刍议超深基坑内全套筒全回转咬合桩施工关键技术

刘品秀 山西八建集团有限公司

1 工程概况

国有工矿棚户区改造项目一期工程位于太原市杏花岭区马道坡街以北，东峰路以西，地下室埋深约18m，基坑安全等级为Ⅰ级。本工程施工现场场地狭小，周围毗邻的建筑物、构筑物、管线较多，地下水位较高，降排水以后和超深基坑带来的安全问题较为严峻。

在满足基坑支护工程最基本的功能外，本工程从节能环保方面考虑，并根据土层性质在支护施工中采用了全套筒全回转咬合桩施工工艺，桩径1200mm，咬合厚度400mm，桩长32m。咬合桩第一序列桩为素混凝土桩，混凝土强度等级为C20，咬合桩第二序列桩为钢筋混凝土桩（荤桩），混凝土强度等级为C35。

2 工艺原理

所谓咬合桩是指相邻混凝土排桩之间有部分圆周相嵌，在后次序间隔施工的桩内设置钢筋笼，从而使支护结构形成连续防水，增强整体防渗效果。因其桩间相互咬合的特点，故称之为咬合桩。施工时采用“套管钻机+超缓凝混凝土”工艺，利用摇动装置的摇动（或回转装置的回转）使钢套管与地层间的摩阻力大幅度减少，边摇动（或边回转）边压入，同时利用冲抓斗挖掘取土，直至套管下到桩端持力层为止，桩与桩之间相互咬合排列。为便于切割，排桩方式一般为一根第一序列桩即A桩（超缓凝素混凝土桩）和一根第二序列桩即B桩（圆形钢筋混凝土桩）间隔布置。施工时先施工A桩后施工B桩，待A桩混凝土达到一定强度后，用全套管全回转钻机切割掉相邻A桩相交部分的混凝土，实现咬合成孔，然后置入钢筋笼灌注混凝土形成咬合桩。

3 施工关键技术

3.1 施工关键技术控制点

①咬合厚度的确定；②导墙施工及精度保证；③超缓凝混凝土的配制；④咬合桩成孔垂直度的控制；⑤多机施工结合点的有效衔接（分段部位的连接）。

3.2 咬合厚度的确定

相邻桩间的咬合厚度应根据其设计桩长来确定，如桩越短则咬合厚度越小（最小不宜小于100mm），同理，如桩越长咬合厚度则越大，按下式进行计算（公式意义在于确保桩底最小设计咬合厚度大于50mm）：

式中l——桩长；

k——桩的垂直度；

q——孔口定位允许偏差；

d——咬合厚度设计值。

3.3 严格控制孔口定位

钻孔咬合桩底部必须有足够的咬合量，为了达到此目的，则须严格控制其孔口的定位，尽量减小误差。为了精确、有效地控制孔口定位，则在咬合桩的顶部位置加设混凝土（或钢筋混凝土）导墙，导墙上的定位孔半径宜大于咬合桩桩径15mm。

3.4 导墙施工及精度保证

3.4.1 导墙结构

测量放出桩位中心轴线，挖设导墙沟槽，导墙基底建于密实的地基上，以保证导墙的稳定性。

由于施工桩机自重较重，咬合桩导墙为400mm，厚C30钢筋混凝土，导墙横向配筋采用Φ10@200钢筋网片，导墙每边宽1485mm，厚度400mm。导墙每隔20m布置一道施工缝，施工缝尽量避开在桩中心两侧。

图1

3.4.2 导墙施工

①基础开挖。场地平整后，采用全站仪放出钻孔咬合桩中心轴线，以确定导墙位置。然后确定导墙基础需开挖深度（需根据场地实际高程和桩顶设计标高计算确定），开挖时为防止扰动基底土，一般用人工配合挖掘机进行，人工清底、夯实平整，再进行垫层施工。②钢筋下料。所用钢筋型号规格按设计要求选材，性能检测须符合相关规范要求，钢筋的加工、安装照图施工。③模板工程。一般采用定型钢模或木模，模板支撑、紧固采用木枋、对拉螺栓。按导墙长度和模板规格考虑流水段划分。④混凝土工程。采用C30商品混凝土，人工入模，振捣采用插入式振动棒，保证顶面高程及墙体垂直度能满足设计要求及规范允许偏差，在混凝土强度达到70%时拆模。

导墙的作用为导向、锁口，钻孔咬合桩能否顺利成孔及成孔精度如何直接受其影响，因此施工中对导墙的施工精度要严格控制：确保轴线偏差＜20mm；内墙面垂直度偏差＜0.3%，平整度偏差＜3mm；导墙顶面平整度偏差＜5mm。

