钻孔咬合桩在复合地层中的应用研究

陈用伟 刘俊

摘 要：钻孔咬合桩多用于软土地层，采用全套管钻机软切割法施工，但在上软下硬的复合地层中，全套管法成孔困难，无法保证桩体的垂直度，以致于咬合效果达不到设计要求。为了解决此类工程问题，依托杭州地铁3号线一期工程工业大学站基坑工程，研究了钻孔咬合桩在上软下硬复合地层中的适应性及应用情况，并与其他围护方式在可实施性、安全性、经济性、施工效率等方面进行了综合比较。研究结果表明，在复合地层中采用旋挖钻机硬切割法施工咬合桩，成孔效率高，桩体垂直度高，止水效果好，能产生更好的工期效益、社会效益和经济效益。并且钻孔咬合桩能够很好地适应复合地层，经济性好，施工效率高，解决了复合地层中钻孔咬合桩的施工工艺和设备选型问题。研究过程及结果可为复合地层中的基坑工程施工提供借鉴与参考。

关键词：地下工程;钻孔咬合桩;复合地层;施工工艺;旋挖钻机硬切割法

中图分类号：U231.3 文献标识码：A

doi： 10.7535/hbgykj.2020yx04006[HJ1*2]

文章编号：1008-1534（2020）04-0246-07

Abstract：The bored interlocking pile is mostly used in soft soil， employing soft cutting method with full casing drilling machine . However， there are difficulties for composite strata in the process of hole forming by using full casing drilling technology， which can not guarantee the verticality of the pile in upper-soft and lower-hard soil horizon， so that the occlusion can not meet the design requirements. In order to solve this kind of engineering problems， the study of the adaptability and application of bored interlocking pile in upper-soft and lower-hard soil horizon was carried on in this paper based on the excavation engineering of ZJUT station in Hangzhou Metro Line 3 phase one， and the comparison between bored interlocking pile and other supporting methods in feasibility， safety， economy and efficiency were investigated. The research shows that rotary drilling rig hard cutting method in composite strata has created better efficiency of time limit of project， social benefits and economic benefits due to the high hole completion efficiency， high pile verticality and good water sealing effect. And the bored interlocking pile can adapt to the composite strata well， with good economy and high construction efficiency， which solves the problem of the selection of construction technology and equipment. The research process and results can provide reference for the construction of foundation pit in composite strata.

Keywords：underground engineering; bored interlocking pile; composite strata; construction technology; rotary drilling rig hard cutting method

鉆孔咬合桩兼具支护与止水双重作用，是现代基坑工程中常用的一种围护结构，与其他支护方式相比，具有一定的优势。钻孔咬合桩围护结构是指桩身密排且相邻桩桩身咬合形成的具有防渗作用的连续挡土支护结构，既可全部采用钢筋混凝土桩，也可采用素混凝土桩与钢筋混凝土桩相间布置方式，使之形成具有良好止水防渗作用的整体连续排桩式支护结构[1-4]。目前国内对咬合桩的研究主要集中在全套管法上[5-8]，先施工素混凝土桩，再施工钢筋混凝土桩。前桩使用超缓凝混凝土，要求在该桩混凝土初凝前完成后桩的施工。在后桩施工中，用套管桩机切掉与前桩相接触部分的混凝土，以确保咬合效果[9-12]。

一般情况下，钻孔咬合桩多用于软土地层，而在上软下硬的复合地层中，全套管法成孔困难，无法保证桩体的垂直度，以致于咬合效果达不到设计要求。笔者依托杭州地铁3号线一期工程工业大学站，对复合地层条件下咬合桩的围护方案、施工工艺、成桩质量控制等进行探索。

1 工程概况

1.1 施工环境

杭州地铁3号线一期工程工业大学站位于西湖区留和路与纵六路丁字路口，沿留和路布置。车站总平面图见图1。

车站北侧为浙江工业大学，临近护校河，南侧为浙江外国语学院。车站为地下二层分离式双岛侧式车站，标准段为双柱三跨箱形框架结构。车站总长473.5 m，标准段宽31.5 m，总建筑面积35 993 m2，共设置6个出入口，12个疏散口，4组风亭。

1.2 工程地质

根据地勘报告，自上而下地层为1）杂填土：松散-中密，主要由碎块石、角砾、混凝土块及黏性土组成，层厚为0.30～3.70 m。2）素填土：松散-稍密，主要由黏性土及角砾组成，层厚为0.40～3.00 m。

