復雜海相地質條件下的咬合樁施工關鍵技術

羅光財 戴華良 曹 勇 朱嘉嵐

中國建筑第五工程局有限公司 湖南 長沙 410004

咬合樁有支護、承重和止水三重功能，近年來在城市深基坑圍護結構中得到廣泛應用[1]。在地鐵明挖車站咬合樁圍護結構設計中，咬合樁多以相切形式布置。這種類型的圍護結構雖能起到擋土作用，但對于地下水較豐富的沿海城市來說，因為復雜海相地質條件，咬合樁成孔時多數穿越填石土層或部分樁基需要進入巖層。由于設備動力不足或垂直度精度控制存在一定差距，故其施工進度和止水效果一般均不理想[2-5]。

咬合樁在基坑圍護中既能支護又能防水，是一種具有廣泛應用前景的新型基坑支護形式，但復雜的地質條件下，卻存在各種不足。

針對咬合樁施工中存在的技術問題，本文以深圳城市軌道交通13號線深圳灣口岸站—登良東站明挖區(qū)間圍護樁施工為載體，通過科學管理、合理選擇施工順序、優(yōu)化混凝土配比和工藝改進等措施，形成了一整套復雜海相地質條件下的咬合樁施工關鍵技術。

1 工程概況

1.1 咬合樁概況

深圳城市軌道交通13號線深圳灣口岸站—登良東站區(qū)間明挖段總長315.24 m，設計采用φ1 200 mm@900 mm咬合樁作為圍護結構。咬合式排樁布置形式采用鋼筋混凝土樁（一序樁方形鋼筋籠）和鋼筋混凝土樁（二序樁圓形鋼筋籠）搭配（也稱為“全葷咬合樁”）。

一序樁樁身采用超緩凝C35（S6）混凝土，二序樁樁身采用C35（S6）混凝土，相鄰樁咬合量不宜小于200 mm，平均樁長32 m。

1.2 工程地質特征

地面高程3.07～9.57 m，主要為低臺地地貌，局部為臺地間沖溝地貌。揭露土層為淤泥質土、可塑性粉質黏土、礫砂土、全風化花崗巖。場區(qū)特殊巖土主要為人工填土、軟土。

1）人工填土：主要為素填土、塊石、碎石土，填筑年限大于10 a。其中，塊石、碎石土成分主要由中、微風化黑云母花崗巖塊石組成。這些土質對樁基施工具有非常不利的影響。

2）軟土：主要為海積泥炭質土，流塑狀，局部軟塑狀。埋深6.0～17.8 m，厚度0.9～8.9 m。其抗剪強度低，對基坑支護具有不利影響。

1.3 水文地質條件

工程位于海積平原區(qū)，區(qū)域內第四系孔隙水主要賦存于第四系人工填土、海相沉積淤泥質砂層及沿線礫（砂）質黏性土層中，地下水初見水位埋深2.4～4.8 m，穩(wěn)定水位埋深2.80～6.00 m，以孔隙潛水為主。

2 咬合樁施工工藝

2.1 工藝原理

咬合樁按照排列方式，分為一序樁（A樁）和二序樁（B樁）間隔布置。先施工一序樁（A樁）后施工二序樁（B樁），在一序樁的超緩凝混凝土初凝之前必須完成二序樁的施工。二序樁施工時切割掉相鄰一序樁相交部分的混凝土，從而實現(xiàn)咬合排列的基坑圍護結構（圖1）[6-8]。

圖1 咬合樁示意

2.2 施工機械比選

目前，國內咬合樁施工的機械主要有3種（搓管機、全回轉鉆機、雙動力頭強力智能螺旋鉆機），需要根據施工場地實際的地質水文條件，選取合適的設備或設備組合。本工程在咬合樁成孔時必須穿越含有塊石回填的復雜海相地質，部分一序樁（A樁）和二序樁（B樁）成孔時必須進入風化巖層。通過多種方案對比，形成3種成樁設備的組合方案。

1）搓管機+旋挖鉆。一般地層采用搓管機成孔，搓管機為小角度來回搓動套管成孔。由于施加的扭矩及垂直荷載小，故處理孤石困難，且一般無法直接穿越。如若遇到孤石，需先采用旋挖鉆處理，然后再搓動套管跟進；需要入巖時，只能采用旋挖鉆處理。

