土岩地层深基坑悬挂咬合桩支护体系关键施工技术

李光强 刘阳

中铁四局集团第二工程有限公司 江苏 苏州 215000

1 引言

咬合桩具有止水帷幕和基坑支护的双重作用，目前在地铁工程深基坑支护中应用较广，多数适用于软弱土层和富水砂层的基坑，常采用软咬合的方式成桩。在土岩结合的复合地层中，嵌岩部分施工周期较长，施工难度较大，成本较高，嵌岩咬合桩施工难道较高[1]。

本文以宁波轨道交通2号线红联站B号基坑围护体系为研究对象，在土岩复合地层采用咬合桩作为支护体系。通过对施工工艺要点进行分析，对开挖过中咬合桩的实际变形量进行研究，进一步优化嵌岩咬合桩建议。

2 工程概况

2.1 车站设计

红联站为2号线与6号线“T”字型换乘车站，其中2号线为地下两层、两柱三跨岛式车站，划分为A和B两个基坑组织施工。其中B基坑标准段宽约21.2～22.5m，深约17.29～17.72m，端头井宽约26.5m，深约19.18m，基坑总长221.22m。咬合桩主要通过桩间咬合来保证基坑形成封闭的整体，采用Φ1000@750，咬合面为250mm，桩长14.5～29.5m，嵌入岩层深度随岩层变化而变化，需保证嵌入中等风化岩层不少于3.5m，局部形成悬挂支护体系，考虑软土基坑变形的特点，咬合桩均采用配筋设计，采用硬咬合法施工。

2.2 工程地质

红联站从上向下所揭示的地层依次为杂填土、淤泥、黏质粉土、淤泥质黏土、粉质黏土、黏土、粉砂、砾砂、块石、全风化、强风化、中等风化晶屑玻屑熔结凝灰岩凝灰岩。基坑挖深范围内以淤泥、淤泥质黏土为主，宁波软土具有天然含水量高，压缩性高、触变性强、流变性强、强度低，透水性低等特点。同时B号基坑内存在约2.3万方岩石，呈现出基坑两端低中间高，东侧高西侧低的特点，本工程咬合桩全部嵌入中等风化晶屑玻屑熔结凝灰岩，岩质坚硬，岩体较完整。

2.3 水文地质

场地浅层承压水，主要赋存于黏质粉土中，含水层呈透镜体状，分布不连续，含水层厚度较小，渗透系数介于5.714～6.87×10-4cm/s。主要承压水赋存于细砂、砾砂中，透水性好，渗透系数约8.19～8.89×10-4cm/s，水量丰富。

第Ⅱ层孔隙承压水赋存于⑩2b层块石中，主要由块石、碎石、砾等组成；粒径大小一般为20-40cm，含量约70%。⑩2b层透水性好，渗透系数约1.29～1.39×10-3cm/s，水量丰富，水位埋深为0.9m，相应标高为2.36m。

2.4 周边环境

基坑周边建筑物密集，东侧距离小港广播电视站距基坑只有4.5m，西侧均是江南新村小区，建筑物年度久远，现场陈旧，场地周边地下管线种类众多，且分布密集，距离基坑较近，西侧5m处为渡口路。

3 基坑支护体系选择

基坑开挖范围内上部存在大量的高含水率、高压缩性、承载力低、流变性强淤泥质软土，基坑内下部存在大量块石、全风化、强风化、中风化岩层，典型的上软下硬土岩复合地层基坑。基坑软土方开挖过程中，改变了原状土体的受力状态，由于软土的流变性、触变性和低强度特性可能产生塌方的风险。

块石层渗漏量大，全风化岩遇水易软化，开挖过程中若不采取相应措施极易失稳，防止因地下水渗入基坑而造成渗流破坏或坑壁坍塌，为防止邻近建(构)筑物因地下水位急剧下降致使沉降超过允许值，需采取相应的截水措施，将地下水阻隔在基坑范围之外。但若采取常规的深层搅拌、桩间旋喷等措施，难于在岩层中形成有效的止水帷幕，极易出现失误和渗漏水情况，结合地层特征，从安全性和经济性，综合比选东侧采用咬合桩止水及支护形式。

咬合桩刚度大，作为围护结构能有效抵挡基坑外侧水土压力，桩之间咬合紧密，能充分发挥止水作用，且比连续墙更经济，因此本项目采用咬合式排桩作为围护结构兼止水帷幕。

考虑岩层起伏比较大，咬合桩嵌入中风化岩层不小于3.5m，形成悬挂的吊脚桩，桩脚处设置锚索固定，桩脚处预留1.5m开挖平台，避免后期基坑岩层开挖对锁脚处岩层破损扰动。为避免对周边原有建筑物基础的扰动，该基坑支护设计安全等级为一级，锁脚桩以上采用混凝土支撑，以下采用钢支撑，具体支护形式见图1。

