长沙轨道交通集团 湖南长沙 410000
摘要：高透水地层中钻孔咬合桩施工存在偏孔、管涌等风险。结合长沙地铁6号线农科院农大站钻孔咬合桩施工实践，对高透水地层中钻孔咬合桩施工进行分析，对施工过程中钻进速度、泥浆比重等进行调整和控制，解决高透水地层中钻孔咬合桩成孔难题，为后续施工提供借鉴与参考。
关键词：高透水地层；钻孔咬合桩；偏孔；管涌
1 引言
钻孔咬合桩是相邻混凝土排桩间部份圆周相嵌，并于后序次相间施工的桩内置入钢筋笼，使之形成具有良好防渗作用的整体连续防水、挡土围护结构。广泛应用于施工中。在施工过程中，一旦遇上高透水地层，则极易发生偏孔、管涌的风险，需在施工过程中重点控制。长沙地铁6号线农科院农大站通过控制钻进速度、套管垂直度、套管插入深度等方式，解决了高透水层中钻孔咬合桩施工难题，取得了较好的施工效果。
2 工程概况
2.1 车站概况
农科院农大站位于人民东路与红旗路交叉十字路口，沿人民东路东西向布置。车站有效站台中心里程为DK43+523.200，车站设计起点里程DK43+357.800，车站设计终点里程DK43+626.400。车站小里程为盾构始发，大里程为盾构接收。
本站施工工法采用明挖+局部盖挖作法。车站为地下两层单柱双跨钢筋混凝土框架结构。车站总长度（含主体结构）为268.6m，标准段宽度（含主体结构）为21.7m。基坑深度约为19.800~22.600m。
农科院农大站围护结构采用φ1000钻孔咬合桩，共891根。
2.2 工程地质概况
拟建场地主要土层分布特征如下：
（1）第四系全新统人工填土层(Q4ml)。地层有沥青及混凝土路面(1-0)、素填土(1-1)、杂填土(1-2)。
① 沥青及混凝土路面(1-0)(Q4ml)：主要为灰黑、褐灰、杂色，干-稍湿，密实状，顶部约40-70cm为沥青及混凝土路面，硬质物含量70%～80%。
② 素填土(1-1)(Q4ml)：褐黄、褐红色，湿～很湿。松散～稍密状，黏性土为主，局部含砾石、砖渣等，硬杂物含量在10～25%之间，多为路基填土。
③ 杂填土(1-2)(Q4ml)：褐黄、褐灰及灰黑等杂色，结构松散，由黏性土混砖渣、混凝土块、建筑垃圾等回填，多为路基填土，硬质物含量35%～50%。
（2）第四系全新统冲积层(Q4al)。地层有粉质黏土(2-1)、粉土(2-2)、粉细砂(2-3)、圆砾(2-6)，卵石(2-7)。
① 粉质黏土(2-1)(Q3al)：黄、褐黄夹灰白，硬塑状为主，局部可塑，含少许黑色铁锰质氧化物及粉细砂。无摇震反应，有光泽，干强度、韧性中等。
② 粉土(2-2)(Q3al)：褐黄、褐灰色，湿，稍密状，含粉细砂、中砂及云母片。摇震反应中等，无光泽反应，干强度低，韧性低。
③ 粉细砂(2-3)(Q3al)：褐黄、褐灰色，很湿～饱和，稍密状，石英质，级配差，混砾石，少许黏性土充填。
④ 圆砾(2-6)(Q3al)：褐黄、褐灰色，饱和，中密状，砾石含量50%以上，粒径0.5～2cm，成分为石英质、磨圆度较好，级配一般，中粗砂充填。
⑤ 卵石(2-7)(Q3al)：褐黄、褐灰色，饱和，中密状，卵石含量约60%，石英质，亚圆形，级配较好，粒径2～4cm，最大粒径达8～10cm，砂质充填，混少许黏性土。
（3）残积层(Qel)
本工点内残积层母岩为泥质粉砂岩，岩性为粉质黏土。
残积粉质黏土（5N-3）（Qel）：褐红色，硬塑-坚硬状，含少许黑色铁锰质氧化物，无摇震反应，稍有光泽，韧性中等，干强度中等。其原岩为泥质粉砂岩。
（4）特殊岩土
① 填土
