（道路与铁道工程专业论文）混凝土咬合桩在地铁车站深大基坑中应用研究.pdf

摘要 2 0 世纪8 0 年代以来，地下空间的开发和利用受到人们重视。地下工程的发展，导致 基坑向深、大方向发展成为必然趋势。寻求一种节地、安全、经济、合理的深基坑支护方 法，成为当翦研究的热点滴题，钴孔皎合桩便是新型墨护结构之一。 通过本文的研究，希望能为今后在软土地区推广使用钻孔咬合桩作贡献，并为这种 耨型深基坑曝护结构提供理论和设计依据。本文得到如下主要结论： ( 1 ) 模拟新街口车站现场浇注咬合桩过程，制作不同咬合间隔的抗渗试件，借助混 凝抗渗仪研究咬合面抗渗性能。研究褥毖最佳咬合闻隔黠闻戈2 0 3 e 个小时，隧蓑咬 合时间的增长，咬合面的性能下降，圈护桩墙的整体性能在下降；极限咬合时阀为6 0 小 时，易形成施工缝，止水效果明晟下降，成果具有创新性。 ( 2 ) 试验结果与理论分析捐结合得国咬舍间隔时间与隰护止水深度关系，茭噬嚣类 似工程提供参考依据。 ( 3 ) 运用等刚度法，将咬合桩等效为厚度为6 0 0 斓n 的地下连续墙，对咬合桩进行 相关计算讨论，褥鑫其包络图( 位移、弯矩、剪力) ，最大深层位移减少1 3 8 ，最大弯 矩减少l5 5 ，建议设计考虑素溉凝土分担受力。 ( 4 ) 磷究皎合厚度公式露一2 联三s o 掰嬲，壶桩偏斜度、咬合厚度确定裰限桩长。 关键词：地铁车站基城；混凝土咬合桩；抗渗；皎合间隔时间；设计方法；施工工艺； 现场实测 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作所取得的 成果。尽我所知，除文中已经特别注锈辱l 周的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位敞储( 本媵触髓字谛6 月细 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件套电子版中国科学技术信息研究所；国家 图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。举人授权南京林业大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合为学校的科技成果，可以采用影印、 缩印或扫描等复嘲手段保存和汇编本学位论文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保 ( 请在以上方框内打“ ” ) 学位论文作者( 本人签名) ： 指导教师( 本人签名) ： 雌6 足，4 鲤 毋唪g 是g 毽 1 绪论 1 1 研究意义 2 0 世纪8 0 年代以来，随着城市化建设的不断发展，对开发和利用城市三维空间的要求 越来越迫切，地下空间的开发和利用也逐渐受到人们重视。地铁、地下车站、地下停车场、 地下商场以及地下民防工事、多种地下民用和公用设施等越来越多。地铁车站等城市地下 工程的发展，导致基坑向深、大方向发展成为必然趋势。 我国深基坑工程在数量与规模上都逐年增加，加之很多基坑工程都集中在建筑物密集、 地下管线复杂密布的城市，使得基坑支护体系不仅需要保证基坑邈身的稳定，而且还必须 保证邻近建筑物和地下管线设施的安全，这就给基坑支护带来了很多困难，对基坑支护工 程提出了比较高的技术要求。因此，寻求一种节地、安全、经济、合理的深基坑支护方法， 成为当前研究的热点问题，新型围护结构不断出现，钻孔咬合桩便是新型围护结构之一。 钻孔咬合桩分素混凝土桩( b 桩) 和钢筋混凝土桩( a 桩) ，采用套管护壁成孔，先闻 隔施工b 桩，在b 桩素混凝土初凝前，用液压套管钻机切割b 桩部分桩体后施工b 桩之间 的a 桩，最终形成a 桩与b 桩的咬合结构，见图卜1 所示。 图l l 咬合桩示懑图 f 逸。l - ls e c a n tp i l es c h e m 越i c 式a g 豫嫩 钻孔咬合桩墙强度及刚度均较大，可作为永久结构的一部分，在结构抗浮不满足时可 以在桩项设聪顶冠梁。钻孔咬合桩与普通钻孔灌注桩相比，具有施工噪音低、无泥浆污染、 造价低( 仅约为地下连续墙的5 0 ) 、节约混凝土( 充盈系数小) 、止水效果好等优点。咬 合桩旎工的关键在于钢筋混凝土桩与素混凝土桩的咬合质量【l 】。 岩土工程的理论研究落后于工程实践，时闻可以长达十几年，甚至更长，皎合桩也不 例外。国内外研究也多以完善施工工艺为主，未见完善的设计理论。本文拟以南京地铁二 号线新街口车站钻孔咬合桩围护结构为工程背景。新街口车站基坑是目前国内外最大地铁 车站基坑之一，具有深、大、环境复杂等特点。在圈内首开复杂环境下的应用先河。车站 基境在城市繁华区，施工单位采取夜间停工的措施，这种措施不能保证咬合桩施工的连续 性。因此，拟通过试验研究和新街口车站基坑开挖现场监测，总结得出钻孔咬合桩最佳咬 合间隔时间和最大允许咬合间隔时间。在减少城市闹区施工扰民，同时保证成桩质量。对 咬合桩的应用进行研究，耀以完善咬合桩的研究工作，展现咬合桩在深、大、复杂基坑应 用的综合优势，推广此新型围护结构在类似工程中的应用。 