張佐漢，劉國楠，胡榮華

(中國鐵道科學研究院 深圳研究設(shè)計院，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50年代發(fā)明，是采用全套管灌注樁機(也稱磨樁機、搖管機或 Benoto鉆機)施工形成的樁與樁之間相互咬合排列的一種基坑支護結(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際，并結(jié)合前人的研究結(jié)果，對咬合樁的施工技術(shù)進行了研究，以期通過不斷的試驗、研究和工程總結(jié)進一步完善鉆孔咬合樁支護結(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，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

1.1 工藝原理

鉆孔咬合樁施工時，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，從而實現(xiàn)一序樁、二序樁的咬合，其施工過程簡圖見圖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

鉆孔咬合樁與其它幾種軟土圍護結(jié)構(gòu)方法相比較，優(yōu)點顯著，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)境保護問題十分突出。場地的地質(zhì)條件也十分復雜，主要不利地層及環(huán)境條件有:

1)深厚的強透水砂層;

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高。根據(jù)深圳地區(qū)建筑深基坑支護技術(shù)規(guī)范，按場地條件和地質(zhì)條件的復雜性，基坑安全等級定為一級。根據(jù)表1的對比結(jié)果，確定圍護結(jié)構(gòu)形式采用鉆孔咬合樁+多排鋼支撐支護。

鉆孔咬合排樁施工時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、現(xiàn)場施工及前人的研究結(jié)果，對咬合樁施工技術(shù)的以下幾個方面做了研究。

1)鉆機選擇

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

表2 幾種全套管鉆機性能的比較

根據(jù)場地條件及鉆機的性價比，建議選擇國產(chǎn)套管鉆機，如捷程MZ系列套管鉆機。

2)原料選擇及數(shù)量控制

通過試樁試驗，選定原料的同時確定了其數(shù)量的控制標準，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，需對垂直度進行嚴格的控制，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行控制，因此在鉆機鉆進的過程中，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)測和檢查;

③糾偏。

表3 原料選擇及數(shù)量控制標準值

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)樁長選取。樁越短，咬合厚度越小;樁越長，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行選擇

式中，l為樁長;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

通過對咬合樁試樁試驗、現(xiàn)場施工及前人的研究，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

針對試樁試驗及施工過程中出現(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。

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

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

當鋼筋籠沉降量＞300 mm時，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，有的樁頂高程會比設(shè)計高程低，需要將樁頭混凝土補起來。補混凝土方法是先將鋼筋接完，對混凝土面進行鑿毛清理，用水沖洗干凈并濕潤，與冠梁一起進行混凝土澆筑，澆筑的混凝土應(yīng)該比咬合樁高一個等級，即C30，用振動棒振搗密實。

圖3 咬合樁施工工藝流程

2)樁頭未達到設(shè)計高程

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

①旁邊樁施工振動導致混凝土密實下沉;

②施工時混凝土澆注未嚴格控制高程，導致混凝土澆注方量不足，未能達到設(shè)計高程。

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)計要求，對混凝土面進行鑿毛清理，用水沖洗干凈并濕潤，澆注比咬合樁高一個等級的混凝土?；炷凉嘧⑴c冠梁澆筑同時進行，避免增加混凝土接縫，減少受力薄弱面。澆筑時，用振動棒振搗密實。

3)露筋

在土方開挖過程中，有個別二序樁保護層不夠而出現(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，將樁身用水潤濕，用1∶2的防水砂漿將露筋位置抹起來，并澆水養(yǎng)護;

②大面積露筋的情況，可噴射C25早強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。可以采取小導管注漿的辦法進行處理。

②樁間不是大量漏水，而只是有個別漏水點?？梢圆扇′X管注漿。具體施工方法是:找到漏水點，人工將此處鑿開15 cm左右的槽，用手電鉆在漏水點上鉆孔，孔深10～15 cm，插入鋁管，用高標號(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，用小型注漿機注環(huán)氧樹脂封閉漏水點，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，如果縮徑情況不嚴重，未造成漏水，可將縮徑的位置清理干凈，鑿毛潤濕，掛網(wǎng)噴射混凝土或填補防水砂漿;如果縮徑引起樁身漏水，則需要在噴射混凝土之前埋設(shè)小導管，噴射混凝土完成之后，進行注漿止水。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平即可。

7)相切樁

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

8)樁身表面蜂窩麻面

施工中出現(xiàn)個別樁身表面呈蜂窩麻面，即樁身表面不密實。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)氧樹脂進行補平處理。

9)沖孔回填區(qū)缺陷樁處理

對于施工中沖孔回填區(qū)缺陷樁的處理，采取了以下三點措施。

①在有孔洞的一序樁與二序樁相交處施作φ800旋噴樁，樁長為原沖孔回填深度下2 m至樁頂冠梁，樁體背后通過補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入基坑。

②隨主體土方開挖進程，對孔洞進行噴錨處理。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項措施后仍存在滲漏，則對其進行小導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)場條件及前人的研究，對事故的原因進行了分析并總結(jié)出了相應(yīng)的處理措施。

4.2.1 咬合樁施工時導管等設(shè)備無法取出

1)原因分析

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

2)處理方案

導管灌入混凝土內(nèi)，不再取出，增強樁身強度和剛度，增強樁身抗彎性。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

由于機器故障、操作原因、混凝土等其他材料因素，導致一序樁混凝土超過緩凝時間，二序樁無法咬合施工。

2)處理方案

圖4 導管平面位置示意

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，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 φ550 mm旋噴樁止水。補樁平面位置示意如圖5所示。

