砂卵地层城市下穿隧道施工咬合桩新技术

徐少平

(中铁建大桥工程局集团第五工程有限公司, 四川成都 610031)



砂卵地层城市下穿隧道施工咬合桩新技术

徐少平

(中铁建大桥工程局集团第五工程有限公司, 四川成都 610031)

【摘要】结合成都老成灌路改造需要进行城市大规模下穿隧道施工会严重影响近距离敏感建筑安全的技术难题，运用理论分析和最优化方法对砂卵地层咬合桩施工技术进行研究，在充分分析砂卵地层地质条件的基础上，提出了一种较为新型的咬合桩围护结构方案，确定了砂卵石地层咬合桩施工工艺。实践表明，提出的砂卵石地层咬合桩施工技术具有成桩质量可靠、垂直精度高、抗渗能力强、施工灵活、无泥浆污染等特点，可以保证较为特殊的成都砂卵地层大型工程施工安全，也可为其他类似工程提供借鉴经验。

【关键词】下穿隧道;咬合桩;砂卵地层;施工技术

1工程概况

成都老成灌路改造工程起于金牛区与郫县交界点，止于郫县望从东路，全长12.88km。本工程为其中两个隧道施工，分别是：犀浦双铁站前下穿隧道全长1 700m，其中暗埋段1 250m，U形槽长450m；犀安路口下穿隧道全长570m，其中暗埋段130m，U形槽长440m；结构净宽均是27.2m。围护结构北侧采用钻孔灌注桩，南侧采用咬合桩，支撑采用钢管内支撑。犀浦双铁站站前下穿隧道工程项目、犀安路口下穿隧道以及南北大道下穿隧道工程项目总长超过2.2km，基坑最深处达12m。由此可知，下穿隧道规模庞大，尤其值得注意的是，开挖后除了会使基坑及高铁桩基周围土体力学指标发生弱化会影响诸如桥墩基础承载力以外，还会在一定时间内发生高架桥墩出现偏压现象，进一步加重不均匀受力，这给开挖施工、结构围护、地基稳定造成极大影响，稍不注意就难以保证基坑施工和建筑结构的安全。

钻孔咬合桩技术通过近几年在国内的开发应用，已成为一项较为成熟的用于支护及隔水帷幕工程的新技术。但是该方法在砂卵石地层地质上的施工应用尚属首次，要确保桩基成孔质量是本工程施工质量控制的难点。

2砂卵地层地质条件分析

工程区域的地层岩性包括①第四系全新统人工填筑土，以杂填土为主，由碎石、砂土等组成，其间充填黏土，厚度在0～4m之间。②第四系上更新统冰水-流水堆积层，包含粉质黏土，夹有卵石，底部含砂量较多，一般厚0～5m；卵石土，其卵石成分主要为弱风化的岩浆岩、变质岩、砂岩等硬质岩组成。卵石含量50%～70%，含约10%的细圆砾级粗圆砾，其余为中细砂充填，夹有5%～10%的漂石，一般厚0～20m。中砂：稍密～中密，饱和，砂质较纯。呈透镜体状分布卵石土层中，一般厚0～2m。③第四系中更新统冰水-流水堆积层，卵石土中的卵石成分以花岗岩、石英岩为主，卵石含量60%～85%，充填物主要为中细砂，略含黏土。层厚有0～10m以及大于20m两种。路段区工程范围内表水主要为长年流水河流，地下水分为孔隙水和基岩裂隙水，还受大气降水及地表水补给，水量丰富。

3砂卵地层咬合桩方案分析

参考基坑锚固及咬合桩技术[1-2]，咬合桩施工正值雨季、高温季节，工期影响不利因素多，进度管理是工程施工管理的重点。为此，方案实行分区分段施工，通过合理组织，实施平行和流水施工，加快支护桩施工进度，土方挖运能尽早穿插；按照关键线路优先的原则进行施工安排，保证劳动力、设备及材料等资源按计划投入；针对不利因素影响，提前组织安排，做好工作安排和准备。

由于基坑开挖深达12m，基坑南侧为成灌高铁桥墩，北侧为成片住宅小区，地处砂卵石地层，咬合桩在该地质条件施工尚属首次，情况较为复杂，不仅要确保桩基成孔质量和高铁桥墩安全，还要减少对周边环境的影响。因此，选用先进的全套管旋挖机进行咬合桩施工，以解决该地质条件下成孔过程中易出现的塌孔现象；根据地质条件，确定咬合桩成桩工艺参数、合理的缓凝时间，并通过现场实时监测，采用注水反压等措施避免塌孔；每台咬合桩机配置1台特制旋挖机，遇水时土方及砂卵石采用，保证水下桩质量。

