微型抗拔樁在微風化巖層地鐵車站抗浮中的設計與應用

徐華生　隗志遠

摘要：擴底抗拔樁是明挖地鐵車站常見的抗浮設計之一，在微風化花崗巖地層中一般采用人工爆破的開挖方式，施工難度較大，且爆破后對巖石節理破壞嚴重，影響抗浮效果。采用機械鉆孔的微型抗拔樁在花崗巖地層中成孔快，施工機械小型化占地小。文章通過工程實例介紹了某地鐵車站首次采用微型抗拔樁的設計與計算及其施工方法。

關鍵詞：微風化花崗巖；機械鉆孔；微型抗拔樁；地鐵建設；抗浮設計 文獻標識碼：A

中圖分類號：U231 文章編號：1009-2374（2016）02-0015-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.02.007

隨著城市地鐵修建進程的加快，全國各大城市迅速掀起地鐵修建熱潮，地鐵車站抗浮設計非常重要，相比于降排地下水、壓重法、大直徑抗浮樁等抗浮技術措施，微型抗拔樁更具優勢，如地層適應性較強、布置形式更靈活、施工占用場地小、成孔快、施工機械小型化、更加經濟環保，在硬質巖地層，特別是中風化及微風化花崗巖地層中，大直徑抗浮樁施工周期長，鉆機鉆進困難，而微型抗浮樁施工工藝與巖石抗浮錨桿類似，采用潛孔鉆機進行施工，用高壓風力吹走套管內的巖石碎屑，成孔速度快，但抗拔力及耐久性均優于抗浮錨桿，在硬巖地區更具優勢。

1 工程概況

青島站是青島市地鐵3號線的起點站，車站全長213.1m，為兩端暗挖中部明挖結構形式，其中主體結構明挖段長86.6m，為三層多跨框架結構，寬49.35m，高19.7m，車站底板坐落于第18層花崗巖微風化帶，該層巖石堅硬程度為較硬巖～堅硬巖，巖體呈整體塊狀結構，較為完整。該站地面高程約5.7～12m，車站結構的抗浮設防水位絕對標高為+0.6m，原設計采用抗拔樁的方案，抗拔樁位于柱子下方，為底部擴大頭形式，樁徑1.2m，樁長3.6m，共41根。

2 抗拔樁方案設計方案優化

由于青島地區地質構造的特性，青島站抗拔樁樁身全部位于微風化花崗巖地層，巖石強度最高可達70MPa，底部為擴大頭形式，所以一般采用人工爆破開挖的方案。

根據一期工程施工經驗，原方案擴大頭形式的抗拔樁，每根樁施工周期約15～20天。采用人工鉆眼后進行爆破，然后采用人工出渣的方式進行作業，由于人工挖孔樁樁徑較小、作業空間受限、鉆孔出渣等工序的施工效率均非常低，孔內人員作業時存在較大安全風險，同時由于爆破作業臨空面較小，爆破效果不佳。由于爆破對巖石節理破壞嚴重及超挖影響，特別是擴大頭部分爆破時對上部巖石整體性破壞較嚴重，對樁體的抗浮效果產生了較大影響，由于人工挖孔樁施工風險較大，現代地鐵施工應盡量采用機械化的作業方式以提高施工效率及施工安全性，為提高施工效率和安全性，提出了優化方案。經過研究與對比分析，最終確定了將原設計方案優化為機械成孔微型抗拔樁方案。微型樁是指樁徑為0.1～0.4m的小直徑鉆孔樁，被廣泛用于基礎托換、擋土結構、邊坡支護等工程，本工程中將微型樁直徑設計為400mm，有效樁長為4m，微型抗拔樁設于柱、梁、側墻和底板下，孔內灌注C45P10細石混凝土，主筋采用9根Φ28鋼筋，保護層厚度50mm。微型抗拔樁結構的平面布置及結構形式詳見圖1、圖2。

3 微型抗拔樁抗浮力檢算

微型抗拔樁抗浮力檢算主要從車站結構抗浮力計算、抗拔樁承載力驗算、鋼筋配置、裂縫寬度驗算及構造要求五個方面進行驗算。根據地勘報告中本工程中結構的抗浮設防水位為+0.6m，經計算直徑400mm的抗拔樁，抗拔樁單位面積需提供抗浮力為67kN/m2，單樁需提供抗浮力804kN。單根樁的抗拔承載力在地鐵設計規范（GB 50157）中規定如下：“在底板下設置土錨或拉樁。在軟黏土地層中采用土錨或拉樁時，對樁土間的摩擦力的設計取值應作限制，不宜超過極限摩阻力的一半，否則在浮力的長期作用下，由于土層的流變效應會導致變形過大。另外，抗浮安全系數不宜小于2～2.5。”本工程安全系數取2.0的情況下單樁抗拔力為908kN>804kN，因此符合要求。其他鋼筋配置率、裂縫寬度驗算及構造要求均計算合格。

4 微型抗拔樁施工及機械配置

4.1 施工方案

4.1.1 微型樁成孔采用JKS400A履帶式多功能水井鉆機，配套1臺34m3/min移動式螺桿空壓機為鉆機提供鉆進動力。JKS400A型履帶式多功能水井鉆機是一種新型、高效、多功能的液壓鉆機，行動靈活。

4.1.2 樁孔內清孔采用高壓風噴射清孔法，用上述型號空壓機配以風管來實施，在澆筑混凝土前采用水泵將孔內積水完全抽排干凈。

4.1.3 微型樁鋼筋籠在鋼筋加工棚內加工成型，四周根據混凝土保護層厚度焊接定位鋼筋，采用塔吊吊放入孔內，混凝土澆筑采用混凝土泵車直接輸送進樁孔內，每次澆筑高度不超過0.5m，采用插入式振搗棒振動密實。

