鉆孔咬合樁在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工中的應(yīng)用

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摘要：在天津城區(qū)地鐵隧道采用明挖法施工時(shí)，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜，不宜于施工水泥攪拌樁止水帷幕時(shí)，常采用地下連續(xù)墻。本文對(duì)鉆孔咬合樁這一圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式在天津地鐵改、擴(kuò)建工程中的首次應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對(duì)其在天津地鐵基坑中的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)際工程監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析，認(rèn)為咬合樁在地鐵施工中有廣闊的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞：基坑；鉆孔咬合樁；工程監(jiān)測(cè)

　　1.前言

　　天津目前正在進(jìn)行大規(guī)模地鐵建設(shè)，其中在市區(qū)部分地段采用了明挖法[1].由于城市中心地帶建筑物、交通設(shè)施稠密，故地鐵工程的基坑開挖只能在支護(hù)結(jié)構(gòu)保護(hù)下進(jìn)行垂直開挖。目前地鐵深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般采用的形式有鉆孔灌注樁加水泥攪拌樁復(fù)合結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)和ＳＭＷ工法[23].相對(duì)上述圍護(hù)結(jié)構(gòu)，鉆孔咬合樁在天津較少有應(yīng)用。該方法在國外及國內(nèi)部分地區(qū)，已具備成熟的施工經(jīng)驗(yàn)與工法，有很多成功的工程實(shí)例。其適用于沿海地區(qū)軟弱地層、含水砂層地質(zhì)情況下的地下工程深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工。它采用的是鋼筋混凝土樁與素混凝土樁切割咬合成排樁的型式，其圍護(hù)和止水效果很好，工程造價(jià)比地下連續(xù)墻和人工挖孔樁要低20%～30%左右。為此，在天津地鐵西南角車站深基坑工程中引入了鉆孔咬合樁工法。

　　2.工程概況

　　天津地鐵1號(hào)線既有線改、擴(kuò)建工程西南角站，位于四馬路、南開三馬路與黃河道、南馬路交口處，呈南北走向。本車站將既有結(jié)構(gòu)全部拆除，按照新的建筑平面重新構(gòu)筑新結(jié)構(gòu)。改建段結(jié)構(gòu)全長244.349ｍ。

　　2.1工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

　　改建段區(qū)間位于第四系全新統(tǒng)人工填土層（Ｑｍｌ）、新近沉積層（Ｑ43Ｎｓｉ）、第Ⅰ陸相層（Ｑ43ａ1）、第Ⅰ海相層（Ｑ24ｍ）中，巖性以雜填土、粉質(zhì)粘土、粉土為主，土質(zhì)松軟，多呈可塑～流塑狀，屬中～高壓縮性土。場(chǎng)地地下水類型為孔隙潛水，儲(chǔ)存于第四系粘性土、粉土及砂類土中，地下水埋深0.8～4ｍ，水位變幅1～2ｍ。

　　2.2設(shè)計(jì)情況

　　該車站主體為地下一層多跨矩形框架結(jié)構(gòu)，采用明挖順作法施工。原設(shè)計(jì)方案基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁加水泥攪拌樁止水帷幕，坑內(nèi)設(shè)鋼支撐系統(tǒng)。但由于本工程基坑開挖較深，達(dá)到了10ｍ，且其中一段基坑與一棟高層建筑———金禧大酒店距離僅6ｍ，而且由于開挖處雜填土中埋有原地鐵修建時(shí)拋棄的建筑垃圾，有很多如鋼筋、廢木料、模板等各種雜填物，情況非常復(fù)雜，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)一般鉆孔灌注樁成樁較困難；此外，本段地下水埋藏較淺且豐富，樁孔易發(fā)生坍塌變形。鉆孔咬合樁由于采用了全鋼套管護(hù)壁，能有效地防止孔內(nèi)流砂、涌砂現(xiàn)象的產(chǎn)生，并且通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其成孔精度即可得到有效控制，其“一葷（指鋼筋混凝土樁）”、“一素（指素凝土樁）”相互咬合排列，擋土和止水效果極佳，經(jīng)濟(jì)性好。最后經(jīng)多方面因素綜合考慮，本工程決定采用咬合樁這一新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式。