3）淤 泥质填土：主要為软塑状黏性土，力学性质差，层厚为0.50～1.20 m。4）粉质黏土：硬可塑黏土，中等压缩性，层厚为0.50～4.40 m。5）含砾粉质黏土：硬可塑，主要为砂岩或凝灰岩，层厚为0.50～3.80 m。6）碎石夹黏性土：碎石含量约为52%，黏性土含量为10%～30%，母岩成份主要为坚硬状砂岩或凝灰岩，所夹黏性土呈硬可塑状，层厚为1.40～8.10 m，如图2所示。7）中风化泥岩上段：岩体破碎，局部岩芯遇水易软化。岩芯采取率为55%～80%，RQD为20%。其饱和单轴抗压强度平均值为4.61 MPa，属极软岩，层厚为3.80～19.00 m。8）强风化钙质泥岩：节理裂隙发育，岩芯呈碎块状状，层厚为0.30～4.0 m。9）中风化钙质泥岩：岩芯呈长柱状、短柱状，部分块状，岩质较硬，岩芯采取率为75%～90%，RQD为60%～80%。饱和单轴抗压强度平均值为16.60 MPa，最大揭露层厚为 19.20 m 。如图3所示。地层物理力学指标如表1所示，地层基坑参数如表2所示。

车站覆土3 m，车站自上而下主要位于第四系地层和下部基岩层。基底位于中风化钙质泥岩，部分位于中风化钙质泥岩上段。围护结构嵌固深度取3.5 m，最大入岩（中风化钙质泥岩）深度约12 m。车站地质纵剖面图如图4所示。

1.3 水文地质

1）地表水：护校河距离主体结构边线为20.00～25.00 m，水深为0.50～1.90 m，水位随季节变化。

2）地下水：场地地下水类型主要分为孔隙潜水和基岩裂隙水2大类。孔隙潜水主要赋存于表层填土和浅部粉质黏土、碎石夹黏性土中，由大气降水径流补给，排泄主要通过蒸发形式。孔隙潜水垂直流向不明显，水平流速较小。基岩裂隙水补给来源主要为碎石夹黏性土层承压水，水量较小、径流缓慢。地下水位为地面下0.5 m。

2 围护方案比选研究

2.1 围护方案比选

工业大学站主体基坑标准段深度约为17 m，根据基坑深度，可选用地下连续墙、钻孔灌注桩+止水帷幕、钻孔咬合桩3种围护方式，其优缺点如表3-表5所示。

通过比较，3种围护方案在地质条件、防水效果上都是适用的。在工程造价上，因下部中风化钙质泥岩成槽需要使用铣槽机，因此连续墙方案造价明显高于另两种且连续墙施工速度较慢[9]。钻孔咬合桩和钻孔灌注桩造价相差不大，但咬合桩的防水效果较好，考虑基坑北侧临近浙江工业大学护校河，碎石夹黏性土渗透系数较大，综合考虑采用钻孔咬合桩围护结构，典型横剖面如图5所示。

因素混凝土桩长为10 m，穿过碎石夹黏性土层，只发挥止水帷幕作用，没有嵌固深度，围护结构计算时不考虑素混凝土桩的作用。采用理正深基坑软件分析计算结果如图6-图8所示。

通过计算，采用800 mm厚地下连续墙和 D1 000@1 200 mm 钻孔灌注桩时，围护结构位移和弯矩均比较小，富余量较大，经济性较差。本基坑采用D1 000@700 mm的钻孔咬合桩，基坑的受力与变形满足规范要求，且比地下连续墙和钻孔灌注桩更经济。

2.2 钻孔桩施工工艺比选

目前，钻孔咬合桩施工常用全套管钻机（搓管机）软切割和旋挖钻机硬切割2种工艺，其优缺点对比如表6所示[3]。

在上软下硬的复合地层中，由于下部地层强度较大，全套管钻机扭矩较小，下管困难，无法保证成桩的垂直度，同时施工效率较低，止水效果较差。通过综合分析后选用旋挖钻机硬切割工艺，施工采用旋挖钻机成孔，液压振动锤插拔钢护筒，该施工工艺保证了成桩的垂直度，提升了施工效率具有较好的止水效果。

3 钻孔咬合桩施工控制

3.1 成孔质量控制

1）碎石夹黏性土处理措施 场地内存在厚度为1.4～8.1 m的碎石夹黏性土层，根据邻近车站钻孔灌注桩的施工经验，该地层在旋挖钻机成孔过程中易塌孔，咬合桩施工采用10 m长钢护筒护壁，钢护筒底部位于碎石夹黏土与强风化泥岩交接处。

2）垂直度控制 为确保咬合桩底部有足够的咬合量，在成孔过程中要控制好钢护筒和桩的垂直度。

使用液压振动锤将钢护筒夹起吊至桩位，使护筒中心与桩位对齐后缓缓将护筒振动压入土体，在护筒压入过程中不间断使用铅锤对护筒垂直度进行监测，若出现偏差及时校正。垂直度保证在3‰以内方可满足相关规范及规程的要求[10-11]。在成孔过程中对护筒垂直度进行全程监控，以便及时发现和纠正偏差，确保垂直度偏差在规定范围以内。

3.2 液压振动锤插拔护筒控制

液压振动锤配合旋挖钻机施工咬合桩工艺具有护筒插拔快、工序衔接紧密的特点，在上软下硬地层中施工，要做好以下几点：1）液压振动锤在下压过程中应监控护筒的垂直度，垂直度出现偏差时应及时进行矫正。2）液压振动锤在夹运护筒时应有防坠落措施，以防液压失效造成护筒掉落发生伤人事故。3）混凝土灌注完成前应将护筒拔至一定高度（根据护筒长度所占混凝土量确定）灌满后再使用振动锤将护筒完全拔出[12-14]。