圖5 補樁平面位置示意

②背樁補強

二序1樁成孔施工時，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強、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 咬合樁背樁補強示意

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，此時為避免繼續(xù)按正常順序施工造成事故樁，可及時在二序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的鋼筋籠。

②樁垂直度偏差過大，操作沒有嚴格按規(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混凝土沿導管沖下，在沖擊力的作用下產(chǎn)生振實作用，混凝土把鋼筋籠和套管“粘合”成一整體，在套管上拔時，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)勘測報告不符，實際勘測顯示這段里程內(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

通過對各種方案進行技術(shù)、經(jīng)濟比選，經(jīng)業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計院以及相關(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)土體的密實度，防止在沖下一孔時發(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，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

5.1 施工影響

施工中發(fā)現(xiàn)基坑場地外側(cè)局部地點沉降達5 cm，經(jīng)分析是由于咬合樁套筒下沉及沖抓振動對土體的擾動引起的。最后通過增加套管超前支護長度，成孔后慢速取土以及局部地點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

1)樁身水平位移監(jiān)測

各樁頂水平位移觀測標累計位移量介于-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

各樁頂沉降位移觀測標累計位移量介于16.8～19.1 mm之間。

3)樁身內(nèi)力監(jiān)測

由鋼筋應(yīng)力計監(jiān)測結(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)驗并結(jié)合前人的研究成果，對鉆孔咬合樁圍護結(jié)構(gòu)施工技術(shù)進行了研究，并根據(jù)施工影響及監(jiān)測得出如下幾點主要結(jié)論。

1)本文總結(jié)的咬合樁施工工藝流程、對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，不會對主體結(jié)構(gòu)施工造成影響，相比其它軟土維護結(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對土體的擾動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)，如套管超前支護長度、成孔取土方式等，以減少對土體的擾動，形成真正的微擾動施工。成樁擾動往往是全深度范圍的，必要時應(yīng)采取基礎(chǔ)加固、隔離等措施，以免在咬合樁施工時造成臨近路面或建筑物發(fā)生過大沉降。

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

［1］PATI D.Technology of underwater concreting of Benoto situcast piles［J］.Osnovaniia Fundamenty i Mekhanika Gruntov，1955(2):35-37.

［2］SUCKLING T.Conflicting requirements for“firm”pile concrete in secant pile walls［J］.Concrete(London)，2005，39(6):26-27.

［3］ANDERSON T C.Secant piles support access shafts for tunnel crossing in difficult geologic conditions［C］//Proceeding of Session of the Geosupport Conference:Innovation and Cooperation in Geo，2004:299-308.

［4 ］ANON.Special purpose piles secure railway structures［J］.World Construction，1986，39(10):26-28.

［5］陳斌，施斌，林梅.南京地鐵軟土地層咬合樁圍護結(jié)構(gòu)的技術(shù)研究［J］. 巖土工程學報，2005，27(3):354-357.

［6］周學領(lǐng)，廖少明，宋博，等.軟土地層咬合樁成樁施工引起的鄰近建筑沉降分析［J］.巖土工程學報，2006，28(增刊):1806-1810.

［7］饒運東，張小鵬.咬合樁圓形拱壁結(jié)構(gòu)在軟土深基坑中的應(yīng)用［J］.土工基礎(chǔ)，2008，22(4):5-8.

［8］陳清志.深圳地鐵工程鉆孔咬合樁超緩凝混凝土的配制與應(yīng)用［J］.混凝土與水泥制品，2002(2):21-23.

［9］劉國楠.深港西部通道深圳側(cè)接線工程——深基坑的設(shè)計、施工技術(shù)和安全性評價研究［R］.深圳:中國鐵道科學研究院深圳研究設(shè)計院，2008.

［10］郭杰.鉆孔咬合樁圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計要點及設(shè)計優(yōu)化研究［J］.鐵道建筑，2009(6):80-83.

［11］康濤，劉佑榮.鉆孔咬合樁新工藝應(yīng)用中遇到的問題分析［J］.土工基礎(chǔ)，2005，19(4):5-7.

［12］LINDSEY S B.Performance of a stiff excavation an adjancent building［D］.Illinois:Civil engineering department of Illinois university press，Dec，2002.

［13］趙鈺.沖擊鉆孔咬合樁在橋梁深基坑防護中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2007(11):9-11.

［14］胡琦，陳彧，柯瀚，等.深基坑工程中的咬合樁受力變形分析［J］.巖土力學，2008，29(8):2144-2148.

［15］拓守盛，潘興良.深孔鉆孔咬合樁施工技術(shù)分析［J］.鐵道建筑，2007(2):75-77.

［16］胡世山，朱川鄂，石教豪.鉆孔咬合樁在天津地鐵3號線華苑站中的應(yīng)用［J］.土工基礎(chǔ)，2005(5):35-38.

［17］朱斌華，雷崇紅.深圳地鐵基坑鉆孔咬合樁圍護結(jié)構(gòu)施工技術(shù)［J］.鐵道建筑，2001(12):2-4.

［18］劉富華，沈保漢.MZ系列搖動式鉆機及工程應(yīng)用［J］.地基基礎(chǔ)工程，2001(2):21-28.

［19］王安龍.鉆孔咬合樁—地鐵工程維護結(jié)構(gòu)新型式［J］.鐵道工程學報，2003(1):53-59.