中国交建总承包经营分公司 北京 100000
摘要：以徐州地铁二号线文博园站工程为背景，对全套管钻孔咬合灌注桩的关健施工技术要点和施工中常见问题的处理措施进行系统研究，通过室内抗渗试验模拟车站现场浇注咬合桩过程, 研究咬合面杭渗性能确立最佳咬合时间，并对基坑进行实际变形分析。施工结果表明，全套管钻孔咬合灌注桩对周围环境影响小，对地层扰动小、施工快、造价低，基坑开挖后，桩间无渗水，围护结构安全稳定，在徐州软土及高水位土层基坑支护中具有广阔的应用前景。
关键词：全套管 钻孔咬合灌注桩基坑施工关键技术 最佳咬合时间
1工程概况
文博园站为徐州轨道交通2号线一期工程的第15座车站，车站位于昆仑大道与纬一路丁字路口南侧，路边绿化场地内。车站内净空288m*21.7m，主体围护采用φ1000@800的全套管咬合桩+内支撑结构形式。桩长为18.2m～24.2m，荤桩404根，桩身混凝土强度等级为C35，素桩404根，桩身混凝土强度等级为C20超缓凝混凝土。
2 工程水文地质
车站主体所处地层为冲积平原。开挖面以下依次为杂填土层、粉土层、黏质粉土层，黏土层、中风化石灰岩层，车站底板位于黏土层和中风化石灰岩层上。地下水主要为上层滞水及孔隙潜水。潜水水位埋深0.80～8.50m，潜水主要接受大气降水补给和侧向径流补给，以侧向蒸发、径流、人工开采方式排泄。承压水为碳酸盐岩裂隙岩溶水，主要贮存于灰岩裂隙中，具有承压性，局部有岩溶发育。嵌岩深度1～5m不等。
图1 车站平面图
3 全套管钻孔咬合灌注桩施工
3.1 施工设备
咬合桩成孔非嵌岩段采用全套管搓管机成孔，嵌岩段采用全回转全套管钻机辅以嵌岩旋挖机成孔。在咬合桩成孔过程中，用套管正反扭动或360度全回转加压下切，管内冲击抓斗取土，使套管压入至桩的设计深度，利用套管护壁成孔。
全套管钻孔咬合桩施工设备采用两种机型：一、主机为捷程生产的MZ-2B冲抓型全套管搓管机，并配有CGB110型独立液压泵站；另一为江苏盾安生产的全回转全套管钻机及配套液压工作站。搓管机设有可升降液压卡盘，能往复搓动，起拔及下压套管，摇动力达1255kN，最大扭距1470KN•m，最大施工深度达45m。配套设备使用履带吊用于搓管机的工作反力装置和牵引移位以及冲抓斗的冲抓作业，成桩时吊放钢筋笼、提升导管，其主卷扬提升力300～500kN，副卷扬提升力50～100kN，具快放功能［1］［2］。
3.2 施工工艺流程
全套管钻孔咬合桩施工工艺包含单桩施工工艺流程和排桩施工工艺流程。单桩施工工艺流程见图2。
总的施工原则是先施工A桩，后施工B桩，其施工工艺流程是：A1—A2—B1—A3—B2—A4—B3……，如图3所示：
3 .3 咬合桩工艺要点
1）导墙施工：为了提高钻孔咬合桩孔口的定位精度与稳定机台，在桩顶上部设混凝土导墙。咬合桩导墙采用C20厚200mm钢筋混凝土结构，内配φ16@200钢筋双向布置。拆模后将桩控制点位反到导墙顶面上，作为钻机定位控制点。
2）钻机就位：待导墙有足够的强度后，拆除模板，重新定位放样排桩中心位置，点位反到导墙顶面上，作为钻机定位控制点。将移动导管钻机，使套管钻机抱管器中心对应定位在导墙孔位中心。
3）取土成孔：钻机就位后，为保证孔的垂直度，先压入第一节9m套管，压入深度约2.5～3.0m，然后用抓斗从套管内取土，一边抓土，一边下压套管，每下压一次，用水平及竖向调直油缸进行纠偏。要始终保持套管底口超前于取土面且深度不小于2.5m；第一节套管全部压入土中后（地面以上要留着1.2～1.5m，以便于接管）检测成孔垂直度，如不合格则进行纠偏调整，如合格则安装第二节套管下压直到设计孔底标高。
