紧邻既有建筑物低净空全荤桩咬合桩施工技术

石 龙，周 浩，凌 涛，龙根望

(1.中铁五局集团贵州工程有限公司，贵州 贵阳 550003；2.中铁五局集团有限公司，湖南 长沙 410000； 3.中铁五局集团第一工程有限责任公司，湖南 长沙 410117)

随着我国近几年城市轨道交通的高速发展，新建和规划的线路往往会与既有线交叉相汇并逐步构建成网络，将城市的各个区域串联。因交通功能要求，新建地铁车站往往处在人流量大，周边建筑物繁多、环境复杂的地点，这就使得紧邻建筑物的地铁车站施工渐渐成为常态，伴随而来的是施工难度和安全风险的陡增。为了增大围护结构的刚度和整体性，有效控制紧邻建筑物的变形，上海市轨道交通杨浦线(m8)虹口足球场站[1]和宁波市轨道交通2号线一期工程柳汀站[2]通过采用的全回转钻机加超缓凝混凝土的组合施工得到了大刚度整体性优良的全荤咬合围护桩[3]。针对低净空施工条件，全回转钻机本身高度就低，切削排土设备可选用短臂旋挖钻[4]和低净空冲抓斗。低净空条件也导致孔桩钢筋笼吊装长度受限，对接次数增多，垂直要求变高。针对该方面郑州市至巩义市域铁路市政配套工程商业街站[5]采用双倍丝机械连接的施工方法，取得了较好的效果。本文将结合大运城市综合交通枢纽的实际施工对紧邻建筑物低净空环境下全荤桩咬合桩施工技术进行阐述。

1 工程概况

大运城市综合交通枢纽工程沿龙岗大道西侧呈南北向布置，临近既有地铁3号线大运站，新建14号、16号线大运站为地下3层双岛四线车站同台同向换乘车站，并与既有3号线、规划深大城际换乘，如图1所示。

大运枢纽站基坑东侧围护结构紧邻既有3号线，该区域最小净空为6 m(紧邻既有大运站位置)，围护结构与既有3号线桩基最小间距为2.1 m，如图2所示。

工程项目穿越地层主要为：小里程施工区域地层从上至下依次为人工填土、粉质黏土、全风化砂岩，基底位于粉质黏土和全风化砂岩中；中部施工区域地层从上至下依次为人工填土、强风化砂岩(土状)、强风化砂岩(块状)、中风化砂岩；大里程施工区域地层从上至下依次为人工填土、粉质黏土、强风化砂岩(土状)、强风化砂岩(块状)、中风化砂岩。

地下水主要有两种类型：一是松散岩类孔隙水，主要赋存于第四系松散地层中；二是基岩裂隙(构造裂隙)水，主要赋存于块状的强风化、中风化带及断裂构造裂隙中，略具承压性。

2 全荤桩咬合桩施工技术

2.1 施工原理

在紧邻建(构)筑物的低净空和地层松散的地层条件下，先行对地层进行注浆加固，降低地面标高，满足开钻要求后，使用全套管全回旋钻机将套管分节压入地层用于护壁；再使用短臂旋挖钻或低净空冲抓斗切削取土，反复循环以上两个步骤开挖至设计桩底高程；最后分节安装钢筋笼，浇筑混凝土成桩。围护桩钢筋笼分为两类：方形钢筋笼(Ⅰ序桩)和圆形钢筋笼(Ⅱ序桩)，通过两者的交叉间隔排列布置形成全荤桩咬合结构(硬咬合)，其中Ⅰ序桩桩身混凝土采用超缓凝混凝土，如图3所示。

2.2 施工技术要点

2.2.1 注浆加固

咬合桩施工前，先行对邻近既有3号线侧的土体注浆加固。承台和桩基区域分3排注浆管，最外侧为单排φ108 mm钢花管，注浆范围为承台底到桩底下3 m，间距1.5 m，距承台边1.2 m；内侧两排均为φ48 mm袖阀管，其中内排(靠近承台)注浆范围为承台底至桩底，间距1.5 m，距承台边0.2 m；外排注浆范围为承台底至强风化岩下1 m，间距1.5 m，距承台边0.7 m；墩间区域分两排注浆管，均为φ108 mm钢花管，间距1.5 m，距承台边0.7 m,1.2 m，注浆范围为地面下6 m。注浆浆液为水泥浆，水灰比(质量比)均为水∶灰=1∶(0.6～1)，钢花管注浆压力为0.1 MPa～0.3 MPa，袖阀管为0.4 MPa～1.5 MPa。