3.5 超缓凝混凝土配制

钻孔咬合桩得以实现，是以有效切割素桩混凝土为标志的，超缓凝混凝土配制后的初凝时间是否符合施工要求，直接决定了钻孔咬合桩施工的成败。目前，国内外虽已有切割混凝土完成初凝的经验，但其存在新老混凝土界面的融合问题，而本施工技术，则是在被切割桩的混凝土尚未完成初凝阶段实现了二桩的结合，因此其止水、防渗效果更好。

3.5.1 超缓凝混凝土基本时间的确定

超缓凝混凝土的基本时间是指完成单个有代表性桩所需的时间，这个时间需要结合工程的具体地点、结构形式、钻孔所需穿越的地层情况，现场测定或根据以往的施工经验确定。根据施工实践，总结出基本时间为12h～15h，为保险，实际操作中一般取上限值，即t=15h。

3.5.2 A型桩混凝土缓凝时间的确定

A型素桩混凝土缓凝时间的确定主要考虑成桩时间（基本时间）和相应的安全时间。根据成桩的顺序，确保B型桩能顺利地切割A型桩要求，成桩时间为相邻的两个素桩和一个钢筋混凝土桩（B型荤桩）的成桩时间，一般为3个基本时间。安全时间是出于实际施工中可能出现的其他停顿因素（如停电、设备维修等）影响的考虑。

因此，A型桩的缓凝时间可依据下列公式确定：

式中：T——A型桩混凝土的缓凝时间（初凝时间）；

t——为一个具体工程有代表性桩的成桩时间；

S——安全时间，一般取一个基本时间，即1.0t。

上式也可表示为：

3.5.3 混凝土坍落度及其他

按规范要求执行，坍落度控制在18cm～22cm之间，如施工时会出现“管涌”时，可采用小值。骨料的使用，A型桩采用粒径20cm～40mm，B型桩采用粒径20mm左右的。

3.5.4 混凝土3d强度值要求

控制混凝土早期强度的主要目的是防止工程出现意外情况，如暂时的停工、断电、设备维修等因素，再施工时，A型桩的早期混凝土强度不至于上升太快，有利于切割的顺利进行和前后施工桩的紧密结合，同时也利于支护结构整体防水防渗效果的提升。

通过多次的施工实践，提出3d抗压强度值R3d不大于3MPa。

综上所述，超缓凝混凝土的技术要求如表1所示。

表1 超缓凝混凝土技术要求表

3.6 咬合桩成孔垂直度的控制

3.6.1 检查套管顺直度并校正

套管顺直度的检查和校正需在钻孔咬合桩施工前进行，将其放置于平整地面上，先检查单节套管的顺直度并校正满足要求，套管顺直度偏差控制在1%～2%。而后连接已配置好的套管，套管按照设计桩长配置。

3.6.2 成孔过程中及时监测、检查桩的垂直度

①地面监测：主要检测地面以上部分套管的垂直度，偏差一经发现则及时纠偏，在每一根桩的成孔过程中，均应自始至终坚持此项监测，不得中断。监测方式为在地面上选择两个相互垂直的方向，采用线锤检查。

②孔内检查：每一节套管压完后，在安装下一节套管之前，应采用“测环”或“线锤”对孔内套管垂直度进行检查，及时纠偏，直至偏差小于规范或设计要求，方可开始安装下一节套管。

3.6.3 纠偏

成孔过程中如有垂直度偏差过大现象，纠偏工作必须及时跟进，通常纠偏方法如下。

①利用钻机油缸进行纠偏：如果偏差不大或套管入土深度小于5m，直接利用钻机的两个顶升油缸和两个推拉油缸，配合调节套管垂直度，则可达纠偏目的。②A桩纠偏：如果A桩入土深度大于5m后发生较大偏移，先直接利用钻机油缸纠偏；如不能满足要求，再填砂或黏土至套管内，边往起拔套管边填土，一直将套管拔出至上一次检查合格之处，再进行套管的调直，至其垂直度满足要求后，再次下压。③B桩的纠偏：B桩的纠偏方式基本相同于A桩，相异处是直接向套管内填入与A桩相同的混凝土，不可以填砂或黏土，不然则会产生桩间土夹层，从而直接影响排桩防水效果。

3.6.4 成孔中遇岩层或桩头处理

钻机就位，首先吊装第一节套管至钻机钳口中，对套管垂直度进行调整，然后反复旋转磨压套管。压入深度约为2.5m～1.5m时，用抓斗从套管内取土，边抓土的同时边继续向下压入套管，套管底口始终保持朝前于抓土面（高差宜大于1.5m）。第一节套管全部压入土中，及时检查垂直度，如超标则进行纠偏，垂直度合格后，继续安装下一节套管，下压取土，直至达到设计孔深。

