拱形咬合樁在橋梁深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

易 垚

(四川仁沐高速公路有限責(zé)任公司 成都市 610000)

咬合樁是從國(guó)外引進(jìn)的一種深基坑圍護(hù)支擋結(jié)構(gòu)形式，在國(guó)外有較多成功的工程實(shí)例，積累了豐富的施工經(jīng)驗(yàn)。咬合樁作為一種深基坑圍護(hù)型式在內(nèi)地應(yīng)用較晚，我國(guó)地下工程界知名專家王振信在國(guó)外考察時(shí)發(fā)現(xiàn)，將其引進(jìn)國(guó)內(nèi)最先應(yīng)用到深圳地鐵一期工程購(gòu)物公園站到會(huì)展中心站之間隧道的圍護(hù)支擋中，此后該工法在地鐵、高層建筑物等深基坑中得到大量應(yīng)用，施工工藝也日趨成熟。

咬合樁是平面布置的排樁，相鄰樁基部分圓周相嵌、互相咬合成為共同受力的整體結(jié)構(gòu)，從而起到承重、擋土、止水等作用，主要用于構(gòu)筑物的深基坑臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)。咬合樁按照施工機(jī)械分為全套管鉆孔咬合樁和沖擊鉆孔咬合樁，全套管鉆孔咬合樁采用旋挖鉆機(jī)施工，具有施工安全快捷、成孔垂直度精度高、樁間咬合緊密、環(huán)保、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在深基坑圍護(hù)支擋施工中應(yīng)用廣泛。

常見(jiàn)深基坑咬合樁支護(hù)形式平面布置為矩形，結(jié)合仁沐新高速公路岷江特大橋沐川岸拱座基坑支護(hù)工程，淺述拱形布置咬合樁在深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

1 工程背景

1.1 工程概況

仁沐新高速公路犍為岷江特大橋橋址位于犍為縣縣城下游，岷江特大橋需跨越岷江和馬邊河，橋梁全長(zhǎng)2782.6m，其中跨越岷江主橋采用中承式鋼管混凝土拱橋，拱橋長(zhǎng)457.6m，主跨400m，橋位呈E～W向展布，與岷江正交。沐川岸為鋼筋混凝土拱座，頂部寬7m，底部寬10m，拱座基礎(chǔ)采用整體式擴(kuò)大基礎(chǔ)，順橋向長(zhǎng)50m，橫橋向50.6m，厚5m，如圖1所示。

1.2 地質(zhì)概況

基坑工程位于四川盆地南緣岷江沖積平原，以侵蝕堆積地貌為主。沐川岸為岷江I級(jí)沖積階地，基坑范圍內(nèi)東、西側(cè)和南側(cè)原地面較為平緩，高程約為315.00～317.00m，北側(cè)為一斜坡，坡度約20°～30°，坡頂為河口村街道尾部，房屋密集，高程約312.2～321.5m，從上到下地層分布為粉土(3m)、卵石層(4～7m)及粉砂質(zhì)泥巖。

2 基坑開(kāi)挖圍護(hù)方案

2.1 開(kāi)挖圍護(hù)方案比選

根據(jù)以上工程地質(zhì)條件，基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)有粉土、粉砂等，靠近岷江地下水位高，雨季前拱座必須施工完畢?；娱_(kāi)挖圍護(hù)若采用SMW工法樁+錨索方案，雖然成樁速度快，開(kāi)挖面積和方量少，型鋼可重復(fù)利用，但是土石方出渣慢，復(fù)雜地層條件下工法樁成樁質(zhì)量難以保證，錨索工程量大，工期過(guò)長(zhǎng)；若采用放坡+咬合樁方案，咬合樁和放坡施工工藝成熟，施工速度快，咬合樁單樁長(zhǎng)度較短，結(jié)構(gòu)受力好，變形小，但是開(kāi)挖面積和方量大，基坑北側(cè)房屋密集，征地拆遷工作量大，對(duì)工期和施工外圍環(huán)境影響較大。經(jīng)綜合比選，基坑開(kāi)挖圍護(hù)采用放坡+咬合樁+錨索方案，出渣速度快，錨索工程量較小，咬合樁和放坡工藝成熟，施工速度較快，施工質(zhì)量有保證，征地拆遷工作量小，工期適中。

