钻孔咬合桩_地铁工程围护结构新型式

1、第 1期 (总 77铁道工程学报JOU RNAL O F RA I LWA Y EN G I N EER I N G SOC IET YM arch 2003 N o. 1(Ser . 77文章编号 :1006 2106(2003 01-0053-07钻孔咬合桩地铁工程围护结构新型式 王安龙 (中铁隧道集团有限公司 提要 :, 施工作业流 程 , 。关键词 :; ; 关键技术中图分类号 :文献标识码 :A钻孔咬合桩是一种新型围护结构型式 , 在国内地 下工程围护结构属新技术 、 新工法 、 新工艺 。 采用钻孔 咬合桩作地下工程深基坑的围护结构在国外 , 如西欧 、 新加坡等 , 境外如香港

2、、 台湾等均有成功的工程实例 、 成熟的施工经验与工法 。铁道部第三勘测设计院 1999年在深圳地铁一期工程会展中心站至购物公园站区间 隧道明挖段的基坑支护设计为钻孔咬合桩 。 钻孔咬合 桩适用于沿海地区软弱地层 、 含水砂层地质情况下的 地下工程深基坑围护结构 , 由于钻孔咬合桩的钢筋混 凝土桩与素混凝土桩切割咬合成排桩围护 , 对基坑开 挖的防水效果很好 。 从已完成的会购区间明挖段 (371 m 960根钻孔咬桩开挖验证 , 无漏水现象 。 另外由于 采用的是素混凝土桩与钢筋混凝土桩相间布置 , 其工 程造价在同等地质条件下比连续墙降低 41%左右 , 比 人工挖孔桩降低 20%左右 。

3、钻孔咬合桩首先在会购区 间隧道明挖段成功施做 , 填补了我国地下工程围护结 构的一项空白 。钻孔咬合桩能否保证基坑开挖的安全与防水 , 关 键在于钢筋混凝土桩与素混凝土桩的咬合质量 , 具体 体现在单根桩的成桩应达到 3的垂直精度 。为此 , 经 过多方调研及多个方案的慎重比选 , 确定了深圳地铁 一期工程会购区间隧道明挖段钻孔咬合桩的施工方 案 , 现就方案的比选情况及有关关键技术分述如下 。1工程概况深圳地铁一期工程会展中心站至购物公园站区间 隧道位于益田路与福华路交汇处之福华路东段 , 长 448. 192m (其中明挖段为 371m , 暗挖段 77. 192m , 施工里程 SK 7

4、+977. 158SK 8+425. 35。1. 1设计情况会购区间原名叫金田站至益田站区间 , 招标文件 设计为明挖顺作的二层三跨钢筋混凝土结构 , 后变更 为单层左 、 右矩形钢筋混凝土箱体隧道 。 根据变更后的 现场及益田路段地下管线情况 , 提出了过益田路 77. 192m 段改为暗挖法施工 , 此方案现得到了深圳市地 铁建设指挥部的批准 。1. 1. 1明挖段围护结构设计由于含水砂层中施工 , 基坑围护结构采用 1. 0m 钻孔咬合桩设计 , 标准段钢筋混凝土桩 (B 型桩 与素 混凝土桩 (A 型桩 间隔布置 , 桩心间距 0. 8m , 钢筋混 凝土桩切割素混凝土桩 , 每侧切割

5、厚度 0. 2m , 如图 1所示 。 局部扩大段拐角处采用两根钢筋混凝土桩相割 布置 (另一根为 C 型桩即异型钢筋混凝土桩 。 A 桩长 18m , B 桩 、 C 桩各长 21m 。1. 1. 2咬合桩工程量A 桩 (C 15素混凝土 :480根 , 桩长 18m ;B 桩 (C 25钢筋混凝土 :474根 , 桩长 21m ;C 桩 (C 25钢筋混凝土异型桩 :6根 (桩长 21m 。 1. 2工程地质与水文地质会购区间上覆第四系全新统堆积层 (Q m l 4 其主要 成分为素填粘土与粉质粘土 , 往下依次为 :全新统冲积 层 (Q al 4 , 其主要成分为粘土 、 粉质粘土 、