1 2 国外应用与研究现状 钻孔咬合桩在国外得到广泛应用。比如在日本得到成功应用的工程有：静冈县铁道桥 桥脚补强工程胆1 ，桩径巾1 0 0 0 ，桩长1 1 m ；北海道码头岸壁工程，桩径巾1 5 0 0 ，桩长最深处 达到3 4 9 m 。对大截面钻孔咬合桩的稳定性进行了试验研究，试验目的是检验大截面形式的 钻孔咬合桩对周围土体稳定性的影响，并对效果进行研究乜1 。 美国西北大学的m c h a r dj f i l l l l o 和b 巧s o nl s e b a s t i a i l 口儿司哺1 ，研究了芝加哥地铁车站的 基坑支护巾9 0 0 m m 的咬合桩的性能和基坑开挖对临近浅基础建筑物的影响，通过监测数据 和理论分析，综合评价了咬合桩这种刚性围护结构。 t o n ys u c k l i n g 哺1 ( 2 0 0 5 ) 提到了咬合桩对于承包商和工程师在素混凝土的强度需要上的 冲突，前者要求素混凝土有一致的强度，后者要求素混凝土有一定的强度持久性，以利于 钢筋混凝土桩的施工。 a n l 】r or e s s id ic e i a h 。( 2 0 0 4 ) 等研究了咬合桩在美国w a l t e rf g e o r g e 大坝的防渗工 程中应用，成功解决了大坝多年的渗漏问题。 a n d e r s o n ，t 1 1 0 m a sc 阳1 ( 2 0 0 4 ) 研究了咬合桩在复杂地质条件下，用咬合桩作竖井的 挡墙，并设置五道混凝土环形支撑提高挡墙的整体刚度。 b m n n e r ，w b l 窀a n gg 呻1 ( 2 0 0 3 ) 论述在修复二战中被炸坏的德国莱比锡市b i b l i o t h e c a a l b e r t i n a 图书馆中，应用咬合桩联合其它地基处理措施，成功地加固图书馆地基。 日本、美国、泰国和欧洲都有咬合桩的成功实例瞳铂叫别。文献资料多集中于咬合桩的工 艺介绍和基坑监测成果分析，即研究咬合桩对周围环境的影响。应用领域也涉及到水利、 地铁、建筑等工程，咬合桩的作用也主要是防渗、挡土、承重。 1 3 国内应用与研究现状 国内咬合桩的施工工艺已较成熟，沈保汉、刘富华领导完成的“液压摇动式全套管灌 注桩和钻孔咬合桩成套技术研究与开发”科研项目，共获得1 项国家发明专利和3 项实用 新型专利。该项目在国内首次将软切割方式的全套管钻孔咬合桩成功应用于地铁及地下围 护结构工程。软切割技术优于国内外常用的硬切割方式的钻孔咬合桩施工工艺，具有独创 性。 沈保汉，刘富华等n 0 1 对水泥土搅拌桩、s m w 工法桩、钻孔灌注桩加止水措施形成的组合 桩、捷程m z 系列全套管钻孔咬合桩、地下连续墙等5 种挡土围护结构技术特性比较，表明 在软土地区挡土围护结构中钻孔咬合桩的综合技术特性显优。 周顺华等u 通过分析冲淤沉积层的特点和套管咬合桩的施工工艺，对套管咬合桩在冲 淤沉积层中的扩径现象进行了研究，指出在该地层中套管咬合桩旋工产生扩径的主要原因 是套管下沉对地层的扰动、周围土体向管内涌挤而产生的超挖和缓凝混凝土对地层的挤压 扩张作用。提出利用水泥搅拌桩替代a 序素混凝土桩用有钢筋笼的b 序桩咬合a 序的水泥 搅拌桩形成钻孔桩咬合搅拌桩的一种新型咬合桩工法。该工法可以有效解决在冲淤沉积层 中进行咬合桩施工时的扩径问题和止水问题。该工法在南京地铁西延线工程中得到应用取 2 得了较好的应用效果。 陈清恚h 箱( 2 0 0 2 ) 认为通过对外加剂的合理选用和配合毙合理确定，完全簸够配制出 凝结时间6 0 7 2 h ，3 天强度小于3 m p a ，2 8 天强度大于3 0 m p a 的超缓凝混凝土。认为只 有严格加强对生产和施工中各个环节的控制，才能保证生产出超缓凝混凝土质量和施工的 正常进行。 朱川鄂娃捌( 2 0 0 5 ) 研究了钴魏咬合桩的施工工艺、关键技术的质量控制、施工中常见 事故桩的处理办法等。 李文林4 1 ( 2 0 0 6 ) 研究了超缓凝剂的作用机理和影响超缓凝时间的因素，在此基础上 提出了超缓凝混凝土配制需要注意的问题和配制试验需要进行的项目。通过室内模型试验 研究了咬合摭模型在受拉、受剪和受弯时咬合面的力学性能，以及在受弯时，荤素桩的共 同作用情况。模型试验结果表明：咬合面的质量与a ，b 桩咬合间隔时间有很大关系。模 型受弯时，咬合面强度可以很好的保证攀素桩共同变形，根据裂缝的发展情况，建议了不 同阶段的计算截面。得出荤荤搭配的咬合桩完全可以作为永久结构使用，荤素桩可以作为 永久结构一部分使用。给豳了咬合桩墙与主体结构外墙的连接方式，定性邋讨论了各种连 接方式下内外墙的荷载、弯矩和应力的叠加情况，指出了各种连接方式下设计应该注意的 问题。 刁伟轶h 瓤( 2 0 0 6 ) 主要研究了适合于上海地区的钻孔咬合柱溺护结构相关的施工工艺、 施工方法以及施工组织设计；遇到 x 蓁雾萎蓁蓁羹薹雾枢； 竭叼墨妻毫l 薹饕蚕茎瑟藩燮型鉴翕型囊彳鎏夏篓薹鋈骥落话询鍪 x 2 咬合桩超缓混凝土试验研究 2 王试验研究目的 研究钻孔咬合桩超缓混凝土强度随时间的变化规律，研究咬合桩咬合面的抗渗性，拟 获得南京地区最佳咬合间隔时间与最大允许咬合间隔时间，为钻孔咬合桩在以后基坑支护 工程中的推广应用建立试验与理论基础，并提供切实可行的设计施工依据。 