2）全回轉鉆機+旋挖鉆機。全回轉鉆機扭矩及垂直荷載大，能360°旋轉套管，套管鉆頭能直接切削巖體，適宜在各種地質條件下施工，但是套管入巖時進度較慢。為加快成孔進度，在遇到大的孤石或需要入巖時，須提前使用旋挖鉆機處理孤石或提前入巖切削巖體，再采用全回轉鉆機套管跟進。

3）雙動力頭強力智能螺旋鉆機。雙動力頭強力智能螺旋鉆機通過外側套管護壁，鉆桿連續(xù)排土成孔，可以應對復雜土層、卵石漂石層等復雜地層，鉆孔效率高，但鉆進速度易受地層條件影響，垂直度不穩(wěn)定，易造成涌管現(xiàn)象；在粉質黏土層成孔時，易出現(xiàn)咬合面夾泥現(xiàn)象。若遇到大的孤石或入巖強度較高時，其成孔速度較慢，需要與潛孔錘組合，配置相應的空壓機供氣系統(tǒng)，設備占用場地較大。

場地內揭露土層自上到下可能遇到含花崗巖塊石或碎石的人工填土、海積泥炭質土、可塑性粉質黏土、礫砂土、含礫石的全風化花崗巖等，需要穿越粉質黏土層和砂礫層，結合現(xiàn)場試驗時各種施工機械的功能特性，綜合考慮施工場地大小、施工垂直精度、止水質量、進度和效益等要求，最終決定選用全回轉鉆機+旋挖鉆機的成孔機械設施組合。

2.3 施工順序安排

采用全回轉鉆機施工咬合樁的總原則仍為先施工一序樁（A樁），后施工二序樁（B樁）。其具體順序為：A1→A2→B1→A3→B2→A4→B3……，如圖2所示。

圖2 咬合樁施工順序示意

在成孔過程中，下壓鋼套管超前開挖面2～4 m，并配合旋挖鉆挖取鋼套管中的土體，形成孔位，無泥漿施工。分段施工時，在施工段端頭設置砂樁（成孔后用砂灌滿）作為接頭，后續(xù)施工到此接頭時挖出砂子，灌上混凝土即可，如圖3所示。

圖3 端頭砂樁處理示意

3 咬合樁施工關鍵技術

采用全回轉套管鉆機施工時，成樁質量受地質條件、工藝控制、混凝土配比等因素的影響較大，因此，科學管理、優(yōu)化混凝土配比和工藝改進是確保咬合樁工程實施成功的關鍵。

3.1 樁位精確定位控制

在鉆孔咬合樁樁頂部設置鋼筋混凝土導墻，導墻必須有足夠的厚度（一般≥50 cm）和強度（一般為C20以上），并設置定位孔（圖4）。為保證鉆孔咬合樁底部有足夠的咬合量，必須對定位孔的定位誤差進行嚴格的控制，其直徑宜比設計樁徑大20 mm。鉆機就位后，將第1節(jié)套管插入定位孔并檢查調整對中情況，使套管周圍與定位孔之間的空隙保持均勻。調整并調平鉆機平臺，使樁機鉆頭中心、套管中心準確對準樁位中心，方可進行下一步施工。

3.2 成孔垂直度精確控制

3.2.1 套管順直度檢查和校正

施工前首先檢查和校正單節(jié)套管的順直度，然后將按照樁長配置的套管全部連接起來進行整體順直度檢查與校正，確保單節(jié)和整體套管的順直度偏差均小于10 mm。

圖4 樁基定位

3.2.2 鉆機平臺檢測

套管的鉆進主要依靠全回轉套管鉆機自身的液壓系統(tǒng)提供動力，因此套管鉆進時垂直度的控制也主要依靠鉆機平臺自身來完成，施工時通過不斷調整各油缸的伸縮量來實現(xiàn)套管糾正，從而達到控制成樁垂直度的目的（圖5）。

圖5 鉆機平臺就位現(xiàn)場

鉆機平臺必須做好3個方面的檢測：

1）墊實墊平鉆機底部后，采用水平尺檢查全回轉套管鉆機操作平臺的水平度，將2個水平尺放置在操作平臺的2個正交方向上，直接操作鉆機，通過觀察水平尺上的氣泡并使其居中即可。