6、淤泥质粉质粘收稿日期 2002-11-30王安龙高级工程师男 1953年 5月出生中铁隧道集团公司深圳地铁指挥部副指挥长 土 、 中砂 、 粗砂 、 砾砂 ; 残积层 (Q el 4 , 主要成分为粘性 土 、 砾质粘性土 ; 全 、 强 、 中风化 , 花岗岩层 。典型地质剖面如图 2所示 。 会购区间地下水埋深 3. 05. 5m , 水位变幅 0. 52. 0m , 为孔隙潜水和基岩裂隙水 。孔隙水主要赋于 粘土层 、 砂层和残积土层中 , 补给来源主要为大气降 水 。 基岩裂隙水主要赋于花岗岩的强 、 中风化层 。 渗透 系数 0. 00553. 33m d 。图 1 标准段桩位布置详

7、图图 2典型地质剖面图2锁口管预留咬合面方案 (投标拟定方案 2. 1成孔方法采用 Q J 150型钻孔泵吸反循环钻进成孔工法 , 泥 浆护壁 。 切割部分先于两侧 A 桩下锁口管 , 灌注两侧 A 桩 C 15素混凝土初凝后拔出锁口 , 钢筋混凝土 B 桩 成孔 、 下笼 、 灌注混凝土 。 2. 2施工顺序施工工序如图 3所示 。 2. 3优缺点 2. 3. 1优点该方案的优点是具有成熟的成孔施工技术 , 并拥有现成的成孔设备 、 施工技术人员及技术工人 。图 3锁口管预留咬合面方案施工顺序流程图2. 3. 2缺点(1 成孔垂直精度不易掌握 , 如有偏差则会导致两侧桩间咬合不上 。(2 成

8、孔采用泥浆护壁 , 灌混凝土时桩间咬合面会有泥皮夹层 。(3 成孔弃碴需设大型泥浆沉淀池 , 并备有专用泥 浆外运机械 , 施工中难以寻找卸泥浆场地 , 文明施工较 差 。(4 两侧素混凝土桩咬合面下锁口管的垂直精度 无法控制 , 单根锁口管能否下至桩底无法保证 。 锁口管 根数多 , 拔管难度大 。(5 B 桩成孔需异型钻头刷壁 , 成孔精度不高 , 不 易保证桩间咬合面的咬合质量 , 会导致防水效果失败 。3中标后的调查研究1999年 12月中铁隧道中标进场后 , 在进行筹备工作的同时 , 开展了钻孔咬合桩施工的调研工作 。3. 1国内调研据有关信息及专家推荐 , 分别对浙江煤矿地质工 程

9、公司 、 铁十五局施工过的深圳河治理围护进行了调 研 。 具体情况为 :(1 浙江煤矿地质公司施工的基础工程围护结构 是两根钢筋混凝土中间旋喷加固挡土 。 (如图 4所示 。(2 铁十五局施工的深圳河治理排桩围护是经变更设计在一根桩位不够情况下 , 采用潜孔钻机在两根 钢筋混凝土桩间强行切割补桩 。 3. 2国外信息据意大利土力公司及香港有关基础工程公司有关45铁道工程学报 2003年 3月资料了解 , 在西欧 、 新加坡 、 香港等地均成功地施作了 大量的钻孔咬合桩围护工程 。 在调查中得知 , 国外公司 在施工钻孔咬合桩时 , 采用液压摇动式全套管灌注桩 机 (简称套管钻机 成孔施工 。

10、这种工法是先施作两侧 混凝土 A 桩 , 再在两素混凝土 A 桩间成孔施作钢筋混 凝土 B 桩 。 采用套管钻机施工钻孔咬合桩 , 由于成孔 过程的取土 、 吊放钢筋笼 、 灌注桩身混凝土等工序均在 孔内完成 , 因此把该工法叫做套管钻机法 , 即套管钻机 方案 。 其具体工序如图 5所示 :图 4中间旋喷挡土结构示意图3. 2. 1 钻孔咬合桩施工程序图 5钻孔咬合桩施工程序图3. 2. 2套管钻机方案施工钻孔咬合桩顺序 (如图 6 :A 1素混凝土桩 A 2素混凝土桩 B 1钢筋混凝土桩 A 3素混凝土桩 B 2钢筋混凝土桩 A n 素混凝土桩 B n 钢筋混凝土桩图 6钻孔咬合桩施工程序

