鉆孔咬合樁在復(fù)合地層中的應(yīng)用研究

陳用偉 劉俊

摘?要：鉆孔咬合樁多用于軟土地層，采用全套管鉆機(jī)軟切割法施工，但在上軟下硬的復(fù)合地層中，全套管法成孔困難，無法保證樁體的垂直度，以致于咬合效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。為了解決此類工程問題，依托杭州地鐵3號線一期工程工業(yè)大學(xué)站基坑工程，研究了鉆孔咬合樁在上軟下硬復(fù)合地層中的適應(yīng)性及應(yīng)用情況，并與其他圍護(hù)方式在可實(shí)施性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、施工效率等方面進(jìn)行了綜合比較。研究結(jié)果表明，在復(fù)合地層中采用旋挖鉆機(jī)硬切割法施工咬合樁，成孔效率高，樁體垂直度高，止水效果好，能產(chǎn)生更好的工期效益、社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。并且鉆孔咬合樁能夠很好地適應(yīng)復(fù)合地層，經(jīng)濟(jì)性好，施工效率高，解決了復(fù)合地層中鉆孔咬合樁的施工工藝和設(shè)備選型問題。研究過程及結(jié)果可為復(fù)合地層中的基坑工程施工提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：地下工程;鉆孔咬合樁;復(fù)合地層;施工工藝;旋挖鉆機(jī)硬切割法

中圖分類號：U231.3?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi： 10.7535/hbgykj.2020yx04006[HJ1*2]

文章編號：1008-1534（2020）04-0246-07

Abstract：The bored interlocking pile is mostly used in soft soil， employing soft cutting method with full casing drilling?machine?. However， there are difficulties for composite strata in the process of hole forming by using full casing drilling technology， which can not guarantee the verticality of the pile in upper-soft and lower-hard soil horizon， so that the occlusion can not meet the design requirements. In order to solve this kind of engineering problems， the study of the adaptability and application of bored interlocking pile in upper-soft and lower-hard soil horizon was carried on in this paper based on the excavation engineering of ZJUT station in Hangzhou Metro Line 3 phase one， and the comparison between bored interlocking pile and other supporting methods in feasibility， safety， economy and efficiency were investigated. The research shows that rotary drilling rig hard cutting method in composite strata has created better efficiency of time limit of project， social benefits and economic benefits due to the high hole completion efficiency， high pile verticality and good water sealing effect. And the bored interlocking pile can adapt to the composite strata well， with good economy and high construction efficiency， which solves the problem of the selection of construction technology and equipment. The research process and results can provide reference for the construction of foundation pit in composite strata.

Keywords：underground engineering; bored interlocking pile; composite strata; construction technology; rotary drilling rig hard cutting method

鉆孔咬合樁兼具支護(hù)與止水雙重作用，是現(xiàn)代基坑工程中常用的一種圍護(hù)結(jié)構(gòu)，與其他支護(hù)方式相比，具有一定的優(yōu)勢。鉆孔咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)是指樁身密排且相鄰樁樁身咬合形成的具有防滲作用的連續(xù)擋土支護(hù)結(jié)構(gòu)，既可全部采用鋼筋混凝土樁，也可采用素混凝土樁與鋼筋混凝土樁相間布置方式，使之形成具有良好止水防滲作用的整體連續(xù)排樁式支護(hù)結(jié)構(gòu)[1-4]。目前國內(nèi)對咬合樁的研究主要集中在全套管法上[5-8]，先施工素混凝土樁，再施工鋼筋混凝土樁。前樁使用超緩凝混凝土，要求在該樁混凝土初凝前完成后樁的施工。在后樁施工中，用套管樁機(jī)切掉與前樁相接觸部分的混凝土，以確保咬合效果[9-12]。

一般情況下，鉆孔咬合樁多用于軟土地層，而在上軟下硬的復(fù)合地層中，全套管法成孔困難，無法保證樁體的垂直度，以致于咬合效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。筆者依托杭州地鐵3號線一期工程工業(yè)大學(xué)站，對復(fù)合地層條件下咬合樁的圍護(hù)方案、施工工藝、成樁質(zhì)量控制等進(jìn)行探索。

1?工程概況

1.1?施工環(huán)境

杭州地鐵3號線一期工程工業(yè)大學(xué)站位于西湖區(qū)留和路與縱六路丁字路口，沿留和路布置。車站總平面圖見圖1。

車站北側(cè)為浙江工業(yè)大學(xué)，臨近護(hù)校河，南側(cè)為浙江外國語學(xué)院。車站為地下二層分離式雙島側(cè)式車站，標(biāo)準(zhǔn)段為雙柱三跨箱形框架結(jié)構(gòu)。車站總長473.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬31.5 m，總建筑面積35 993 m2，共設(shè)置6個(gè)出入口，12個(gè)疏散口，4組風(fēng)亭。

