張佐漢，劉國楠，胡榮華

(中國鐵道科學(xué)研究院 深圳研究設(shè)計(jì)院，深圳 518034)

鉆孔咬合樁(Secant pile wall or Benoto situ-cast piles)由法國Benoto公司于20世紀(jì)50年代發(fā)明，是采用全套管灌注樁機(jī)(也稱磨樁機(jī)、搖管機(jī)或 Benoto鉆機(jī))施工形成的樁與樁之間相互咬合排列的一種基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)［1-2］。

鉆孔咬合樁在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。在歐洲(法國、德國、英國、俄羅斯、意大利)、美國等地區(qū)的使用歷史接近50年，在亞太地區(qū)(如新加坡、泰國、印度尼西亞、日本、中國香港、中國臺(tái)灣)的使用歷史接近30年［2-4］。中國內(nèi)地最先使用鉆孔咬合樁是1999年在深圳地鐵一期工程中，隨后相繼在昆明、南京、貴陽、杭州、天津、上海、中山、溫州、北京等地的建筑深基坑和地鐵基坑工程中成功應(yīng)用了鉆孔咬合樁［5-7］。

本文依托深港西部通道深圳側(cè)接線工程鉆孔咬合樁的工程實(shí)際，并結(jié)合前人的研究結(jié)果，對(duì)咬合樁的施工技術(shù)進(jìn)行了研究，以期通過不斷的試驗(yàn)、研究和工程總結(jié)進(jìn)一步完善鉆孔咬合樁支護(hù)結(jié)構(gòu)施工工法和質(zhì)量控制體系，豐富國內(nèi)咬合樁的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，為咬合樁在全國范圍內(nèi)的推廣提供參考借鑒。

1 鉆孔咬合樁工藝原理及特點(diǎn)

1.1 工藝原理

鉆孔咬合樁施工時(shí)，一序樁采用超緩凝型混凝土先期澆注;在一序樁混凝土初凝前利用套管鉆機(jī)的切割能力切割掉相鄰一序樁相交部分的混凝土，然后再澆注二序樁，從而實(shí)現(xiàn)一序樁、二序樁的咬合，其施工過程簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 咬合樁施工過程

根據(jù)工程需要一序樁可以采用素混凝土樁、混合材料(如水泥土)樁、水泥攪拌樁、鋼筋(矩形或異形鋼筋籠)混凝土樁或型鋼加勁樁，二序樁中一般配置圓形鋼筋籠。到目前為止，發(fā)現(xiàn)一序樁與二序樁搭配方式的種類有6種，如圖2所示［1-9］。

1.2 鉆孔咬合樁特點(diǎn)

鉆孔咬合樁與其它幾種軟土圍護(hù)結(jié)構(gòu)方法相比較，優(yōu)點(diǎn)顯著，見表 1［9］。

2 工程概況

深港西部通道深圳側(cè)接線為建在深圳市區(qū)的長(zhǎng)大地道，采用明挖方案，基坑開挖深度10.0～12.0 m，寬度約32.0 m。地道主要穿過城區(qū)，相鄰的建(構(gòu))筑物密集，周邊環(huán)境保護(hù)問題十分突出。場(chǎng)地的地質(zhì)條件也十分復(fù)雜，主要不利地層及環(huán)境條件有:

1)深厚的強(qiáng)透水砂層;

2)海相沉積超軟弱的淤泥層;

3)填海形成的填石層;

圖2 一序樁與二序樁搭配方式

4)地下水位高;

5)基坑兩側(cè)管線多。

表1 幾種擋土結(jié)構(gòu)類型的比較

鑒于以上不利地層及環(huán)境條件，基坑結(jié)構(gòu)的變形、位移和地下水的控制要求都相當(dāng)高。根據(jù)深圳地區(qū)建筑深基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范，按場(chǎng)地條件和地質(zhì)條件的復(fù)雜性，基坑安全等級(jí)定為一級(jí)。根據(jù)表1的對(duì)比結(jié)果，確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式采用鉆孔咬合樁+多排鋼支撐支護(hù)。

鉆孔咬合排樁施工時(shí)不受填石層的影響且具有較好的擋土、截水功能，能避免因深基坑開挖而造成地下水大量流失，發(fā)生流砂、周邊地面沉降塌陷等事故;采用鋼支撐，具有較大的支撐剛度，通過施加預(yù)應(yīng)力技術(shù)，可以將基坑的位移和變形控制在一定的范圍內(nèi)。

3 咬合樁施工工法研究

3.1 施工工法研究

結(jié)合試樁試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)施工及前人的研究結(jié)果，對(duì)咬合樁施工技術(shù)的以下幾個(gè)方面做了研究。