11、图3. 3二钻一冲方案3. 3. 1先作两侧素混凝土 A 桩 , 再用冲击钻机冲击成孔施作钢筋混凝土 B 桩咬合 。这种工法由于中 间是软土 , 素混凝土桩咬合部分不易冲击成型 , 且在冲 击过程中容易把素混凝土 A 桩冲击变形 。3. 3. 2先施工两根钢筋混凝土 B 桩 , 再用异型钻头 冲击 A 桩成孔 , 同时刷壁去除钢筋混凝土 B 桩的泥 皮 , 形成新鲜面 , 最后灌注素混凝土 A 桩咬合 。 这种工 法不易保证先灌注的钢筋混凝土咬合面干净 , 达不到 咬合桩的防水设计要求 。41, , 国内钻孔咬合桩施工尚无成功先例 。4. 2投标方案与二钻一冲方案均不成熟 , 尤其是在成 孔精

12、度 、 咬合面的成型与质量 、 过程与检测控制等方面 都没有可靠的保证措施 。4. 3液压摇动式全套管灌注桩机方案 (简称套管钻机 方案或套管钻机法 4. 3. 1国外采用套管钻机法施工钻孔咬合桩技术 , 已是成熟的经验 。 这就为钻孔咬合桩在我国施工并取得 成功提供了保障 。4. 3. 2采用套管钻机法施工钻孔咬合桩优点如下 :(1 成孔精度可以得到有效控制 。 由于套管压入地 层是靠主机液压油缸行程进行完成的 , 每次压入深约 25c m , 套管每节长度 7m , 可以边压入边纠偏 , 进行全 过程的垂直精度控制 。(2 成孔精度检测在管内进行变得更为方便 、 易控 制且有直观感 。(3

13、 用冲抓在管内取土 , 无泥浆 , 有利于文明施工 。 (4 咬合面成型好 , 无泥浆 , 能达到防水设计效果 。 (5 由于采用管内灌混凝土 , 使得桩身鼓包现象大 大减少 , 从而杜绝了混凝土浪费现象的发生 。4. 3. 3尽管采用套管钻机法施工钻孔咬合桩具有以 上所述诸多优点 , 但同时它尚存在以下不足之处 :(1 国内套管钻机很少 。 据调查 , 从日本引进的深 基础套管钻机国内大约有 6台 , 分布在各家施工单位 , 而昆明捷程桩工有限责任公司生产的 8台套管钻机 , 当时也都在北京施工 。 我集团公司无此现成设备 。(2 自购设备一次性投入大 。 如果自购 3台套 , 需 投入约

14、1140万元左右 ; 5台套则需投入 1900万元 。 4. 4通过上述论证 , 我们认为采用套管钻机法施工钻 孔咬合桩方案比其它方案有利 , 因为国外有成功的经 验 , 国内也有可供选择租用或工序分包的施工机械 。5机械选择根据设计提供会购区间的地质条件和多方调研 、55第 1期 王安龙 :钻孔咬合桩 地铁工程围护结构新型式论证 、 方案比选 , 决定选用国外钻孔咬合桩施工的惯用 机械 液压摇动式全套管灌注桩机施工钻孔咬合 桩 。 套管钻机由主机 、 液压工作站 、 履带式吊车 、 钢套 管 、 冲抓斗 、 十字冲锤 、 打水筒等配套组成 。据调查得知 , 在此之前我国进口的套管钻机均用 于

15、深基础桩基施工 , 铁二局 、 大桥局各有 2台都是日本 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 。国内一家民营企业昆明捷程桩工有限责任公司根 据套管钻机的原理 , 研究制造了 8台国产套管钻机 , 当 时正在北京作房屋基础工程 。为此 , 的实用性 、 特点 。 咬合桩施工机械 , 5台同时调运深圳工地 。 后经 施工检验 , 它比国外机械更具灵活性与可操作性 , 施工 正常时单机 1天完成 3根桩 。6工艺流程及施工程序6. 1钻孔咬合桩施工作业流程 (如图 7所示 图 7钻孔咬合桩施工流程图6. 2定位导墙为了保证钻咬合桩孔口定位的精确定度并提高