1.2?工程地質(zhì)

根據(jù)地勘報(bào)告，自上而下地層為1）雜填土：松散-中密，主要由碎塊石、角礫、混凝土塊及黏性土組成，層厚為0.30～3.70 m。2）素填土：松散-稍密，主要由黏性土及角礫組成，層厚為0.40～3.00 m。

3）淤?泥質(zhì)填土：主要為軟塑狀黏性土，力學(xué)性質(zhì)差，層厚為0.50～1.20 m。4）粉質(zhì)黏土：硬可塑黏土，中等壓縮性，層厚為0.50～4.40 m。5）含礫粉質(zhì)黏土：硬可塑，主要為砂巖或凝灰?guī)r，層厚為0.50～3.80 m。6）碎石夾黏性土：碎石含量約為52%，黏性土含量為10%～30%，母巖成份主要為堅(jiān)硬狀砂巖或凝灰?guī)r，所夾黏性土呈硬可塑狀，層厚為1.40～8.10 m，如圖2所示。7）中風(fēng)化泥巖上段：巖體破碎，局部巖芯遇水易軟化。巖芯采取率為55%～80%，RQD為20%。其飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為4.61 MPa，屬極軟巖，層厚為3.80～19.00 m。8）強(qiáng)風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖：節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈碎塊狀狀，層厚為0.30～4.0 m。9）中風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖：巖芯呈長柱狀、短柱狀，部分塊狀，巖質(zhì)較硬，巖芯采取率為75%～90%，RQD為60%～80%。飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為16.60 MPa，最大揭露層厚為?19.20 m?。如圖3所示。地層物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示，地層基坑參數(shù)如表2所示。

車站覆土3 m，車站自上而下主要位于第四系地層和下部基巖層?；孜挥谥酗L(fēng)化鈣質(zhì)泥巖，部分位于中風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖上段。圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度取3.5 m，最大入巖（中風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖）深度約12 m。車站地質(zhì)縱剖面圖如圖4所示。

1.3?水文地質(zhì)

1）地表水：護(hù)校河距離主體結(jié)構(gòu)邊線為20.00～25.00 m，水深為0.50～1.90 m，水位隨季節(jié)變化。

2）地下水：場地地下水類型主要分為孔隙潛水和基巖裂隙水2大類。孔隙潛水主要賦存于表層填土和淺部粉質(zhì)黏土、碎石夾黏性土中，由大氣降水徑流補(bǔ)給，排泄主要通過蒸發(fā)形式?？紫稘撍怪绷飨虿幻黠@，水平流速較小?；鶐r裂隙水補(bǔ)給來源主要為碎石夾黏性土層承壓水，水量較小、徑流緩慢。地下水位為地面下0.5 m。

2?圍護(hù)方案比選研究

2.1?圍護(hù)方案比選

工業(yè)大學(xué)站主體基坑標(biāo)準(zhǔn)段深度約為17 m，根據(jù)基坑深度，可選用地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁+止水帷幕、鉆孔咬合樁3種圍護(hù)方式，其優(yōu)缺點(diǎn)如表3-表5所示。

通過比較，3種圍護(hù)方案在地質(zhì)條件、防水效果上都是適用的。在工程造價(jià)上，因下部中風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖成槽需要使用銑槽機(jī)，因此連續(xù)墻方案造價(jià)明顯高于另兩種且連續(xù)墻施工速度較慢[9]。鉆孔咬合樁和鉆孔灌注樁造價(jià)相差不大，但咬合樁的防水效果較好，考慮基坑北側(cè)臨近浙江工業(yè)大學(xué)護(hù)校河，碎石夾黏性土滲透系數(shù)較大，綜合考慮采用鉆孔咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，典型橫剖面如圖5所示。

因素混凝土樁長為10 m，穿過碎石夾黏性土層，只發(fā)揮止水帷幕作用，沒有嵌固深度，圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)不考慮素混凝土樁的作用。采用理正深基坑軟件分析計(jì)算結(jié)果如圖6-圖8所示。

通過計(jì)算，采用800 mm厚地下連續(xù)墻和?D1 000@1 200 mm?鉆孔灌注樁時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移和彎矩均比較小，富余量較大，經(jīng)濟(jì)性較差。本基坑采用D1 000@700 mm的鉆孔咬合樁，基坑的受力與變形滿足規(guī)范要求，且比地下連續(xù)墻和鉆孔灌注樁更經(jīng)濟(jì)。