4）吊放钢筋笼：如为B序钢筋砼桩，成孔检查合格后整节多吊点吊装钢筋笼，钢筋笼标高由套管顶端处标高来计算，钢筋笼下到孔底标高后，对钢筋笼进行定位、固定，防止钢筋笼偏移。
5）灌注砼：荤桩采用普通混凝土灌注，素桩采用超缓凝混凝土灌注（初凝时间≮60h）。如孔内有水时需采用水下砼灌注法施工；如孔内无水时则采用干孔灌注法施工。
6）拔管成桩：一边浇注砼一边拔管，始终保持套管底低于砼面2.5m以上。
3.4 施工关键技术
3.4.1 钻孔咬合桩咬合厚度的确定
相邻桩之间的咬合厚度d根据桩长来选取，桩越长咬合厚度越大，桩越短咬合厚度越小，并保证桩的咬合厚度≮50mm，按下式进行计算：d-2（kl+q）≥50
式中：l—桩长；k—桩的垂直度；q—孔口定位误差容许值；d—钻孔咬合桩的设计咬合厚度。
3.4.2 孔口定位误差
为保证钻孔咬合桩底部有足够厚度的咬合量，应严格控制孔口的定位误差。通过做导墙可有效提高孔口的定位精度，减小定位误差。孔口定位误差的允许值可按表1进行选择。
3.4.3 桩的垂直度控制
为了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，根据我国 《地下铁道工程施工及验收规范》GB50299—1999第3.1.5条规定，桩的垂直度允许偏差为3‰。
①套管的顺直度检查和校正。钻孔咬合桩施工前，首先检查和校正单节套管的顺直度，将按照桩长配置的套管全部连接起来，套管顺直度偏差控制在1‰～2‰。
②成孔过程中桩的垂直度监测和检查。在地面选择两个相互垂直的方向采用线锤监测地面以上部分的套管的垂直度，发现偏差随时纠正；。每节套管压入土层后，都要用测斜仪或“测环”进行孔内垂直度检测，不合格时须进行纠偏。
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：
a）利用钻机油缸进行纠偏：如果偏差不大或套管人土不深（5m以下），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。
b）A桩纠偏：如果A桩在入土5m以下发生较大偏移，可先利用钻机油缸直接纠偏，如达不到要求，则向套管内填砂土和粘土，边填土边拔管，直至将套管提升到上一次检查合格的位置，然后调直套管重新下压。
c）B桩纠偏：B桩孔与A桩孔纠偏的方法基本相同，其不同之处是不能向套管内填土而应填入填入与A桩相同的超缓凝土，否则可能在桩间留下土夹层，从而影响排桩的防水效果。
3.4.4 超缓凝混凝土施工参数
1）缓凝时间的确定
A桩混凝土缓凝时间应根据单桩成桩时间来确定，单桩成桩时间与地质、桩长、桩径和钻机能力等因素有关。A桩混凝土缓凝时间可根据下式来计算：
文博园站素桩超缓凝混凝土配合比经现场试验后最终确定初凝时间＞60h。
2）最佳咬合时间的确定
1）同条件养护试件的抗渗性能（最大抗渗压力0.4～0.6MPa）远低于标准养护试件的抗渗性能（最大抗渗压力1.0～1.5MPa），围护结构养护条件的桩孔内温度湿度与标准条件更为相近。
2）不同咬合间隔时间的试件抗渗性能不同，