2）采用水平尺檢查鋼套管頂面水平度，水平尺以長1.2 m為宜，將2個水平尺附掛在鋼套管的2個正交方向上，通過觀察水平尺上的氣泡直接操作樁機，只要使氣泡居中即可。

3）校核取土鉆機的鉆孔垂直度，先調節(jié)鉆機垂直度，再用全站儀校核鉆機和鉆桿的垂直控制精度。采取旋挖鉆機處理孤石或提前入巖切削巖體時，操作前也要滿足上述要求，以校核鉆機和控制鉆桿的垂直精度。

3.2.3 地面垂直度監(jiān)測

在地面選擇2 個相互垂直的方向（距離鉆機一般≥20 m）采用全站儀監(jiān)測地面以上部分的套管垂直度，發(fā)現(xiàn)偏差隨時糾正。每臺樁機均安排專人定崗進行垂直度監(jiān)測，定時按進尺長度對套管垂直度進行監(jiān)測。

這項監(jiān)測在每根樁的成孔過程中應自始至終堅持，不能中斷，確保套管垂直度不符合要求時能在第一時間被發(fā)現(xiàn)并得以糾偏。

3.2.4 孔內垂直度檢查

在每節(jié)套管壓完后安裝下一節(jié)套管之前，都要停下來在套管正交方向設2個重線錘進行套管孔內垂直度檢查；不合格時立即進行糾偏，直至套管整體垂直度合格后才能進行下一節(jié)套管施工。

3.2.5 套管勻速鉆進控制

在套管下壓過程中，嚴格控制好套管的下壓行程，保持在20 cm/次以內，同時使套管磨動和下壓過程異步進行。保持套管的相對穩(wěn)定性，避免套管上部傾斜。

3.3 孤石處理技術

對于較大的石塊，若全部在套管范圍之內，則采用旋挖鉆機直接抓出；當石塊橫跨套管內外不能直接取出時，則可以先采用十字沖錘沖碎套管內的部分，再用旋挖鉆機將碎石塊抓出，然后繼續(xù)成孔。

3.4 穿越礫砂土、全風化花崗巖層

全回轉套管鉆機的套管入巖能力較差，管底的刀齒遇到k1g-3以上的中風化巖層，開挖厚度超過2 m以上或遇到較大的礫石就很難繼續(xù)切割，套管進尺慢。施工過程中，在下壓鋼套管前，采用大功率旋挖鉆機超前開挖2～3 m，無泥漿施工，然后再配合挖取鋼套管中的土體或巖層，形成孔位。

3.5 超緩凝混凝土配比優(yōu)化及施工技術

3.5.1 超緩凝時間確定（設計時間≥60 h）

一序樁混凝土緩凝時間一般情況下根據單樁成樁時間來確定，單樁成樁時間與施工現(xiàn)場地質條件、樁長、樁徑和鉆機能力等因素相關[9-10]。根據咬合樁施工工藝，A樁初凝時間應為：

式中：t ——單樁成樁時間；

K——預留時間，一般取1.0t。

本工程根據現(xiàn)場3 組試樁，統(tǒng)計出成樁時間為10～16 h，故取上限值16 h，初步控制一序樁初凝時間T=64 h。本工程地雖處深圳繁華地段，但混凝土供應地距樁基澆筑現(xiàn)場不超過10 km，因此，運輸過程的時間不超過預留時間。但對于全葷套管咬合樁，應該考慮一序樁方形鋼筋籠安裝與混凝土澆筑時間的影響。根據現(xiàn)場試驗統(tǒng)計，鋼筋籠吊裝時間約為3 h，單樁混凝土澆筑33 m3耗時約1.5 h，進一步調整一序樁混凝土超緩凝時間，最終初步按T=73 h控制，并在以后施工中根據現(xiàn)場情況進行調整。因此，針對全葷套管咬合樁，在不考慮運輸過程的時間超過預留時間這一影響的情況下，超緩凝時間初步確定公式（1）建議修正為：

