复杂条件下不对称深基坑工程施工质量控制研究

游易楚

(福州新榕城市建设发展有限公司 福建福州 350005)

0 引言

随着地下空间开发力度的增大，深基坑支护设计及施工技术水平也在不断提高。其中，咬合桩作为可兼顾受力和止水双重作用，得到了越来越广泛的应用[1-4]。相对于其他竖向围护结构，咬合桩有其独特的优势，不仅广泛适用于各种地质条件，且在特定条件下，具有较好的经济性。

然而，在上软下硬滨海淤积场地，除软土地层、回填土地层外，还存在中细砂含水层，深层存在中风化岩层及孤石。在这种复杂地质条件下，采用传统咬合桩成桩工艺，往往难以确保工程质量，不仅成桩过程中可能产生塌孔、管涌、流砂、断桩、开叉、卡钻等问题[5-6]，甚至不能进行成孔，影响咬合桩的使用，最终影响基坑支护土方开挖及地下结构施工的安全。

为避免上述成桩问题出现，该基坑工程结合场地地质及周边环境条件，采取全套管咬合桩作为竖向围护结构[7]，通过对成桩过程中诸多环节的控制，充分发挥该工艺的优势，有效确保了基坑的顺利实施。

1 工程背景

1.1 工程概况

拟建工程位于厦门市，设二层地下室，地下室西侧设一层夹层。场地东侧、南侧及北侧均为繁华市政道路(埋设有排污水管网及电力管网)，西侧为已建建筑(采用桩基，无地下室)，具体如图1所示。

图1 基坑总平面布置图

该工程±0.00相当于黄海标高3.74 m，现场整平相对标高为0.00 m，地下室底板垫层底相对标高为-7.20 m /-9.20 m，基坑开挖深度7.20 m～9.20 m。

1.2 工程地质及水文地质条件

场地内岩土层构成自上而下见有：

①杂填土：系人工回填土层，回填时间约 15 年以上，基本完成自重固结。主要成分为粉质黏土、残积砂质黏性土、中粗石英砂颗粒及大量碎砖、碎石等建筑垃圾及少量生活垃圾组成，硬杂质含量约 25%，全场地均有分布。

②淤泥：主要由粘粒及粉粒组成，含少量石英砂，局部夹中细砂质薄层，全场地均有分布，层厚 3.00 m～14.30 m，力学性质较差，具高压缩性。

③1强风化花岗岩：系中粗粒花岗岩风化形成。岩体已风化解体，呈散体状结构，修正后标贯击数 N≥50击/30 cm。

③2中风化花岗岩：系中粗粒花岗岩风化形成。岩体裂隙发育，呈碎裂～块状结构体，裂隙面多受铁质浸染。

此外，工程多个钻孔勘探发现孤石，揭露厚度为0.30 m～2.60 m 厚的中风化孤石，孤石的遇见率为 33.3%，孤石呈灰黑、花白等颜色，孤石岩质新鲜，一般呈椭球状。典型地质剖面如图2所示。

图2 典型地质剖面

场地地下水类型主要分为孔隙潜水和基岩裂隙承压水。 孔隙潜水主要赋存于①杂填土层中，基岩裂隙承压水主要赋存和运移于强风化岩层③1、中风化花岗岩层③2的裂隙中。承压水位埋深约为5.3 m～6.4 m，承压水头高度为1.0 m～1.3 m，具承压性。

2 基坑支护方案

2.1 基坑工程特点

基坑工程特点如下：

(1)地质条件复杂

场地表层为回填土，含有建筑垃圾、生活垃圾以及填石，对于支护结构的施工工艺有较大的限制。同时，场地存在较为深的淤泥，且含少量石英砂，局部夹中细砂质薄层，对基坑止水也有更高的要求。此外，场地中风化岩层起伏较大，局部中风化岩面高于坑底标高，对围护结构的施工同样提出更高的要求。

(2)周边环境复杂

场地东侧用地红线为围墙(距开挖线约 4 m)，围墙外为两车道道路(配套有排污水管网)，围墙外约10 m处均为1～2层建筑物；南侧用地红线为围墙(距开挖线约 4 m～5 m)，围墙外为两车道道路，(配套有排污水管网)，围墙外约10m处为4～5层住宅楼；西侧距离约4.0 m处为6层教学楼(采用桩基础)。北侧用地红线即为围墙(距开挖线约 4 m)，围墙外为双向6车道道路(配套有排污水管网及电力管网等)。