1)鉆機(jī)選擇

施工器械的好壞，影響著咬合樁的質(zhì)量。經(jīng)過調(diào)研，幾種型號(hào)的全套管鉆機(jī)性能比較見表2。

表2 幾種全套管鉆機(jī)性能的比較

根據(jù)場(chǎng)地條件及鉆機(jī)的性價(jià)比，建議選擇國產(chǎn)套管鉆機(jī)，如捷程MZ系列套管鉆機(jī)。

2)原料選擇及數(shù)量控制

通過試樁試驗(yàn)，選定原料的同時(shí)確定了其數(shù)量的控制標(biāo)準(zhǔn)，見表3。

3)樁體垂直度控制［9-10］

為了保證鉆孔咬合樁底部有足夠的咬合量，需對(duì)垂直度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，樁的垂直度應(yīng)控制在3‰以內(nèi)。樁的垂直度主要靠套管的垂直度進(jìn)行控制，因此在鉆機(jī)鉆進(jìn)的過程中，每一節(jié)套管的垂直度都應(yīng)控制在3‰內(nèi)。為此必須做好以下三個(gè)方面的工作。

①套管順直度檢查和校正;

②成孔過程中樁的垂直度監(jiān)測(cè)和檢查;

③糾偏。

表3 原料選擇及數(shù)量控制標(biāo)準(zhǔn)值

理論上可用下式判斷垂直度是否符合施工要求［11］。

式中，L為咬合樁中心距;a為方籠或異型籠的寬度(沿排樁軸線方向);D為套管外徑;H為一序樁鋼筋籠長(zhǎng)度;V1、V2分別為樁、鋼筋籠的垂直度。

4)咬合厚度

鄰樁之間的咬合厚度應(yīng)根據(jù)樁長(zhǎng)選取。樁越短，咬合厚度越小;樁越長(zhǎng)，咬合厚度越大。根據(jù)在深圳、南京、杭州、香港等地區(qū)的施工情況，咬合厚度可按照下面的公式進(jìn)行選擇

式中，l為樁長(zhǎng);k為樁的垂直度;q為孔口定位誤差容許值;b為鉆孔咬合樁的設(shè)計(jì)咬合厚度。公式(2)的意義在于必須保證樁底的最小咬合厚度不小于50 mm。

3.2 施工工藝流程

通過對(duì)咬合樁試樁試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)施工及前人的研究，總結(jié)出咬合樁施工工藝流程，見圖3。

4 咬合樁質(zhì)量通病及事故樁處理方法

4.1 咬合樁質(zhì)量通病處理方法

針對(duì)試樁試驗(yàn)及施工過程中出現(xiàn)的一些咬合樁通病問題，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及前人的研究提出了相應(yīng)的解決措施［5-6，9-11］。

1)鋼筋籠下沉

由于受樁底地質(zhì)條件和施工工藝、操作水平的影響，鉆孔咬合樁鋼筋籠高程控制難度較大，開挖后，鋼筋籠頂存在100～800 mm不等的下沉。處理方法如下述。

當(dāng)鋼筋籠沉降量＜150 mm時(shí)，直接將樁頂鋼筋接到設(shè)計(jì)高程，鋼筋的接頭形式可以采取雙面搭接焊，焊縫長(zhǎng)度為5d(d為鋼筋直徑，下同)。

當(dāng)鋼筋籠沉降量 ＞150 mm，且 ＜300 mm時(shí)，采取直接將樁頂鋼筋接到設(shè)計(jì)高程，鋼筋的接頭形式可以采取雙面搭接焊，焊縫長(zhǎng)度由正常的5d，增加到10d，即280 mm。

當(dāng)鋼筋籠沉降量＞300 mm時(shí)，可將樁頭鑿除一部分，使鋼筋露出量超過400 mm，以滿足焊接要求，保證焊接質(zhì)量。破除樁頭混凝土后，有的樁頂高程會(huì)比設(shè)計(jì)高程低，需要將樁頭混凝土補(bǔ)起來。補(bǔ)混凝土方法是先將鋼筋接完，對(duì)混凝土面進(jìn)行鑿毛清理，用水沖洗干凈并濕潤(rùn)，與冠梁一起進(jìn)行混凝土澆筑，澆筑的混凝土應(yīng)該比咬合樁高一個(gè)等級(jí)，即C30，用振動(dòng)棒振搗密實(shí)。

圖3 咬合樁施工工藝流程

2)樁頭未達(dá)到設(shè)計(jì)高程

從開挖出來的施工冠梁情況看，一序樁樁頂混凝土未達(dá)到設(shè)計(jì)高程，其原因主要是:

①旁邊樁施工振動(dòng)導(dǎo)致混凝土密實(shí)下沉;

②施工時(shí)混凝土澆注未嚴(yán)格控制高程，導(dǎo)致混凝土澆注方量不足，未能達(dá)到設(shè)計(jì)高程。

處理辦法是將樁頂混凝土面浮漿或疏松的混凝土鑿除，直至鑿到能夠滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)混凝土面進(jìn)行鑿毛清理，用水沖洗干凈并濕潤(rùn)，澆注比咬合樁高一個(gè)等級(jí)的混凝土。混凝土灌注與冠梁澆筑同時(shí)進(jìn)行，避免增加混凝土接縫，減少受力薄弱面。澆筑時(shí)，用振動(dòng)棒振搗密實(shí)。

3)露筋

在土方開挖過程中，有個(gè)別二序樁保護(hù)層不夠而出現(xiàn)露筋的情況，經(jīng)過分析是樁頭混凝土被管道流出的水沖走，此情況可以采取如下兩種辦法處理。

①局部少量露筋的情況，可以將樁身表面的泥土清理干凈，鑿除表面松散的混凝土，將樁身用水潤(rùn)濕，用1∶2的防水砂漿將露筋位置抹起來，并澆水養(yǎng)護(hù);

②大面積露筋的情況，可噴射C25早強(qiáng)混凝土將露筋的部分噴平。

4)樁間開叉

樁間開叉主要是由于垂直度控制不好而造成的，分叉最不利的影響是樁間漏水，如果基坑外側(cè)具備旋噴樁施工條件，可以在分叉樁間先采取φ600旋噴進(jìn)行止水，旋噴的深度與咬合樁深度相同，將大量的水阻隔在基坑外側(cè)。

5)樁間漏水

樁間漏水可分為三種情況。

①漏水量較大?？梢圆扇⌒?dǎo)管注漿的辦法進(jìn)行處理。

②樁間不是大量漏水，而只是有個(gè)別漏水點(diǎn)?？梢圆扇′X管注漿。具體施工方法是:找到漏水點(diǎn)，人工將此處鑿開15 cm左右的槽，用手電鉆在漏水點(diǎn)上鉆孔，孔深10～15 cm，插入鋁管，用高標(biāo)號(hào)(52.5)水泥摻加防水專用外加劑拌制的水泥砂漿將鋁管埋住，12 h后，用小型注漿機(jī)注環(huán)氧樹脂封閉漏水點(diǎn)，注漿壓力一般為1 MPa。

③樁身上有水浸透，但無明水?？捎?∶2.5防水砂漿進(jìn)行封堵。

6)樁身縮徑

由施工情況看，樁身縮徑一般出現(xiàn)在一序樁上。經(jīng)分析主要是由于地質(zhì)沖孔導(dǎo)致一序樁發(fā)生下沉，樁頭塌陷造成的。處理辦法需依據(jù)樁身的情況來定，如果縮徑情況不嚴(yán)重，未造成漏水，可將縮徑的位置清理干凈，鑿毛潤(rùn)濕，掛網(wǎng)噴射混凝土或填補(bǔ)防水砂漿;如果縮徑引起樁身漏水，則需要在噴射混凝土之前埋設(shè)小導(dǎo)管，噴射混凝土完成之后，進(jìn)行注漿止水。樁身縮徑較小或僅局部存在輕微孔洞，則可以用防水砂漿補(bǔ)平即可。

7)相切樁

施工中，由于管線影響以及機(jī)械故障造成了幾根相切樁。處理辦法是在樁身背后進(jìn)行φ800旋噴樁處理，開挖后如果相切面依然有漏水現(xiàn)象，則采用小導(dǎo)管注漿或鋁管注環(huán)氧樹脂進(jìn)行止水。

8)樁身表面蜂窩麻面

施工中出現(xiàn)個(gè)別樁身表面呈蜂窩麻面，即樁身表面不密實(shí)。處理的辦法是將表面虛浮的混凝土鑿除干凈，用防水砂漿摻環(huán)氧樹脂進(jìn)行補(bǔ)平處理。

9)沖孔回填區(qū)缺陷樁處理

對(duì)于施工中沖孔回填區(qū)缺陷樁的處理，采取了以下三點(diǎn)措施。

①在有孔洞的一序樁與二序樁相交處施作φ800旋噴樁，樁長(zhǎng)為原沖孔回填深度下2 m至樁頂冠梁，樁體背后通過補(bǔ)旋噴樁并與原咬合樁咬合，有效地避免了在主體土方開挖過程中地下水沿孔洞進(jìn)入基坑。