2 2 试验研究内容 ( 1 ) 咬合藤抗渗性缝 试件在自然养护与标准养护两种条件下进行，不同咬合间隔时间( 1 0 h 、2 0 h 、4 0 h 、6 0 h ) 条件下的混凝土咬合面渗透性。试侔分批浇注，先浇注部分c 2 0 混凝，剩余部分用c 3 0 混凝土浇注，边振捣，边抽出隔板，此浇注过程模拟现场施工。研究超缓混凝土试件皎合 面2 8 d 的抗渗性，获得咬合间隔时间不同试件的渗透性； ( 2 ) 超缓混凝土强度研究 在标准养护条件，室内进行外加剂掺量1 6 ( 与施工所用混凝土相同) ，超缓混凝土不 同龄麓( 3 d ，7 d ，1 4 d ，2 8 d ) 的强度试验，拟获得超缓混凝土强度随时闻增长规律。 2 3 试验规划 本试验为单因素试验： ( 1 ) 强度试验：超缓混凝土的外加裁掺量l 。6 ，龄期隽3 d 、7 d 、1 4 d 、2 l d 、2 甜超缓 混凝土试块的无侧限抗压强度； ( 2 ) 渗透试验：素荤混凝土咬合时间间隔为l o h 、2 0 h 、4 0 h 、6 0 h 四个，2 8 d 龄期的渗 透性，每一参数进行六组平行试验。 2 。4 试验材料 为确保试验的有效性与可比性，试验选用c 2 0 超缓混凝土与c 3 0 普通混凝土与工地同 配合毖、溺原材料。 2 4 1 超缓凝剂 超缓凝剂( s u p e rs e tr e t a r d e r ) 为外加剂，超缓凝剂( s u p e rr e t a r d 盯，s r ) 是日本于2 0 世纪8 0 年代中来期首先开发研制出来的一种新型混凝土外加剂，是一种能够在较长时间 内( 如超过2 4h 甚至3 6h ) 任意调节混凝土的凝结时间，面不致破坏混凝土性能的外翻荆。 本工程所用缓凝剂为江苏博特建材公司州v i i i 型( 缓凝、泵送) 混凝土高效增强剂， 6 它系以b 萘磺酸亚甲基高级缩合物和反应型高分子聚合物为主体的复合添加剂，内掺为水 泥用量的o 8 1 6 ，最大减水率可达3 2 ，混凝土坍落度2 h 几乎无损失，2 8 d 抗压强度 较基准混凝土提高4 0 以上，具有和易性好，适应性强，缓凝效果明显等功能。主要性能 指标及特点：大减水。产品减水效果显著，按混凝土外加剂( g b 8 0 7 6 9 7 ) 中有关规定， 测得蹦- v i i i 型增强剂的减水率均在2 0 以上，最大可达2 5 。对于大流动性混凝土，j m - v i i i 型增强剂减水效果更加明显，最大减水率可达3 2 。 j m v i i i 型增强剂采用反应性高分子共聚物作为保坍组分，在气温低时，混凝土坍落度 损失慢，反应性高分子共聚物释放速度慢；气温高时，混凝土坍落度损失加快，反应性高 分子共聚物释放速度加快，混凝土的保坍能力提高。掺j m v i i i 型增强剂的水泥基材早期水 化放热峰值明显降低，且峰值出现的时间向后推迟，有效降低了早期水化热，其l d 水化热 仅为纯水泥浆体的1 7 ，从而有效地减少或避免温度裂缝的出现。 超缓凝剂的主要作用为：用于大体积混凝土之中，可防止发生温度裂缝；可减少 混凝土坍落度损失，便于长距离运输；可调整作业时间，避开夜间施工；改善接搓面 的附着功能，代替人工凿毛硅酸盐水泥水化过程。 2 4 2 素桩c 2 0 混凝土 c 2 0 混凝土配合比与原材料技术指标详见表2 1 与表2 2 所示。 表2 1c 2 0 超缓混凝土配合比 表2 2c 2 0 超缓混凝土原材料主要技术指标 t 啦! 三：三坚垒垫! 宝里墅i 垒! i p 堑! 筌i 2 墨j2 1 竺三! ：竺p ：签型宝：2 旦型宝苎兰巴筌野a l 材料名称生产厂家规格品种 2 4 3 荤桩c 3 0 混凝土 c 3 0 混凝土配合比与原材料技术指标详见表2 3 与表2 4 所示。 表2 3c 3 0 混凝土配合比 ! 垒! ! ：坚i 兰毯2 2 垒i 2 翌2 1 ：q 2 呈! ：宝堡 配合比 水水泥粉煤灰砂 石外加剂 7 2 5 2 混凝土抗渗仪 h s - 4 型混凝土抗渗仪适用于混凝土抗渗性能的试验和抗渗标号的测定。咬合面渗透性 试验没有现成的装置可以利用，且抗渗仪能自动加压注水，能在一定程度上模拟成地下咬 合桩的工作环境，故混凝土咬合面渗透性试验尝试性的采用抗渗仪来进行试验研究。 h s 一4 型抗渗仪的最大工作压力为4 a ，电机功率为1 2 0 w ，工作方式为电动和手动加 压两用，外形尺寸为1 0 5 0 9 0 0 6 6 0 m m ，重量为2 0 0 妇左右，一次性可进行六个试样试验。 抗渗仪主要由箱体、水泵、水包、台面、管道系统组成，见图2 3 和图2 - 4 。 