2.2?鉆孔樁施工工藝比選

目前，鉆孔咬合樁施工常用全套管鉆機(jī)（搓管機(jī)）軟切割和旋挖鉆機(jī)硬切割2種工藝，其優(yōu)缺點(diǎn)對比如表6所示[3]。

在上軟下硬的復(fù)合地層中，由于下部地層強(qiáng)度較大，全套管鉆機(jī)扭矩較小，下管困難，無法保證成樁的垂直度，同時(shí)施工效率較低，止水效果較差。通過綜合分析后選用旋挖鉆機(jī)硬切割工藝，施工采用旋挖鉆機(jī)成孔，液壓振動錘插拔鋼護(hù)筒，該施工工藝保證了成樁的垂直度，提升了施工效率具有較好的止水效果。

3?鉆孔咬合樁施工控制

3.1?成孔質(zhì)量控制

1）碎石夾黏性土處理措施?場地內(nèi)存在厚度為1.4～8.1 m的碎石夾黏性土層，根據(jù)鄰近車站鉆孔灌注樁的施工經(jīng)驗(yàn)，該地層在旋挖鉆機(jī)成孔過程中易塌孔，咬合樁施工采用10 m長鋼護(hù)筒護(hù)壁，鋼護(hù)筒底部位于碎石夾黏土與強(qiáng)風(fēng)化泥巖交接處。

2）垂直度控制?為確保咬合樁底部有足夠的咬合量，在成孔過程中要控制好鋼護(hù)筒和樁的垂直度。

使用液壓振動錘將鋼護(hù)筒夾起吊至樁位，使護(hù)筒中心與樁位對齊后緩緩將護(hù)筒振動壓入土體，在護(hù)筒壓入過程中不間斷使用鉛錘對護(hù)筒垂直度進(jìn)行監(jiān)測，若出現(xiàn)偏差及時(shí)校正。垂直度保證在3‰以內(nèi)方可滿足相關(guān)規(guī)范及規(guī)程的要求[10-11]。在成孔過程中對護(hù)筒垂直度進(jìn)行全程監(jiān)控，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正偏差，確保垂直度偏差在規(guī)定范圍以內(nèi)。

3.2?液壓振動錘插拔護(hù)筒控制

液壓振動錘配合旋挖鉆機(jī)施工咬合樁工藝具有護(hù)筒插拔快、工序銜接緊密的特點(diǎn)，在上軟下硬地層中施工，要做好以下幾點(diǎn)：1）液壓振動錘在下壓過程中應(yīng)監(jiān)控護(hù)筒的垂直度，垂直度出現(xiàn)偏差時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行矯正。2）液壓振動錘在夾運(yùn)護(hù)筒時(shí)應(yīng)有防墜落措施，以防液壓失效造成護(hù)筒掉落發(fā)生傷人事故。3）混凝土灌注完成前應(yīng)將護(hù)筒拔至一定高度（根據(jù)護(hù)筒長度所占混凝土量確定）灌滿后再使用振動錘將護(hù)筒完全拔出[12-14]。

4?應(yīng)用實(shí)踐

4.1?施工機(jī)械與工序研究

工業(yè)大學(xué)站鉆孔咬合樁施工采用旋挖鉆機(jī)成孔，液壓振動錘插拔鋼護(hù)筒。樁的排列方式為一個(gè)A樁（素混凝土樁）和一個(gè)B樁（鋼筋混凝土樁）間隔布置，采用隔樁跳打的樁序施工[15-16]。鋼筋混凝土樁采用水下C35混凝土，素樁采用水下C25混凝土，每組樁數(shù)應(yīng)根據(jù)混凝土終凝時(shí)間、地質(zhì)情況及設(shè)備功率來確定，確保在A樁終凝前完成B樁的施工，在A樁施工完成后應(yīng)及時(shí)下壓鋼護(hù)筒以打壓切割A(yù)樁混凝土，避免等待時(shí)間過長難以下壓，咬合樁施工順序如圖9所示。

4.2?現(xiàn)場實(shí)施情況

工業(yè)大學(xué)站主體基坑咬合樁于2019年10月施工完成，目前基坑已經(jīng)開挖至底部。樁體垂直度在2.2‰左右，滿足規(guī)范要求。對坑內(nèi)及圍護(hù)樁體之間地下水進(jìn)行監(jiān)測，僅部分樁身及樁體間有濕漬，未發(fā)現(xiàn)股狀和線狀水從樁體之間流出。從基坑開挖到底板完成，基坑最大變形17 mm，完全滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)施完成后可以看出鉆孔咬合樁成樁質(zhì)量良好，止水效果良好，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期效果。