结合施工综合环境影响，做到软切割软咬合不渗漏，确定2种超缓凝配合比（60h、80h）。以60h配合比为例，研究不同咬合间隔时间试件的抗渗性能：咬合间隔20h的标准试件，在加压1.0～1.5MPa的水压下，持续八小时，咬合面没有出现渗水，性能最优；咬合间隔40h的标准试件，在加压1.0～1.5MPa的水压下，持续四小时，咬合面没有出现渗水，持续八小时，出现细微渗水，性能次之。咬合间隔60h的标准试件，在加压1.0～1.5MPa的水压下，持续四小时，咬合面出现渗水。数据分析表明时间间隔60h的试件由于超缓混凝土初凝时间已经接近其极限临界点，此时超缓混凝土强度略高，不利于施工，易形成冷缝，时间间隔10h的试件由于抓斗在施工过程中的震动，素混凝土的流动性而影响自身结构密实性；而20～30h时间隔咬合效果较好，咬合面抗渗效果最优越。可以满足地表下18～24米深度的地下水压力，满足咬合桩的适用要求。
3.4.5分段施工接头的处理方法
施工筹划安排6台钻机分段施工，这就存在与先施工段的接头问题。处理方法为在施工段与段的端头B桩位设置一个砂桩（成孔后用砂灌满），待后施工段到此接头时挖出砂子，灌上混凝土，施工缝位置补打止水桩。
3.4.6钻进入岩的处理方法
当施工中遇到局部区域少量桩入岩情况，可采用旋挖钻钻岩跟进（需搭配短套管调节外露管节尺寸）或“预成孔法”进行处理：第一阶段，不论A桩还是B桩，先钻进取土至岩面，然后卸下锤式抓斗改换冲击锤，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。
3.4.7 事故桩的处理方法
在钻孔咬合桩施工过程中，因A桩超缓混凝土的质量不稳定出现早凝现象或机械设备故障等原因，造成钻孔咬合桩的施工未能按正常要求进行而形成事故桩。对于事故桩的处理可视不同的具体情况分别采用平移桩位单侧咬合；跳桩施工，背桩补强及预留咬合企口；全回转硬切割加高压旋喷止水桩处理等方法。
3.4.8克服管涌的措施
混凝土管涌亦可称混凝土绕流管涌。
①成孔过程中应随时观察孔内地下水和穿越砂层、溶腔的动态，按少取土多压进的原则操作，做到套管超前，充分发挥全套管跟进的钻孔工艺特点。依据套管的最大切割下压能力，做到套管始终超前，抓土在后，使孔内留足一定厚度的反压土层造成一段“瓶颈”，阻止混凝土的流动，如果钻机能力许可，这个距离越大越好。
②B桩成孔过程中应注意观察相邻两侧Ａ桩混凝土顶面是否下陷，也需时刻关注抓斗取出来的土是否为夹心土，如发现A桩混凝土下陷或全是混凝土，应立即停止B桩开挖，并一边将套管尽量下压，一边向B桩内填混凝土，直到完全制止住“管涌”为止。
③A桩混凝土的坍落度应尽量小一些，不宜超过160±20mm，以便于降低混凝土的流动性，增加阻力克服管涌。同时掌握施作B桩的最佳时间，避免Ａ桩刚灌注完不久就马上被切割的情况。
4 施工效果
文博园站共施工咬合桩808根，在基坑开挖过程中发现有两处砂桩冷缝部位出现渗漏现象，主要因高压架空线影响，未连续施工所致，如能保证咬合桩连续施工，基本不会有渗漏点出现。现场及时封堵注浆处理，封堵材料采用双快水泥，注浆采用水泥-水玻璃双液浆，经封堵注浆处理后效果明显，有效地控制了渗漏现象。土方开挖后可见咬合桩外观整齐光洁，桩身垂直度好，施工总体效果较好。总的来说，咬合桩在文博园站基坑工程中的应用是非常成功的，咬合桩作为基坑围护结构，适合于徐州地质条件。
5现场实测
5.1 围护桩深层水平位移