素填土(1-1)及杂填土(1-2)：灰褐色，黄色等杂色，为人工回填而成，成分杂，由黏性土、砖渣碎石等杂物组成，硬质物含量不均匀，结构松散-稍密状，密实度不均匀。具高压缩性，工程性状差，整个场地均有分布，堆填年限5年以上，有一定固结，但因填料杂乱，固结程度仍存在较大差异。
② 风化岩和残积土
残积土：褐红色，硬塑-坚硬状，系泥质粉砂岩风化残积而成，厚度较小，分布不均匀，为弱透水层，埋深大。
强风化泥质粉砂岩(7-2)：褐红色，岩芯呈土状，碎块状，柱状，节理裂隙发育，裂面多为黑色铁锰质氧化物浸染，为弱透水层，水理性质差，有遇水易软化、泥化、崩解的特点。
其中圆砾层在车站范围内广泛分布，由于地下水的渗透，导致圆砾层比较松软，旋挖钻施工过程中冲击荷载过大，就会导致圆砾层发生塌方等事故，给钻孔咬合桩施工带来了较大的难度。
3 施工工艺流程
图1 钻孔咬合桩施工工艺流程图
3.1 钢筋砼桩与咬合桩施工顺序
钻孔咬合桩采用旋挖机配合套管驱动器下压套管从而钻孔施工，相邻单桩之间相互咬合而形成桩墙。素砼桩采用超缓凝混凝土，要求必须在素砼桩初凝之前完成钢筋砼桩的施工。钢筋砼桩采用套管切割相邻素砼桩相交部分的砼，形成咬合桩。
总体原则是先施工被切割的咬合素桩I，紧跟着施工钢筋砼桩II，切割I序桩部分混凝土而形成咬合结构。对I序桩的施工只要严格按照单桩施工工艺流程作业，确保垂直精度就能满足要求；对Ⅱ序桩的施工，除了确保垂直精度，还涉及施工过程中切割产生的挤压、摩擦等对已成I序桩的损害。因此采用在混凝土中加入缓凝剂，使I序桩混凝土处于未初凝状态时就施工Ⅱ序桩，从而消除了对I序桩的危害。
施工顺序为A1—A2—B2—A3—B3—A4—B4……
图2 钢筋砼桩、咬合素桩施工顺序示意图
3.2 施工准备
施工前应先开挖探坑，查清地下管线情况；现场设置弃渣池，保证现场的卫生环境；规划行车路线，使便道与钻孔位置保持一定的距离，以免影响孔壁稳定。
3.3 导墙施作
根据施工图纸及现场导线控制点，使用全站仪测定导墙位置。考虑到施工误差，为确保围护桩不致侵入内部结构，导墙整体外放10cm。测量放样成果经监理工程师核验无误后，方可开始施工。导墙采用C30混凝土厚度30cm，单层C12@150mm*@150mm钢筋浇筑，每侧宽度0.88米，中设导向槽。
3.4 钻机就位
旋挖钻机就位。就位时要求保持机身平稳，钻杆中心与桩位中心重合。先进行钻杆垂直度检验，调整钻机磨盘的水平度，使钻杆垂直度达到要求。随后安装套管驱动器。
3.5 压入套管
采用套管驱动器压入套管，套管深度应超过咬合素桩桩底3米。为了保证进入桩位预孔内的套管的垂直度要求，先用旋挖钻机的套管驱动器压入第一节套管，然后用钻斗从套管内取土，一边卸土、一边继续下压套管没入土中，第一节套管按要求压入土中后，地面以上要留1m，以便于接套管。下压过程中取土面不得距离护套管小于3米。施工过程中，套管兼起围护作用，以保证施工安全。
3.6 钻进、取土
旋挖钻机动力头与伸缩式钻杆相连，由柴油机驱动液压马达转动钻杆，电脑自动控制钻杆垂直度、深度和液压加压系统，通过液压加压，旋转桶式钻头，进行原始土体的挖掘，每钻进1.0～1.2m，筒内即旋满土体，回旋钻头3～5周，使钻头下口充分封闭后提升筒式钻头，打开钻头斗门，卸土至旋挖机旁，由挖掘机转土至临时渣土堆放区，如此循环直至桩底。
3.7 成孔检测
抽检率：成孔检测100%检查检测标准：
孔深：不小于设计深度（入基坑底中风化泥质粉砂岩3m）垂直度：≤0.5%
沉渣厚度：≤200mm（立柱桩≤50mm）
3.8 钢筋笼制作安装