(3)基坑受力不平衡

场地南侧淤泥厚度明显大于北侧，北侧中风化基岩的埋深明显小于南侧，这对于支护结构的整体受力和平衡提出了更高的要求。

结合上述特点，该基坑工程的安全等级为一级，重要性系数取1.1。基坑正常使用期限为12个月。

2.2 基坑支护方案

综合场地地质条件、周边环境条件等因素，该基坑最终采用咬合砂浆桩+1道钢筋砼内支撑，桩径为Ф800灌注桩，围护桩间采用素砼桩咬合作挡土止水。其中，在北侧中风化出露区域，围护桩应嵌固进入中风化岩层；在南侧淤泥较厚区域，桩端应确保嵌入强风化岩层一定深度。支撑体系采用对撑、角撑相结合的布置形式，如图1所示。

此外，考虑南侧局部区域淤泥较厚，为了更好控制围护结构变形，增设了水泥搅拌桩被动区坑内加固。典型支护剖面如图3所示。

(a)北侧

(b)南侧图3 典型支护剖面图

2.3 设计计算分析

根据理正深基坑计算可知，基坑侧壁最大变形均小于30 mm，可满足基坑及周边环境变形控制要求，如图4所示。

尽管围护桩的深度可满足变形及稳定控制要求，如何确保施工质量，并保证基坑顺利实施，成为工程的重点和难点。

3 咬合桩施工工艺及特点

3.1 施工机具特点

为确保咬合桩的施工质量，工程咬合桩采用全套管成孔工艺。咬合桩应在场地平整后开始施工，在灌注桩成桩时，应设置定位导墙，其桩位允许偏差为30 m，桩垂直度允许偏差为1/300，桩底沉渣厚度≤100 mm。

全套管成孔工艺利用钻机装有液压驱动的抱管、晃管、压入(或拔出)机械，成孔过程中将套管边晃边压，压入土中，同时利用重锤式冲抓斗在钢套管中挖掘取土或砂石，直至钢套管下沉至设计深度。成孔后在灌注混凝土的同时，逐节将钢套管拔出并拆除。

(a)北侧

(b)南侧图4 典型剖面围护墙变形及内力计算结果

套管钻机设备采用三菱重工的MT-200型套管钻机，采用全液压驱动履带行走，套管钻机的抓斗为重锤式抓斗。

套管采用双层结构，第一节长1.8 m，标准节2 m、3 m、4 m、6 m等不同长度，施工时结合桩长进行配套使用。套管由上下接头和双层卷管焊接而成。在第一节套管的端部连接一段，带有刃口的短套管，刃口配备硬质合金组成齿状端部，短套管的直径比标准套管大20 mm～40 mm，减小上部标准套管与孔间的摩阻力，可减小套管钻进难度，提高钻进效率。

锤式抓斗在初始状态时，抓斗片呈打开状态；当套管压入土中，抓斗以自由落体的方式向套管内冲入切土，收缩专用钢丝绳，提升动滑轮，抓斗片合拢，抓斗提出套管，抓斗松开弃土。

3.2 工艺特点

采用全套管咬合桩，具有如下特点：

(1)施工无噪音、无震动，钻孔过程中无需使用泥浆护壁，避免了泥浆的加工、储存、运输，有利于施工现场文明施工。

(2)钻孔过程中采用全套管跟进，并利用落锤式冲抓斗挖掘，成桩作业速度快，孔壁不会坍塌，成孔质量高。

(3)钻孔不使用泥浆护壁，避免泥浆污染钢筋和进入混凝土的可能。钢筋周围不会附粘一层泥浆，有利于搞高混凝土对钢筋的握裹力，成桩质量高。

(4)成孔速度快，挖掘深度大，成孔垂直度容易控制，垂直度偏差小，可以控制到3%。

(5)成孔直径标准，扩孔率小，与其他成孔方法比较，节约混凝土，清孔彻底，孔底残渣少，提高了桩的承载力。

(6)套管钻机为自行式，现场移动方便。

3.3 工艺流程

咬合桩的流程如图5所示。

图5 咬合桩施工工艺流程

根据设计文件，素混凝土桩采用C25水下混凝土，混凝土桩采用C30水下混凝土，在素混凝土桩完全终凝前施工钢筋混凝土桩咬合。施工顺序为：先施工素混凝土桩(A桩)，再施工钢筋混凝土桩(B桩)。具体流程为：A1-A2-A3-B1-B2-A4-A5-B3 -B4-A6-A7-B5-B6等，依次类推，如图6所示。

图6 咬合桩施工顺序

4 咬合桩施工质量控制

4.1 导墙质量控制要点

全套管咬合桩的首个关键工序，是导墙的施工。导墙起定位、导向及锁口作用，直接关系到咬合桩的成孔精度和质量。360°全回转套管机的吨位大，为了确保导墙稳固，咬合桩机在就位、移动及钻孔过程中不发生变形、损坏现象，需重点控制：