4.3?工期分析

工業(yè)大學(xué)站主體基坑咬合樁共計(jì)1 747根，其中鋼筋混凝土樁874根，素混凝土樁873根。液壓振動錘配合旋挖鉆機(jī)施工，完成1個(gè)鋼筋混凝土樁成孔需4 h，完成1個(gè)素混凝土樁成孔需1 h，2臺旋挖鉆機(jī)每天可施工6根左右鋼筋混凝土樁，總工期約5個(gè)月。與采用全套管鉆機(jī)的類似工程比較，節(jié)約至少2個(gè)月工期，提升效率40%左右。

4.4?效益分析

1）社會效益?旋挖鉆機(jī)硬咬合法施工速度快，效率高，噪音低、振動小、無泥漿作業(yè)、成樁質(zhì)量高、防滲性能好、施工安全有保障、文明施工程度高、能很好地滿足環(huán)保要求，真正做到了“高效、環(huán)保、安全”的施工理念。

2）經(jīng)濟(jì)效益?旋挖鉆機(jī)硬咬合法地層適應(yīng)性廣，樁體垂直度高，外型標(biāo)準(zhǔn)，防滲能力強(qiáng)，無需泥漿護(hù)壁，擴(kuò)孔系數(shù)小，配筋率低，施工速度快，造價(jià)低，比地下連續(xù)墻造價(jià)低40%，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5?討?論

鉆孔咬合樁是由相鄰樁互相咬合排列的一種圍護(hù)結(jié)構(gòu)，與其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合比較，在上軟下硬的復(fù)合地層中，咬合樁在受力、防水、地層適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性等方面具有一定的優(yōu)勢。

1）受力?上軟下硬復(fù)合地層中，采用地下連續(xù)墻和鉆孔灌注樁時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移和彎矩均比較小，富余量較大，經(jīng)濟(jì)性較差。采用鉆孔咬合樁時(shí)，樁體受力合理。

2）防水?與鉆孔灌注樁相比，咬合樁不需要另外設(shè)置止水帷幕，止水可靠性更高。

3）地層適應(yīng)性?鉆孔咬合樁、地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁均適用于多種地層，地下連續(xù)墻在地層強(qiáng)度較高的情況下成槽成本較高。

4）經(jīng)濟(jì)性?在復(fù)合地層中，地下連續(xù)墻成槽成本較高，鉆孔咬合樁和鉆孔灌注樁成本相當(dāng)。

鉆孔咬合樁解決了采用地下連續(xù)墻圍護(hù)型式帶來的成槽困難、施工成本高等問題，解決了采用分離式鉆孔灌注樁止水效果差的問題。通過對地層特性分析選擇采用旋挖鉆機(jī)硬切割法施工咬合樁，能產(chǎn)生更好的工期效益、社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

6?結(jié)?語

筆者以杭州地鐵3號線為例研究了鉆孔咬合樁在上軟下硬復(fù)合地層中的適應(yīng)性及應(yīng)用情況，得出以下結(jié)論：

1）與地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁相比，咬合樁受力更合理;

2）咬合樁和鉆孔灌注樁工程造價(jià)相當(dāng)，但咬合樁止水效果優(yōu)于鉆孔灌注樁，工程造價(jià)比地下連續(xù)墻低約40%;

3）在上軟下硬地層中鉆孔咬合樁施工的控制要點(diǎn)包括成孔質(zhì)量控制、液壓振動錘插拔護(hù)筒控制;

4）在復(fù)合地層中采用旋挖鉆機(jī)硬切割法施工咬合樁，成孔效率高，樁體垂直度高，止水效果好，能產(chǎn)生很好的工期效益;

5）施工過程中噪音低、振動小、無泥漿作業(yè)、施工安全有保障、文明施工程度高、能很好地滿足環(huán)保要求，能產(chǎn)生很好的社會效益;

6）咬合樁擴(kuò)孔系數(shù)小，配筋率低，施工速度快，造價(jià)低，能產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益。研究過程及結(jié)果可為復(fù)合地層中的基坑工程的施工提供借鑒與參考。

本文在咬合樁圍護(hù)計(jì)算時(shí)，對素混凝土樁僅考慮其止水作用，實(shí)際上素混凝土樁也能夠分擔(dān)一定的水土壓力荷載，但其分擔(dān)的比例有待進(jìn)一步深入研究。研究素混凝土樁分擔(dān)荷載的比例，使設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理是以后進(jìn)一步研究的方向。

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