从标准段和端头井段分别选取各具代表性的一个测孔，绘制不同工况下桩体水平变形随深度的变化曲线，如图6、图7所示。从图中可以看出，由于首道支撑采用刚度较大的钢筋混凝土支撑，围护结构顶部的侧移受到了有效约束，各施工工况下顶部侧移均很小；随着基坑开挖工作的进行，围护桩体的深层最大位移也在随开挖面下移；水平位移变化速率在基坑开挖到底、未浇注垫层前最大0.6mm/d，垫层浇注完成后位移发展趋缓，变化速率迅速减小；墙体两端变形小、中间变形大，符合常见采用多道支撑围护结构的变形规律。各桩体的最大水平位移比较均匀，平均值为38.16mm。
5.2 支撑轴力
对西段的断面Z9的支撑轴力情况进行了汇总，结合施工工况与支撑轴力变化知：
①随基坑土方开挖，周边的水土侧压力在不断变化，钢支撑轴力也在随之变化，即整个过程是个大的动态平衡过程，如果不能达到平衡，则造成基坑事故。
②在Z9-2架设后,随着基坑的开挖，Z9-2的支撑轴力在不断的变化，并在开挖至Z9-3位置处增至最大。在架设完成Z9-3并对其实施预加力后，Z9-2的轴力在反弹，即土体应力重新分布。在开挖至Z9-4的架设位置时，第三道支撑在加大，而上面的第二道支撑轴力变化不大，在三道支撑都架设完毕的短时期内，接近基坑开挖到底的过程中增至相对较大，垫层浇注后，支撑轴力在减小，各道支撑的轴力趋于平稳。
6结语
（1）全套管钻孔咬合桩具有垂直度高、防水效果好、成孔无泥浆作业，并可保证无塌孔、振动小，易于文明施工，可减少对周边环境的影响；扩孔（充盈）系数小、配筋率低、在穿过软弱富水地层时无需增加其它辅助措施、工程造价低等优点。
（2）咬合桩的止水性能取决于浑素桩的咬合面的抗渗性能研究得出最佳咬合间隔，随着咬合时间的增长，咬合面的性能下降，围护桩墙的整体性能在下降；极限咬合时间易形成施工缝，止水效果明显下降。
（3）在该支护结构施工中，需要控制的关键技术很多，对施工人员的要求较高，需要较高的施工技术和管理水平。
（4）测斜孔监测数据分析表明：围护墙体两端变形小、中间变形大，最大侧移点深度随着开挖不断下移，要求施工保证出土速度，尽量减少无支撑暴露时间，将无支撑暴露时间控制在8h之内，做到随挖随撑。
参考文献：
［1］宋志彬，冯起赠，和国磊，等.CG型全套管搓管成孔设备的研究和应用［J］.探矿工程(岩土钻掘工程)，2009，36（S1）：69—70.
［2］宋志彬，冯起赠，王年友，等．CG型全套管冲抓设备及施工工艺［J］．探矿工程(岩土钻掘工程)，2007，34（9）：48—50．
［3］朱斌华，雷崇红.深圳地铁基坑钻孔咬合桩围护结构施工技术［J］.铁道建筑，2001（12）：2—4.
［4］陈斌，施斌，林梅.南京地铁软土地层咬合桩围护结构的技术研究［J］.岩土工程学报,2005,27（3）：354—357.
［5］宋冶，高尔洋，马德云.广州地铁一号线车站深基坑支护技术述评［J］.中国铁道科学,1998,19（4）：64—74.
［6］雷扬，郑刚，陈红庆.钻孔咬合桩在天津地铁基坑围护结构施工中的应用［J］.建筑科学,2006,22（3）：102—105.
［7］朱芝同，宋志彬，冯起赠，和国磊.全套管钻孔咬合桩在临近地铁基坑工程中的应用［B］.探矿工程(岩土钻掘工程)，2014，41（7）：65—69.
［8］陈争.混凝土咬合桩在地铁车站深大基坑中应用研究［D］.南京:南京林业大学，2008.
［9］刁伟轶.钻孔咬合桩受力变形规律及在地铁车站设计施工中的应用研究［D］.上海：同济大学，2006.
论文作者:田定胜
论文发表刊物:《基层建设》2017年第9期
论文发表时间:2017/7/24
标签：套管论文; 钻孔论文; 混凝土论文; 基坑论文; 钻机论文; 时间论文; 钢筋论文; 《基层建设》2017年第9期论文;