1 4 图2 3 抗渗仪总装图 f i g 2 5a p p a r a n l sf o ra n t i p e n e t r a t i n g 卜箱头架；2 一水泵；3 一水包；4 一放水阀；5 一安全阀：6 一注水阀；7 一螺栓；8 一泵体；9 一供水管； 1 0 一放( 进) 水阀；1 l 一压力表；1 2 一抗渗试模；1 3 一试模座；1 4 一台面；1 5 一水箱 图2 4 水泵装配图 f i g 2 - 4a s s e m b l yd r a w i n go f w a t e rp 啪p 卜电机；2 一小齿轮轴：3 一大齿轮；4 一偏心轮；5 一连杆；6 一拉杆；7 一柱塞；8 一泵体 9 2 6 试验步骤 2 6 1 超缓混凝土强度试验 试验依据：普通混凝土拌和物实验方法( g b 厂r 5 0 0 8 0 2 0 0 2 ) ：普通混凝土力学性能 实验方法( g b t 5 0 0 8 1 2 0 0 2 ) ；普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法( g b j 8 2 8 5 ) ： 建筑砂浆基本性能实验方法( j g j 7 0 9 0 ) 。 试件尺寸：1 5 0 m m 1 5 0 n u i l 1 5 0 m m ，制作完成后，放入标准养护室内养护，测定超缓 混凝土试件的无侧限抗压强度。 2 6 2 咬合面渗透试验 ( 1 ) 试件制作与养护 应用混凝土抗渗的成形试模，按不同咬合间隔进行浇注两种不同标号的混凝土，制 作成顶面直径1 7 5 蚴、底面直径1 8 5 m m 、高1 5 0 i 姗的圆台体混凝土试件，六件为一组。 o 试模与隔板擦油浇注c 2 0 混凝土 o o 萼鎏婆竺鎏凝土 试件制作完成 边抽取隔板 图2 - 5 试件浇注流程 f i g 2 - 5t - e e m i n gp r o c e s so fs p e c i m e n 试件成型后2 4 h 拆模，用钢丝刷刷去两端面水泥浆膜，然后送入温度2 0 士3 、相对 湿度9 5 的标准养护室养护； 试件养护至2 8 天进行试验。 ( 2 ) 试件密封材料改进 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法( g b j 8 2 8 5 ) 推荐的混凝土抗渗试验用石 蜡和火漆或石蜡和松香作密封材料，该法费时费力且试件周边密封性不好，容易渗水。若 改用工业黄油、矿渣、细砂作密封材料取代石蜡等，可有效解决上述难题。密封材料具体 配比见表2 5 。 1 0 表2 5 密封材料配比 ! 璺q ! 呈兰：i ! 生垡i 22 1 型卫翌2 1 ：虫垡 材料细砂( j 0 ( 5 2 a ) r l 0 1 。 f 一 。 j ： ( 深度( )深度( m ) 深度( m ) 水平位移( m m ) 弯矩( k n m ) 剪力( k n ) m a ) ( ：2 3 8 5 3 2 4 9 0 7 45 0 9 6 5 9 8 2 图3 8 包络图( 水土分算，矩形荷载) f i g 3 8e n v e l o p ed i a g r 锄n ( s e p 踟t e c a lc u l a t i o no f w a t e ra n ds o i lp r e s s u r e ，r e c t a i l g u l a rl o a d ) 2 7 0 0 采用理正深基坑5 0 4 设计软件进行单元计算得： 4 己 ： ： ! | 1a j ，、 、 。“t ：1 位积n n ) 弯矩( k n n ) ( 一2 0 4 6 ) ( 3 ，2 9 )( 一6 3 2 0 4 ) ( 2 7 8 5 5 ) ( o o o ) ( 0 0 0 )( 一6 0 3 ，2 8 ) 一一一( 7 6 6 4 8 ) l 蠼 纱 ： 矽 多手 ；i 一 ； ：j 匕 ： 剪苁k n ) ( 一2 4 3 2 9 ) 一一一( 3 9 4 1 6 ) ( 一3 3 5 8 3 ) 一一一( 3 0 1 9 6 ) 图3 - 1 0 包络图 f i g 3 - loe n v e l o p ed i a g r ；l m 由图3 - 8 与图3 1 0 知： ( 1 ) 钻孔咬合桩按灌注桩设计，素混凝土起桩间止水作用，不考虑素桩受力，偏于安 全。按两种形式计算结果表明：素混凝土桩提高桩墙的整体刚度，可起到减少位移的作用。 ( 2 ) 按灌注桩设计最大位移2 3 8 m m ，考虑素混凝土分担作用，按地下连续墙设计最 大位移为2 0 5 m m ，按后者设计较大地减少深层位移1 3 8 。最大弯矩减少1 5 5 ，可见钻 孔咬合桩按地下连续墙考虑，要比灌注桩设计更加贴近工程实际。即应该考虑受力素混凝 土分担的情况，可减少灌注桩配筋，降低工程造价。 3 4 钻孔咬合桩咬合设计 3 4 1 咬合厚度设计 最小咬合厚度要满足抗渗性能的要求，而确保咬合厚度措施一般是严格控制成孔和成 桩质量，成孔作业由于是在地下、水下完成，质量控制难度大，复杂的地质条件或施工中 的失误都有可能产生塌孔、缩径、桩孔偏斜、沉渣过厚等问题。同时桩孔偏斜在一定程度 上改变了桩的受力特性，并且孔斜还易产生吊放钢筋笼困难、钢筋保护层厚度不足、塌孔 等问题。所以应严格控制桩的偏斜度。 