　　3.鉆孔咬合樁施工技術(shù)

　　3.1工藝原理

　　鉆孔咬合樁的排列方式為一根素混凝土樁（Ａ樁）與一根鋼筋混凝土樁（Ｂ樁）間隔布置。Ａ樁采用緩凝型混凝土，Ｂ樁采用普通混凝土，先施工Ａ樁，后施工Ｂ樁。天津地鐵西南角站鉆孔咬合樁采用的是全護(hù)筒沖弧法，即在兩側(cè)Ａ樁成樁后利用護(hù)筒鉆機(jī)的下壓切割能力，在切割掉Ａ樁部分混凝土的同時(shí)使Ｂ樁成樁。最后效果是使Ｂ樁嵌入兩側(cè)Ａ樁一部分，形狀類似于相互咬合，故形象的稱為咬合樁。

　　3.2工藝流程

　　3.2.1導(dǎo)墻施工

　　為了保證鉆孔咬合樁孔口定位的精度并提高樁體就位效率，應(yīng)在咬合樁成樁前首先在樁頂部兩側(cè)施作混凝土導(dǎo)墻或鋼筋混凝土導(dǎo)墻。

　　3.2.2單根咬合樁施工工藝流程

　　（1）護(hù)筒鉆機(jī)就位：當(dāng)定位導(dǎo)墻有足夠的強(qiáng)度后，用吊車移動(dòng)鉆機(jī)就位，并使主機(jī)抱管器中心對(duì)應(yīng)定位于導(dǎo)墻孔位中心；

　?。?）單樁成孔：其步驟為隨著第1節(jié)護(hù)筒的壓入（深度為1.5～2.5ｍ），沖弧斗隨著從護(hù)筒內(nèi)取土，一邊抓土一邊繼續(xù)下壓護(hù)筒，待第1節(jié)全部壓入后（一般地面上留1～2ｍ，以便于接筒）檢測(cè)垂直度，合格后，接第2節(jié)護(hù)筒，如此循環(huán)至壓到設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高；

　?。?）吊放鋼筋籠：對(duì)于Ｂ樁，成孔檢查合格后進(jìn)行安放鋼筋籠工作，此時(shí)應(yīng)保證鋼筋籠標(biāo)高正確；

　?。?）灌注混凝土：如孔內(nèi)有水，需采用水下混凝土灌注法施工；如孔內(nèi)無水，則采用干孔灌注法施工并注意振搗；

　?。?）拔筒成樁：一邊澆注混凝土一邊拔護(hù)筒，應(yīng)注意保持護(hù)筒底低于混凝土面≥2.5ｍ。

　　3.2.3排樁施工工藝流程

　　流程：Ａ1→Ａ2→Ｂ1→Ａ3→Ｂ2→Ａ4→Ｂ3……。

　　3.3控制措施

　?。?）成孔精度控制：為控制咬合樁的成孔精度達(dá)到《地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》[4]要求，采用成孔精度全過程控制的措施。本工程采用的是在成樁機(jī)具上懸掛兩個(gè)線柱控制南北、東西向護(hù)筒外壁垂直度并用兩臺(tái)測(cè)斜儀進(jìn)行孔內(nèi)垂直度檢查。發(fā)現(xiàn)有偏差時(shí)及時(shí)進(jìn)行糾偏調(diào)整。

　　（2）Ａ樁混凝土緩凝時(shí)間的確定：在測(cè)定出單樁成樁所需時(shí)間ｔ后，可根據(jù)下式計(jì)算Ａ樁混凝土緩凝時(shí)間Ｔ

　　Ｔ=3ｔ+Ｋ

　　其中，Ｋ為儲(chǔ)備時(shí)間，一般取1.5ｔ。

　　3.4施工問題與解決方案

　?。?）防止管涌措施：在Ｂ樁成孔過程中，由于Ａ樁混凝土未完全凝固，還處于流動(dòng)狀態(tài)，因此其有可能從Ａ、Ｂ樁相交處涌入Ｂ樁孔內(nèi)，形成“管涌”?？朔胧┯校孩倏刂疲翗短涠?lt;14ｃｍ；②護(hù)筒應(yīng)超前孔底至少15ｍ；③實(shí)時(shí)觀察Ａ樁混凝土頂面是否下陷，若發(fā)現(xiàn)下陷應(yīng)立即停止Ｂ樁開挖，并一邊將護(hù)筒盡量下壓，一邊向Ｂ樁內(nèi)填土或注水（平衡Ａ樁混凝土壓力），直至制止住“管涌”為止。