(1)导墙孔口定位应准确，定位偏差控制在10 mm之内，需进行二次平面定位校核。

(2)为确保后续钻进精度及垂直度，导墙墙面的垂直度应不大于3‰，内墙面平整度不大于3 mm，导墙顶面平整度不大于5 mm。

(3)导墙模板内侧应采用木枋顶紧，确保混凝土浇筑过程的稳定性，不发生施工引起的偏位，如图7所示。

图7 导墙图片

4.2 套管安装要点

(1)正式施工前，应先检查和校正单节套管的顺直度，并检查按桩长配置完成后套管的顺直度，套管顺直度允许偏差为1‰～2‰。校准后，对各节套管编号、标记，便于后续按编号下套管。

(2)桩机就位后，按标记顺序安装钢套管。安装完成后，进行垂直度双向复测，满足要求后方可钻孔。

4.3 取土技术要点

(1)对于①杂填土、②淤泥层，应使套管先于开挖面超前下沉，可超出孔内开挖面1.0 m～1.5 m，使落锤抓斗仅在套管内取土挖掘，有效控制孔壁质量及开挖方向。

(2)对于③1强风化岩层，套管下沉相对困难。应使用落锤抓斗超前下挖0.2 m～0.3 m，但超前挖掘量应控制在最小量，否则套管下压过程中可能出现倾斜现象，若倾斜较多，则很难控制套管的垂直度。

(3)对于③2中风化花岗岩层，采用重锤式冲抓斗难以取土有效取土，故应改用旋挖机进行钻进施工，并成孔至设计深度。

4.4 承压水管涌处理

场地淤泥层中存在中细砂质薄层，在全套管钻机成孔过程中，中细砂存在的承压含水层，可能导致砂土从套管中涌起，引发承压水发生管涌。若出现明显管涌，易导致周边环境发生沉降等不利情况[7]。

为了避免管涌的出现，该工程采取如下措施：

(1)开挖面出现管涌时，加大套管的下压力度，使导管始终超前于开挖面，随挖随压，始终确保套管底与开挖面保持1 m以上。通过预留一定的反压土，避免发生管涌。

(2)套管穿透承压含水层后，应随时观测孔内开挖面的稳定状态，避免地下水从侧壁渗入产生管涌。

(3)成孔完成后，应合理配制第一序混凝土，尽可能减小混凝土坍落度，降低其流动性。若拔管过程发生管涌，应即刻向孔内注水，确保水位平衡。若承压水头较高仍无法有效控制，可通过加地高地面上的套管高度，注水提高套管内水压，以抑制管涌出现。

4.5 钢筋笼吊装要点

为防止钢筋笼起吊变形，钢筋笼应分节制作，每两节钢筋笼应在现场进行搭接，搭接时间限制在1h内，当钢筋直径≥22 mm时，宜选用套筒连接，<22 mm时进行焊接连接。吊放钢筋笼入孔时，应对准孔位轻放，不得左右旋转。若遇阻时，严禁高起猛落强行下放。

钢筋笼对接完成全部入孔后，应按设计要求检查停放位置。为防止浇灌混凝土时，钢筋笼窜动造成错位，应按实际标高计算吊筋长度，吊筋伸至自然地面。

4.6 水下砼灌注

第一斗混凝土必须满斗后方可提拉料斗塞，导管首次埋置深度应不小于1 m，在灌注过程中。导管的埋置深度宜控制在2 m～6 m。首批混凝土拌和物下落后，混凝土应连续灌注。在灌注混凝土过程中，应经常量测孔内混凝土面的高程，及时调整导管埋深。

严格控制孔内混凝土进入钢筋笼时的灌注速度，避免钢筋笼上浮的隐患。当混凝土上升到钢筋骨架底口4 m以上时，提升导管；当底口高于钢筋骨架底部2 m以上时，可以适当加快灌注速度。拔导管要结合砼的浇筑时间，不得超过混凝土的初凝时间。