地下铁道工程施工及验收规范( g b 5 0 2 9 9 1 9 9 9 ) 第3 1 5 条规定，桩的垂直度允许 偏差为3 o ，为了保证桩孔咬合桩底部有足够厚度的咬合量，除对其孔口定位误差严格控制 外，还应对其垂直度进行严格的控制，如果成孔垂直精度控制不好，将会发生前后、左右 开叉的后果。 2 9 闻酌唆 按下式进 d = 1 2 ( k l + q ) 即式3 3 保证桩底的最小咬合厚度不小 式中l k 桩 q 孔口定位误 d 钻孔咬合桩的设计 对于软切割桩的咬合厚度过大，则提高围护桩的造价，工 以深圳地铁会购区间全套管钻孔咬合桩工程为例，桩径1 0 0 0 m m ，咬合厚度2 0 0 桩长2 l m ，b 桩长1 8 m ，如果桩的垂直度允许偏差为3 ，则此时b 桩最不利咬合 有2 0 0 1 8 0 0 0 o 0 0 3 2 = 9 2 m m ，满足对最小厚度继而确定公式d 一2 仿三( 由3 3 式，桩偏斜度与咬合厚度得极限桩长详见表 表3 4 桩偏斜度、咬合厚度确定的极限桩 3122 7 5 0 0 亦 5 o0 0 由图3 1 1 知： 桩身长 4 0 m 时，应该严格控制桩的偏斜度，确保足够的咬合厚度； 桩身长度还与施工机械有关，受到钻机的摇动推力、摇动扭矩、提升力、夹紧力及 定位力等力学指标影响，故还应提高施工机械精度与效率。 3 4 2 咬合时间设计 咬合时间设计主要是计算出工程混凝土缓凝时间，确保咬合质量。素桩所用混凝土缓 凝时间应根据单桩成桩时间来确定，单桩施工时间见下表 表3 5 单桩施工时间表 序号工序施工时间( h )施工总时间备注 1桩机就位对中0 5o 。5 2 取土、成孔 6 o6 5 时间为b 桩( 钢 3 安放钢筋笼 1 07 5 筋混凝土) 施工总 4 安放导管o 58 0 时间 5 浇注混凝土 3 51 1 5 6 拔出套、导管 o 51 2 o 说明：b 桩为素混凝土桩，所需施工总时间为1 1 h 素桩( b 桩) 混凝土的缓凝时间，可根据式3 5 进行计算： r = 2 + 乙+ k f 3 5 1 为施工方便起见，简化为式3 6 丁= 3 h k f 3 6 1 式中：丁b 桩混凝土的缓凝时间( 初凝时间) k 储备时间，一般取1 2 小时 f 单桩成桩所需时间 r 。a 桩成桩所需时间 f 。_ b 桩成桩所需时间 单桩成桩时间又与地质条件、桩长、桩径和钻机能力等直接的联系。 咬合时间设计还应考虑，混凝土坍落度：1 4 0 1 8 0 m m ；混凝土3 d 强度值足j 不大于 3 m p a 。 4 咬合桩施工工艺研究 4 1 咬合桩 钻孔咬合桩是采用全套管钻机钻孔施工，在桩与桩之间形成相互咬合排列的一种基坑 支护结构，咬合桩的主要型式如图4 1 所示，为便于切割，桩的排列方式一般为素混凝土桩 ( b 桩) 和钢筋混凝土桩( a 桩) 间隔布置，施工时先施工b 桩后施工a 桩，b 桩采用超 缓混凝土，要求必须在b 桩混凝土初凝前完成a 桩的施工，a 桩施工时采用全套管钻机切 割掉相邻b 桩相交部分的混凝土，实现咬合。新街口的咬合桩即采用最为一般的形式，素 混凝土桩与钢筋混凝土桩咬合的型式，见图4 2 所示。 钢筋混凝土桩与矩形钢筋笼混凝土桩咬合示意图 钢筋混凝土桩与型钢加劲桩咬合示意图 钢筋混凝土桩与素混凝土桩咬合示意图 钢筋混凝土桩与混合材桩咬合示意图 图4 1 咬合桩常见型式 f i g 4 - lc o i l 蛐o n 够p e so fs e c a i l tp i l e 3 2 4 1 1 施工机械 我国2 0 世纪末开始钻孔咬合桩施工实践，钻孔机械必液压摇动式全套管灌注桩枫 ( 简称套管钻机) 。国外进口的，管内出土为冲抓式，西欧的套管钻机管内出土有螺旋式， 但都价格昂贵。现较新型为日本住友( s 坝i t o m 0 ) s p l 3 5 型回旋式套管钻机和s d 2 0 5 - 2 型旋挖钻孔瓿。施工时，首先用套管钻机将套管旋转贯入土层，然后再黑旋挖钻祝进行取 土，依次循环，直至达到设计标高。在遇到硬土层时，可在内侧安装螺旋钻杆配合外侧套 管一起钻进。国内昆明捷程桩工有限责任公司的捷程牌抛系列全套管钻机也在国内应用 较广，其中新街口应用就是磁。l 型全套管钻机。其性能指标见表4 2 。 表4 2 捷程牌m z 系列全套管钻机性能指标 黾b l e 4 2p e 晌凇勰e ei 珏d e xo fj i 豳e n gm zs e r 主e s 性能指标 m z 1m z 2 m z 3 钻孔直径( m ) o 8 1 o1 o 1 2 1 2 1 5 钻孔深度( m ) 3 5 4 53 5 4 53 5 4 5 压管行程( m m ) 5 5 06 5 06 0 0 摇动接力( 磷) 1 0 6 孕 1 2 5 51 6 4 8 摇动扭矩( 1 斟m ) 1 2 5 51 4 7 02 6 5 0 提升力( 磷) l1 5 7 3 5 31 9 6 l 夹紧力( k n ) 1 7 6 5 1 9 6 02 2 5 5 定位力( 斟) 2 9 43 5 3 4 9 0 摇动角度( o ) 2 72 72 7 前后倾角( o ) 888 钳强嵩度( m m ) 4 5 05 5 0 5 5 0 功率( k