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(kāi)挖只能在支護(hù)結(jié)構(gòu)保護(hù)下進(jìn)行垂直開(kāi)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(guó)外及國(guó)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(chē)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(kāi)三馬路與黃河道、南馬路交口處，呈南北走向。本車(chē)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(zhǎng)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(lèi)型為孔隙潛水，儲(chǔ)存于第四系粘性土、粉土及砂類(lèi)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(chē)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(lèi)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?jī)蓚?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

　?。?）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(chē)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(wú)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(guò)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

　?。?3ｔ+Ｋ

　　其中，Ｋ為儲(chǔ)備時(shí)間，一般取1.5ｔ。

　　3.4施工問(wèn)題與解決方案

　?。?）防止管涌措施：在Ｂ樁成孔過(guò)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(kāi)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。

　?。?）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。

　?。?）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(chē)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(zhǎng)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(kāi)挖過(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)挖期間，工程中沒(méi)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(shuō)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(kāi)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(kāi)挖時(shí)第1道支撐加撐不及時(shí)，導(dǎo)致開(kāi)挖后樁體懸臂狀態(tài)暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)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(lái)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(kāi)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(kāi)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(kāi)挖前坑外降水引起的。地表沉降會(huì)隨著施工過(guò)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(shuō)明此位置處地面沉降受基坑開(kāi)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(kāi)挖至開(kāi)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?chē)渌麕状苯ㄖ锏某两抵导暗叵鹿芫€的變形情況來(lái)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?chē)ㄖ锖凸芫€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(guò)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)：

　?。?）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(wèn)題；

　　（2）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?chē)h(huán)境的影響；

　?。?）咬合樁垂直度比灌注樁好，不會(huì)塌孔，下挖過(guò)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；

　　（4）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(guò)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

　　（1）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(kāi)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(kāi)挖時(shí)對(duì)周?chē)h(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；

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

　?。?）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。