2.2.2 地面标高降低工程的开挖及支护

由于最小净空只有6 m，无法满足现有的短臂旋挖钻和低净空冲抓斗施工要求。且因吊装限制的最大钢筋笼长度仅有0.8 m，分节过短，导致吊装和连接次数过多，不利于连接质量和垂直度的控制，且施工效率低下。遂由中间向两端分层分台阶开挖3 m,每层厚度1 m，台阶宽度2 m，降低桩位位置地面标高。每层开挖完成后，立即挂设φ12@200 mm×200 mm钢筋网片，喷射C25混凝土进行防护。

2.2.3 导墙施工

因钻机施工过程中必须保持水平，且钻机自重也比较大，要求导墙必须具有良好的承载能力和平整度，并在开口处兼具一定的护壁能力，采用向下翻口的断面形式，如图4所示。

2.2.4 钻机就位

首先测量放样，在导墙上精准的标记出孔桩中心，在周边设置护桩，将钻机粗略安装到桩位位置，再使用定位底盘精确调整，采用十字交叉法，使得孔位中心与桩位中心重合，误差偏控制不大于10 mm；孔位对中后，通过钻机的垂直监视系统和经纬仪测得垂直度，再通过调整钻机的四个支腿油缸使垂直度达到要求；为消除回转钻进时产生的反向扭矩，防止钻机移位，导致孔位和垂直度偏差。在钻机后部安装平衡反力叉，并使用重物压牢固定。

2.2.5 安装套管和钻进取土

在钻机就位后，安装第一套管节(底部带刀头)复核套管垂直度和中心偏差符合要求后，将套管回转压入地层，当地面以上套管长度剩余1.2 m～1.5 m时，接入下节套管，接入套管长度不大于作业净高-全套管高度-吊装高度(2.5 m)-安全距离(0.5 m)。每当压入1节～2节套管后，用短臂旋挖钻或冲抓斗从套管内取土，取土完成后再继续下压下一节套管。此过程注意不得超挖，应保持开挖面高于套管底口2倍管直径，且不应小于2.5 m。钻进全过程需检测垂直度，动态纠偏调整重复以上工序直至开挖设计孔深，终孔时，也应保持开挖面高于套管底口2倍管直径，且不应小于2.5 m的要求。

2.2.6 清孔

由于采用全套管成孔，孔内无需灌入泥浆，所以孔中悬浮颗粒沉淀极快。成孔后静置30 min后，让悬浮物充分沉淀。再使用短臂旋挖钻缓慢下放在孔底无压慢转或将冲抓斗缓慢下放抓斗至孔底抓取沉渣；若以上两种方法效果不佳，可采用泵吸反循环法清渣；最后使用测针测饼法测得孔底沉渣厚度，直至沉渣厚度不大于10 cm。

2.2.7 钢筋笼吊装、连接和定位

首先先算得单节钢筋笼节长度，地面标高下降后净空高度为9 m，由以下公式得钢筋笼长度为3 m，吊装过程如图5所示。

单节钢筋笼节长度=净空高度-钻机高度-吊装操作高度-与建筑物的安全距离。

为保证钢筋笼节之间的连接质量和整体的垂直度，各节钢筋笼间采用钢筋接驳器连接，机械连接接头采用一级接头。首先在下部钢筋笼上端全长拧入连接套筒；然后将上部钢筋笼下端与下部钢筋笼上端对中对齐；最后反拧套筒至上部标准螺纹露1丝完成连接。连接过程见图6。

保证咬合施工时钻机不切割损坏方形钢筋笼，并能够更容易的控制Ⅱ序桩垂直度。方形钢筋笼定位采用定位PVC管，间隔3 m，每段长度20 cm～30 cm，固定于钢筋笼外侧，与钢筋笼同时下放入孔。

2.2.8 混凝土浇筑

钢筋笼安装完成后二次清孔，清孔完毕后，安装混凝土料斗和清管球，并将导管至离孔底20 cm～50 cm的位置。混凝土初灌量应根据桩径确定，确保初次灌入导管埋深不小于1 m。后续灌注中，应控制把控速率和高度，使导管埋深在2 m～6 m,确保不断桩也不堵管。浇筑应当适当超灌，采用硬杆桶式取样法测量实际桩顶高度，确保将浮浆层顶出设计桩身范围。