w ) 5 57 59 5 漶缸工作篮力( m 魏) 3 53 53 5 长度4 7 0 0 5 5 0 06 0 0 0 外形尺寸 ( 毅l m ) 宽度 2 2 0 01 2 5 0 2 8 0 q 高度 1 5 0 01 5 4 01 6 0 0 主机 1 4 0 0 01 8 0 0 02 8 0 0 0 质量( x g ) 液压工作站 2 8 0 0 3 2 0 03 5 0 0 配合履带吊起重熊力( 1 烈) 2 1 4 7芝1 9 6墨4 3 锤式抓斗( 磷) 2 0 2 52 5 3 53 5 5 0 十字冲锤( 1 n ) 8 06 0 8 08 0 1 0 0 新街口车站围护桩施工采用全套管钻机m z 一1 型，其机械原理见图4 3 所示。 站 图4 3 施工机械工作原理图 f i g 4 - 3w o r k i n gp r i n c i p l eo fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e 巧 全套管钻机由主机、锤式抓斗、动力装置和套管组成。 ( 1 ) 主机 主机是整套机组中的工作机，由导向、纠偏机构、摇动装置、沉拔管液压缸、摇动臂 和底架组成。其中，摇动装置是由夹管液压缸、夹管装置和摇动臂等组成。摇动装置的作 用是，当将套管放入夹管装置后，收缩夹管液压缸，夹管装置即将套管夹持住，然后通过 2 个摇动臂上的摆动液压缸往复伸缩，夹管装置和套管即在一定的角度内以顺时针和逆时 针方向转动，使套管剪切土体，因此套管与土体间的摩阻力大大减少，套管逐渐压入土中。 ( 2 ) 锤式抓斗 锤式抓斗的作用与工作过程是，当套管压入土中，抓斗片呈打开状态，卷扬筒突然放 松，抓斗以落锤( 自由落体) 方式向套管内冲入切土；此后闭合抓斗片，提起抓斗移出孔 位，打开抓斗片弃土。抓斗的外径要与套管的内径相匹配。 按抓斗片动作实施方式，可分为机械式抓斗和液压式抓斗。国内外多用机械式抓斗， 其抓斗片的张开、落下、关闭、拉上由1 根或2 根钢丝绳操作，而其中又以1 根钢丝绳形 式居多。 ( 3 ) 动力装置 由发动机、轴向柱塞泵、皮带盘、液压油箱和柴油箱等组成，并全部安装在底盘上。 ( 4 ) 套管 全套管钻机的标准套管长度为6 m ，另配有1 、2 、3 、4 、5 m 等不同长度的套管，施 工时可根据桩的长度配套使用。套管在入土过程中承受一定的扭矩，桩孔越长所承受的扭 矩越大，视扭矩大小选用单层套管或双层套管。上下接头均为经过精确加工的雌雄接头， 便于套管准确连接。在第l 节套管的端部连接一段适应于不同土质的带有刃口的短套管， 其刃口外径比标准套管外径大2 0 4 0 m m ，以减少在下沉过程中上部标准套管与孔壁间的 摩阻力。 3 s 4 1 2 工艺流程 ( 1 ) 咬合桩单桩施工工艺流程如图4 4 所示。 图4 4 咬合桩单桩施工工艺流程 f i g 4 - 1s i i 培l es e c a n tp i l et e c l m o l o g i c a lp i 0 c e s s ( 2 ) 咬合桩的施工工艺流程 国内施工工艺流程 国内总的原则是先旖工a 桩，后施工b 桩，其施工工艺流程是： a 1 - a 2 _ _ b1 - a 3 - b 2 a 4 a n b n 1 ，如图4 5 所示。 图4 5 国内施工工艺流程图 f i g 4 - 5d o m e s t i ct e c h n o l o g i c a lp r o c e s s 国外施工工艺流程 日本工程界曾提出的其施工工艺流程是：a 1 a 2 _ a 3 b 1 i a 4 b 2 一a n b n 一2 ， 如图4 6 所示。 4 3 3 克服钢筋笼上浮的方法 由于套管内壁与钢筋笼外缘之间的空隙较小，因此在上拔套管的时候，钢筋笼将有可 能被套管带着一起上浮。其预防措施主要有： ( 1 ) a 桩混凝土的骨料粒径应尽量小一些，不宜大于2 0 删n ； ( 2 ) 在钢筋笼底部焊上一块比钢筋笼直径略小的薄钢板增加其抗浮能力； ( 3 ) 钢筋笼导正器必须制作； ( 4 ) 混凝土灌注必须按操作规程进行。 4 3 4 分段施工接头的处理方法 在诸多工程中，一台钻机施工无法满足工程进度，需要多台钻机分段施工，这就存在 与先施工段的接头问题。采用砂桩是一个比较好的方法，如图4 7 所示。在施工段与段的 端头设置一个砂桩( 成孔后用砂灌满) ，待后施工段到此接头时挖出砂灌上混凝土即可。 图4 7分段施工接头预设砂桩示意图 f i g 4 - 7s a n dp i l ef o rj o m o fs e c t i o nc o n s 打u c t i o n 4 4 常见事故桩处理方法 在钻孔咬合桩施工过程中，因b 桩超缓混凝土的质量不稳定出现早凝现象或机械设 备故障等原因，造成钻孔咬合桩的施工未能按正常要求进行而形成事故桩。事故桩的处理 分以下几种情况： 4 4 1 平移桩位单侧咬合 图4 8 为采用平移桩位后，单侧咬合，旋喷桩补强的情形。 