　　（2）遇地下障礙物處理方法：由于咬合樁采用的是鋼護(hù)筒，所以可吊放作業(yè)人員下孔內(nèi)清除障礙物。

　　（3）克服鋼筋籠上浮方法：在向上拔出護(hù)筒時(shí)，有可能帶起放好的鋼筋籠。預(yù)防措施可選擇減?。聵痘炷凉橇狭交蛘呖稍阡摻罨\底部焊上一塊比其自身略小的薄鋼板以增加其抗浮能力。

　　4.工程實(shí)踐效果與分析

　　在對(duì)各種圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式比選后，最終在天津西南角地鐵車站基坑工程中選擇了鉆孔咬合樁這一新工法。施工中，在靠近金禧大酒店一側(cè)的基坑采用φ1200咬合樁，其余基坑段采用φ1000咬合樁，樁間咬合200ｍｍ，樁長為19.2ｍ。由于咬合樁這一圍護(hù)型式首次在天津地鐵工程中使用，而且基坑工程又是整個(gè)項(xiàng)目的重要工程，因此非常有必要在基坑開挖過程中跟蹤施工進(jìn)程，對(duì)樁體側(cè)移、坑周地面沉陷和地層位移、附近建筑物、地下管網(wǎng)等變形及受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)[5]，用取得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，與預(yù)測(cè)值或計(jì)算值相比較并進(jìn)行分析，能可靠的反映工程施工所造成的影響，能較準(zhǔn)確地以量的形式反映這種影響的程度，也可以對(duì)咬合樁的適用性進(jìn)行客觀、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。

　　4.1監(jiān)測(cè)方案

　　監(jiān)測(cè)設(shè)備包括：高精度水準(zhǔn)儀，經(jīng)緯儀和測(cè)斜儀。根據(jù)施工設(shè)計(jì)，在基坑開挖和主體結(jié)構(gòu)施工期間，主要進(jìn)行了變位、沉降、咬合樁變位和地下管線位移監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)對(duì)象及相應(yīng)使用的儀器。

　　4.2數(shù)據(jù)分析

　　從2003年8月初開始監(jiān)測(cè)，到2004年2月底結(jié)束，前后共計(jì)七個(gè)月的時(shí)間。在基坑開挖期間，工程中沒有出現(xiàn)險(xiǎn)情和事故，咬合樁防滲效果很好，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也比較平穩(wěn)，現(xiàn)對(duì)下面幾個(gè)監(jiān)測(cè)內(nèi)容得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析說明。

　　由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果所繪出的樁體側(cè)向變形曲線圖可以看出，咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁體的最大側(cè)向變形一般均發(fā)生在基坑開挖面以上靠近坑底的部位。比較186號(hào)樁與52號(hào)樁的側(cè)移曲線，可明顯看到52號(hào)樁的樁頂水平位移和樁體最大側(cè)移均比186號(hào)樁要大很多。分析其原因，在圖3中可以看出，186號(hào)樁位于一號(hào)線靠近金禧大酒店一側(cè)的基坑邊，由前述其樁徑為1200ｍｍ，而52號(hào)樁樁徑為1000ｍｍ。由于圍護(hù)樁的樁徑增大，所以其抗彎剛度勢(shì)必會(huì)相應(yīng)提高，在基坑內(nèi)支撐型式相同的情況下，則樁身各部側(cè)向變形量相應(yīng)的會(huì)變小。52號(hào)樁樁頂最大側(cè)移達(dá)到了8.5ｍｍ，遠(yuǎn)大于186號(hào)樁的2ｍｍ。分析原因是由于基坑開挖時(shí)第1道支撐加撐不及時(shí)，導(dǎo)致開挖后樁體懸臂狀態(tài)暴露時(shí)間過長所致。綜合這兩個(gè)樁體位置與其他測(cè)點(diǎn)樁體側(cè)移數(shù)據(jù)來看，絕大部分樁體變形值均滿足要求，最大變形值11.9ｍｍ，小于設(shè)計(jì)要求的灌注樁、地連墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平側(cè)移限值14ｍｍ。

