桥梁建设中咬合桩技术质量控制的研究

李志东

（中交二公局萌兴工程有限公司，陕西西安 710119）

0 引言

我国地下工程专家王振信教授在国外考察时发现并引入咬合桩技术，最早在国内应用于深圳地铁区间隧道的基坑支护工程，后在南京、上海等城市得以成功应用。经过二十余年的工程实践验证，咬合桩技术具有良好的防渗作用。目前，该技术主要有三种类型，分别是钢筋混凝土桩与素混凝土桩咬合、钢筋混凝土桩与水泥砂桩咬合、钢筋混凝土桩与钢筋混凝土桩之间咬合，都具有桩体质量好、精度高、工程造价低、施工进度快、对周边建筑物影响小等优点，尤其适合条件恶劣的地层，如流砂、地下水丰富等不良地层。

1 案例背景

山东省临沂市中心城区滨河大道提升改造工程（一期）西起蒙山大道东侧，东至三河口隧道西侧，全长为4.64km。主要施工内容是对已经建成十年的滨河大道进行全方位的提升改造，将现有4 车道改造为6 车道的城市快速路。项目建设对于改善交通环境、改善区域路网结构、加快现代化城市建设、提升城市品位具有十分重要的意义，是临沂中心城区基础设施和重点项目建设规划中的市级重点工程[1]。

沂蒙“路改桥”工程位于沂蒙路与祊河路相交处（见图1），祊河路下穿沂蒙路立交向北侧拓宽，其中南半幅利用现状沂蒙路主线桥梁，北半幅下穿沂蒙路主线对现状路基进行改造，桥梁跨径为40.62～53.46m，桥梁宽度约为65.68～81.31m。下部结构采用“排桩+盖梁”结构形式，基础采用直径为1000mm、间距为800mm、咬合度为200mm 的钢筋混凝土（普通C35）和素混凝土（超缓凝C35）咬合桩。

图1 “路改桥”工程鸟瞰图

2 咬合桩技术

咬合桩采用全套管旋挖式钻机“软切割”施工工艺，按照先打素混凝土桩、后打钢筋混凝土桩的顺序依次进行相邻咬合桩施工。钢筋混凝土桩与素混凝土桩相互咬合，通过切割部分素混凝土桩体成孔灌注而成整体桩墙，使之在混凝土桩初凝前形成，施工流程为A1A2—B1A3—B2A4—B3A5……，如此类推（见图2）。

图2 咬合桩施工流程示意图

2.1 超缓凝混凝土配合比设计

为了解决咬合桩后序桩施工中套管切割前序桩混凝土的技术难点，减缓混凝土在硬化过程中的初凝时间和水化热等问题，在桥梁排桩施工中应用超缓凝混凝土施工技术。聘请1 名教授级高工和3 名博士研究生共同探索研究，其均长期从事混凝土化学外加剂的制备和机理研究，熟悉混凝土化学外加剂的合成和混凝土的制备，在混凝土化学外加剂的制备方面具有较高的研究水平和较强的研究能力[2]。

2.1.1 设计技术参数要求

超缓凝混凝土配合比设计根据设计文件、施工现场实际情况，提出以下技术参数要求。

（1）混凝土初凝时间≥60h。

（2）混凝土终凝时间≤120h，且初终凝差＜20h。

（3）混凝土3d 强度值不大于3MPa。

（4）符合设计强度的混凝土28d 强度值。

（5）混凝土坍落度=180±20mm。

2.1.2 配合比设计

经过调查分析，3d 超缓凝混凝土在2～3MPa 区间的强度较为适宜，但部分商品混凝土公司对28d 强度关注较多，对前期3d 强度关注较少。该工程通过对无机和有机材料进行改良型缓凝外加剂的相互混合和调配，在满足相应强度要求的同时，解决了现有缓凝剂在应用过程中与胶凝材料和其他化学外加剂的相容性问题，提高了其适应性[3]。

根据试验结果，调整制备新型超缓凝剂的分子结构，从而确定新型超缓凝剂、聚羧酸减水剂和矿物掺和料的掺量范围，形成超缓凝混凝土成套制备技术，同时保证混凝土的凝结时间和工作性能[4]。