4.1.4 混凝土強度達到設計強度后將樁頭混凝土鑿毛，施作防水層，樁頭部位的防水節點采用背貼式止水帶加強。

4.2 施工工藝介紹

4.2.1 混凝土墊層施工。先施工混凝土墊層再施工微型樁，可以使得鉆機的移動、就位以及調平作業大大簡化，大大提高了鉆機穩定性及施工效率。

4.2.2 樁位測設。采用全站儀對樁位進行精確定位，并設護樁，對各測設點進行明確標識，現場采用在混凝土墊層上打入水泥鋼釘的方式標識樁中心點。

4.2.3 鉆機定位。鉆機的定位必須準確、安裝必須牢固，要確保在鉆機就位后鉆桿軸線與樁軸線位于同一直線上；在鉆進過程中鉆機不會發生位移、沉降等。由于鉆頭較大，為保證每次定位鉆頭中心線與樁的中心一致，現場加工了一個直徑為400mm的定位輔助盤，圓盤中心與放樣點吻合，然后鉆頭周邊與圓盤吻合即可。

4.2.4 鉆進成孔。鉆進過程中，設專人及時清理因鉆進產生的廢渣，并及時清運。在即將成孔時，降低鉆進速度，緩慢進尺，嚴格控制鉆進深度，達到設計深度時，停止向下鉆進，但繼續給壓，以便將孔內各種雜物用高壓風清理出樁孔外。施工時為了降低鉆孔過程中的粉塵飛揚，在鉆孔過程中需采取降塵措施。

4.2.5 成孔檢查。在鉆進作業結束后，檢查孔徑（不小于設計樁徑）、孔深（不小于設計深度）、垂直度、孔底虛渣厚度等符合設計及規范要求后方可進入下道工序。

4.2.6 清孔。若孔底虛渣過厚，用風壓機連接自制風管插入孔底進行清孔直至虛渣厚度符合要求。在清孔完畢灌樁之前，用竹膠板將樁孔嚴密覆蓋，防止人員及雜物落入樁孔內。

4.2.7 鋼筋籠的安放。鋼筋籠根據鉆樁進度提前在現場加工成型，由塔吊配合人工進行鋼筋籠的安裝。為保證鋼筋籠在樁孔中心，在鋼筋籠周邊應每隔一定距離在鋼筋籠的三個方向焊接定位鋼筋。

4.2.8 灌樁。樁孔澆筑前應檢查孔內是否存在地下水，應采用水泵抽排干凈，并確認鋼筋籠標高準確無誤后方可進行混凝土澆筑施工，樁身混凝土采用混凝土汽車輸送泵進行施工，每澆筑50cm采用插入式振動棒進行振搗密實，直至澆筑完成。

5 微型抗拔樁抗拔力檢測

抗拔力試驗隨機選擇3根混凝土強度達到28d齡期的微型樁進行檢測，3根樁的混凝土強度等級達到45MPa以上，滿足設計強度要求。

抗拔樁按《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ 106）要求應進行現場單樁抗拔靜載試驗，根據設計要求單樁豎向抗拔承載力特征值應不小于950kN。抗拔樁單樁豎向抗拔力檢測采用靜力載荷測試系統，該系統主要由千斤頂、采集裝置、油壓傳感器、位移傳感器等組成。檢測原理采用錨樁法，由錨樁、主梁、鋼筋、墊板焊接成加載反力系統，如圖3所示：

單樁抗拔力檢測采用慢速持荷載法逐級加載，分級荷載為設計試驗荷載的1/10，第一級為分級荷載的2倍，每級荷載施加后按第5、15、30、45、60min測讀樁頂拔出量，以后每隔30min測讀一次，記錄主要試驗數據，然后根據上拔荷載-樁頂上拔量（U-δ）和樁頂上拔量-時間（δ-lgt）繪制出關系曲線如圖4、圖5。

通過對試驗樁進行豎向抗拔靜載試驗，在最大加荷950kN的作用下，樁長為4m的微型抗浮樁總上拔量僅4.58mm，試驗樁的極限承載力均大于950kN，抗拔力滿足設計要求。由于本工程中設計要求的微型樁單樁抗拔承載力在安全系數為2.0的情況下的抗拔力為908kN，因此本次靜載試驗未進行極限承載力試驗。

6 結語

（1）在設計荷載作用下，樁長為4m、直徑為400mm的微型抗浮樁總上拔量不超過4.6mm，抗拔承載力較高，能夠滿足設計要求；（2）微型抗拔樁采用C45P10細石混凝土灌注，耐久性能優于砂漿或水泥漿，能夠滿足地鐵工程設計使用100年的要求；（3）當地鐵車站處于硬質巖層中時，特別是中風化及微風化花崗巖地層中，大直徑抗浮樁施工周期長，鉆機鉆進困難，采用人工挖樁施工效率及安全性比較低，而微型抗浮樁施工工藝與巖石抗浮錨桿類似，采用潛孔鉆機進行施工，具有成孔速度快、施工占用場地小、施工機械小型化及經濟環保等優點，在硬巖地區更具優勢，具有一定推廣意義。

參考文獻

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[4]地鐵設計規范（GB 50157）[S].2013.

[5]建筑樁基技術規范（JGJ 94）[S].2008.

作者簡介：徐華生（1976-），男，中鐵四局集團有限公司第七工程分公司高級工程師；隗志遠（1981-），男，中鐵四局集團有限公司第七工程分公司工程師。

（責任編輯：周 瓊）