灌注的桩顶标高应比设计高出一定高度。超灌高度宜为桩径的1倍，除泛浆高度后，必须保证暴露的桩顶混凝土强度达到设计等级。

5 咬合桩垂直度控制要求

为了确保咬合桩的止水效果，垂直度是控制咬合桩施工质量重要技术环节，故在施工过程中，采取如下措施，确保咬合桩的垂直度。

5.1 套管垂直度监测要点

套管的垂直度直接关系到咬合桩的施工质量，具体监测要求如下：

(1)在围护桩成孔施工的全过程，均应进行套管垂直度监测。

(2)在吊装完第一节套管后，在垂直于支护桩轴线和平行于轴线的两个方向，采用经纬仪监测套管的垂直度，若发现偏差应随时纠正。

(3)在每节套管压完后，安装下一节套管前，都要通过测斜仪检查孔底的垂直度。

5.2 套管垂直度纠偏要求

若发生套管垂直度偏大的情况，垂直度纠偏利用钻机基脚进行纠偏，具体纠偏措施如下：

(1)若偏差不大或套管入土不深(深度在5 m以内)，可通过钻机基脚调整垂直度。

(2)若套管钻入达到一定深度后，套管周围土体约束力增大，若强行采用机架进行垂直度纠偏，会使两套管连接部位发生扭曲，增加套管接头螺丝拆除的难度。故纠偏时，可向套管内填入砂土或黏土，边填土边拔套管，直至套管顶升合格的标高，调直套管，检查其垂直度合格后再重新下压套管。

(3)若是钢筋混凝土(B桩)与素混凝土桩(A桩)进行咬合，应填入与A桩相同的混凝土进行纠偏，防止纠偏造成桩间土夹层，影响围护结构的止水效果。

6 非对称土方开挖要点

土方开挖是基坑工程施工中控制的关键。土方开挖的合理性和支撑施工的速度，直接影响围护变形和基坑安全，也会对基坑周边环境产生不利影响。

6.1 土方开挖原则

土方开挖基本原则：在围护桩、被动区搅拌桩加固、支撑体系达到设计强度后方可进行。基坑开挖遵循“先撑后挖”的基本原则，按照分段、分层、留土护壁的方式进行基坑开挖。

6.2 非对称土方开挖

严格来讲，基坑土方应尽可能实现对称、平衡开挖。但考虑该基坑东、西侧和南、北侧地质条件不对称，且东、西侧周边环境保护要求存在差异，故结合实际情况，土方开挖工序进行相应调整，具体如下：

(1)非对称开挖顺序：先开挖东侧土方开挖，后开挖西侧土方，使东侧土压力可以提前顶至西侧支护桩，减小西侧支护结构变形，有效保护西侧周边环境。

(2)分段分层开挖：针对东侧和西侧土方，在支撑施工完成后，先分层开挖支护结构的周边土石方，严格遵循分层分段开挖原则，每层厚度不得超过2 m，淤泥不超过1 m，严禁局部超挖，以免淤泥层流动，造成支护桩倾斜及损坏。

7 基坑支护实施效果

工程共施工素混凝土293根，其中素桩(即A桩)共123根，钢筋混凝土围护桩(即B桩)122根。在定位措施、垂直度控制、取土控制等工序的有序安排和保障下，全套管咬合桩外观质量良好，桩间咬合无渗水问题出现，基坑支护的变形及周边环境均得到有效保护，现场施工完成后的照片如图8所示。

图8 咬合桩图片

(a)西侧 (b)东侧图9 围护结构深层水平位移变化曲线

其中，西侧和东侧深层水平位移如图9所示。在土方开挖顺序的控制下，尽管东侧围护桩略大于计算值(除土方开挖顺序影响外，受施工机械设备及土方车施工荷载影响)，但西侧围护桩明显小于计算值，有效地保护了西侧的建筑物安全。

8 结语

本文以厦门市某复杂环境下深基坑工程为例,该基坑开挖深度较大。在结合分析地质条件特殊性、周边环境复杂性及理论分析模拟的基础上，采用全套管咬合灌注桩+1道钢筋砼内支撑的支护方案，并在咬合桩成桩过程中，采取全套管咬合工艺，在土方开挖过程中采取非对称开挖工序，经监测数据验证，可得出以下结论：

(1)采用全套管咬合桩可有效地嵌固进入中风化岩层，确保围护结构的稳定性，且咬合桩垂直度施工精度高，穿透能力强，能有效确保了咬合桩的止水效果。

(2)硬切割咬合钻进速度宜控制在0.9 m/h～1.0 m/h、钢套管转速宜控制在1.2r/min ～1.5r/min左右；当切割钢筋混凝土结构或遇到强度较高块石、孤石等障碍物时，钻进速度宜适当减小，避免发生偏位或倾斜。

(3)对于非对称基坑工程，先行开挖变形控制，要求较低一侧土方，后开挖变形控制要求高的一侧土方，可有效减小受保护一侧的围护结构变形，利用土方开挖工序的合理优化，充分有效地确保周边环境的安全。