2.2 咬合切割工艺比选

咬合切割分为软切割和硬切割。软切割具有成桩刚度大、止水效果好、施工成本低、对环境影响小等优点，但在跳桩施工过程中，不可避免地存在两边素桩施工时间差、强度不一致，施工过程中更容易出现影响桩身质量的“冲孔流”“管涌”等现象。硬切割可以将同类型的桩排成一排，减少了旋挖机来回走动的次数，提高了设备的利用率，但在硬切割过程中，桩身强度和周围土体强度差异较大，严重影响桩身垂直度，且泥浆护壁易在咬合部位出现泥浆夹层，严重影响桩墙的整体性及防渗效果。而采用全套管旋挖式钻机施工，既保留了软切割的优点，避免了桩成孔过程中出现桩混凝土“窜孔”或“早凝”现象，又可防止水和泥土进入混凝土中，保证了桩身质量，节约了泥浆制备和废浆处理成本，有利于文明施工[5]。

2.3 分析影响咬合桩施工质量的因素

通过对9 根试桩进行静载试验和钻芯法试验，对所采集的数据结合施工过程记录进行对比分析，统计出影响咬合桩施工质量的因素，如表1 所示。

表1 影响咬合桩施工质量因素统计表

通过对不合格点的分布情况进行分析，桩身垂直度不合格的情况多发生在荤桩部位，桩位偏差、桩身咬合度不合格情况也基本集中在桩身垂直度偏差较大的桩位上；抗压强度在问题桩处数值也明显偏低。试验结论：桩身垂直度直接或间接影响桩位偏差、咬合度及混凝土抗压强度等指标[6]。

2.4 荤素咬合桩关键技术

2.4.1 孔口定位误差的控制

在咬合桩顶面以上设置条形混凝土导墙（见图3），试验发现，条形混凝土导墙能够有效地限制排桩纵桥向的偏位，但不能很好地控制横桥向偏位。采用桩孔式导墙优化后（见图4），定位孔设置在上部，其直径应大于20mm。在定位孔内插入第一节套筒，进行检查调整，使套筒与定位孔周围的空隙保持均匀。

图3 咬合桩条形导墙示意图

图4 咬合桩桩孔式导墙示意图

2.4.2 桩身垂直度的控制

荤桩在钻入成孔的过程中，钻头往往偏向一侧，造成咬合桩下部“开叉”，且在端桩处特别突出（见图5）。分析其原因是相邻两根素桩的超灌高度及施工强度不同，造成地层软硬不均，导致咬合桩下部“开叉”[7]。

图5 咬合桩下部“开叉”示意图

综上所述，主要从混凝土的缓凝时间、成孔工艺控制方法等方面进行以下施工调整。

（1）素桩混凝土缓凝时间控制

影响桩咬合的关键是素桩混凝土缓凝时间，应根据单桩成桩时间确定超缓凝混凝土的缓凝时间，需测定单桩成桩所需时间t 后，按公式计算混凝土缓凝时间T：

式（1）中：K 为储备时间，一般取1.5t；t 为单桩成桩时间。

超缓凝混凝土凝结时间一般定为3d 较为适宜，即72h 初凝，主要是考虑设备最大故障需要的最短修复时间。

延长混凝土缓凝时间通常可以通过三种方式实现：一是选用缓凝时间相对较长的水泥进行初终凝；二是加大掺和料特别是粉煤灰的用量；三是添加缓凝剂。前两种方式对于延长混凝土凝结时间效果不明显，第三种方式可以成倍延长混凝土凝结时间[8]。

（2）咬合桩垂直度检验及控制

咬合桩施工前对钢套管的垂直度进行检查和校正，确保整根套管的垂直度偏差不大于10mm，按桩长配置所有套管并进行连接。垂直度测量方法：在地面上画出净距为1200mm 且相互平行的两条直线，在两条直线之间放置套筒，然后用线坠和直尺进行测量。

如果垂直度超出设计值，则根据具体情况采取以下措施：一是套管入土不足5m 或垂直度偏差不大时，套管垂直度可直接用钻机的推拉油缸进行调整；二是套管入土超过5m 或垂直度偏差较大时，可先利用钻机油缸直接进行调整，如果达不到要求，则一边拔起套管一边向套管内填入砂或黏土，至上一次检查合格的位置后，再将套管调直，检查垂直度合格后，将套管再次下压。

3 结语

咬合桩采用全套管旋挖式钻机“软切割”施工工艺，在缓凝前将桩与桩咬合成一体，终凝后防渗能力强，能有效防止管涌现象的发生，同时也能很好地达到支护、承重的效果，适用于城市立体交叉道路的工程施工。该工程的实践也证明，尽管在施工过程中咬合桩可能出现一些特殊情况，但只要在设计时加以全面考虑，加强对施工过程中关键环节的质量控制，应用钻孔咬合桩技术进行施工便可以取得理想的效果。