图1 基坑支护典型剖面图

4 咬合桩施工

4.1 主要设备配置

本工程是典型土岩复合地层，岩层具有强度高，深度长的特点，因此选择DTR2106H液压全回转钻机配合宝峨280旋挖钻机。全回转钻机主要软土及全风化和强风化土层钻进，采用120t履带起重机配合冲抓斗取土。旋挖钻机主要在中风化岩层钻进引孔，为全回转钻机创造临空面，破碎岩层，加快全回转钻在中风化岩层钻进速度，同时解决抓取岩层难题。

4.2 施工工艺流程

施工流程具体如下：桩位定位→导墙施工→全回转钻机就位→压入首节套管→钻进、抓土（至强风化岩层）→旋挖钻引孔至设计标高→全回转钻机钻进→清孔、检测成孔质量→吊放钢筋笼→吊放导管、灌注混凝土→拔出套管→钻机移位。

4.3 导墙施工

在桩顶设置C30钢筋混凝土导墙，厚度为30cm，高出地面10cm。其主要功能是桩位定位、控制桩底标高、承载力，为全回转钻机施工平整基层，并提供反力作用，同时导墙内部的沟槽还用于限制泥水外流，保证工地文明施工等。导墙内部根据咬合桩桩型设置钢质月牙型芯模，直径比套管直径大2cm，以提高钻孔咬合桩孔的定位精度和稳定性，为后期咬合桩准确咬合提供导向作用。导墙强调达到75%以上，拆除模板，内部设置方木支撑，防止变形，并在导墙上标识出桩号[2]。

4.4 咬合桩施工

钻孔咬合桩桩的排列方式一般为A桩和B桩间隔布置，施工顺序为：A1→A2→B1→A3→B2→……（见图2），A型桩与B型桩彼此咬合形成封闭的钢筋混凝土桩墙，起到挡土与止水的作用。考虑嵌岩施工时间较长，A和B桩均采用钢筋混凝土，B桩要待A桩混凝土终凝后方可切割咬合。

图2 咬合桩施工顺序图

4.5 钻进成孔

4.5.1 非嵌岩段钻进成孔

导墙达到设计强度后，根据导墙上桩位标识点，安装全回转钻机，在钻机就位后，根据岩层埋设深度，先压入一节6m底部配置合金刀头套管，套管的垂直度校核完成后下压套管，然后用抓斗从套管内取土，边取土边下压套管，保持套管底口超前于取土面且深度不小于2.5 m，非嵌岩段采用低压慢速压入，并及时进行纠偏。

首节套管入土后，在钻机平台顶部预留至少1m，以方便后续套管连接。后期套管要根据岩层埋深配置3～6m短节套管。安装合格后，继续压入，施工过程中持续观测垂直度，及时进行纠偏，重复上述步骤，直到套管嵌入岩层面。

4.5.2 嵌岩段钻进成孔

本工程全风化和强风化岩层厚度薄，强度低的特点，适当提高全回转钻机压力进行压入，待穿过强风化岩层后，压力明显增大后，适当进入中风化岩层后停止压入，采用履带起重机吊离全回转钻机，采用旋挖钻机在套管内进行引孔钻机，旋挖钻机钻至设计桩低标高后，检查孔深，满足要求后，旋挖钻机撤离，再次吊装全回转钻机就位，继续压入套管，通过逐步提高压力和转速，过程中不断抓取切削破碎的岩层，至到设计标高，对成桩质量进行检查，合格后及时吊装钢筋灌注混凝土。

4.6 钢筋笼加工、安装

钢筋均采用数控设备自动化进行切割、车丝、打磨一体化成型，以提高钢筋直螺纹车丝质量。钢筋笼整体制作，A型桩矩形笼，采用人工加工。B形桩圆钢筋笼箍筋采用滚笼机将螺旋箍筋缠绕在笼身上，人工配合点焊固定，提高钢筋笼整体质量。检验合格后，采用120T履带起重机整体吊装至孔内，吊装过程中两侧焊接U型定位钢筋，确保钢筋笼入孔位置准确，避免施工圆形桩时损伤矩形笼主筋[3]。

