套管咬合樁在徐州地鐵車站基坑應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)問題研究

李燦輝

摘要：套管咬合樁在徐州地鐵車站基坑圍護(hù)中的首次應(yīng)用，提出了杏山子站地層選用套管咬合樁需重點(diǎn)解決的若干問題。介紹了咬合樁的概念、基本原理、技術(shù)要點(diǎn)。通過理論分析對(duì)常見葷素搭配套管咬合樁中素樁對(duì)抗彎承載力的貢獻(xiàn)做了分析探討。結(jié)合咬合樁在徐州地區(qū)首次應(yīng)用過程中遇到的問題，描述了施工中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)及對(duì)應(yīng)解決方案。以徐州1號(hào)線杏山子站為例，詳細(xì)介紹了工程概況、圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選型依據(jù);結(jié)合工程案例，分析了工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并與設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比評(píng)價(jià)。

Abstract： Aiming at the retaining and protection structure of the foundation pit for subway station， this paper puts forward some problems that need to be solved urgently in the first selection of casing occlusal pile in Xingshanzi metro station for Xuzhou subway. The concept， basic principle and technical points of occlusal piles are introduced. Through the theoretical analysis， the contribution of the concrete pile to the bending bearing capacity of the casing occlusal pile is analyzed. Combined with the problems encountered in the first application of casing occlusal pile in Xuzhou area， several key technologies and corresponding solutions in construction are described. Taking Xingshanzi Station of Xuzhou Line 1 as an example， the general situation of the project， the design of the retaining and protection structure and the basis of type selection are introduced in detail. Combined with the engineering case， the engineering monitoring data are analyzed and compared with the design results.

關(guān)鍵詞：套管咬合樁;素樁;抗彎承載力;施工關(guān)鍵技術(shù)

Key words： casing occlusal pile;concrete pile;bending capacity;key technologies in construction

中圖分類號(hào)：TU476 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）27-0153-04

0 ?引言

徐州目前正進(jìn)行大規(guī)模的地鐵建設(shè)，這也將進(jìn)一步鞏固其在淮海經(jīng)濟(jì)區(qū)的中心城市地位，提升對(duì)周邊城市的輻射力與影響力，對(duì)改善城市地面交通壓力和開發(fā)地下空間意義重大。

地鐵車站主體基坑圍護(hù)形式主要有鉆孔灌注樁+止水帷幕、咬合樁、地下連續(xù)墻。徐州民建基坑較常用形式為鉆孔灌注樁，無(wú)地鐵基坑施工實(shí)例。鉆孔咬合樁在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣泛，但在徐州地區(qū)的應(yīng)用屬首次，在保證技術(shù)可靠的同時(shí)，對(duì)于適用地層的新工法應(yīng)進(jìn)行嘗試和推廣。

徐州市區(qū)位于魯南山區(qū)向黃淮海平原過渡的部位，以平原為主，中部斜插丘陵山帶，地貌形態(tài)主要有丘陵（殘丘）和平原兩大類。筆者以杏山子站主體基坑為工程背景，介紹套管咬合樁在徐州地鐵車站基坑圍護(hù)中的首次應(yīng)用。杏山子站工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件較為典型，咬合樁的選用需重點(diǎn)解決以下幾個(gè)問題：①剛度和強(qiáng)度能否滿足要求，基坑變形對(duì)周邊的環(huán)境影響;②基巖埋深較淺，單軸抗壓強(qiáng)度較高，咬合樁入巖問題;③咬合樁對(duì)施工工藝要求較高，咬合樁入巖增加了成樁時(shí)間，進(jìn)一步提高了對(duì)超緩凝混凝土的初凝時(shí)間要求;④地下水豐富，成樁質(zhì)量能否保證止水效果;⑤土巖分界面有一層破碎帶，富承壓性，水頭較高，為有效隔斷破碎帶，素樁需入巖，為此帶來(lái)的套管跟進(jìn)，防止管涌問題。

