低强度混凝土咬合灌注桩在富水砂卵石地层管涌处置中的应用

杨明德

（上海建工集团股份有限公司 上海 200080）

0 引言

雷升祥等人［1］通过对城市地下空间开发利用现状进行详尽的分析并提出未来地下城市规划布局发展的若干理念，倡导树立第四国土、地下红线的意识。我国人口分布的极度不平衡的现状造成诸多“大城市病”的快速涌现，使得大城市难堪重负，破解诸如人居环境恶化、热岛效应显著、交通拥堵等“大城市病”的可持续发展难题，地下空间开发将成为未来发展不可逃避的选择。目前地下空间开发主要集中于浅表地层，受限于地质的复杂多样性和经济的发展，未来相当一段时间内，深基坑止水支护技术仍将广泛用于地下空间开发。

低强度混凝土咬合灌注桩是在钻孔咬合桩的基础上，根据工程实际情况发展而来。钻孔咬合桩（Se⁃cant Pile Wall or Benoto Situ-cast Piles）支护结构是指桩身密排且相邻桩身相割形成具有防渗作用的连续挡土支护结构，既可全部采用钢筋混凝土桩，也可采用素混凝土桩与钢筋混凝土桩相间布置［2］。作为新型地下工程支护结构，经引进后广泛用于我国各地，成为深基坑支护技术的重要组成部分。

1 工程概况

工程位于广东省四会市，是顺应城市发展需求对既有商业大道的扩建项目，道路西侧起点接仓丰大道（即省道S260），东侧接四会大道（即省道S263），全长约2.2 km，路幅宽度40 m，设计行车速度为50 km/h，道路类别等级为城市主干道。其中该泵房工程位于龙江河西侧，为市政道路配套的污水提升泵房，用地面积2 112 m2，基坑底面积329.04 m2，地下1 层，地上1 层，东侧距龙江河65 m，北侧毗邻某楼盘，距离仅为21 m，地下提升水池结构呈T 字型分布，安全等级为二级，放坡后开挖最深处为8.78 m。

原勘察揭露场地地层主要为第四系填土层、冲积层、残积层及燕山期花岗岩，其中第四系土层以粉质黏土、淤泥质土、中砂、砂质黏土为主，分部广泛，厚度较大，含一定量的上层滞水。第四系冲积层（Q4ml）中的②1粉质黏土层面高程为10.13～5.33 m，层厚约4.8 m，为相对隔水层，属于弱透水层或不透水层。②2为细砂层，松散-稍密，地基承载力基本容许值［fa0］=110 kPa。②6为黏土，属于不透水层层厚2.6～3.3 m之间。下层分别为中砂、卵砾石质中砂、砂质黏土和强风化花岗岩，中砂和卵砾石质地层水量丰富，透水性较好。

2 管涌发生原因分析

2.1 原止水支护方案

原设计地坪绝对标高+11.56 m，基坑外放坡至+7.2 m，坡面采用喷射混凝土，坡比1∶1.5。基坑外采用双排水泥搅拌桩作为止水帷幕，桩径φ800 mm，桩距600 mm，桩长18 mm，穿越中砂层不少于2 m；基坑内设钻孔灌注桩作为基坑支护结构，桩径φ800 mm，桩距1 000 mm。内支撑为钢管支撑，根据开挖深度不同，设置2～3道支撑。Q4ml②6为黏土不透水层，与水泥搅拌桩止水帷幕共同形成止水结构。

2.2 管涌发生与临时处置

在完成工程桩、支护桩和止水帷幕施工并检测合格后，开始施做冠梁及第一道钢支撑，随后开始开挖。施做完第二道支撑后，基坑第3层土方开挖1.65 m，开挖深度约4.2 m，此时坑底出现涌水，且涌水点较多，涌水量大，大功率抽水机排水和深井降水无效，基坑周边出现了明显沉陷，其中位于西北角涌水点较为突出，地面塌陷最为严重，见图1⒜。因基坑北侧为楼盘，如继续进行降水，将可能危及其结构安全。此时立即撤离机械人员并进行回灌，见图1⒝。考虑到支撑基坑安全和支撑稳定，后对基坑采用中砂回填至+9.00 m处。

