复杂条件下大型拱座深基坑咬合桩支护技术研究

邢俊平　黄业圣

摘要：文章依托工程实例，介绍了复杂地质条件下临江侧深基坑咬合支护桩施工工艺。该工艺采用咬合止水帷幕桩支护配合钢结构内支撑作为基坑施工的支撑结构，兼具支护与止水双重功能，能提供良好的坑內施工作业环境，提高临江侧大规模深基坑施工的安全性及可操作性，可为类似工程提供参考。

关键词：深基坑施工;临江拱座基础;咬合桩支护

中图分类号：U443.13A281054

0 引言

在城市地铁或邻近建筑物进行深基坑施工时，往往由于受到场地限制[1]，以及考虑临建已存建筑物对地基沉降的敏感性，通常采用咬合桩结合内支撑的支护形式，作用在咬合桩上的水土压力可由内支撑有效传递和平衡，其构造简单，受力明确。支撑材料选用型钢或者钢筋混凝土，其刚度大、整体性好、布置灵活，应用较为广泛[2]。咬合桩支护结构工程兼具支护与止水双重功能，能提供良好的坑内施工作业环境[3]。钢管混凝土拱桥拱座基础临近河道，临近河道地下水系复杂，同时受河道水位影响，基坑采用传统放坡开挖工艺不能满足施工要求。鉴于咬合桩支护结构的优点，可将咬合桩支护结构体系推广应用于临近河道拱桥基础施工中，本文依托实际工程对该技术在施工中遇到的具体技术难题和处理措施进行相关总结。

1 工程概况

沙尾左江特大桥为跨径360 m的中承式钢管混凝土提篮拱桥，全桥长968.5 m，跨径组合为（9×40+360+6×40） m，建成时为世界最大跨径的公路钢管混凝土提篮拱桥。主桥两岸拱座基础均为分离式扩大基础，左右幅拱座长宽高尺寸均为（33.0×15.7×8.5 ） m，中间不设连系梁。北拱座距离左江岸约15 m，基坑自原地面总开挖平均深度为18.5 m。本文以北岸拱座基础施工为背景，研究总结咬合桩支护结构体系在临河拱座基础结构施工中的应用。

北岸拱座处地表多为耕植土，接着为黏土，含约20%的粉细砂，厚度为12.00～17.50 m。下伏层为中风化灰岩，中厚层状构造，岩质硬，节理裂隙较发育，方解石脉穿插，隙面具铁质渲染，岩体较完整。同时，桥位区附近未见崩塌、滑坡等不良地质，也未见岩溶塌陷坑、溶蚀漏斗、落水洞等。

2 基坑施工

2.1 施工方案

扩大基础总体施工方案采用“支护桩+止水桩+内支撑”支护的结构形式[4]。支护桩、止水桩和冠梁、腰梁为混凝土结构，咬合桩内支撑为钢结构。相关结构参数如表1所示，结构剖面示意图如图1所示。

2.2 施工工艺

清表完成后，施工平台用C20混凝土进行硬化。四周设置截水沟，水沟过水断面尺寸为30 cm×50 cm，沟身采用砖砌，墙身内外侧和底部用砂浆抹面。同时根据实际需要，施工平台设置1%的排水纵坡及横坡。

采用GPS将桩位进行放样，桩中心采用十字护桩进行定位，护桩采用木制桩，桩顶钉钢钉，高度为80 cm，埋入地下45 cm，用砂浆或素混凝土保护。严格按照要求采用跳孔施作工艺，且开孔施工结束后24 h内必须完成灌注，未能及时灌注的孔口必须做好安全防护。成孔后按照程序进行验收，做好隐蔽工程原始资料的收集、整理，并留底。

为保证咬合桩施工质量，钢筋笼下放前必须完成清孔作业，清孔完成后采用吊锤进行沉渣测厚。要求浇筑前孔底沉渣厚度≤5 cm，否则应吊起钢筋笼，采用旋挖钻机进行再次清孔。

钢筋笼必须采用二氧化碳保护焊接进行接长，严禁采用电焊，焊接接长完成后必须进行焊缝质量验收。

采用拔球法进行桩身混凝土浇筑施工，如果孔内有无法排干的积水，需采用水下桩基础施工相同的混凝土灌注施工工艺。

破桩头施工完毕并完成桩顶标高复核后，进入冠梁施工。立模浇筑冠梁垫层，保证冠梁模板底部平齐。垫层施工完毕后，进入冠梁钢筋安装施工。钢筋安装施工过程中注意安装预埋件。

冠梁模板拆除后，修整施工平台，开挖基坑第一层土方至第一层腰梁底标高以下10 cm。为提高施工效率，采用300型以上挖掘机进行出土施工。

第一层土石方开挖完成后，进入腰梁与支护桩连结筋安装施工。依据设计图纸进行打孔植筋，植筋施工应满足下列要求：（1）植筋前采用风压机清孔;（2）孔内注满植筋胶;（3）钢筋植入深度≥25 cm;（4）植筋抗拔力>30 kN。植筋施工完毕后，进入腰梁钢筋、预埋件及模板安装施工。

腰梁完成模板拆除后，凿开支护桩外侧混凝土，露出支护桩钢筋骨架，并将吊筋与骨架焊接在一起。吊筋焊接完成并通过验收后，采用水泥砂浆修补。同步安装钢结构内支撑。

冠梁及腰梁内支撑安装到位后，采用长臂挖掘机挖除上层土体，单次挖除高度控制在3.0～3.5 m。若开挖至岩石部位采取浅孔爆破的方法，炮孔孔径为 50 mm。为确保爆破不损坏周边的咬合桩，在周边预留1.5 m的保护层待爆破完毕后用机械凿除。采用吊车配合吊斗将石方运出基坑，运出基坑后的石方及时转运至弃土场。