1 ?咬合樁應(yīng)用情況研究

套管咬合樁是相鄰混凝土排樁間相互咬合形成部分圓周相嵌，并于后序次相間施工的樁內(nèi)置入鋼筋籠，使之形成具有良好防滲作用的整體連續(xù)防水和擋土圍護(hù)結(jié)構(gòu)。套管咬合樁的鉆孔深度、平面布置形式靈活多變，相比地下連續(xù)墻更加適用于外輪廓為曲線形式、地質(zhì)縱斷面起伏變化較大的車站。適用的地層范圍較廣。其主要特點(diǎn)是一樁多能，既能擋土受力又能防水抗?jié)B，具有施工噪音低、節(jié)省施工場(chǎng)地、工期較快、無(wú)泥漿污染、節(jié)約混凝土（充盈系數(shù)?。┖椭顾Ч玫葍?yōu)點(diǎn)，對(duì)城市施工的環(huán)保措施與文明施工的價(jià)值是極為顯著的[1]。

套管咬合樁的關(guān)鍵技術(shù)是樁身垂直度、無(wú)筋樁（以下簡(jiǎn)稱A樁）混凝土初凝時(shí)間的控制、以及有筋樁（以下簡(jiǎn)稱B樁）與A樁的協(xié)同受力特性?；炷脸跄龝r(shí)間的控制受諸多因素影響，與其他樁型相比，咬合樁的施工難度較大。目的是確保樁體之間的咬合質(zhì)量（咬合時(shí)間和厚度），使其真正形成一道連續(xù)無(wú)縫的地下鋼筋混凝土連續(xù)樁墻[2]。

咬合樁是近20年在國(guó)內(nèi)外發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新的深基坑支護(hù)技術(shù)[3]，于1999年首次應(yīng)用于深圳地鐵一期工程會(huì)展中心站至購(gòu)物公園站區(qū)間隧道明挖段的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)[4]。某臨海轉(zhuǎn)運(yùn)站基坑，因地下水位較高、地層含較多的塊石，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用沖孔灌注樁+素混凝土樁搭配的咬合樁型式，解決了圍護(hù)樁施工難題的同時(shí)，較好地實(shí)現(xiàn)了止水效果[5]。南京地鐵1號(hào)線西延線的元-中區(qū)間利用水泥攪拌樁替代A序素混凝土樁，用有鋼筋籠的B序樁咬合A序的水泥攪拌樁，形成一種新型咬合樁工法，成功解決了在沖淤沉積層中套管咬合樁的擴(kuò)徑現(xiàn)象[6]。葷葷搭配的咬合樁由于施工上存在一定的問題，只在上海地鐵8號(hào)線的虹口足球場(chǎng)車站基坑使用過[7]。葷素搭配的套管咬合樁應(yīng)用范圍最廣，相繼成功應(yīng)用于深圳、南京、天津、上海和杭州等地的地鐵工程及其他工程中。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，其在南京地鐵工程中應(yīng)用最為廣泛[3]。李文林[7]和廖少明等[8]通過相似模型試驗(yàn)對(duì)咬合樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在考慮A樁作用下的抗彎承載力特性進(jìn)行研究，揭示了咬合樁從彈性到塑性破壞不同階段葷素樁的力學(xué)行為，提出了其抗彎承載力計(jì)算方法，并通過工程實(shí)測(cè)驗(yàn)證了結(jié)論的正確性。但需要指出的是，文獻(xiàn)中沒有給出咬合樁抗彎受力特性4個(gè)階段對(duì)應(yīng)的臨界彎矩與基坑深度的關(guān)系。因此，套管咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)基坑開挖過程中產(chǎn)生最大彎矩時(shí)A樁進(jìn)入何種力學(xué)階段還需做進(jìn)一步深入研究。胡琦等人通過建立非線性三維實(shí)體模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，對(duì)咬合樁主要是素樁的受力機(jī)制進(jìn)行了研究[9]，但都缺乏理論推導(dǎo)分析過程。本文以杏山子站工程為背景，通過理論分析進(jìn)一步探討A樁對(duì)咬合樁抗彎承載力的貢獻(xiàn)。

