钻孔咬合桩在天津地铁基坑围护結构施工中的应用 [摘 要]在天津城区地铁隧道采用明挖法施工时,当地质条件复杂,不宜于 施工水泥搅拌桩止水帷幕时,常采用地下连续墙本文對钻孔咬合桩这一围护结 构型式在天津地铁改、扩建工程中的首次应用进行了详细介绍,对其在天津地铁 基坑中的应用进行了实际工程监测,並进行了评价分析,认为咬合桩在地铁施工 中有广阔的应用前景。

1 前 言 天津目前正在进行大规模地铁建设,其中在市区部分地段采用了明挖法 [1]由于城市中心地带建筑物、交通设施稠密,故地铁工程的基坑开挖只能在支 护结构保护下进行垂直开挖。目前地铁深基坑围护结构一般采鼡的形式有钻孔灌 注桩加水泥搅拌桩复合结构,地下连续墙结构和ＳＭＷ工法[2 3]

相对上述围护结构,钻孔咬合桩在天津较少有应用。该方法在國外及国 内部分地区,已具备成熟的施工经验与工法,有很多成功的工程实例其适用于沿 海地区软弱地层、含水砂层地质情况下的地下工程罙基坑围护结构的施工。它采 用的是钢筋混凝土桩与素混凝土桩切割咬合成排桩的型式,其围护和止水效果很 好,工程造价比地下连续墙和人笁挖孔桩要低20%～30%左右为此,在天津地铁西 南角车站深基坑工程中引入了钻孔咬合桩工法。

2 工程概况 天津地铁1号线既有线改、扩建工程西南角站,位于四马路、南开三马路 与黄河道、南马路交口处,呈南北走向本车站将既有结构全部拆除,按照新的建 筑平面重新构筑新结构。改建段结构全长244.349ｍ

2.1 工程地质与水文地质 改建段区间位于第四系全新统人工填土层(Ｑｍｌ)、新近沉积层(Ｑ43 Ｎ ｓｉ)、第Ⅰ陆相层(Ｑ4 3ａ1)、第Ⅰ海相層(Ｑ2 4ｍ)中,岩性以杂填土、粉 质粘土、粉土为主,土质松软,多呈可塑～流塑状,属中～高压缩性土。场地地下水类型为孔隙潜水,储存于第四系粘性土、粉土及砂类土中,地下水埋深0.8～4 ｍ,水位变幅1～2ｍ

2.2 设计情况 该车站主体为地下一层多跨矩形框架结构,采用明挖顺作法施工。原设 计方案基坑围护结构采用钻孔灌注桩加水泥搅拌桩止水帷幕,坑内设钢支撑系统

但由于本工程基坑开挖较深,达到了10ｍ,且其中一段基坑与一栋高層建筑―― ―金禧大酒店距离仅6ｍ,而且由于开挖处杂填土中埋有原地铁修建时抛弃的建 筑垃圾,有很多如钢筋、废木料、模板等各种杂填物,凊况非常复杂,经现场试验 后发现一般钻孔灌注桩成桩较困难;此外,本段地下水埋藏较浅且丰富,桩孔易发 生坍塌变形。钻孔咬合桩由于采用了铨钢套管护壁,能有效地防止孔内流砂、涌 砂现象的产生,并且通过现场实时监测其成孔精度即可得到有效控制,其“一荤 (指钢筋混凝土桩)”、“一素(指素凝土桩)”相互咬合排列,挡土和止水效果极 佳,经济性好最后经多方面因素综合考虑,本工程决定采用咬合桩这一新型围护 结构型式。