旋喷桩 图4 8 平移桩位单侧咬合示意图 f i g 4 8p i l e 锄l s l a t e da i l d 岫i l a t e m lo c c l u s i v e d 3 9 5 咬合桩在新街口车站工程中应用 5 。l 工程概况 5 。l 。l 工程位置及周边环境 新街口站工程位于南京城市商业中心地区新街口，车站以新街口环岛为中心分为两段 呈东西向布置，西段布置在汉中路路中，东段布置在中由东路路中。环岛下为一号线和二 号线车站共用的大圆盘地下结构，该圆盘已随一号线新街口站施工完毕。车站周边大型建 筑密集，主要有国药大厦、金陵饭店、中国银行、天时商贸、部队营房、金鹰国际、国贸 中心、新街墨西货商盛、招商局蓬际金融中心、华联等建筑，详见图5 一l 所示。 图5 一l 新街嚣举站布置及周边环撬 f i g 5 - la r r a n g e m e n ta i l ds 硼o u n 碰n ge n v i r o i l i i l e n ti n ) ( 两i e k o us t a t i o n 本站为全地下车站，整个车站建筑物由车站主体、出入口及风道三部分组成。出入口 共9 个( 其中3 个为预留) ，东、西两侧各设童个连接l 号线的换乘通道，设3 个风遒。 车站西端l 号出入口与管家桥人行地下过街道结合。车站东端近期预留3 、4 、5 号出入口、 3 号风道与破布营综合楼相接。 车站总长度( 净) 为4 1 4 。4 m ，总宽度( 净) 中闻为2 l ，6 m ，采用岛式站台，车站有 效站台宽度为1 4 m 。车站型式为二层三跨箱形框架结构。地下二层为站台层。地下层 力站厅层，地下一层两端力商业送。车站中心顼板覆土约2 8 趱，标准段基绽开挖深度为 1 5 6 m m ，东段盾构端头井开挖深度为1 7 3 4 m 。 毒差 2 a中风化泥质粉砂岩：夹粉砂质泥岩，属软质岩类，岩石基本质景等级为i v v 类。 逯容易软纯秘一2 。了o l 毒羹m 箨。 i 爹b 1中风化泥岩：夹粉砂质泥岩，属极软质岩类，岩石基本质量等级为v 类。强度较 低，遇水易软化崩解喜! = 0 1 6 3 一o 9 7 7 m p a 。 霪i 2 薹i中风化粉砂质泥岩：夹粉砂岩，属软质岩类，岩石基本质量篱级为v 类。遇水易 强纯，= l 。1 8 5 。7 3 醚辩。 ( 2 ) 水文地质 地下水埋藏条件：场地地下水可分为潜水及承压水。 潜水 由人工填土层及全新世冲淤积成因构成含水层，其透水性、含水性各不稆同。人工填 土层透水性好，厚度较大，含水量较丰富。1 c 3 粉土层透水性好，含水量丰富；1 b 2 3 粉质粘土、2 薹i 淤泥质粉质粘土粉质粘土及3 b 3 粉质粘土亦含地下水，但透水性弱， 丽间夹的薄层粉砂、粉土构成地下水水平渗透的通道，使该土层部分地段具弱透水性。 承压水 由3 。2 b 2 含砂粉质粘土、3 3 姜i 粉细砂、。4 e 粗砂混卵砾石构成承压含水层，其 中一3 3 嘉i 粉细砂及一4 e 粗砂混卵砾石层透水性较好，含水量丰富。该含水层承压水头 为缝面下0 7 8 1 8 0 m ( 标藩8 3 2 8 9 3 擞) 。基坑旎工时降承压水以满足坑底承聪稳定要 求。 水和土的腐蚀性评价 场地地下水对混凝土无腐蚀性，对钢结构有弱腐蚀性，对混凝土结构中的钢筋无腐蚀 性。 ( 3 ) 不良地质工程评价 场区地面以下2 0 0 m 深度范围内分布的1 c 3 粉土，判别为可液化土层，场地地基液 化等级属中等。 5 2 工程监测 5 2 1 监测目的与意义 基坑开挖时，挡墙后她层产生剪应力增量，土体产生剪切变形，致使整个醺护结构向 基坑方向变位，设置支撑后，支撑点处的变形受到限制，当基坑继续进行开挖时，支撑受 力、地层继续移动。总之深基坑的开挖是个动态过程，与之有关的稳定和环境影响也属于 动态工程，因此加强在施工过程中的监测，有助于快速反馈施工信息，以便及时发现阔题 并采用最优的工程对策。为了掌握地铁结构的变化情况，分析变形原因和趋势，决定是否 需要采取某种措施；另一方面为了检验设计，并为今后的设计和科研提供依据，均需进行 基坑施工安全监测。 本工程的监测意义在于： ( 1 ) 监测开挖过程中基坑围护结构的状态及其对周边环境的影响，预防工程破坏事 故和环境事故的发生。 ( 2 ) 现场测量结果与预测值相比较，以判别前一步施工工艺和施工参数是否符合其 要求，以确定和优化下一步施工参数，从而指导现场施工，做到信息化施工。 ( 3 ) 将现场测量的数据、信息及时反馈，以修改和完善设计，测量结采用于信息化 反馈优化设计，使设计达到优质安全、经济合理、施工快捷。 另外，还可将现场监测结果与理论预测值楣院较，用反分析法导出更加接近实际的理 论公式用于指导其它工程，信息化反馈优化设计详见图5 2 所示。 