式中：t1——單樁成樁時間；

K——預留時間，一般取1.0 t1；

t2——單樁鋼筋籠吊裝時間；

t3——單樁混凝土澆筑時間。

3.5.2 混凝土坍落度確定

根據混凝土配合比設計規(guī)程，坍落度可取140～ 180 mm，同時為滿足水下混凝土需要及防止管涌現(xiàn)象發(fā)生，取坍落度損失較快且較小的混凝土。根據試樁統(tǒng)計，取坍落度為160 mm±20 mm。

3.5.3 混凝土強度確定

為防止施工中遇到意外情況而延誤時間，一序樁混凝土3 d早期強度不能大于3 MPa。設計多種配合比，在標準條件下養(yǎng)護14、21、28 d，由其強度及耐久性指標，確定超緩凝混凝土配比，具體為：水泥∶粉煤灰∶礦粉∶水∶砂∶石∶外加劑＝180∶65∶82∶173∶779∶1 121∶4.9，砂率為41%，水膠比為0.53。

3.5.4 施工措施

在超緩凝混凝土生產時嚴格控制原材料質量，嚴格按照試驗確定的施工配比進行超緩凝混凝土生產，并確保超緩凝時間和混凝土坍落度穩(wěn)定。在每車混凝土使用前，必須嚴格測試坍落度和觀感質量。同時，二序樁澆筑時，套管底口始終低于開挖面深度≥2.50 m，形成“瓶頸”，阻止混凝土的流動；如果套管底口深度無法滿足上述要求，可向套管內注水，使其管內保持一定的壓力來平衡一序樁混凝土的壓力。咬合樁施工過程中，必須連續(xù)監(jiān)測其緩凝和坍落度損失情況，直至兩側的二序樁全部施工完畢，并按規(guī)范要求取試件檢查混凝土最終強度，確保混凝土最終強度滿足設計要求。

3.6 鋼筋籠加工與安裝精度控制

全葷套管咬合樁施工中，一序樁鋼筋籠（方形鋼筋籠）的加工精度與安裝精度控制是重要工序之一，直接影響二序樁能否順利成孔，關系到整個咬合樁的施工質量。

3.6.1 鋼筋籠加工精度控制

加強鋼筋制作平臺的制作質量，采用鋼架找平固定，并嚴格控制其平整度。加強鋼筋配料管理工作，預先確定各形狀鋼筋下料長度調整值，配料時充分考慮到位。

嚴格控制箍筋加工成形尺寸，當一次彎曲多個箍筋時，應在彎折處逐根對齊。鋼筋籠加工時，先在制作平臺上進行精確放樣，按照放樣點焊接角鋼進行定位，鋼筋組裝時進行掛線施工，嚴格控制鋼筋籠加工尺寸和垂直度。

3.6.2 鋼筋籠吊裝精度控制

鋼筋籠運輸和水平吊裝時，采用臺架吊裝，防止鋼筋籠變形。鋼筋籠底部焊接圓形抗浮鋼板，并沿著主筋每隔5 m設置定位泡沫塊或木支架。鋼筋籠轉體后，采用頂部兩點吊放，吊至孔口并慢慢下至設計標高。同時，為保證方形鋼筋籠定位準確，在樁孔頂底設置專用定位器，定位器由基座和定位盤兩部分組成，在定位盤上采用8個螺桿用于方形鋼筋籠角度確定，并在四角處有4個10 t千斤頂用來調節(jié)鋼筋籠的垂直度。

4 結語

以深圳城市軌道交通13號線深圳灣口岸站—登良東站明挖區(qū)間圍護樁施工為對象，針對泥質地層和拋石填海區(qū)等復雜海相地質環(huán)境，通過科學管理、優(yōu)化混凝土配比和工藝改進等措施，采用全回轉鉆機結合旋挖鉆機，成功地解決咬合樁施工進度慢和止水效果差的難題。同時，結合超緩凝混凝土配比優(yōu)化、多種精確定位與垂直度精度控制措施，實現(xiàn)了全葷咬合樁的全回轉鉆機套管施工。工程應用后，開挖出來的咬合樁樁身光滑整齊，防水性能滿足地鐵車站深基坑施工安全要求。

工程實踐證明，在淤泥質地層和拋石填海區(qū)等復雜海相地質環(huán)境中，可以采用咬合樁作為地鐵車站的圍護結構形式。

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