情况一：遇岩层

①方法一：若进入岩层，使用桩机抱着套管进行360°的旋转，此方法是利用套管下刃口的合金钻头将岩层切割断，然后再用冲击锤将岩层冲碎，后用抓斗取出（该方法在10MPa～60MPa以内使用）。②方法二：采用入岩气锤钻机，采用履带吊吊起气锤，进行套管内入岩施工，该钻机可在200MPa以上的地层施工，且施工速度较快（钻进速度每小时约2m～3m）。

情况二：遇桩头

用套管将桩体套住，进行切割作业，桩体将会被套管强大的回转扭矩扭断，然后用冲抓斗取出。根据施工条件的不同，可用分割切除、整体拔除、重锤破砗及多头爪搅碎等方法清除。

3.7 分段部位的连接

实况中，一般一台套钻机进行一段施工或多机同时作业，待机械回转再进行连接部位桩的施工时，该段最早施工的桩已经终凝，致使切割无法进行。这时，可在之前施工的桩侧部位设置砂桩（即成孔后回填砂），此后施工到该接头时掏出砂，再浇灌混凝土即可。因砂桩相邻桩的凝结已完成，强度较高，后施工的连接桩与其连接不可避免会产生施工缝，基坑开挖后坑壁会出现渗漏现象。因此在有些基坑渗水要求严格的场合，建议在基坑开挖前所施工的砂桩接缝外侧另增加一根旋喷桩作防水处理。

图2 砂桩设置示意图

4 质量控制要点

4.1 严格控制孔口定位偏差

全套管钻孔切割咬合桩的底部应有足够的咬合量，为此应对其孔口的定位精度进行严格的控制，孔口定位的允许偏差值可按表2选择。

表2 桩位允许偏差值

4.2 桩垂直度控制

为保证咬合桩底部有足够厚度的咬合，确保止水效果，除对桩位定位精度严格控制外，还应对其垂直度进行严格的控制，根据规范要求桩垂直度偏差≤0.3%。

4.2.1 钢套管垂直度检查和校正

施工前在平整地面上首先检查单节套管的顺直度，并及时进行校正，然后按照桩长将所需的套管全部连接起来，再对整根套管的顺直度进行检查（偏差不宜大于10mm）。检测方法：在地面上测放出两条相互平行的直线，将套管置于两条直线之间，然后用线锤和直尺进行检测。

4.2.2 成孔过程中套管垂直度监测和检查

在地面选择两个相互垂直的方向，同时用线锤或经纬仪对地面以上部分的套管垂直度进行监测，如有偏差及时调整。

4.3 超缓凝商品混凝土质量控制

①根据混凝土运输时间和A桩、B桩的施工时间，考虑20%的富余时间确定缓凝时间。②混凝土标号必须服从缓凝时间要求。③拌和材料符合规范要求的质量标准。④通过试验最终确定配合比与缓凝时间，同时根据条件变化及时调整。

5 经济效益

通过本技术的成功应用，大大提高了施工效率，避免了大量人力、物力的重复消耗，大大缩短了降水过程和工期，降低了支护费用，保证了施工安全。

（1）由于咬合桩在基坑围护结构中使用时采用一荤桩间一素桩，即一根桩有钢筋笼（荤桩），相邻的桩采用素混凝土桩（素桩），因此，在围护结构整体刚度、稳定性满足要求的前提下，可实现钢筋用量减少，较墙式地下连续墙可大幅度减少钢筋用量。（2）常规的排桩式或墙式连续墙基坑围护结构施工，往往采用泥浆护壁，泥浆的处理和弃置是构成成本的重要部分，在咬合桩的施工中，采用的是抓土作业，护壁由套管完成，因此这部分施工成本可大幅度降低。（3）在地下水较丰富的地层中施工的咬合桩围护结构防渗效果好，无需另外增加辅助截水帷幕等防水措施。（4）节能绿色环保方面，本施工方法使用人工少，劳动力资源节约明显，材料消耗量少，节能低耗。施工无噪声、无振动，对地层及周边环境影响小，少或无泥浆作业，施工现场洁净，基本无泥浆外运。此外，该方法与SMW工法桩相比，无挤土效应。

6 结束语

本施工技术可用于基坑工程的挡墙结构、止水帷幕和主体承重结构，适用于各种直径、深度在60m以内的桩孔施工。主要针对地下围护结构如地铁站、地下智能车库、地下建筑结构、水库加固挡水墙等施工。具有质量可靠、地层适应性强、平面连接形式多样、施工机械化程度高的优点，能大大缩短工期，施工安全可靠、绿色环保，符合安全文明施工要求。