图1 管涌现象和基坑回灌后Fig.1 Piping Phenomenon and after Foundation Pit Reinjection

2.3 补充勘查结论及原因分析

回填后对原有止水帷幕三轴搅拌桩进行再次检测并补充勘察，检测结果均显示成桩强度和完整性均较好，桩长符合设计要求。经补充勘察揭露，工程基坑地质层分别为素土层、粉质粘土与淤泥质土层、细砂层、中砂层、卵石砂层、强风化花岗岩层、中风化花岗岩层，前后两次勘察差异明显，补充勘察地层参数如表1 所示。其中砂层和卵石砂层平均厚度达10.38 m，水渗透系数大、地下水位高、地下水丰富。泵房基坑临近龙江河，因龙江河水位高，基坑开挖越深，两者的水压力越大，原止水帷幕桩长仅18 m，未嵌入强风化层，基坑外围水流路径较短，卵石砂质地层透水性较强，地下水通过卵石砂层经止水桩桩底涌入基坑，产生管涌现象。

表1 补充勘察地层参数Tab.1 Stratum Parameters for Supplementary Investigation

3 管涌处置方案选择

3.1 三轴搅拌桩在本工程中的局限性

三轴搅拌桩广泛用于建筑工程、地铁车站、水利工程等深基坑工程中的止水、加固和支护。考虑到工艺的经济性，在双重管高压旋喷桩与三轴水泥搅拌桩之间，选择利用三轴搅拌桩与原有止水桩进行搭接，其搭接长度不少于6.0 m，增加地下水绕流路径，同时将桩长延伸至强风化不少于1.5 m。此时设计三轴搅拌桩桩径略大于原设计桩径，为φ850 mm@600 mm，采用四喷四搅工艺，设备为JB-160 型。试桩3 组9套，试桩7 d后抽芯检测观察桩身完整性和入持力层情况。后经过试桩发现，三轴搅拌桩可正常穿透砂层，无法穿透卵石砂层，且钻进速度异常缓慢，导致返浆冒浆现象，水泥掺量远超设计值。7 d 龄期后对试桩进行抽芯检测，中砂地层成桩质量较好，卵石砂层较为松散，因卵石砂层含水量丰富且具有一定流动性，成桩完整性差，水泥土搅拌桩不适用于地下水渗流影响成桩质量的土层［3］。

3.2 低强度混凝土咬合灌注桩运用分析

无论是对三轴搅拌桩进行引孔，还是采用高压旋喷工艺，都会大幅推高工程造价，同时地下水流动容易带走传统注浆工艺未凝结桩身水泥浆液，从而影响成桩质量［4］。钻孔咬合桩在国内已得到广泛运用，较多采用钢筋混凝土桩或与素混凝土桩相结合的方式用于基坑工程止水和支护，往往发挥双重或多重作用。本工程支护桩已施工完成，因此仅需要发挥止水作用既可，无需采用钢筋混凝土结构，低强度素混凝土咬合灌注桩形式可满足基坑止水需求。旋挖桩成孔工艺发展至今，已具备入岩能力，董朋等通过对旋挖钻在硬质基岩中的工程实例研究成功提高了中（微）风化花岗岩入岩效率［5］，因此采用旋挖工艺可顺利实现入微风化岩要求，工艺比选如表2 所示。部分学者在对咬合桩研究时指出，围护计算时仅考虑素混凝土桩的止水作用，实际上素混凝土桩也能分担一定的水土压力荷载［6］。

表2 止水帷幕方案比较Tab.2 Comparison of Waterproof Curtain Schemes

4 低强度混凝土咬合灌注桩施工技术和要点

4.1 低强度混凝土咬合灌注桩施工技术

咬合桩施工工艺有硬切割钻孔、软切割钻孔、冲孔和旋挖等成孔灌注方式［2］，其中又以冲孔和旋挖成孔最为常见。冲孔成孔方式工作效率相对较低、成孔速度慢，容易出现钻孔倾斜的不良问题［7］，同时噪声污染大，对地层产生较大扰动，可能因冲击对已成桩产生破坏。旋挖成孔具有一定的施工灵活性，施工速度较快，大量的工程实践运用证明其桩位控制、垂直度控制和成桩质量可靠。