4咬合桩施做工艺

依据咬合桩施工方法[3-5]，钻孔咬合桩单桩施工工艺流程见图1。其中吊放钢筋笼项目：当桩为素混凝土桩时，不需要此工序；当桩为钢筋混凝土桩的时候，则需要该工序。

图1　砂卵地层咬合桩施工工艺流程

4.1导墙的施工

对于全套管钻孔咬合桩的施工，在进行钻孔成桩之前有一个非常关键的步骤就是导墙的施工，导墙可以正确控制钻孔咬合桩的平面位置，支持机具重量，防止孔口坍塌，确保咬合桩护筒的竖直，并确保全套管钻机平整作业，因此正确地完成导墙的施工是确保后续工作顺利进行的关键，导墙平面布置具体见图2所示。

图2　咬合桩导墙平面布置

导墙一般均采用混凝土或钢筋混凝土材料。地表层土较好时，导墙厚度一般取350mm，地表层土为软土，需回填后分层碾压，导墙一般应该大于450mm。其施工步骤如下。

(1)整场地：清除地表杂物，填平碾压，地下管线迁移的沟槽。如遇到杂填土层，应采用置换素土的方法，导墙制作完成后，孔内土层应夯实，有利于钢套管正确就位。

(2)测放桩位：根据设计图纸提供的坐标按外放100mm计算排桩中心坐标 (为抵消咬合桩在基坑开挖时在外侧土压力作用下向内位移而造成的基坑结构净空减少变化)，采用全站仪根据地面导线控制点进行实地放样，并做好护桩，作为导墙施工的控制中线。

(3)导墙沟槽开挖：在桩位放样符合要求后即进行沟槽开挖，采用人工开挖施工。开挖结束后，立即将中心线引入沟槽下，以控制底模及模板施工，确保导墙中心线的正确无误。

(4)钢筋绑扎：沟槽开挖结束后绑扎导墙钢筋。导墙钢筋按设计要求布置，经检查合格后方可进行下一道工序施工。

(5)模板施工：模板采用整体木模，导墙预留定位孔模板直径为套管直径扩大30～50mm。模板加固采用钢管支撑，支撑间距不大于lm，确保加固牢固，严防跑模，并保证轴线和净空的准确，混凝土浇筑前先检查模板的垂直度和中线以及净距是否符合要求。

(6)混凝土浇筑施工：混凝土采用商品混凝土，混凝土浇筑时两边对称交替进行，严防走模。如果发生走模，应立即停止混凝土的浇注，重新加固模板，并纠正到设计位置后，方可继续进行浇注。振捣采用插入式振捣器，振捣间距为600mm左右，防止振捣不均，同时也要防止在一处过振而发生走模现象。

(7)当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，将点位反到导墙顶面上，作为钻机定位控制点。

4.2钻机就位

待导墙有足够的强度后，移动套管钻机，使套管钻机抱管器中心对应定位在导墙孔位中心。定位后，在导墙孔与钢套管之间用木塞固定，防止钢套管端头在施压时位移。液压工作站放置在导墙外平整地基上。

4.3吊装安放第一、二节套管

埋设第一、第二节套管的垂直度，是决定桩孔垂直度的关键。在套管压入过程中，用经纬仪或测锤不断校核垂直度。当套管垂直度相差不大时，固定下夹具，利用上夹具来调整垂直度；当套管垂直度相差较大时，一般应拔出来重新埋设，有时也可将钻机向前后左右移动一下使之对中。吊装套管如图3所示。

图3　吊装套管示意

4.4取土成孔

先压入第一节套管(每节套管长度约8m)，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。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取土……直到设计孔底标高。

4.5吊放钢筋笼

如为钢筋混凝土桩，成孔至设计标高后，检查孔的深度、垂直度、清除孔底虚土，检查合格后吊放钢筋笼；安放钢筋笼时应采取有效措施保证钢筋笼标高。

4.6灌注混凝土

孔内有水时，采用水下混凝土法灌注施工。孔内无水时，采用干孔灌注施工，此时需要振捣。开始灌注混凝土时，应先灌入2～3m3混凝土将套管搓动后提升20～30cm，以确定机械上拔力是否满足要求。不能满足时，则应采用吊车辅助起吊。灌注过程中应确保混凝土高于套管端口不小于2m，防止上拔过快造成断桩事故。

4.7拔管成桩

一边灌注混凝土一边拔管。应注意始终保持套管底低于混凝土面2.0m以上。

4.8排桩施工工艺

钻孔咬合桩就是通过使相邻桩桩身相交，形成封闭体系，从而做到止水的作用。全套管咬合桩的施工顺序通常是先施工第一序列桩(A桩)，然后再施工第二序列桩(B桩)，并且使第一第二序列桩相互搭接形成一个整体。典型全套管咬合桩施工顺序见图4。其施工流程：Al-A2-B1-A3-B2-A4-B3……An-(Bn-1)。为了便于切割，桩的排列方式一般为一根第一序列桩和一根第二序列桩间隔布置，施工时先施工A桩后施工B桩，A桩混凝土采用超缓凝混凝土，要求必须在A桩混凝土初凝之前完成B桩的施工。B桩施工时采用全套管钻机切割相邻A桩相交部分的混凝土实现咬合。