整体施工工艺步骤如图2所示。

3 施工模拟及监测

3.1 施工模拟

结合实际地质勘探情况，采用Midas GTS NX2018有限元计算软件，模拟地层为黏土层、中风化岩层，咬合桩止水帷幕支护为混凝土结构，咬合桩内支撑为钢结构。

模型采用六面体单元划分网格，并采用布撒种子线的方式进行网格的尺寸及质量控制。模型中黏土层和中风化岩层采用“摩尔-库仑”模型进行模拟[5-6]，咬合桩混凝土结构与钢结构内支撑采用“弹性”模型进行模拟。参照地勘报告中给出的各层物理力学指标，模型中结构的具体参数如表2所示，模型示意图如图3所示。

在基坑内设置集水坑和大型抽水机，达到可随时抽水施工条件，故将土体均视为排水条件进行分析。模型中黏性土和中风化岩所采用的“摩尔-库仑”模型，其模型参数中泊松比、容重、孔隙率、内摩擦角、粘聚力可直接从地勘报告中获取参考值。

根据深基坑土石方开挖以及内支撑安装施工过程最不利工况，确定模型的三个计算工况。

工况一：初始应力场分析（分析咬合樁周边土体的应力状态，仅施加重力荷载）。

工况二：位移清零（模拟土体开挖后，模型在初始应力条件下的位移归零，只保留初始应力状态，类似打开地应力平衡功能）。

工况三：在取消原设计底层腰梁及内支撑后，土石方开挖至基坑设计底标高。

经过软件计算分析后，结果显示取消底层腰梁及内支撑后结构整体依然满足施工需求。

3.2 监控结果与分析

在施工过程中，对右幅基坑的支护结构内支撑进行了内力监测，在左幅基坑的短边中心和长边中心的桩顶布置了两个位移监控点[7]。结合软件计算结果得到了整个施工周期过程中支护结构内支撑轴力变化值及桩顶的实测位移变化值曲线图，如图4～5所示。

由图4可知，5月13日在右幅基坑开挖至腰梁下方2 m后，第二层基坑中央内支撑现场实测最大轴力为2 339.6 kN。实测值与计算值基本吻合。

由图5可知，6月3日，左幅基坑进行第一次控制爆破施工后，支护桩失去岩层支护，长边及短边位移增量变大，曲线变陡。长边实测值与计算值基本吻合，但因基坑挖深超深，导致位移进一步增加。此外，基坑短边受车辆移动荷载及水流影响，监测位移波动较大，在今后设计计算时应注意考虑其影响。

4 施工关键点

为防止钻孔桩施工时由于相邻两桩施工距离太近或间隔时间太短，造成塌孔，采取旋挖钻机分批跳孔施作，具体如图6所示。相邻桩施工必须在混凝土终凝后方可进行，防止因施工时间过早而邻桩混凝土尚未终凝，使钻孔可能发生的“管涌”现象。

内支撑各构件加工完成后，安装施工前进行现场预拼装试验。将内支撑摆放到位后，应进行水平度检测，保证内支撑安装准确性及提高咬合桩内支撑的有效性。

在基坑底部适宜位置设置集水井，同时安装大功率抽水泵进行集中抽水。

开挖至基础底面标高时，采用钢钎撬动松散岩块，后采用高压水枪冲洗基坑底部，将基坑底部表层杂质集中清理。

5 结语

（1）咬合桩施工过程中单批开孔数量不宜过多，避免长时间无法浇筑导致孔壁坍塌。钻进速度不得过快，尤其是施工支护桩过程中要注意控制钻速。施钻过程中注意提钻检查，提前发现偏孔，及时纠偏。

（2）注意钢筋笼接桩施工过程监督，做好钢筋笼节段编号及标记，避免选择错误的钢筋笼节段。

（3）注意焊接定位筋的数量及质量，确保支护桩混凝土保护层厚度。

（4）注意支护桩钢筋笼运输及存放，保证钢筋笼质量。

（5）咬合桩腰梁植筋施工要严格按照方案实施，避免植入钢筋失效。

（6）策划咬合桩深基坑石方施工方案时，根据地质情况可以考虑采用控制爆破开挖施工。

（7）内支撑设计时需注意内支撑的层高及间距，方便机械进入坑内进行清理和出渣作业。

参考文献

[1]李 鹏.深基坑围护中钻孔咬合桩方案的选用与施工技术[J].浙江建筑，2005，22（2）：25-28.

[2]石伟国，邵正俊.邻近地铁的深基坑咬合桩结合内支撑支护体系施工及监测[J].建筑技术，2013，44（5）：430-434.

[3]韩永刚.复杂地下环境深基坑围护结构咬合桩施工技术[J].安徽建筑，2016，23（2）：134-136.

[4]罗积胜.地铁车站咬合桩围护结构设计计算方法及其应用研究[D].成都：西南交通大学，2009.

[5]葛俊颖.桥梁工程软件 midas Civil 使用指南[M].北京：人民交通出版社，2013.

[6]马思齐，赵 引，杨 倩，等.基于摩尔——库仑模型软土地基力学参数的敏感性分析[J].能源与环保，2017（4）：117-121.

[7]李永胜.深基坑监测[J].科技与创新，2014（4）：64-65.

作者简介：

邢俊平（1973—），高级工程师，主要从事桥梁与道路技术研究和施工管理;

黄业圣（1985—），高级工程师，主要从事桥梁与道路技术研究和施工管理。