钻孔咬合桩围护结构在深基坑工程的研究
摘 要:文章结合工作实践，就某地铁车站深基坑工程采用钻孔咬合桩围护方案施工及其效果，进行利弊剖析，以为后续的深基坑工程施工提供参考。
关键词:钻孔咬合桩 深基坑 施工 工艺
围护结构是深基坑工程的主要分部，采用合理的围护结构形式是确保深基坑工程质量、安全的前提。地铁工程建设中全地下地铁车站均为深基坑，其支护形式多样，整体要求很高，因此选择一种既能确保质量又能相对降低造价，同时满足合理工期要求的围护结构形式也就成了地铁深基坑工程施工的重中之重。关于各种围护结构形式施工成功示例的较多，且多有成熟的理论和经验参考。但对各种围护结构形式的利弊分析较少，在选择围护结构方案的过程中，不能选择满足工程实际需要的围护结构形式。
1 设计概况
某地 铁 车 站 标 准 宽 度 为 20. 70m，车 站 全 长204. 7m。该站覆盖土厚约为 3. 4m，基坑最大开挖深度18. 5m，主体围护结构采用钻孔咬合桩及钢管内撑，内撑采用 φ600mm 的钢管。
钻孔咬合桩，桩径 1m，相邻两桩咬合部不小于250mm，桩长为 26m ～ 29. 2m，共有 700 根桩。咬合桩分为 A 桩和 B 桩，A 桩为 C30 水下钢筋混凝土，B 桩为C15 超缓凝水下混凝土。
2 地址特征
车站场地地层有第四系全新统人工填土层、第Ⅰ陆相层、第Ⅱ海相层、第Ⅲ陆相层、第Ⅳ陆相层，岩性主要为杂填土、粉质粘土、粉土及淤泥质粉质粘土。
地表普遍分布第四系全新统人工填土层，岩性为杂填及素填土，土质不均，结构松散，密实程度差。
第Ⅰ陆相层，岩性为粉质粘土、工程性质尚好。
第Ⅰ海相层岩性为粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粉土为主，粉质粘土夹有大量粉土薄层，工程性质较差。
第Ⅱ陆相层上部为糊沼相沉积层，该层厚度较小，工程性质较差; 下部为河床、河漫滩相沉积层，以可塑状粉质粘土为主，夹粉土，含姜石及贝壳，底部出现“混粒土”。该层土质较密实，为良好的持力层。
第Ⅲ陆相层有粉土、粉砂、粉质粘土组成，含姜石。本层工程性质及抗震性较好。
3 施工工艺流程
3. 1 施工技术
钻孔咬合桩全称为液压摇动式全套管灌注桩。在成孔时，通过液压设备将套管旋转压入土体，形成围护后，在套管内采用抓斗或者旋挖取土。遇到坚硬障碍物时，可用冲击钻处理。到达设计深度后，进行混凝土灌注，同时提升钢套管，形成灌注桩。
桩的排列方式为一根钢筋混凝土桩( A 桩) 和一根素混凝土桩( B 桩) 间隔布置。施工时利用混凝土超缓凝的性能，先施工 B 桩，在 B 桩混凝土凝固前进行 A 桩施工。A 桩施工时采用全套管钻机切割掉与相邻 B 桩相交部分的混凝土，实现 A、B 桩间咬合。施工中由于先后施工的原因会出现冷接缝，围护结构需闭合时由于起始桩混凝土已经凝固无法切割，从而无法实现咬合。在施工中在排桩接头的位置设置砂桩( 成孔后用砂灌满) ，接头时将砂挖出灌注混凝土即可，砂桩设置于钢筋桩的位置。钻孔咬合桩平面布置示意图如下:
为了提高钻孔咬合桩孔口的定位精度并提高就位效率，在桩顶上部施作钢筋混泥土导墙，这是钻孔咬合桩施工的第一步。导墙设计为每侧宽 0. 5m，厚 30cm，强度等级为 C20 混凝土。具体尺寸见下图。
3. 2 排桩的施工工艺流程
排桩总的施工原则是先施工 B 桩，后施工 A 桩。具体施工工艺流程为: B1→B2→A1→B3→A2→B4→A3． ． ． ． ． ． ，如下图所示:
3. 3 单桩的施工工艺流程
咬合桩设计分为 A、B 桩两种型式。其中 A 型单桩施工工艺流程如下图: ( 除无吊放钢筋笼工序外，B 型单桩施工工艺与 A 型桩相同。)
4 施工质量控制点及控制措施
4. 1 质量控制点
通过上述钻孔咬合桩施工工艺及流程，钻孔咬合桩施工过程中的关键技术质量控制点如下:
( 1) 超缓凝混凝土凝结时间的控制;
( 2) 咬合桩施工定位误差及垂直度的控制;
( 3) 异常情况的预防和处理措施。
4. 2 超缓凝混凝土凝结时间的控制
4． 2. 1 超缓凝混凝土缓凝指标的确定