②隨主體土方開挖進(jìn)程，對(duì)孔洞進(jìn)行噴錨處理。具體處理方法是先將孔洞內(nèi)夾雜物掏干凈，再將孔洞內(nèi)表面鑿毛并用水沖洗干凈，后掛網(wǎng)(φ6.5@200雙向布置)噴射C20混凝土。

③如通過①、②項(xiàng)措施后仍存在滲漏，則對(duì)其進(jìn)行小導(dǎo)管注漿或其它堵漏處理。

4.2 事故樁處理方法

由于受地質(zhì)條件，施工設(shè)備及操作水平的影響，在施工中出現(xiàn)了一些事故樁，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件及前人的研究，對(duì)事故的原因進(jìn)行了分析并總結(jié)出了相應(yīng)的處理措施。

4.2.1 咬合樁施工時(shí)導(dǎo)管等設(shè)備無法取出

1)原因分析

施工咬合樁時(shí)，在混凝土灌注完起拔導(dǎo)管等設(shè)備時(shí)，由于機(jī)器設(shè)備故障，設(shè)備等無法取出，如本工程在施工二序323樁時(shí)，在混凝土灌注完起拔導(dǎo)管時(shí)，因?yàn)閷?dǎo)管箍圈開裂，導(dǎo)致兩節(jié)導(dǎo)管埋入混凝土中。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定混凝土，發(fā)現(xiàn)樁東北部位局部混凝土離析，未探到石子，具體深度在導(dǎo)墻面下4.5 m(冠梁頂下3.9 m)。

2)處理方案

導(dǎo)管灌入混凝土內(nèi)，不再取出，增強(qiáng)樁身強(qiáng)度和剛度，增強(qiáng)樁身抗彎性。樁身處理待樁身開挖視樁身灌注情況，采取注漿或者旋噴加固。導(dǎo)管平面位置示意見圖4。

4.2.2 一序樁凝固，二序樁無法咬合施工

1)原因分析

由于機(jī)器故障、操作原因、混凝土等其他材料因素，導(dǎo)致一序樁混凝土超過緩凝時(shí)間，二序樁無法咬合施工。

2)處理方案

圖4 導(dǎo)管平面位置示意

①平移樁位單側(cè)咬合

將二序樁平移20 cm，與一序樁相切施工，然后在這兩根樁之間施作旋噴樁止水，如本工程在施工二序452樁時(shí)，一序451樁已經(jīng)凝固，無法相切，只能將二序452樁樁位向一序450樁方向平移20 cm，二序452樁與一序451樁相切，然后在此兩樁樁縫間補(bǔ) φ550 mm旋噴樁止水。補(bǔ)樁平面位置示意如圖5所示。

圖5 補(bǔ)樁平面位置示意

②背樁補(bǔ)強(qiáng)

二序1樁成孔施工時(shí)，其兩側(cè)一序1樁、一序2樁的混凝土均已凝固，處理方法為放棄二序1樁的施工，調(diào)整樁序繼續(xù)后面咬合樁的施工，然后在二序1樁外側(cè)增加三根咬合樁及兩根旋噴樁作為補(bǔ)強(qiáng)、防水設(shè)施。在基坑開挖過程中將一序1樁和一序2樁之間的夾土清除并噴上混凝土即可，如圖6所示。

圖6 咬合樁背樁補(bǔ)強(qiáng)示意

③預(yù)留咬合鍥口

在一序1樁成孔施工中發(fā)現(xiàn)二序1樁混凝土已有早凝傾向但還未完全凝固時(shí)，此時(shí)為避免繼續(xù)按正常順序施工造成事故樁，可及時(shí)在二序1樁右側(cè)施工一砂樁以預(yù)留出咬合鍥口，待調(diào)整完成后再繼續(xù)后面樁的施工，如圖7所示。

圖7 預(yù)留咬合鍥口示意

4.2.3 鋼筋籠上浮

1)原因分析

①鋼筋籠變形過大，施工中有幾根樁的鋼筋籠上浮，都是下吊的鋼筋籠已損壞然后修復(fù)的鋼筋籠。

②樁垂直度偏差過大，操作沒有嚴(yán)格按規(guī)范施工。

③套管內(nèi)壁變形過大容易和鋼筋籠卡在一起。

④混凝土采用粒徑大的石子，石子很容易卡在鋼筋和套管壁間，增大摩擦力。

⑤混凝土沿導(dǎo)管沖下，在沖擊力的作用下產(chǎn)生振實(shí)作用，混凝土把鋼筋籠和套管“粘合”成一整體，在套管上拔時(shí)，鋼筋籠發(fā)生一起上移。