2 ?B樁與A樁的協(xié)同受力特征分析

在腰梁的整體約束作用以及葷素樁相互咬合嵌固作用下，A樁實(shí)際是與B樁一同參與結(jié)構(gòu)受力的。問題僅在于咬合樁在整個(gè)受力過程的不同階段，A樁的力學(xué)行為及其對(duì)整體結(jié)構(gòu)承載力的貢獻(xiàn)值。地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，目前主要是按一般灌注樁的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，即不考慮A樁的作用。

實(shí)際上，A樁裂縫的逐步發(fā)展會(huì)不斷減小混凝土受壓區(qū)高度，即咬合樁整體受力過程中A樁對(duì)結(jié)構(gòu)抗彎承載力的貢獻(xiàn)是逐步減弱的[9]。因此，最終A樁對(duì)咬合樁抗彎承載力貢獻(xiàn)不會(huì)超過15%。

由上述分析可知，設(shè)計(jì)中可不考慮A樁對(duì)抗彎承載力的貢獻(xiàn)。從確保安全的角度分析，A樁對(duì)承載力的貢獻(xiàn)在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以作為安全儲(chǔ)備。

3 ?施工關(guān)鍵技術(shù)問題及解決方案

3.1 合理的施工工藝流程

施工組織上，要求在A樁砼初凝之前完成B樁的施工。正常施工步序如圖3所示。本站咬合樁大部分需入巖，在套管咬合樁入巖段，由于成樁時(shí)間長(zhǎng)，加大了發(fā)生管涌的概率，處于不同硬化階段的兩相鄰A樁早期強(qiáng)度相差較大，對(duì)B樁成孔垂直度造成較大影響，施工組織上進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化：A1→A2→A3→B1→A4→B2→A5→B3……

3.2 防止管涌措施

套管咬合樁施工過程中易產(chǎn)生管涌的情況分為兩種：①樁孔內(nèi)地下水位或承壓水水頭較高，由此產(chǎn)生的動(dòng)水坡度大于土層的極限動(dòng)水坡度，土顆粒就會(huì)處于冒出、沸涌狀態(tài)，向孔內(nèi)噴水，形成管涌，本站圍護(hù)樁施工過程中于靠近土巖結(jié)合面時(shí)，存在這種現(xiàn)象;②B樁成孔過程中，由于A樁混凝土未凝固，還處于流動(dòng)狀態(tài)，A樁混凝土有可能從A、B樁相交處涌入B樁孔內(nèi)，形成A樁超緩凝混凝土的管涌，常發(fā)生于葷素樁均入巖且施工B樁時(shí)套管沒有跟進(jìn)，富有承壓性的基巖裂隙水的作用情況下，本站咬合樁施工初期出現(xiàn)了這種情況。

采取的應(yīng)對(duì)措施主要為：①套管先行，A樁混凝土的坍落度控制在180mm以內(nèi)，施工時(shí)嚴(yán)格觀察相鄰樁混凝土表面是否下降，取土面應(yīng)始終高于套管底口2.5m;②入巖樁采用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工，確保施工B樁時(shí)套管底口低于相鄰A樁底面，套管及時(shí)跟進(jìn)對(duì)于控制管涌至關(guān)重要;③按照前述內(nèi)容合理調(diào)整施工工藝流程，調(diào)節(jié)已施工樁凝固時(shí)間，避免管涌的發(fā)生。

4 ?套管咬合樁工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況

徐州地鐵1號(hào)線杏山子站為地下二層車站，采用明挖順做法施工，車站長(zhǎng)度約372m，站臺(tái)中心里程處坑深約17.2m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度19.7m。車站為帶配線車站，配線區(qū)基坑輪廓為曲線形式;坑底臨近土巖結(jié)合面，巖面起伏變化較大。除車站東端靠近河流，車站周邊無(wú)控制性建構(gòu)筑物及重要管線。