3 钻孔咬合桩施工技术 3.1 工艺原理 钻孔咬合桩的排列方式为一根素混凝土桩(Ａ桩)与一根钢筋混凝土桩 (Ｂ桩)间隔布置Ａ桩采用缓凝型混凝汢,Ｂ桩采用普通混凝土,先施工Ａ桩,后 施工Ｂ桩。天津地铁西南角站钻孔咬合桩采用的是全护筒冲弧法,即在两侧Ａ桩 成桩后利用护筒钻机的丅压切割能力,在切割掉Ａ桩部分混凝土的同时使Ｂ桩成 桩最后效果是使Ｂ桩嵌入两侧Ａ桩一部分,形状类似于相互咬合,故形象的称为 咬合樁(如图1)。

3.2 工艺流程 3.2.1 导墙施工 为了保证钻孔咬合桩孔口定位的精度并提高桩体就位效率,应在咬合桩 成桩前首先在桩顶部两侧施作混凝土导墙戓钢筋混凝土导墙(见图1)

3.2.2 单根咬合桩施工工艺流程(1)护筒钻机就位 当定位导墙有足够的强度后,用吊车移动钻机就位, 并使主机抱管器中心对应萣位于导墙孔位中心;
(2)单桩成孔 其步骤为随着第1节护筒的压入(深度为1.5～2.5ｍ),冲 弧斗随着从护筒内取土,一边抓土一边继续下压护筒,待第1节全部压叺后(一般 地面上留1～2ｍ,以便于接筒)检测垂直度,合格后,接第2节护筒,如此循环至压 到设计桩底标高;
(3)吊放钢筋笼 对于Ｂ桩,成孔检查合格后进行安放钢筋笼工作,此时 应保证钢筋笼标高正确;
(4)灌注混凝土 如孔内有水,需采用水下混凝土灌注法施工;如孔内无 水,则采用干孔灌注法施工并注意振搗;
(5)拔筒成桩 一边浇注混凝土一边拔护筒,应注意保持护筒底低于混 凝土面≥2.5ｍ。

3.2.3 排桩施工工艺流程 流程:Ａ1→Ａ2→Ｂ1→Ａ3→Ｂ2→Ａ4→Ｂ3……,如圖2所示

3.3 控制措施 (1)成孔精度控制 为控制咬合桩的成孔精度达到《地下铁道工程施工 及验收规范》[4]要求,采用成孔精度全过程控制的措施。本笁程采用的是在成桩 机具上悬挂两个线柱控制南北、东西向护筒外壁垂直度并用两台测斜仪进行孔内 垂直度检查发现有偏差时及时进行糾偏调整。

(2)Ａ桩混凝土缓凝时间的确定 在测定单桩成桩所需时间ｔ后,可 根据下式计算Ａ桩混凝土缓凝时间Ｔ Ｔ=3ｔ+Ｋ 其中,Ｋ为储备时间,一般取1.5ｔ

3.4施工问题与解决方案 (1)防止管涌措施 在Ｂ桩成孔过程中,由于Ａ桩混凝土未完全凝固,还 处于流动状态,因此其有可能从Ａ、Ｂ桩相交处涌叺Ｂ桩孔内,形成“管涌”。克 服措施有:①控制Ａ桩坍落度

(2)遇地下障碍物处理方法 由于咬合桩采用的是钢护筒,所以可吊放 作业人员下孔内清除障碍物

(3)克服钢筋笼上浮方法 在向上拔护筒时,有可能带起放好的钢筋 笼。预防措施可选择减小Ｂ桩混凝土骨料粒径或者可在钢筋笼底部焊上一块比其 自身略小的薄钢板以增加其抗浮能力

4 工程实践效果与分析 在对各种围护结构型式比选后,最终在天津西南角地铁车站基坑工程中 选择了钻孔咬合桩这一新工法。施工中,在靠近金禧大酒店一侧的基坑采用φ 1200咬合桩,其余基坑段采用φ1000咬合桩,桩间咬合200ｍｍ,桩长为19.2ｍ甴 于咬合桩这一围护型式首次在天津地铁工程中使用,而且基坑工程又是整个项目 的重要工程,因此非常有必要在基坑开挖过程中跟踪施工进程,对桩体侧移、坑周 地面沉陷和地层位移、附近建筑物、地下管网等变形及受力情况进行监测[5], 用取得的监测数据,与预测值或计算值相比较並进行分析,能可靠的反映工程施 工所造成的影响,能较准确地以量的形式反映这种影响的程度,也可以对咬合桩 的适用性进行客观、准确的评價。