钢筋笼在支撑架上加工，将配好定长的主筋平直摆放在支撑架上，焊接加强筋及箍筋。钢筋笼自上而下每2m设置一道Φ12定位筋，保证灌注桩的保护层厚度。制作好的钢筋笼稳固放置在摆放架上，防止变形，并按型号、类别分类整齐堆放，挂牌标明钢筋笼的长度及对应的桩号。钢筋笼加工完毕后先进行自检，合格后报请监理验收，监理验收合格后方可使用。
一次清孔结束后，采用50t履带吊整体吊放钢筋笼。起吊前再次检查钢筋笼编号及尺寸。下笼时由人工辅助对准孔位，保持垂直慢放，就位后使钢筋笼轴线与桩轴线吻合，并保证桩顶高程符合设计要求。
3.9 导管安装
钢筋笼吊装完成后，随即安装导管。导管采用Φ250mm的钢管，使用1～2节长1～1.5m长的短管。导管下放后，下口管与孔底保持30~50cm的距离。导管间用丝扣连接牢固，并加设密封圈。导管安装前应做水密封试验，试验压力不得低于0.3MPa。
3.10 混凝土灌注
采用导管法灌注水下混凝土。混凝土均使用商品混凝土，混凝土粗骨料粒径不得大于40mm，用混凝土罐车运至施工现场。
混凝土运至施工现场时，混凝土从输送罐中直接倾倒入料斗中进行混凝土灌注。灌注首批混凝土之前，在漏斗中放入隔水塞，然后再放入首批混凝土。灌注首批混凝土的量应使导管埋入混凝土中深度不小于1.0m，在混凝土灌注过程中，为防止钢筋笼上浮应适当放慢灌注速度；当孔内混凝土面进入钢筋笼1~2m后，适当提升导管以减小导管埋置深度，减小对钢筋笼的冲击。
混凝土灌注必须保持连续进行，以防止断桩。浇筑过程中应勤量测、勤拆管，始终保持导管埋深在2.0~6.0m，最后一次拆管时要缓慢提升导管，以免孔内因导管拆除留下的空间，不能被周围混凝土所填充而使桩体中出现空芯。施工过程中严禁将导管提出混凝土面，以免形成断桩，同时严禁将导管埋置过深，以防混凝土堵管或钢筋笼上浮。
当出现断桩时，应测量混凝土面高程，再制作比设计钢筋笼稍小的钢筋笼，插入混凝土中1m左右，再重新下放导管至混凝土面下2m继续浇筑。
随着孔内混凝土的上升，需逐节快速拆除导管，时间不宜超过15分钟。在灌注过程中，当导管内混凝土不满而含有空气时，后续的混凝土应徐徐灌入漏斗和导管，不得将混凝土整斗从上而下倾入管内，以免管内形成高压气囊，挤出管节橡胶密封垫。
为确保桩头混凝土质量达到设计要求及防止拔出套管后混凝土面回落至标高以下，桩身混凝土需超浇50cm，浇筑过程应作好详细记录。
钢筋砼桩用混凝土粗骨料粒径不得大于钢筋间最小净距的1/3，混凝土应连续浇灌。
混凝土施工过程中，要严格检测混凝土坍落度，坍落度控制在18~22cm，并按照试验规程制作试块，混凝土试块的制作、养护及 试验应按有关国家和地方标准执行。混凝土试块未达规定强度时，应取芯进行强度试验，并采取补强措施。
待混凝土浇筑完成后采用振动锤拆、拔套管，拔出速度不得过快防止浮笼现象发生。
为满足施工安全要求，待混凝土初凝后，桩口孔内采用砂、碎石回填密实。
3.11 咬合素桩施工工艺流程及施工方法
咬合素桩与钢筋砼桩相比无钢筋笼，施工工艺流程及施工方法同钢筋砼桩。
混凝土采用C20超缓凝混凝土（初凝时间>60h塌落度16-18cm）。
钢筋砼桩须在素桩初凝前浇筑，据此对素桩初凝时间进行验算：
T≥2×T1+1×T2+T3
T为超缓凝混凝土的初凝时间；T1为咬合素桩的成桩时间；T2为钢筋砼桩成桩时间；T3为储备时间（一般为12小时）。
查资料可知套管每小时可压入套管14米，农科院农大站咬合素桩的孔深平均为8.85米，钢筋砼桩孔深最深为23.5米。结合实际施工经验可知：T1≤2h，T2≤4h。
以上可得：T≥20h，因此本工程选用的超缓凝混凝土符合要求。