4.7 混凝土灌注

混凝土灌注采用导管法，将混凝土倒入吊斗内，再用120t履带起重机将吊斗内混凝土倒入导管顶部的漏斗内。浇筑开始后，随时计算混凝土灌注量及导管埋深，确保导管底端埋在混凝土面以下2～4m，混凝土超灌不少于0.5m，混凝土灌注要保障连续。套管和导管的拆除应与混凝土灌入量匹配。为避免钢筋笼上浮，混凝土初凝前，套管应缓慢旋转提升拔出。

5 施工关键技术

5.1 桩的垂直度控制

根据设计要求，咬合桩的垂直度允许偏差为3%，本工程咬合桩均采用配筋设计，保护层70mm，施工过程中，应严格控制孔位误差和桩的垂直度，确保桩间有足够的咬合量，防止“劈叉”，同时防止套管切割到钢筋，对套管刀具的损伤，同时降低咬合桩抗剪能力。咬合桩施工前，对成品套管进行检查，套管垂直度总体偏差应控制在1%～2%，应检查每一节套管的垂直度并进行校正，合格后方可使用。

全回转钻机安置到位后，通过液压支座调整使钻机成水平状，钢套管在下压施工过程中采用铅垂法对垂直度检测，将铅垂设置两个垂直方向，侵入机油桶防止晃动，观测点要远离成桩点，避免震动影响，垂直度满足要求方可继续施工。

5.2 嵌岩施工

车站主体围护结构设计嵌岩咬合桩201根，桩径1000mm，间距 750mm，咬合桩入中风化3.5～12.4m，施工难道大、周期长、成本高，嵌岩施工是咬合桩施工的关键。全部采用全回转套管施工，岩石的完整型和高强度，对套管损失较大，周期也较长，同时对内部岩层抓斗通过自身重力难于取出。

因此本工程采用全套管全回转钻机+旋挖钻机结合的施工方案，全回转钻机将套管穿越强风化岩层后进入中风化岩层400～600mm。然后采用旋挖钻开始引孔，旋挖钻采用直径600mm高强度合金钻头钻进，为保证垂直度，开始采用低压慢速度钻机，钻进压力控制在3～5MPa，钻进速度钻进速度0.2～0.4m/h，每钻进0.5m左右，提升钻头一次，为减少对钻头的磨损，钻进过程中，增加少量膨润土泥浆进行润滑。钻机深度超过1m后，钻进压力控制在15～20MPa，钻进速度0.1～0.2m/h, 每钻进0.6～0.8m，取除岩层，循环最终至设计桩底标高。

旋挖钻机完成后撤离，然后吊装全回转钻机继续压入套管至设计标高，旋挖钻为全回转提供一个临空面，在全回转压力和套管旋转切割作用下，岩石层极易破碎，套管也相对容易切割岩石至设计标高，破碎岩石也容易被锤式冲抓斗抓取。加快硬质岩层中施工速度，解决嵌岩是难题，大大降低成本[4]。

6 施工效果

6.1 桩体变形

在基坑开挖过程中，土压力对咬合桩的内向位移和变形都会产生影响。通过对悬挂咬合桩标准剖面桩位移监测点分析可知，桩体测斜位移监测数据单日最大变化值为0.72mm/d，从开挖至结构封闭，最大累积值为21.58mm，远远小于软土基坑变形要求，满足基坑安全要求。

6.2 止水效果及外观质量

咬合桩施工完成后，在基坑开挖过程中，经对外观质量检查可知，咬合紧密，垂直度满足要求，墙面整体呈现干燥状态，除存在局部少量湿渍，并无明细渗水现象，咬合桩整体外观质量较好，无漏筋、鼓包、侵限问题出现。

7 结论

本文以宁波轨道交通2号线红联站B号基坑车站围护结构工程为研究对象，阐述土岩地层深基坑悬挂咬合桩支护体系关键施工技术，并对开挖过程中咬合桩的实际变形量等进行研究。通过变形数据分析和基坑开挖效果，对嵌岩咬合桩可以进一步优化，嵌岩施工是本工程的一大难题，也是影响工期和成本关键点，对咬合桩A桩和B桩发挥作用不同，圆形B桩主要为受力桩，A方形桩主要为止水。圆形B桩嵌岩深度不小于3.5m控制，而A方形桩嵌入中风化岩层不少于1m进行控制，基坑安全性能得到保证，工期和经济上效果更佳。

宁波轨道交通2号线红联站B号基坑咬合桩桩用51天施工顺利完成，平均4根/d，成桩隔水效果、外观质量以及环保效果等多方面均表现良好，验证了土岩复合地层悬挂咬合桩施工工艺的可行性，为类似工程提供参考。