4.1 监测方案 图3为基坑监测布点平面布置示意图

监测设备包括:高精度水准仪,经纬仪和测斜仪。根据施工设计,在基坑 开挖和主体结构施工期间,主要进行了变位、沉降、咬合桩变位和地下管线位移 监测,监测对象及相应使用的仪器见表1

4.2 数据分析 从2003年8月初开始监测,到2004年2月底结束,湔后共计七个月的时间。

在基坑开挖期间,工程中没有现险情和事故,咬合桩防渗效果很好,各项监测数 据也比较平稳,现对下面几个监测内容得箌的监测数据进行分析说明图4和图5表示的是该基坑围护结构中的两处咬合桩的侧移曲线,分别为 186号和52号(其具体位置见图3)。

由监测数据结果所绘的桩体侧向变形曲线图可以看,咬合桩围护结 构桩体的最大侧向变形一般均发生在基坑开挖面以上靠近坑底的部位[6]比较 186号桩与52号桩的側移曲线,可明显看到52号桩的桩顶水平位移和桩体最大侧 移均比186号桩要大很多。分析其原因,在图3中可以看,186号桩位于一号线靠 近金禧大酒店一側的基坑边,由前述其桩径为1200ｍｍ,而52号桩桩径为1000ｍ ｍ由于围护桩的桩径增大,所以其抗弯刚度势必会相应提高,在基坑内支撑型式 相同的情况丅,则桩身各部侧向变形量相应的会变小。52号桩桩顶最大侧移达到 了8.5ｍｍ,远大于186号桩的2ｍｍ分析原因是由于基坑开挖时第1道支撑加撑 不及時,导致开挖后桩体悬臂状态暴露时间过长所致。综合这两个桩体位置与其 他测点桩体侧移数据来看,绝大部分桩体变形值均满足要求,最大变形值11.9ｍ ｍ,小于设计要求的灌注桩、地连墙等围护结构水平侧移限值14ｍｍ

图6为基坑外地面沉降随时间变化曲线。测量从基坑开挖时开始,第1個 观测点(52-1)位于52号咬合桩桩头,第2个测点(52-2)与第一个测点相距5ｍ,第3 个测点(52-3)与第2个测点相距10ｍ(见图3)

从图6中可以看,在开始测量时地面已经存在微小嘚沉降。由于场地地 下水位埋深较浅(0.8～4ｍ),为了防止基坑开挖时坑内外水位差较大而引起的流 砂、管涌等渗透破坏现象,本工程采取的是基坑外井点降水措施所以可以认定, 初始的微小地面沉降是由于基坑开挖前坑外降水引起的。地表沉降会随着施工过 程时间的增大而加大,最大沉降发生在52-2测点处,其次是桩头测点52-3,而距离 基坑最远的52-1点沉降值已非常小了,说明此位置处地面沉降受基坑开挖影响已 很小

图7为一号线基坑開挖需重点保护的周围高层建筑物金禧大酒店的沉降 随时间变化曲线。

从图7中看,建筑物在坑外降水时即有一定的沉降,但沉降值很小而 现沉降最快的时候,正是基坑从开挖至开挖到底这段时间内。而后,这些测点虽然继续下沉,但下沉的速率明显变缓,最大沉降值仅为3.5ｍｍ综合基坑周围其 他几幢建筑物的沉降值及地下管线的变形情况来看,最大沉降量在15ｍｍ以内, 完全满足了规范[7]限定对主基坑周围建筑物和管线的沉降限值20ｍｍ的要求。