图5 2 信息化反馈优化设计 f 毽5 - 20 p t i m 啪d e 吨nb a s i n go n 嫩f o m a t i 嬲i o 珏受e d b 魏c k 5 2 2 监测点布置原则 ( 1 ) 测点类型和数量的确定应该结合工程性质、地质条件、设计要求、施工特点、 监测费用等因素综合考虑； ( 2 ) 验证设计数据丽设的测点应布置在设计中的最不利位置和断面，如最大变形、 最大受力处；为指导施工而设的测点布置在相同工况下的最先施工部位，其豳的是及时反 馈信息，以便修改设计和指导施工； ( 3 ) 表西变形测点的位置既要考虑反映监测对象的变形特征，又要便于采用仪器进 行观测，还要有利于测点的保护；所设测点不能影响和妨碍结构的正常受力，不能削弱结 ( 1 ) 深层水平位移 深 度 c x l 4 铡斜曲线位移( 柚) o 5 1 0 1 5 ： ： 2 0 ： ： ： ： 2 5 ： ： ： a 1 4 m - 线 位移铀) o 5 1 0 1 5 2 0 ： ， ： ： 2 5 工况一( 开挖到5 0 5 m ) 工况二( 开挖到9 6 5 m ) c x l 4 测斜曲线位移( 衄) 工况三( 开挖到1 2 0 5 m ) 工况四( 开挖到1 4 4 7 m ) 图5 3 测斜c x l 4 成果曲线 f i g 5 - 3c x 14i i l c l i n o m e t e r f sp r o d u c t i o nc u e 由图5 3 中测斜曲线知： 随着基坑开挖工作的进行，围护桩体的深层最大位移也在随开挖面下移； 变化速率在基坑开挖到底、未浇注垫层前最大0 6 删，垫层浇注完成后速率稍减小； 4 7 基坑开挖到底后最大位移为2 4 5 m m ，与设计相差不大，可认为基坑围护满足工程需求。 ( 2 ) 支撑轴力 对东段的断面z 9 的支撑轴力情况进行了汇总，断面位置详见图5 4 。 一1 2 0 0 1 1 4 0 0 1 6 0 0 曩删。 卅 一2 0 0 0 2 2 0 0 2 4 0 0 图5 4 东段支撑轴力监测平面图 f i g 5 _ 4m o n i t o r i n gl a y o u tp l a i lo fs t r u ta x i a lf o r c e s - _ 一z 9 2 一z 9 3 ，- 一z 9 4 图5 5 东端头井处轴力变化历时图 f i g 5 5s t r u ta ) c i a lf o r c e sw i t ht i m e 第二道支撑架设，开挖至第三道支撑位置( 萤第三道支撑架设，开挖至第四道支撑位置 ( 9 第四道支撑架设，开挖至基坑底浇注混凝土垫层 结合施工工况与图5 5 的支撑轴力变化知： 基坑土方的开挖过程，周边的水土侧压力在不断变化，钢支撑轴力也在随之变化， 即整个过程是个大的动态平衡过程，如果不能达到平衡，则造成基坑事故。 可以明显地看出，在z 9 2 架设后，随着基坑的开挖，z 9 2 的支撑轴力在不断的变 化，并在开挖至z 9 3 位置处，增至最大。在架设完成z 9 3 并对其实施预加力后，z 9 2 的轴力在反弹，即土体应力重新分布。 在开挖至z 9 4 的架设位置时，第三道支撑在加大，而上面的第二道支撑轴力变化不 大，在三道支撑都架设完毕的短时期内，接近基坑开挖到底的过程中增至相对较大，垫层 浇注后，支撑轴力在减小，各道支撑的轴力趋于平稳。 温度影响支撑轴力，作者在南京地铁二号线西安门站( 原逸仙桥站) 监测工作中， 发现轴力受温度的影响。温度变化，会导致钢支撑本身热胀冷缩，支撑应力变化可达到 3 0 5 0 ，此外，支撑轴力还受到支撑长度的影响。 4 r + c m 8 + c m g + c j 5 0 十c j 5 i 卜c j 5 2 一c j 5 3 十c j 5 4 一c j s 5 图5 8 联勤楼建筑沉降点监测历时曲线 f i g 5 8s e t t l e m e n to fa n n yb u i l d i n gw i t ht i m e 第二道支撑架设，开挖至第三道支撑位置；第三道支撑架设开挖至第四道支撑位置； 在此过程有管线改易部分管线；第四道支撑架设，开挖至底层；浇注混凝土垫层。 由施工工况与图5 8 曲线知： 联勤楼的各监测点在十月份沉降o 2 舢州d ，随着东端头井的开挖进行，联勤楼的沉 降监测点沉降速率在加快，十一月份沉降速率0 4 m 州d ； 在东端头井开挖到底，垫层为浇注前，沉降速率约1 m m d ，在垫层浇注后，速率 明显减小，已基本保持不变，部分变形是由于围护结构变形引起的； 表5 4 新街口东段基坑周围建筑物累计沉降量汇总表 t ，出l e 5 - 4c u m u l a t i v es e t t l e m e n to fb u i l d i n ga r o u n dx i n ji e k o us t a t i o np i t 监测点累计沉降量备注监测点累计沉降量备注 c j 3 21 5 工商银行建筑 c j 4 8。1 2 6 c j 3 31 2 o 沉降监测点 c j 4 9。3 1 8 c j 3 41 3 6c j 5 0傀7 c j 4 5o 3c j 5 31 2 7联勤部临街楼 c j 4 6 3 8 天时商贸建筑c j 5 4 2 6 1 物沉降监测点c j 5 52 3 4 c j 4 73 1 c j 5 22 5 2 注：监测点具体位置见论文后附图。 表5 5 中监测数据表明：建筑基础形式不同，受基坑开挖影响不同，联勤部临街楼由 于建造