2)處理方案

在施工中一旦發(fā)現(xiàn)鋼筋籠上浮，應(yīng)立即用壓輪器壓籠，如果不行，就直接把鋼筋籠拔出，然后檢查相鄰一序樁的情況;如果一序樁塌落，應(yīng)立即重新成孔二序樁且一序樁重新施工。

4.2.4 填石段二次成孔

1)原因分析

本工程場(chǎng)地內(nèi)南側(cè)ZXK3+679.2～ZXK4+023.5以及北側(cè)ZXK3+965～ZXK4+023.5區(qū)段范圍內(nèi)與圖紙給定的地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告不符，實(shí)際勘測(cè)顯示這段里程內(nèi)有大量人工填石，無法直接采用套管鉆孔樁工藝。

2)處理方案

通過對(duì)各種方案進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比選，經(jīng)業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)院以及相關(guān)單位研究決定在這些施工區(qū)域采用φ 1 200沖孔樁沖碎人工填石后回填，再按原設(shè)計(jì)套管鉆孔樁施工，沖孔樁數(shù)量約為500根，沖孔深度為11～14 m之間。必須保證回填后孔內(nèi)土體的密實(shí)度，防止在沖下一孔時(shí)發(fā)生塌方，造成周圍邊坡失穩(wěn)和排洪渠出現(xiàn)損壞。通過試驗(yàn)，采用石粉渣(內(nèi)摻5%的水泥)回填，取得了良好的工程效果。

5 施工影響及監(jiān)測(cè)

5.1 施工影響

施工中發(fā)現(xiàn)基坑場(chǎng)地外側(cè)局部地點(diǎn)沉降達(dá)5 cm，經(jīng)分析是由于咬合樁套筒下沉及沖抓振動(dòng)對(duì)土體的擾動(dòng)引起的。最后通過增加套管超前支護(hù)長(zhǎng)度，成孔后慢速取土以及局部地點(diǎn)采取地基加固與隔離的措施解決了該類問題。

5.2 施工監(jiān)測(cè)

1)樁身水平位移監(jiān)測(cè)

各樁頂水平位移觀測(cè)標(biāo)累計(jì)位移量介于-9～21 mm之間，平均位移量為6.19 mm，日平均位移速率介于-0.0452～0.0905 mm之間。

2)樁身沉降位移監(jiān)測(cè)

各樁頂沉降位移觀測(cè)標(biāo)累計(jì)位移量介于16.8～19.1 mm之間。

3)樁身內(nèi)力監(jiān)測(cè)

由鋼筋應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，最大壓應(yīng)力為13.39～52.96 kPa。最大拉應(yīng)力為15.16～81.33 kPa。

由以上監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，基坑安全穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文以深港西部通道深圳側(cè)接線工程鉆孔咬合樁施工中的經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合前人的研究成果，對(duì)鉆孔咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)行了研究，并根據(jù)施工影響及監(jiān)測(cè)得出如下幾點(diǎn)主要結(jié)論。

1)本文總結(jié)的咬合樁施工工藝流程、對(duì)咬合樁通病問題及事故樁的相應(yīng)處理措施，在本工程中取得了良好的工程效應(yīng)，可推廣應(yīng)用。

2)本工程中樁體最大水平位移為21.0 mm，最大沉降為19.1 mm，滿足規(guī)范要求，基坑安全穩(wěn)定。鉆孔咬合樁成功解決了常規(guī)深厚軟土中的深基坑變形大、樁身彎矩大、基底易隆起等問題，不會(huì)對(duì)主體結(jié)構(gòu)施工造成影響，相比其它軟土維護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)約了投資成本及施工工期。

3)軟土地層中，咬合樁套筒下沉及沖抓振動(dòng)對(duì)土體的擾動(dòng)引起的周邊路面或建筑物沉降必須引起重視。在施工之前，應(yīng)通過分析研究，選擇正確的成樁工藝參數(shù)，如套管超前支護(hù)長(zhǎng)度、成孔取土方式等，以減少對(duì)土體的擾動(dòng)，形成真正的微擾動(dòng)施工。成樁擾動(dòng)往往是全深度范圍的，必要時(shí)應(yīng)采取基礎(chǔ)加固、隔離等措施，以免在咬合樁施工時(shí)造成臨近路面或建筑物發(fā)生過大沉降。

4)鉆孔咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)既保證了安全、節(jié)約了造價(jià)又贏得了工期，同時(shí)對(duì)環(huán)境影響較小，因此其有著良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值，可在全國各地推廣使用。

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