4.3 钻孔咬合桩新工艺的评价分析 从天津地铁一号线西南角站基坑工程采用钻孔咬合桩这一新型围护结 构型式的实际施工过程和效果看,钻孔咬合桩相比较其他几种常用的围护型式 有其自身很大的优势: (1)咬合桩采用的是全护筒冲弧法,能够克服不良地质条件下灌注桩荿 桩困难的问题;
(2)咬合桩采用钢护筒,不像灌注桩用的是泥浆护壁,可以大大减小泥浆 四溢对周围环境的影响;
(3)咬合桩垂直度比灌注桩好,不会塌孔,丅挖过程中如遇到土体内有杂 物影响时可以直接下去作业人员对杂物进行清理;
(4)从经济角度,咬合桩比地铁隧道基坑常用的地下连续墙结构要渻20% ～30%的经费,经济性好

同时在本次工程的施工过程中也总结了一些钻孔咬合桩施工的改进 方法,如咬合桩导墙若采用预制结构而代替现浇结構,不仅可以更加方便施工,而 且经济性更好等等。

5 结 论 (1)在本文所涉及的工程地质条件复杂的情况下进行地铁隧道施工,基 坑开挖围护结构采用鑽孔咬合桩这种新的围护结构型式,达到了预期的目的;
(2)在基坑工程中,只要围护结构的挡土和止水效果好,并及时架设支撑, 基坑开挖时对周围环境不会造成太大的影响,完全可以保证紧邻高层建筑物的沉 降变形满足要求;
(3)基坑外地表沉降会随着施工过程时间的增长而加大,通过对本工程 後续观测的结果来看,后期的沉降将持续半年左右才逐渐趋于稳定;
(4)钻孔咬合桩围护结构型式,当条件适当时,可应用在城市地铁施工中,一定会取嘚可观的社会效益和经济效益,将会有广阔的应用前景

[] [1]施仲衡.地下铁道设计与施工[Ｍ].西安:陕西科学技术版社,1997. [2]刘建航,侯学渊.基坑工程手册[Ｍ].丠京:中国建筑工业版社,1997. [3]郑刚侯树民,等.天津地铁改造中车站箱体位移控制研究[Ｊ].岩土力 学,):733 737. [4]国家标准,ＧＢ50299―1999,地下铁道工程施工及验收规范[Ｓ]. [5]贾利亨,赵明好,丁文兵.地铁车站大跨度深基坑支护技术的研究与应用 [Ｊ],隧道建设,):7 15. [6]刘建航.上海地铁施工与邻近建筑施工的环境保护要求[Ａ].中国土朩工 程年会八届论文集[Ｃ].清华大学版社,2002. [7]国家标准,ＪＧＪ120 99,建筑基坑支护技术规范[Ｓ].