此外为拔出套管时混凝土填充原套管位置导致的混凝土顶面下沉的余量。在浇筑桩顶部分时，为减小骨料下沉对成桩质量的影响，可以适当调整混凝土配合比，增大骨料比重。浇筑过程应连续不间断作业，确保桩身完整性。混凝土初凝后，再切割吊筋，拔出护筒。

2.3 质量控制措施

2.3.1 超缓凝混凝土技术参数控制

咬合施工中，Ⅱ序桩成孔过程需切割Ⅰ序桩的咬合部，若Ⅰ序桩身混凝土凝结过快，咬合部强度过高，会导致Ⅱ序桩钻进过程中套管刀头出现受力不均，影响垂直度。根据下式可知垂直度与桩底咬合厚度的数值关系：

桩底咬合厚度=桩顶咬合厚度-(相邻桩垂直度矢量差绝对值×设计桩长+设计允许偏差)。

而桩底咬合厚度是两桩咬合厚度的最小值，直接反映咬合质量，所以Ⅰ序桩身混凝土参数控制是咬合质量控制的关键。

1)缓凝时间：应满足相邻Ⅱ序桩施工的最长间距时间，一般为48 h。

2)坍落度：满足水下混凝土灌注要求，具有一定的流动性，能够充分的填充拔出套管后咬合区域形成的缝隙，又不至于产生“扰流管涌”现象，取160 mm～200 mm为宜。

3)早期强度：满足稳定周边地层的作用，并能被较容易的切削，3 d强度不大于3 MPa。

2.3.2 Ⅱ序桩成孔过程中防“绕流管涌”措施

在咬合施工过程中，可能由于混凝土参数控制不当，流动性过大，套管底与开挖面的高差过小，导致绕流路径太短，产生“绕流管涌”现象，直接影响咬合和成桩质量。

为有效的防止“绕流管涌”现象，可采取以下措施加以控制：

1)在Ⅱ序桩的钻孔施工过程中，必须密切观察相邻的两根已灌注完毕的Ⅰ序桩桩顶混凝土面的高程变化。关注Ⅱ序桩排土渣样混凝土含量比例是否正常(参考咬合区域占Ⅱ序桩截面的面积之比)。

2)严格控制Ⅰ序桩身混凝土配比参数，这点上文已说明，不再赘述。

3)通过增大套管底与开挖面的高差(一般情况不小于2 m)，使混凝土绕流路径变长，增大绕流过程中的摩阻力，达到减弱“绕流管涌”的目的。

4)“绕流管涌”现象的本质是由于Ⅰ序、Ⅱ序桩形成的U形回路两端的底部压力不平衡，所以还可以往Ⅱ序桩孔内注水，降低压力差。

2.3.3 钢筋笼的定位和抗浮措施

因Ⅰ序桩内放置的是方形钢筋笼，与护筒的贴合度有限，为了使方形钢筋笼更好的定位，保障咬合质量，可通过在咬合部设置定位PVC管的措施(上文已说明)；针对方形钢筋笼可能发生的扭转现象，可将钢筋笼顶部加设定位钢筋，与套管焊接牢固。

在混凝土浇筑过程中，为避免钢筋笼因受冲击造成上浮，可加设定位钢筋(与上文同理)；或在钢筋笼底部焊接抗浮钢板。

3 安全防护措施

针对紧邻既有3号线低净空条件，采取的安全防护措施如下：

1)使用的设备均自带限位功能，设备吊臂端部安装有探测雷达，与既有车站上部结构和高架桥设置的红外线报警系统组合，当设备与结构物间距小于1 m报警，小于0.5 m自动制动。

2)在靠近既有车站上部结构和高架桥底部向上3 m的范围内布置橡胶轮胎结合挤塑板，用于防撞防护。

4 结语

深圳市大运城市综合枢纽紧邻既有3号线低净空条件下基坑全荤咬合桩的施工结果表明，使用全回转全套管钻机+低净空排土设备，辅以良好的工序安排、质量控制和安全防护措施：

1)可以有效的减小和控制基坑围护结构施工对紧邻的既有建筑物的影响(监控量测数据表明，整个施工过程中，周边土体和既有3号线结构变位情况较小可控)。

2)适合低净空的施工设备施工效率高，布设灵活，组织简单，较传统设备能有效的缩短工期(节约工期3个月)。

3)与传统的荤素咬合桩相比，形成的全荤咬合桩成桩质量好，整体性和刚度高。

4)由于使用了全套管护臂有效的防止了孔壁塌孔和超挖现象，减少了混凝土超耗节约了成本(节约造价284.2万元)。

5)成孔过程噪声和震动小，对环境的污染小。