B 桩混凝土混凝时间应根据单桩成桩时间来确定，单桩成桩时间与施工现场地质条件、桩长、桩径和钻机能力等因素相关。根据咬合桩施工工艺，B 桩混凝土初凝时间应为: T = ( tA +2Tb) + k
tA、tB———分别为 A 桩、B 桩单桩成桩时间
k———为不可预见因素预留时间，一般取 24
经实际测定，本项工程初步控制 B 桩初凝时间为 T= 60h，并在以后施工中根据现场情况进行适当调整。
由于在施工 A 桩时，需要切割相临 B 桩，为保证切割的顺利进行且防止由于两边混凝土强度不同造成 A桩施工垂直度无法控制，要求 B 桩混凝土 3d 抗压强度≤3Mpa。
4. 2. 2 超缓凝混凝土试配
( 1) 超缓凝剂的选择
超缓凝剂选用液体水溶性超缓凝剂，克服粉状外加剂在混凝土中不易分散均匀的缺点。随着缓凝剂掺量增加，缓凝作用增强，在适宜的范围内掺缓凝剂不但不会影响后期强度，反而有所提高; 但超剂量地使用缓凝剂不但产生严重缓凝，而且还要造成强度损失，严重者造成长期不凝结硬化，造成严重后果，产生工程质量事故。
( 2) 材料优选
由于水下超缓凝混凝土灌注是连续作业，一旦灌注就必须一气呵成，在对混凝土的粘聚性、坍落度损失、抗压强度等各项指标的控制当中，原材料的质量起着至关重要的作用。
① 水泥: 选用 42. 5 普通硅酸盐散装水泥。
② 粉煤灰: 选用Ⅱ级粉煤灰。
③矿渣: 选 S95 级矿渣微粉。
④ 河沙: 选用中砂，细度模数在 2. 8 左右，颗粒表面圆滑，含泥量、泥块含量都较少。
⑤ 碎石: 选用碎石，粒径为 5 ～ 20mm 连续级配。
⑥ 减水剂: 选用 FD － 4 型高效减水剂。
( 3) 配合比优选
该超缓凝混凝土为水下 C15 混凝土，初凝时间为60 小时，3d 抗压强度≤3Mpa，根据标准和设计要求，该混凝土试配强度提高 5Mpa;
水下灌注混凝土施工不具备振捣条件，靠混凝土自身重量产生流动在桩基底部摊平和捣实，若流动性较差，就会造成灌注困难、堵管，无法正常灌注，甚至会出现断桩，引发质量事故及较大的经济损失。灌注前坍落度应在 180mm ～200mm 之间，扩展度大于 45mm。确保水下灌注的混凝土有较好的粘聚性和保水性。防止了因混凝土离析、泌水在灌注过程中出现碎石在导管中局部集结，造成“卡管”，引发质量事故。通过大量的试配，根据试配结果优选了一组配合比，该配合比混凝土出机状态较好，无离析、泌水现象，坍落度经时损失、缓凝时间都符合要求并且有足够的强度富余系数。
4. 2. 3 混凝土生产中应注意的问题
( 1) 超缓凝剂复试时间较长，所以必须提前进料，及时复试，并必须经过与水泥的适应性试验。未经过检验或检验不合格，不得使用。
( 2) 搅拌机及运输车在生产超缓混凝土前应经过清洗;
( 3) 超缓混凝土搅拌时间应延长 30 秒，保证超缓混凝土在混凝土中分散均匀，避免混凝土不均匀。
( 4) 投料前，将生产指令重复确定，以避免搅错混凝土。
( 5) 超缓混凝土计量必须严格符合标准。
( 6) 超缓混凝土试件应确定混凝土完全终凝后方可拆模，以防止试件变形影响抗压强度测试值。
4． 2. 4 混凝土使用中应注意的问题
使用过程中采用严格的检查制度和监控措施: 每车混凝土均取一组试件，监测其缓凝时间及坍落度损失情况，直至该桩两侧的 A 桩全部完成为止。如果发现其有早凝趋势，施工中会立即采取措施，避免事故桩的出现。
4. 3 咬合桩施工定位误差及垂直度的控制
4. 3． 1 孔口定位误差的控制
为了保证钻孔咬合桩位置的精确性，要对其孔口的定位误差进行严格的控制。在钻孔咬合桩桩顶以上设置钢筋混凝土导墙，导墙上设置定位孔，其直径宜比桩径大20 ～ 40mm。钻机就位后，将第一节套管插入定位孔并检查调整，使套管周围与定位孔之间的空隙保持均匀。
4. 3． 2 桩身垂直度的控制
控制了桩身垂直度，也就能保证钻孔咬合桩底部有足够厚度的咬合量。除对其孔口定位误差严格控制外，还应对其垂直度进行严格的控制。根据规范要求，本工程桩身垂直度偏差不大于 0. 3%，桩与桩的咬合量为250mm，在最不利的情况下( 按最大桩长 31m 计) 偏差量为2 ×31 ×0. 3% =186mm。在成孔过程中要控制好桩的垂直度，必须加强做好以下三个环节的工作。