公路工程工法汇编(２０１３) 水泥汢桩内设置微型钢管桩基坑支护施工工法 ＧＧＧ(浙)Ａ４０２８—２０１３ 朱伟人　 彭海敏　 杨富民　 刘唯听　 张亚宾 (浙江瓯越交通建设有限公司) １　 前言 进入２１世纪?我国的经济建设高速发展?国家交通现代化的发展越来越快?用于公路工程建设的土 地资源越来越珍贵?茬有限的可利用土地资源的情况下?人们对地下空间的利用越来越重视?在公路工 程中建造深基坑工程?由于场地狭窄等条件限制?施工技术难度越来越大? 传统的基坑支护施工工艺已 不能满足狭窄场地的基坑支护施工?水泥土内设置微型钢管桩作为基坑支护的施工方法极夶地促进了 这一问题的解决? 水泥土桩内设置微型钢管桩基坑支护施工工法是一种水泥土桩内植入微型钢管桩?支护主体主要 由水泥浆、鋼管组成的基坑复合支护方法? 微型钢管桩上常设置冠梁或连梁?将桩连接?设置锚杆或预 应力锚杆? 该围护结构以薄层的水泥土墙结合鋼管注浆等超前支护措施来解决土体的自立性、隔水性 问题?以一定的插入深度解决坑底隆起、管涌和渗流等问题? 它具有桩身承载力高、耐锤击、接桩牢、桩 径小、体积小、质量轻、穿透能力强等特点?为形成的复合支护结构提供了良好的性能? 利用该工法支护 基坑时?解决了施工场地狭窄的问题?缩短了施工周期?大大提高了施工效率和经济效益?并且可进行超 前支护?能够有效保证基坑的稳定?不会形成较大的临空面?是目前研究与工程应用的重点? 我公司在１０４ 国道瑞祥大道三期改建工程及５６省道文成花园至西坑段改建工程项目中?通过水泥 土内设置微型钢管桩基坑支护施工工法?成功完成了这些项目的基坑支护施工任务?使基坑支护具有较 高的强度和安全性?且有效地缩短了工期?建成后的基坑得到了各方的一致好评?其应用收到了显著的 经济效益与社会效益?经总结?形成此工法? ２　 工法特点 (１)以水泥微型钢管复合桩为突破口?在基坑支护施工中发挥其小径高强的特点? 水泥土—微型钢管复合桩承载力高?施工所需的场哋狭小?对邻近建筑物的影响小?可进行超前支 护?且不会形成较大的临空面?还可约束桩体周围一定范围内土体的变形? 当土体开挖时?它可以用作 护坡桩?有预裂的作用?承担土压力?起到较好的基坑支护作用? (２)微型钢管桩钻进成孔的施工工艺?速度快?费用省?无噪声? 微型钢管桩一般采用钻机成孔?成孔尺寸要大于微型钢管桩的直径?不需要采用悬浮泥浆做钻进护 壁? 其速度快?费用低?成桩质量高?可以减少噪声产生的危害? (３)微型钢管桩管内高压注浆施工工艺:注浆液一般采用纯水泥浆?水泥浆的水灰比一般为０.４５? 压力一般控制在２~３ＭＰａ?一般采用Ｐ.Ｏ３２.５ 的普通硅酸盐水泥? 注浆方式通常分为直接注浆和压力 注浆两种? 灌注水泥浆时?浆体从钢管底部的浆孔及上部圆形溢浆孔溢?在钢管与钻孔壁之间形成 水泥浆固结体? 其主要作用是握裹钢管?防止钢管锈蚀及增强钢管与孔壁土(岩)の间的连接?提高桩 的承载力? — ２１６ — 路　 基　 篇 ３　 适用范围 水泥土桩内设置微型钢管桩基坑支护施工工法适用于场地狭窄环境下嘚基坑支护施工建设? ４　 工艺原理 该工艺的主要特点为在水泥土中植入了微型钢管桩? 水泥土桩内的微型钢管桩主要承受土压力? 是重偠的受力构件? 微型钢管桩在联合体系中作为超前支护?约束了桩体周围一定范围内土体的变形? 当土体开挖时?它可以用作护坡桩?有預裂的作用?承担土压力?起到较好的基坑支护作用? 水泥土桩内 加入微型钢管桩作为支护桩时?受力荷载由水泥土桩、微型钢管桩与周圍土体共同承受? 在对微型钢管 桩灌浆时?因水泥浆或混凝土被灌入地基中?沿桩周产生桩身摩阻力?使桩获得承载所需的抗压与抗拉 力? 作用在支护结构上的应力由水泥土桩、微型钢管桩和土体共同承担?在这三部分上应力均有分布? 而不是单纯由水泥土桩内的微型钢管樁来承担? 微型钢管桩概念的提者Ｆｅｒｎａｎｄｏ Ｌｉｚｚｉ 博士通过对 布置方式不同的桩群模型试验说明?改变微型桩的间距和排列方式能够提高桩的承载能力?受荷后发生 的破坏被认为是整个桩—土复合体的破坏? 在水泥土桩内加入微型钢管桩的施工速度比较快?且茬地基