圖1 沐川岸拱座設(shè)計(jì)圖

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)布置

本方案的主要特點(diǎn)為基坑邊坡采用三級(jí)放坡+咬合樁+錨索的防護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑北側(cè)采用咬合樁+錨索支護(hù)，東、西、南側(cè)采用咬合樁支護(hù)。采用咬合樁構(gòu)成基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，平面上咬合樁采用拱形布置，靠近邊坡側(cè)為a邊，順時(shí)針?lè)较蛞来螢閎、c、d邊，咬合樁按照順序編號(hào)?；訂芜吙缇?2.27m，矢高4.06m，矢跨比1/12.9，鋼筋混凝土樁和素混凝土樁間隔布置，樁間相互咬合0.1m，鋼筋混凝土樁直徑1.4m，承受水、土壓力，素混凝土樁直徑1.2m，以填充鋼筋混凝土樁間隙，咬合樁底部嵌入基巖足夠深度，樁頂與連系梁(截面尺寸180cm×120cm)固結(jié)，在四個(gè)角點(diǎn)處設(shè)置直徑2.0m抗力樁和直徑1.4m加固樁，作為拱形圍護(hù)結(jié)構(gòu)的拱座。三級(jí)放坡首先施工第三級(jí)邊坡，在第三級(jí)坡腳施工咬合樁，咬合樁內(nèi)側(cè)施工第二級(jí)邊坡，第二級(jí)邊坡放坡至基巖中風(fēng)化頂面，坡腳設(shè)置護(hù)腳墻，護(hù)腳墻內(nèi)側(cè)為中風(fēng)化基巖，采用垂直開(kāi)挖施工第一級(jí)邊坡?；颖眰?cè)開(kāi)挖深度大，樁懸臂段較長(zhǎng)，設(shè)置2道豎向錨索，錨索從素混凝土樁鉆孔入土，錨固端深入中風(fēng)化基巖。

3 咬合樁施工工藝

3.1 工藝原理

圖2 拱形咬合樁基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面圖

圖3 拱形咬合樁基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

咬合樁采用全套管鉆孔施工，相鄰單樁之間相互咬合形成具有防滲漏作用的整體防水和擋土雙重功能的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。樁的平面排列按照一根素混凝土樁(A樁)和一根鋼筋混凝土樁(B樁)間隔布置，先施工A樁后施工B樁。利用旋挖鉆機(jī)完成A樁樁孔，A樁采用超緩混凝土成樁，在A樁混凝土初凝前利用旋挖鉆機(jī)切割掉A樁與B樁相交部分混凝土，然后完成B樁施工，實(shí)現(xiàn)樁與樁之間咬合，待樁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，在樁頂施工連系梁使咬合樁形成整體，在咬合樁支護(hù)下開(kāi)挖施工基坑。

3.2 施工順序

鉆孔施工順序?yàn)橄仁┕せ炷了貥?A樁)，再在相鄰A樁之間施工鋼筋混凝土樁(B樁)，其施工順序?yàn)椋篈1-A2-B1-A3-B2-A4-B3，如圖4所示。

圖4 鉆孔灌注樁成樁順序示意圖

3.3 單樁施工工藝

旋挖鉆機(jī)開(kāi)孔前，利用控制點(diǎn)位準(zhǔn)確定位排樁中心位置，護(hù)筒采用10mm厚雙臂鋼套管，內(nèi)徑比設(shè)計(jì)樁徑大20cm，鋼護(hù)筒埋設(shè)后，旋轉(zhuǎn)鉆頭對(duì)準(zhǔn)樁位十字線交點(diǎn)，并調(diào)整設(shè)備的水平度，保證鉆桿及鋼護(hù)筒的垂直度。符合要求后開(kāi)始鉆進(jìn)成孔，鉆孔深度達(dá)到孔底設(shè)計(jì)標(biāo)高后，對(duì)孔深、孔徑進(jìn)行檢查，確保符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。B樁鋼筋籠在鋼筋加工廠內(nèi)利用滾焊機(jī)集中加工制作，鋼筋籠分段制作，鋼筋接長(zhǎng)采用焊接，接頭位置錯(cuò)開(kāi)，扎口焊接時(shí)，上下主筋位置對(duì)正，保持鋼筋籠上下軸線一致。混凝土灌注采用導(dǎo)管法灌注，導(dǎo)管為直徑275mm的鋼管，每節(jié)長(zhǎng)度為6m，導(dǎo)管口距離混凝土表面的高度保持在2m以內(nèi)，混凝土灌注應(yīng)連續(xù)進(jìn)行不得中斷，邊灌注邊提升導(dǎo)管和鋼護(hù)筒，混凝土灌注至樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高以上1m，并做好孔口防護(hù)。