( 1) 套管的顺直度检查和校正
( 2) 成孔过程中桩的垂直度监测和检查，即地面监测和孔内检查。
( 3) 纠偏
成孔过程中如发现垂直度偏差过大，必须及时进行纠偏调整，纠偏的常用方法有以下三种:
①利用钻机油缸进行纠偏: 如果偏差不大或套管入土不深，可直接利用钻机的两个顶升油缸和两个推拉油缸调节套管的垂直度，即可达到纠偏的目的。
② B 桩纠偏: 如果 B 桩入土大于 5m，发生较大偏移，可先利用钻机油缸直接纠偏，如达不到要求，可向套管内填砂或粘土，一边填土一边拔起套管，直至将套管提升到上一次检查合格的地方，然后调直套管，检查其垂直度合格后再重新下压。
③ A 桩纠偏: A 桩纠偏方法与 B 桩基本相同，其不同之处是不能向套管内填土而应填入与 B 桩相同的混凝土，否则有可能在桩间留下土夹层，从而影响排桩的止水效果。
4. 4 异常情况的预防和处理措施
4. 4. 1 克服“管涌”的施工措施
“管涌”是指在 A 桩成孔过程中，因 B 桩混凝土尚未凝固，处于流动状态的混凝土从 A、B 桩相交处涌入A 桩孔内。克服“管涌”方法:
( 1) B 桩混凝土的坍落度应相对小一些，不宜超过18cm，降低混凝土的流动性。
( 2) 钢套管底应始终超前于开挖面一定距离，造成一段“瓶塞”，阻止混凝土的流动。此段距离视钻机能力而定，一般不应小于 2. 5m。
( 3) 必要时( 如遇地下障碍物套管底无法超前时)可向套管内注水，保持一定的水头，通过水压力来平衡B 桩混凝土的压力。
( 4) A 桩成孔过程中注意观察相邻两侧 B 桩混凝土顶面。
4. 4． 2 克服钢筋笼上浮的方法
由于套管内壁与钢筋笼外缘之间的空隙较小，因此在上拔套管的时候，钢筋笼有可能被套管带着一起上浮。其预防措施主要有:
( 1) A 桩混凝土的骨料粒径应小一些，不宜大于20mm;
( 2) 在钢筋笼底部焊上一块比钢筋笼直径略小的薄钢板以增加其抗浮能力;
( 3) 制作钢筋笼导正器;
( 4) 混凝土灌注必须按操作规程进行。
4. 4． 3 钻进入岩( 或既有构筑物) 的处理方法
钻孔咬合桩仅适用于土质地质，但施工中遇到局部小范围少量桩入岩情况，可采用“二阶段成孔法”进行处理。第一阶段，不论 A 桩或是 B 桩，先钻进取土至岩面，然后卸下抓斗改换冲击锤，从套管内用冲击锤冲钻至桩底设计标高，成孔后向套管内填土，一边填土一边拔出套管，即第一阶段所成的孔用土填满; 第二阶段，按钻孔咬合桩正常施工方法施工。
5 钻孔咬合桩的利弊分析
5. 1 咬合桩的优点
( 1) 工程造价低。咬合桩通常采用钢筋混凝土桩和素混凝土桩间隔布置的排列方式，大大降低了结构的配筋率。
( 2) 抗渗能力更强。钻孔咬合桩是连续施工的，桩间不存在施工缝，而地下连续墙分幅接头处的施工缝往往是防渗的薄弱环节。
( 3) 施工灵活。由于钻孔咬合桩施工机械轻便、工艺简洁，施工时可根据需要转折变线，所以更适合于施工一些平面多变的几何图形或各种弧形的基坑。
( 4) 现场文明施工管理便宜。施工过程中，始终有超前钢套管护壁，无需泥浆护壁，取出的土为原土，有利于搞好工地的文明施工。
( 5) 特殊地层中( 砂层) 施工质量保证高。始终有超前钢套管护壁，完全避免了孔壁坍塌。
5. 2 咬合桩的缺点
( 1) 扰动大，由于施工用冲击抓斗取土，完全靠抓斗的自重及惯性，给周围土层的扰动大，噪音相对于普通钻孔支护排桩及地下连续墙施工大，不利于居民楼密集的地区施工。
( 2) 长期抗渗性能差。钻孔咬合桩为 C30 的钢筋桩及 C15 的素桩间隔布置的排列方式，素桩混凝土强度等级低，基坑支护短时间内还能满足要求，若基坑开挖抓桩体暴露时间长，素桩将会出现不同程度的微渗，面积大、很难集中处理，给施工组织带来许多不便。
( 3) 结构整体强度偏低。与地下连续墙相比，由于地下连续墙为整体配筋，且混凝土，而钻孔咬合桩为C30 的钢筋桩及 C15 的素桩间隔布置的排列方式，配筋率及素桩混凝土强度等级低，所以其结构整体强度与地下连续墙相比偏低。
(4) 机械精度及检测不够先进，难以确保施工的连续进行。
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