段，但混凝土供应地距桩基浇筑现场不超过10 km，因此，运输过程的时间不超过预留时间。但对于全荤套管咬合桩，应该考虑一序桩方形钢筋笼安装与混凝土浇筑时间的影响。根据现场试验统计，钢筋笼吊装时间约为3 h，单桩混凝土浇筑33 m3耗时约1.5 h，进一步调整一序桩混凝土超缓凝时间，最终初步按T=73 h控制，并在以后施工中根据现场情况进行调整。因此，针对全荤套管咬合桩，在不考虑运输过程的时间超过预留时间这一影响的情况下，超缓凝时间初步确定公式（1）建议修正为：

式中：t1——单桩成桩时间；

K——预留时间，一般取1.0 t1；

t2——单桩钢筋笼吊装时间；

t3——单桩混凝土浇筑时间。

3.5.2 混凝土坍落度确定

根据混凝土配合比设计规程，坍落度可取140～ 180 mm，同时为满足水下混凝土需要及防止管涌现象发生，取坍落度损失较快且较小的混凝土。根据试桩统计，取坍落度为160 mm±20 mm。

3.5.3 混凝土强度确定

为防止施工中遇到意外情况而延误时间，一序桩混凝土3 d早期强度不能大于3 MPa。设计多种配合比，在标准条件下养护14、21、28 d，由其强度及耐久性指标，确定超缓凝混凝土配比，具体为：水泥∶粉煤灰∶矿粉∶水∶砂∶石∶外加剂＝180∶65∶82∶173∶779∶1 121∶4.9，砂率为41%，水胶比为0.53。

3.5.4 施工措施

在超缓凝混凝土生产时严格控制原材料质量，严格按照试验确定的施工配比进行超缓凝混凝土生产，并确保超缓凝时间和混凝土坍落度稳定。在每车混凝土使用前，必须严格测试坍落度和观感质量。同时，二序桩浇筑时，套管底口始终低于开挖面深度≥2.50 m，形成“瓶颈”，阻止混凝土的流动；如果套管底口深度无法满足上述要求，可向套管内注水，使其管内保持一定的压力来平衡一序桩混凝土的压力。咬合桩施工过程中，必须连续监测其缓凝和坍落度损失情况，直至两侧的二序桩全部施工完毕，并按规范要求取试件检查混凝土最终强度，确保混凝土最终强度满足设计要求。

3.6 钢筋笼加工与安装精度控制

全荤套管咬合桩施工中，一序桩钢筋笼（方形钢筋笼）的加工精度与安装精度控制是重要工序之一，直接影响二序桩能否顺利成孔，关系到整个咬合桩的施工质量。

3.6.1 钢筋笼加工精度控制

加强钢筋制作平台的制作质量，采用钢架找平固定，并严格控制其平整度。加强钢筋配料管理工作，预先确定各形状钢筋下料长度调整值，配料时充分考虑到位。

严格控制箍筋加工成形尺寸，当一次弯曲多个箍筋时，应在弯折处逐根对齐。钢筋笼加工时，先在制作平台上进行精确放样，按照放样点焊接角钢进行定位，钢筋组装时进行挂线施工，严格控制钢筋笼加工尺寸和垂直度。

3.6.2 钢筋笼吊装精度控制

钢筋笼运输和水平吊装时，采用台架吊装，防止钢筋笼变形。钢筋笼底部焊接圆形抗浮钢板，并沿着主筋每隔5 m设置定位泡沫块或木支架。钢筋笼转体后，采用顶部两点吊放，吊至孔口并慢慢下至设计标高。同时，为保证方形钢筋笼定位准确，在桩孔顶底设置专用定位器，定位器由基座和定位盘两部分组成，在定位盘上采用8个螺杆用于方形钢筋笼角度确定，并在四角处有4个10 t千斤顶用来调节钢筋笼的垂直度。

4 结语

以深圳城市轨道交通13号线深圳湾口岸站—登良东站明挖区间围护桩施工为对象，针对泥质地层和抛石填海区等复杂海相地质环境，通过科学管理、优化混凝土配比和工艺改进等措施，采用全回转钻机结合旋挖钻机，成功地解决咬合桩施工进度慢和止水效果差的难题。同时，结合超缓凝混凝土配比优化、多种精确定位与垂直度精度控制措施，实现了全荤咬合桩的全回转钻机套管施工。工程应用后，开挖出来的咬合桩桩身光滑整齐，防水性能满足地铁车站深基坑施工安全要求。

工程实践证明，在淤泥质地层和抛石填海区等复杂海相地质环境中，可以采用咬合桩作为地铁车站的围护结构形式。