止水帷幕用咬合桩设计长24～26 m，桩径1 000 mm，间距750 mm，桩身强度采用C25水下混凝土。为保证咬合效果，需要更高的垂直度控制要求、隔孔跳打间隙时间控制要求和防止串孔渗漏等病害的措施。咬合桩的排列方式一般分为A 桩和B 桩，两桩间隔布置，在施工时先施工A 桩，要求必须在A 桩初凝之前完成B 桩的施工，在B 桩施工时采用相应的钻机来切割掉A 桩与B桩相交部分的混凝土，从而实现咬合［8］。本工程均采用素混凝土桩，因此A桩与B桩一致。

4.2 低强度混凝土咬合灌注桩施工要点

隔孔跳打、串孔渗漏和加固补强是旋挖成孔低强度混凝土咬合桩质量控制和能否实现止水处置管涌的三个重要方面。另外咬合过程控制旋挖桩桩位与桩的垂直度也是确保咬合桩结构具有足够咬合厚度和止水效果的关键［9］，是咬合桩施工的常规控制手段，不再进一步阐述。

⑴隔孔跳打是咬合桩施工的基本思路，为保证泥浆护壁不足从而导致塌孔引起后期串孔渗漏病害，在灌注完上一根桩24 h 后施工下一根桩。同时为保证切割效果，相邻两根桩施工间隙不宜过长，通过实践，在常规混凝土下，不宜超过72 h，罗贞海通过研究建议塑性桩初凝时间一般控制在60 h［10］。其间隔时间长短具体与混凝土初凝时间有关，有待进一步研究。

⑵ 串孔渗漏是影响咬合桩成桩效果的因素之一，隔孔跳打的间隔时间、泥浆质量的适应性以及灌注时混凝土充盈性都是保障不出现串孔渗漏病害的方式。泥浆各性能指标为：比重控制在1.10～1.15 之间，胶体率大于95%，含砂率小于6%，当钻孔至卵石地层时，泥浆比重控制略大一些；孔内混凝土压力保持在4 MPa 以上压力，保持1.15 以上充盈系数；同时C25水下混凝土塌落度不超过180 mm为宜。

⑶在钻孔咬合桩施工过程中，因A 桩超缓凝混凝土质量不稳定出现早凝现象或机械设备故障等原因造成事故桩的，可采用背桩补强或平移桩位侧咬合方式进行补强［2］。

4.3 止水效果

通过将低强度混凝土咬合灌注桩技术应用与富水砂卵地层止水，在两个月时间里完成148根止水桩施工，同时通过对其中3根钻孔取芯检测发现，成桩质量较好，均嵌入强风化花岗岩。后期对基坑开挖，同时利用基坑内降水井配合少量地层滞水，低强度混凝土咬合灌注桩取得了良好的止水效果（见图2）。

图2 开挖至基坑底及底板制作Fig.2 Excavation to the Bottom of Foundation Pit and Floor Fabrication

5 结论

以四会市政道路配套污水提升泵房基坑工程为例，将低强度混凝土咬合灌注桩应用于富水砂卵石地层管涌处置，得出以下结论：

⑴深基坑工程因地质差异具有高度复杂变化的特点，因此尤其要重视前期勘查与论证，采用经济可靠的支护与止水结构；

⑵低强度混凝土咬合灌注桩用于基坑止水在富水砂卵石地层中较三轴搅拌桩加引孔和双重管高压旋喷桩而言更为合理；

⑶在富水砂卵石地层中，低强度混凝土咬合灌注桩技术成桩质量可靠，止水效果较好，经济效益突出；

⑷低强度混凝土咬合灌注桩技术成桩控制要点为隔孔跳打时间间歇、串孔渗漏预防与处置以及止水效果欠佳时的加固补强。