图4　咬合桩施工工序图

钻孔咬合桩在施工时不仅要考虑第一序列桩混凝土的缓凝时间的控制，注意相邻的第一序列桩和第二序列桩施工的时间安排，还需要控制好成桩的垂直度，防止因第一序列桩强度增长过快而造成第二序列桩无法施工，或因第一序列桩垂直度偏差较大而造成与第二序列桩搭接效果不好的情况，甚至出现基坑漏水，无法止水而失败的情况。因此对于咬合桩施工应该进行合理安排，做好施工记录，方便施工顺利进行。

4.9分段施工接头的处理方法

施工中往往1台钻机无法满足工程进度要求，需要多台钻机分段施工，这就存在段与段之间的接头问题，采用砂桩接头是一个比较好的方法。在先施工段的端头设置1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入混凝土(图5)。

图5　砂桩接头布置

4.10砂桩处理措施

根据本工程实际情况及钻机投入情况，本工程设备开钻时试做砂桩8根，每条过街管线处施做2根砂桩，过街管线需施做砂桩50根。根据地质报告及试桩试验结果分析，咬合桩施工段卵石层较厚且地下水质比较丰富，根据经验分析冷缝处注浆止水效果不是很理想。为后期基坑开挖安全考虑，砂桩冷缝处做如下处理：在砂桩与素桩之间外侧再施工一根砂桩C，施工此桩主要目的是为了清除冷缝外围砂卵石层，便于后期注浆处理能达到良好的止水效果。外侧砂桩位置如图6所示，管线位置砂桩处理如图7所示。

图6　外侧砂桩位置

图7　管线位置砂桩处理

4.11事故桩的处理措施

在钻孔咬合桩施工过程中,因A桩超缓凝混凝土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。事故桩的处理主要有以下几种情况。

(1)平移桩位单侧咬合。B桩成孔施工时,其一侧A1桩的混凝土已经凝固,使套管钻机不能按正常要求切割咬合A1、A2桩。处理方法为向A2桩方向平移B桩桩位,使套管钻机单侧切割A2桩,施工B桩(凿除原桩位导墙,并严格控制桩位),并在A1桩和B桩外侧另增加1根旋喷桩(旋喷桩施做采用砂桩处理相同方式)作为防水处理(图8)。

图8　平移桩位单侧咬合桩

(2)背桩补强。B1桩成孔施工时,其两侧A1桩、A2桩的混凝土均已凝固,处理方法为放弃A1桩的施工,调整桩序,继续后面咬合桩的施工,以后在B1桩外侧增加3根咬合桩及两根旋喷桩作为补强(图9)。

图9　咬合桩背桩补强示意图

(3)预留咬合锲口。在B1桩成孔施工中发现A1桩混凝土已有早凝倾向但还未完全凝固时，此时为避免继续按正常顺序施工造成事故桩，可及时在A1桩右侧施工1根砂桩以预留出咬合锲口，待调整完成后再继续后面桩的施工(图10)。

图10　咬合桩预留咬合锲口

工程施工与保护建筑距离极近，且该建筑物即高铁要求影响控制5mm内(已沉降2.646mm)，剩余沉降空间只剩不到2.4mm。现场监测结果表明，采用咬合桩施工和强支撑能够取得不错的效果，可以保证高架桥墩的安全并有较好的隔水作用，对与施工对极近距离建筑物影响有一定的参考作用。

5结论

(1) 对在砂卵地层中进行大规模城市下穿隧道开挖施工，必须依据工程地质及工程结构本身条件合理确定围护型式才能保证工程安全。

(2) 在参考咬合桩施工正值雨季、高温季节以及工期影响不利因素确定出砂卵地层咬合桩技术方案及其相应的成孔、钢筋笼施工、混凝土灌注等施工工艺流程可以保证下穿隧道开挖和近距离高架铁路桥墩稳定，工程的成功经验对于

预防在砂卵地层上咬合桩施工过程中常见的事故预防上具有一定的借鉴作用。

(3) 由于在砂卵地层上的咬合桩施工工艺的使用尚属首次，故还需要更多的实践经验来完善这方面的施工工艺及施工方法。

参考文献

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[作者简介]徐少平(1979～)，男，本科，高级工程师，从事隧道及地下工程技术与管理工作。

【中图分类号】U443.16+4

【文献标志码】B

[定稿日期]2016-03-21