3.12 施工要点
根据地质特点，钻机在成孔时，要把好进尺关、垂直度关。
3.12.1 施工进尺
进尺：不同的地层要求采用不同的进尺。根据工程地质、水文条件，施工中密切注意各土层的变化，及时调整施工进尺。
3.12.2 垂直度控制
钻机施工区域地基应有相适应的承载力，保证钻机在钻进过程中稳定，使钻杆在钻进过程中不左右摇摆；施工中，钻杆中心、钻头中心、护筒中心三者应在同一铅垂线上；及时调整钻进垂直度，并用测锤及经纬仪在相互垂直的方向进行检测，以保证钻进的垂直度。
4 施工控制要点
农科院农大站圆砾层广泛分布，此地层透水性较好，在钻进至此处时，偏孔、管涌等问题极易出现，施工风险高，结合现场实际施工情况，需要从以下方面进行控制。
4.1 确定地层分布范围
根据车站地勘报告及围护结构设计图，大致确定圆砾层分布范围，并将地质图分发给钻机操作手。农科院农大站圆砾层平均厚度为3m，所处深度约为地表以下4-7m。
4.2 控制钻孔速度
钻机在圆砾层中钻进较困难、受到冲击较大，在圆砾层中施工时，需控制速度，缓慢钻进，轻抓慢挖。
4.3 控制套管垂直度
吊安第一节套管时，用导墙定位下压，用固定支架支吊线锤控制南北、东西方向套管外壁的垂直度，采用两台测斜仪附贴在套管外壁两垂直方向进行校核。
对地面以上部分套管，在地面选择两个相互垂直的方向采用经纬仪或线锤监测垂直度，发现偏差及时纠正。对孔内的套管，每节套管压完后安装下一节套管之前，均停下来用测斜仪进行孔内垂直度检查，不合格时须进行纠偏，直至合格才能进行下一节套管施工。
4.4 控制套管深度
在富水地层中进行成孔作业时，控制套管深度在开挖面2m以下，使套管内保留一定的反压土体。当地下水位比较高时，可通过向筒内补水，平衡筒外水压。
5 成孔问题应对措施
5.1 偏孔应对措施
成孔过程中如发现、垂直度有偏差，必须及时进行纠偏调整。如果成孔偏差不大或套管入土不深（5m以内），可直接利用钻机的纠偏装置调节套管的垂直度，达到纠偏的目的。套管入土深度大于5m时，对于素桩发生的偏孔，可向套管内（成孔部分）填砂，一边填砂一边拔起套管，一边纠偏，达到精度后再下压套管取土成孔；对于发生偏移的钢筋砼桩，向套管内浇灌与素桩同等级混凝土，将套管拔起。
5.2 管涌应对措施
当发生管涌时，可先进行回填，素桩可使用砂进行填，钢筋砼桩可使用与素桩同等级混凝土回填，待止住管涌后，将套管继续下压一定距离后重新开挖，重新开挖时注意轻抓慢挖，经观察管涌现象未重新发生后恢复正常开挖，开挖过程中注意保持套管埋入深度。
6. 结语
在高透水地层中进行钻孔咬合桩施工时，应认真核对地质资料，准确掌握地层分布情况，并做好应对措施。高透水地层中施工质量控制方法较多，在实际施工中，通过控制钻孔速度、加强套管垂直度检测、控制套管埋深等方式，可有效降低偏孔、管涌等风险。
参考文献：
[1] 郑邦友，刘晓丽，王承科，等.强风化板岩地基明挖地铁车站钻孔咬合桩围护结构渗漏治理技术[J].施工技术，2018，47（03）：93-95，100.
[2] 郭胜忠，张建军.钻孔咬合桩钢筋笼浮笼问题的研究分析[J].山西建筑，2016，42（27）：65-66.
[3] 王贝.钻孔咬合桩在水利工程基坑围护结构中的运用[J].山西建筑，2016，42（06）：90-91.
论文作者:宋中华
论文发表刊物:《防护工程》2019年9期
论文发表时间:2019/8/6
标签：混凝土论文; 套管论文; 钢筋论文; 钻孔论文; 导管论文; 透水论文; 钻机论文; 《防护工程》2019年9期论文;