4 应用实践

4.1 施工机械与工序研究

工业大学站钻孔咬合桩施工采用旋挖钻机成孔，液压振动锤插拔钢护筒。桩的排列方式为一个A桩（素混凝土桩）和一个B桩（钢筋混凝土桩）间隔布置，采用隔桩跳打的桩序施工[15-16]。钢筋混凝土桩采用水下C35混凝土，素桩采用水下C25混凝土，每组桩数应根据混凝土终凝时间、地质情况及设备功率来确定，确保在A桩终凝前完成B桩的施工，在A桩施工完成后应及时下压钢护筒以打压切割A桩混凝土，避免等待时间过长难以下压，咬合桩施工顺序如图9所示。

4.2 现场实施情况

工业大学站主体基坑咬合桩于2019年10月施工完成，目前基坑已经开挖至底部。桩体垂直度在2.2‰左右，满足规范要求。对坑内及围护桩体之间地下水進行监测，仅部分桩身及桩体间有湿渍，未发现股状和线状水从桩体之间流出。从基坑开挖到底板完成，基坑最大变形17 mm，完全满足设计要求。实施完成后可以看出钻孔咬合桩成桩质量良好，止水效果良好，达到设计预期效果。

4.3 工期分析

工业大学站主体基坑咬合桩共计1 747根，其中钢筋混凝土桩874根，素混凝土桩873根。液压振动锤配合旋挖钻机施工，完成1个钢筋混凝土桩成孔需4 h，完成1个素混凝土桩成孔需1 h，2台旋挖钻机每天可施工6根左右钢筋混凝土桩，总工期约5个月。与采用全套管钻机的类似工程比较，节约至少2个月工期，提升效率40%左右。

4.4 效益分析

1）社会效益 旋挖钻机硬咬合法施工速度快，效率高，噪音低、振动小、无泥浆作业、成桩质量高、防渗性能好、施工安全有保障、文明施工程度高、能很好地满足环保要求，真正做到了“高效、环保、安全”的施工理念。

2）经济效益 旋挖钻机硬咬合法地层适应性广，桩体垂直度高，外型标准，防渗能力强，无需泥浆护壁，扩孔系数小，配筋率低，施工速度快，造价低，比地下连续墙造价低40%，具有良好的经济效益。

5 讨 论

钻孔咬合桩是由相邻桩互相咬合排列的一种围护结构，与其他围护结构综合比较，在上软下硬的复合地层中，咬合桩在受力、防水、地层适应性、经济性等方面具有一定的优势。

1）受力 上软下硬复合地层中，采用地下连续墙和钻孔灌注桩时，围护结构位移和弯矩均比较小，富余量较大，经济性较差。采用钻孔咬合桩时，桩体受力合理。

2）防水 与钻孔灌注桩相比，咬合桩不需要另外设置止水帷幕，止水可靠性更高。

3）地层适应性 钻孔咬合桩、地下连续墙、钻孔灌注桩均适用于多种地层，地下连续墙在地层强度较高的情况下成槽成本较高。

4）经济性 在复合地层中，地下连续墙成槽成本较高，钻孔咬合桩和钻孔灌注桩成本相当。

钻孔咬合桩解决了采用地下连续墙围护型式带来的成槽困难、施工成本高等问题，解决了采用分离式钻孔灌注桩止水效果差的问题。通过对地层特性分析选择采用旋挖钻机硬切割法施工咬合桩，能产生更好的工期效益、社会效益和经济效益。

6 结 语

笔者以杭州地铁3号线为例研究了钻孔咬合桩在上软下硬复合地层中的适应性及应用情况，得出以下结论：

1）与地下连续墙、钻孔灌注桩相比，咬合桩受力更合理;

2）咬合桩和钻孔灌注桩工程造价相当，但咬合桩止水效果优于钻孔灌注桩，工程造价比地下连续墙低约40%;

3）在上软下硬地层中钻孔咬合桩施工的控制要点包括成孔质量控制、液压振动锤插拔护筒控制;

4）在复合地层中采用旋挖钻机硬切割法施工咬合桩，成孔效率高，桩体垂直度高，止水效果好，能产生很好的工期效益;

5）施工过程中噪音低、振动小、无泥浆作业、施工安全有保障、文明施工程度高、能很好地满足环保要求，能产生很好的社会效益;

6）咬合桩扩孔系数小，配筋率低，施工速度快，造价低，能产生很好的经济效益。研究过程及结果可为复合地层中的基坑工程的施工提供借鉴与参考。

本文在咬合桩围护计算时，对素混凝土桩仅考虑其止水作用，实际上素混凝土桩也能够分担一定的水土压力荷载，但其分担的比例有待进一步深入研究。研究素混凝土桩分担荷载的比例，使设计更加经济合理是以后进一步研究的方向。

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