3.4 連系梁施工

將咬合樁樁頂?shù)牧淤|(zhì)混凝土鑿除(破樁頭)，樁頭鑿除采用環(huán)切法，樁芯頂面的混凝土進(jìn)行鑿毛處理，清除樁頂浮渣，施工一層墊層，連系梁采用定制鋼模板施工，綁扎鋼筋，澆注混凝土，四周連系梁形成整體、混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行基坑開(kāi)挖作業(yè)。

4 基坑監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)目的

岷江特大橋沐川岸拱座基坑開(kāi)挖規(guī)模大，基坑深度較深，隨著基坑開(kāi)挖作業(yè)的不斷深入，基坑內(nèi)外的土體由原來(lái)的靜止土壓力狀態(tài)向被動(dòng)和主動(dòng)土壓力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，基坑內(nèi)外土體應(yīng)力狀態(tài)的改變關(guān)系到基坑的安全，為保證基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)一直處在良好運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)掌握工程實(shí)際狀況，及時(shí)采取糾偏措施，必須對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊土體以及相鄰建筑物進(jìn)行綜合、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)。

對(duì)基坑施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)的目的主要有：

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值(或預(yù)測(cè)值)進(jìn)行比較，如超過(guò)某個(gè)限值，就采取工程措施，防止支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞和環(huán)境事故的發(fā)生，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)和相鄰建筑物的安全；

(2)驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，指導(dǎo)基坑開(kāi)挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工；

(3)結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，為完善設(shè)計(jì)分析提供依據(jù)。

4.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

依據(jù)本工程基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案，該基坑類別為一級(jí)。依據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB50497-2009)、設(shè)計(jì)要求及本地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)確定本基坑工程的監(jiān)測(cè)內(nèi)容和項(xiàng)目主要有：邊坡穩(wěn)定監(jiān)測(cè)；連系梁監(jiān)測(cè)；樁體監(jiān)測(cè)；樁后土體監(jiān)測(cè)；基坑周邊建筑物監(jiān)測(cè)；地下水位監(jiān)測(cè)；基坑安全的日常巡查、檢查。

4.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.3.1應(yīng)力監(jiān)測(cè)

連系梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于咬合樁鋼筋樁樁頂處，分別位于基坑每側(cè)的1/4、1/2處及四個(gè)角點(diǎn)處，共24個(gè)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，依次編號(hào)為 XL1～XL24，水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置如圖5所示。樁身應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用在樁身鋼筋上設(shè)置鋼筋拉力計(jì)的方式，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置與連系梁相同，依次編號(hào)為YL1～YL16，在每根咬合樁中部沿徑向分別設(shè)置兩個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì)作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，一個(gè)應(yīng)力計(jì)靠近基坑內(nèi)側(cè)，一個(gè)應(yīng)力計(jì)靠近基坑外側(cè)土體，依次編號(hào)為 YLn-1、Yln-2(n為監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置點(diǎn)號(hào))，如圖6所示。樁身內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)共48個(gè)。

基坑開(kāi)挖完成階段部分連系梁應(yīng)力理論值與實(shí)測(cè)值，如表1所示(僅列出部分測(cè)點(diǎn))。

基坑開(kāi)挖過(guò)程中，內(nèi)外傳感器測(cè)點(diǎn)8(系列1表示內(nèi)側(cè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)、系列2表示外側(cè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn))連系梁應(yīng)力和樁身應(yīng)力如圖7、圖8所示。

圖5 連系梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖

圖6 樁身應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)立面布置圖

連系梁位置系梁模擬應(yīng)力(內(nèi))系梁模擬應(yīng)力(外)系梁實(shí)測(cè)應(yīng)力(內(nèi))系梁實(shí)測(cè)應(yīng)力(外)a15-2.0463-2.5538—-1.2603a25-5.8024-7.1724-0.9384-1.2768a35-1.8396-2.5725-1.3095-1.2594b15-1.8155-2.4646-1.2243-1.3992b25-4.7816-8.0446-1.1775-0.9888b35-2.0284-2.7227-1.0143-1.053

4.3.2變形監(jiān)測(cè)

(1)連系梁變形

基坑開(kāi)挖完成后連系梁位移(向基坑內(nèi)側(cè)的位移值)理論值與實(shí)測(cè)值如圖9所示，基坑開(kāi)挖過(guò)程中a25連系梁各方向累計(jì)變化值如圖10所示。

