地铁车站基坑钻孔咬合桩施工与设计

廖中林，徐传鹏

（1.重庆市勘测院，重庆 400020；2.山东省公路设计咨询有限公司，山东 济南 250102）

1 工程地质概况

1.1 工程概况

该地铁车站位于某高架桥旁边，2条主干路的交叉口附近，周边建筑均为商业用房；距离高架上匝道桥墩基础承台边最近处为3m，距离高架主桥墩基础承台边最近处为17m。

该地铁车站为主体地下2层、局部3层的配线站，车站地下1层为站厅层，站中心处为公共区，公共区北侧为主要设备区；地下2层为站台层，降压变电所位于站台层北侧。因站位起始里程处地面起伏较大引起覆土埋深较深，在此处增加一段夹层增大车站内部使用空间。车站主体建筑面积：20940m2，长500.85m，标准段净宽18.2m。

1.2 工程地质条件

本工程相关地质特征条件见表1。

根据工程勘察揭示的地层岩性和地下水的赋存条件，场地地下水类型主要为赋予松散地层中的孔隙水以及基岩裂隙水。

松散地层的孔隙水，依据其埋藏条件和水力特征，分为上层滞水、浅层潜水和弱承压水3种类型。本车站场地位于阶地范围，存在上层滞水，含水层为人工填土层，隔水层为填土层下卧的④粉质粘土层。阶地范围与古河道漫滩分布较弱承压水，含水层主要为④－4e含卵砾石的粉质粘土，隔水层顶板为④层粉质粘土，隔水底板则为下卧的中风化岩层。

勘探期间经量测，上层滞水地下水埋深2.0～2.2m，承压水埋深3.1～3.5m。上层滞水水量随季节变化，雨季出现，旱季消失，水位变幅较大，在含水层范围内波动。承压含水层水头埋深在雨水期水位会略有提高，地下水位随季节不同有升降变化，其年变幅较潜水小，约为0.5m。

表1 本工程地层岩性与地质特征

2 钻孔咬合桩设计与稳定性分析

2.1 钻孔咬合桩设计

将钻孔咬合桩简化等效，视为具有一定厚度的地下连续墙，按照刚度相等的方法分析其进行内力、位移变化，即沿着围护结构（钻孔咬合桩）纵向取单位长度，将其等效为弹性地基梁，按照工程进行中的不同工况（基坑开挖、内部结构施工与回填和竣工后的运营阶段等）进行内力计算与分析。围护结构施工前所进行的开挖施工阶段中，计算时必须考虑先施工结构的变形、支撑的位移值，即按照“先变形，后支撑”的原则对结构进行分析计算。

钻孔咬合桩围护结构一序桩（1，3，5）与二序桩（2，4，6）施工应间隔布置。一序桩为矩形钢筋笼混凝土桩或素混凝土桩，由于要切割一序桩，一般采用放入缓凝型减水剂的C15、C20混凝土作为其桩身。二序桩则一般采用钢筋笼混凝土桩，混凝土强度C25、C30。根据刚度等效原则，一序桩和二序桩的刚度相等，以下给出实用方法：

在忽略配筋情况下，计算两桩初始刚度比：

式中：E1I1、E2I2为桩的抗弯强度。I1、I2为一、二序桩的惯性矩，可直接应用材料力学中公式求得，则

式中：a为两桩咬合距离，b为连续墙等效厚度，R为桩半径，d为咬合桩直径。

将式（3）代入式（1）即可计算出等效连续墙的厚度b。

通过计算开挖过程中，单位长度等效连续墙所承受的最大弯矩值Mmax，单根一、二序桩承受的最大弯矩分别为

最后，根据计算出的M1max、M2max两个弯矩值进行钢筋配筋设计，再一次计算这两个桩的抗弯刚度，重复上述计算过程，直至前后两次配筋计算结果相同时停止。

2.2 钻孔咬合桩稳定性验算分析

1）整体稳定安全系数3.12＞1.25，满足要求见图1。

2）基坑底部抗隆起安全系数4.58＞2.5，满足要求见图2。

3）墙底抗隆起安全系数82.19＞2.5，满足要求见图3。

4）抗倾覆安全系数30.43＞1.25，满足要求见图4。

由以上内力及稳定性计算结果可知，该基坑保护等级和变形控制标准的划分是正确的；围护结构选型是较为合理、经济的，基坑开挖对周边建筑、环境的影响也较小；将咬合桩插入K1g－3中风化泥质粉砂岩中一定深度后能较好地提高基坑的各项稳定性安全系数。

3 钻孔咬合桩施工工艺、措施研究

钻孔咬合桩与其它桩型的不同在于其要保证一定的咬合量，所以，咬合桩的垂直度控制在施工中尤为关键。根据国家《地下铁道工程施工及验收规范》，桩的垂直度标准为3‰。成孔垂直度的控制：

1）管的顺直度检查和纠偏。施工前钻孔咬合桩的检查及校正应在平整地面上进行套管顺直度。检查和校正完单节套管的顺直度后，将套管按照桩长配置连接起来，控制套管顺直度偏差1‰～2‰。

2）成孔过程中桩的垂直度监测和检查。①地面监测：选择地面上成90°的两个方向，分别采用线锤检测高出地面部分的套管的垂直度，随时纠正偏差。该项检测应在每根桩的成孔过程中都要监测，不能中断。②孔内检查：每节套管被压后安装下一节套管前，都要停下来用“测环”或“线锤”进行孔内垂直检查，不符合要求时需进行纠偏，直至合格才能进行下一节套管施工。

3）纠偏。在成孔施工过程中，如发现垂直度超出允许值，必要时采取有效措施进行纠偏：①通过钻机油缸行程纠偏：如果偏差不大或套管入土超过5m，通过钻机的顶升油缸和推拉油缸来调节套管的垂直度。②一序桩纠偏：如果一序桩已入土深度较大（大于5m），偏移量较大，可以直接利用钻机油缸行程进行纠偏，如果达不到要求，则可采取拔套管的同时，向套管内填砂或粘土的方法，将套管提升到上一次垂直度检查合格的高程，然后重新调直套管，待套管的垂直度检查合格后方可再次下压。③二序桩的纠偏：二序桩的纠偏方法与一序桩大致一样，主要不同的一点就是二序桩纠偏向套管内填的不是砂或粘土而是与一序桩相同的混凝土，否则将会在桩与桩之间留下夹层，排桩的防水效果将会受到影响。

4 结束语

由于钻孔咬合桩的强度及刚度均较高，考虑到工程成本，设计时往往将其当做永久结构的一部分来使用。当不满足结构抗浮时可以在桩顶设置压顶冠梁，提高其整体性。相比于普通钻孔灌注桩，钻孔咬合桩具有施工噪音低、环保、费用低（地下连续墙的一半）、节约建材（混凝土）、防水效果好等优点。

本文将钻孔咬合桩简化视为具有一定厚度的地下连续墙，通过某地铁车站钻孔咬合桩设计与稳定性验算分析，给出了计算过程与整体稳定、坑底抗隆起、墙体抗隆起、抗倾覆等安全系数，为类似的工程施工提供了一定的参考借鉴经验。最后针对钻孔咬合桩的施工措施进行分析，针对钻孔咬合桩与其它桩型的不同——咬合量，给出了施工前、中、后的检查与纠偏措施。

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