基坑坑底主要為2-4-3粉質(zhì)黏土，坑底以下有5-3-4黏土、12-7-3中風(fēng)化灰?guī)r（巖溶發(fā)育，完整性較好，飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值52MPa）。

地下水類型分為填土中的上層滯水、第四系土層中的孔隙水及基巖裂隙水（中透水，水量豐富，具承壓性）。根據(jù)詳勘資料、RQD指標(biāo)以及工程經(jīng)驗(yàn)判定土巖分界面存在一層破碎帶，具承壓性，水頭較高。

4.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)選定

綜合考慮周圍環(huán)境特點(diǎn)、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、基坑特征、施工技術(shù)及工程造價(jià)等諸多因素，并著重考慮土巖分界面存在的破碎帶，采用套管咬合樁作為基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

4.3 設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇

本站選用常用的一葷一素搭配的全套管鉆孔咬合樁。B樁砼采用C35、A樁采用C20超緩凝混凝土。標(biāo)準(zhǔn)段采用Ф1000@800套管咬合樁，基巖埋深較淺段B樁按入巖2.5m、A樁入巖0.5m控制，以有效隔絕土巖分界面破碎帶，并保證B樁穿越溶洞時(shí)入完整巖面下1m。

5 ?結(jié)論

以徐州地鐵1號(hào)線杏山子站為工程背景，分析探討了套管咬合樁在徐州地層應(yīng)用過程中，設(shè)計(jì)、施工存在的關(guān)鍵技術(shù)問題及解決辦法。通過理論分析、施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析以及與設(shè)計(jì)的對(duì)比，可知圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用套管咬合樁達(dá)到了預(yù)期的效果，較好地解決了文初提到的5點(diǎn)需重點(diǎn)考慮的問題，得出以下結(jié)論：

①素樁對(duì)咬合樁抗彎承載力貢獻(xiàn)最大約為15%，對(duì)于葷樁配筋量的計(jì)算影響不顯著。設(shè)計(jì)中可將其作為安全儲(chǔ)備，不考慮素樁對(duì)抗彎承載力的貢獻(xiàn)。

②圍護(hù)結(jié)構(gòu)深部水平位移開挖至坑底，最大值出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)0.6倍基坑開挖深度，深部水平位移較大值集中在0.45～0.7倍基坑深度內(nèi)。

③地面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值在基坑開挖到坑底至底板混凝土澆筑前這段時(shí)間內(nèi)地面沉降速率最大;待底板澆筑完成后地面沉降值趨于平穩(wěn)。因此，基坑開挖至坑底時(shí)，應(yīng)加快底板澆筑進(jìn)度，減少坑底暴露時(shí)間，利于基坑安全，減少對(duì)周邊環(huán)境及建構(gòu)筑物的影響。

④圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂位移隨時(shí)間呈上浮趨勢(shì)，總體上變化較為平緩，但上浮值較小，在15mm以內(nèi)，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力不會(huì)產(chǎn)生影響。這主要由于基坑的開挖，坑底以下土體的卸荷造成土體回彈，致使圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向上的位移。當(dāng)?shù)装鍧仓瓿珊?，樁頂位移即趨于穩(wěn)定，這也與多數(shù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)得出的經(jīng)驗(yàn)相符[11]。

⑤超緩凝混凝土初凝時(shí)間掌握不到位，葷樁施工時(shí)，相鄰素樁存在向葷樁內(nèi)發(fā)生管涌的可能，通過反復(fù)調(diào)整超緩凝混凝土初凝時(shí)間及葷樁施工順序，可有效控制管涌現(xiàn)象。

咬合樁繼承了排樁及地下連續(xù)墻的一些優(yōu)點(diǎn)，在適用的地層及周邊環(huán)境情況下具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是首選的圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式。于徐州地區(qū)的首次成功應(yīng)用，為以后套管咬合樁在徐州地鐵圍護(hù)結(jié)構(gòu)工程中的廣泛應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)與施工的參考，值得推廣。

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