圖7 系梁應(yīng)力測(cè)點(diǎn)應(yīng)力圖

圖8 樁身應(yīng)力測(cè)點(diǎn)應(yīng)力圖

圖9 系梁理論位移值與實(shí)測(cè)位移值對(duì)比(單位：mm)

圖10 a25系梁各方向累計(jì)變形值(單位：mm)

(2)樁身變形

樁體變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用粘貼反光片的方式進(jìn)行布置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇位于基坑每側(cè)的1/4、1/2處及四個(gè)角點(diǎn)處，共16根咬合樁進(jìn)行布置，位移-1是樁體距系梁底3m處的位移，位移-2是樁體距系梁底6m處的位移。其中c25樁變形監(jiān)測(cè)如圖11、圖12所示。

圖11 樁C25-1監(jiān)測(cè)點(diǎn)各方向累計(jì)變化值

圖12 樁C25-2監(jiān)測(cè)點(diǎn)各方向累計(jì)變化值

(3)周邊建筑變形監(jiān)測(cè)

通過(guò)在基坑周邊建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)處設(shè)置反光片，對(duì)基坑周邊建筑物傾斜度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在外墻墻角、外墻中間部位及其他有代表性的部位。其中被保護(hù)建筑物軸線1傾斜度如圖13所示。

圖13 軸線1傾斜度

(4)周邊建筑物裂縫監(jiān)測(cè)

裂縫監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括對(duì)裂縫的位置、走向、長(zhǎng)度、寬度及變化程度的監(jiān)測(cè)。在基坑開(kāi)挖前對(duì)基坑周邊建筑物已有裂縫的分布位置和數(shù)量進(jìn)行確定，測(cè)定其走向、長(zhǎng)度、寬度和深度等情況。選擇有代表性的裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)并做好標(biāo)志，每一條裂縫的測(cè)點(diǎn)至少設(shè)2組，在裂縫的最寬處及裂縫末端布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中FW2-LF1-1裂縫寬度監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖14所示。

圖14 FW2-LF1-1裂縫寬度(單位：mm)

4.3.3監(jiān)測(cè)結(jié)論

樁頂連系梁應(yīng)力在同一截面，內(nèi)、外側(cè)傳感器的實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)一致，實(shí)測(cè)值基本相等，全截面受壓狀態(tài)，該應(yīng)力分布規(guī)律符合徑向土壓力作用下圓弧線為合理拱軸線的特征，達(dá)到了拱形咬合樁的設(shè)計(jì)意圖。樁頂連系梁實(shí)測(cè)應(yīng)力在基坑開(kāi)挖到位之后保持穩(wěn)定不變，說(shuō)明支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較好，能夠滿足支護(hù)要求。

施工過(guò)程中岷江河多次漲水，基坑漫水對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和受力均產(chǎn)生了較大影響，其結(jié)果等效為基坑的二次開(kāi)挖，在類似基坑施工過(guò)程中，條件允許的情況下應(yīng)盡量在洪峰季之前完成基礎(chǔ)的澆注作業(yè)，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

連系梁實(shí)測(cè)變形值與理論變形值分布趨勢(shì)相似，實(shí)測(cè)值基本都小于理論計(jì)算位移值。房屋傾斜度和裂縫除在基坑開(kāi)挖階段有小幅波動(dòng)，后期均保持穩(wěn)定，房屋傾斜度沒(méi)有超過(guò)2/1000限值，裂縫基本沒(méi)有超過(guò)1.5～3mm的規(guī)范限值。

綜上，對(duì)基坑開(kāi)挖各施工階段監(jiān)測(cè)，經(jīng)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，表明拱形咬合樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的選取及施工工藝上是合理的。

5 總結(jié)

咬合樁在岷江特大橋沐川岸拱座基坑圍護(hù)中的成功應(yīng)用，為今后其他同類型基坑咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工提供借鑒，結(jié)合本方案咬合樁施工總結(jié)以下幾點(diǎn)：

(1)咬合樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有防滲能力強(qiáng)，施工效率高，占地面積小等特點(diǎn)，咬合樁施工采用旋挖鉆施工，機(jī)械設(shè)備噪音低、振動(dòng)小，大幅度縮短工期，對(duì)周圍環(huán)境污染小，有利于文明施工。

(2)咬合樁平面布置由矩形優(yōu)化成拱形，有利于提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體受力。

(3)地下工程具有復(fù)雜性和不可預(yù)見(jiàn)性，基坑開(kāi)挖過(guò)程中重視信息化施工，定期檢測(cè)，根據(jù)不同施工狀態(tài)下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整與優(yōu)化施工。