　　在開始測(cè)量時(shí)地面已經(jīng)存在微小的沉降。由于場(chǎng)地地下水位埋深較淺（0.8～4ｍ），為了防止基坑開挖時(shí)坑內(nèi)外水位差較大而引起的流砂、管涌等滲透破壞現(xiàn)象，本工程采取的是基坑外井點(diǎn)降水措施。所以可以認(rèn)定，初始的微小地面沉降是由于基坑開挖前坑外降水引起的。地表沉降會(huì)隨著施工過程時(shí)間的增大而加大，最大沉降發(fā)生在52-2測(cè)點(diǎn)處，其次是樁頭測(cè)點(diǎn)52-3，而距離基坑最遠(yuǎn)的52-1點(diǎn)沉降值已非常小了，說明此位置處地面沉降受基坑開挖影響已很小。

　　建筑物在坑外降水時(shí)即有一定的沉降，但沉降值很小。而出現(xiàn)沉降最快的時(shí)候，正是基坑從開挖至開挖到底這段時(shí)間內(nèi)。而后，這些測(cè)點(diǎn)雖然繼續(xù)下沉，但下沉的速率明顯變緩，最大沉降值僅為3.5ｍｍ。綜合基坑周圍其他幾幢建筑物的沉降值及地下管線的變形情況來看，最大沉降量在15ｍｍ以內(nèi)，完全滿足了規(guī)范[7]限定對(duì)主基坑周圍建筑物和管線的沉降限值20ｍｍ的要求。

　　4.3鉆孔咬合樁新工藝的評(píng)價(jià)分析

　　從天津地鐵一號(hào)線西南角站基坑工程采用鉆孔咬合樁這一新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式的實(shí)際施工過程和效果看出，鉆孔咬合樁相比較其他幾種常用的圍護(hù)型式有其自身很大的優(yōu)勢(shì)：

　　（1）咬合樁采用的是全護(hù)筒沖弧法，能夠克服不良地質(zhì)條件下灌注樁成樁困難的問題；

　?。?）咬合樁采用鋼護(hù)筒，不像灌注樁用的是泥漿護(hù)壁，可以大大減小泥漿四溢對(duì)周圍環(huán)境的影響；

　?。?）咬合樁垂直度比灌注樁好，不會(huì)塌孔，下挖過程中如遇到土體內(nèi)有雜物影響時(shí)可以直接下去作業(yè)人員對(duì)雜物進(jìn)行清理；

　?。?）從經(jīng)濟(jì)角度，咬合樁比地鐵隧道基坑常用的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)要省20%～30%的經(jīng)費(fèi)，經(jīng)濟(jì)性好。

　　同時(shí)在本次工程的施工過程中也總結(jié)出了一些鉆孔咬合樁施工的改進(jìn)方法，如咬合樁導(dǎo)墻若采用預(yù)制結(jié)構(gòu)而代替現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，不僅可以更加方便施工，而且經(jīng)濟(jì)性更好等等。

　　5.結(jié)論

　?。?）在本文所涉及的工程地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下進(jìn)行地鐵隧道施工，基坑開挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔咬合樁這種新的圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式，達(dá)到了預(yù)期的目的；

　?。?）在基坑工程中，只要圍護(hù)結(jié)構(gòu)的擋土和止水效果好，并及時(shí)架設(shè)支撐，基坑開挖時(shí)對(duì)周圍環(huán)境不會(huì)造成太大的影響，完全可以保證緊鄰高層建筑物的沉降變形滿足要求；

　?。?）基坑外地表沉降會(huì)隨著施工過程時(shí)間的增長而加大，通過對(duì)本工程后續(xù)觀測(cè)的結(jié)果來看，后期的沉降將持續(xù)半年左右才逐漸趨于穩(wěn)定；

　　（4）鉆孔咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式，當(dāng)條件適當(dāng)時(shí)，可應(yīng)用在城市地鐵施工中，一定會(huì)取得可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。