16、就 位效率 , 在咬合桩桩顶部设置了 35c m 厚混凝土与浆 砌片石导墙 , 如图 8所示 。图 8钻孔咬合桩定位导墙图6. 3单根钻孔咬合桩施工工序6. 3. 1套管钻机就位 :定位导墙有足够强度后 , 用 50t 履带吊车移动套管钻机主机就位 , 并使主机抱管器中心对应定位于导墙之孔桩中心 ; 液压工作站置放于导墙外平整地基上 。6. 3. 2单根咬合桩成孔 :压入第一节套管 (每节套管 长 7m , 第一次压入深度大于 1. 5m , 然后用冲抓斗 从套管内取土 , 一边抓取土一边下压 (下压垂直油缸行 程每次 25c m 左右 , 、 第三节至设 。3. :成孔 , 、 垂直精度 、

17、 清除孔底浮 B 桩钢筋笼 。6. 3. 4浇注混凝土 :孔内有水时 , 采用水下混凝土法 灌注施工 。 孔内无水时 , 采用干孔灌注施工 , 此时需振 捣 。6. 3. 5拔出套管成桩 :混凝土浇注 9m 高后拔出一节套管 , 16m 高时拔出二节套管 , 依次直至全部灌注 成桩 。单根钻孔咬合桩施工工序框图如图 9所示 。图 9单根钻孔咬合桩施工工序图7关键技术7. 1成孔精度控制 (成桩精度 由于桩的咬合面厚度只有 20c m , 如成孔垂直精 度控制不好 , 将会发生前后 、 左右开叉的后果 。 为控制 钻孔咬合桩的成孔精度达到 地下铁道工程施工及验收规范 (以下简称 规范要求 , 采

18、取成孔精度全过程 控制的措施 。 7. 1. 1 规范 3. 1. 5条规定各种沉桩的垂直精度应 达到 3 , 此时 B 桩最不利咬合面厚度仍有 9. 2c m (2065铁道工程学报 2003年 3月c m -1832 。7. 1. 2采用定位导墙精确安放第一节套管 , 精确控制孔口成孔精度 。7. 1. 3成孔垂直精度的全过程控制 :吊安第一节套管 , 用导墙定位下压 , 用固定支架支吊线 锤控制南北 、 东西方向套管外壁的垂直度 , 采用二台测 斜仪附贴在套管外壁两垂直方向进行校核 。这种控制是在套管下压的全过程控制 , 即边下压 边纠偏 , 下压油缸行程为每次 25c m 。 7. 1

19、. 4成孔过程中垂直精度监测和检查(1 地面监测 :, 。 自始至终坚持 。(2 孔内检查 :前 , 都要停下来用测斜仪进行孔内垂直度检查 , 不合格 时需进行纠偏 , 直至合格才能进行下一节套管下压施 工 。7. 1. 5成孔过程中纠偏方法成孔过程中如发现垂直度有偏差 , 必须及时进行 纠偏调整 , 纠偏的常用方法有以下三种 :(1 利用钻机油缸进行纠偏 , 如果偏差不大或套管 入土不深 (5m 以内 。 可直接利用钻机的两个顶升油 缸和两个水平油缸调节套管的垂直度 , 可达到纠偏的 目的 。(2 套管入土深度大于 5m 时 , A 桩发生偏移 , 此 时油缸纠偏有困难 , 可向套管内 (成

20、孔部分 填砂 , 一边 填砂一边拔起套管 , 一边纠偏 , 达到精度后再下压套管 取土成孔 。(3 套管入土深度大于 5m 时 , B 桩发生偏移 , 此 时向套管内填与 A 桩同等级混凝土 , 纠偏方法同 A 桩 。7. 2 A 桩 C 15素混凝土切割时间B 桩施工时与两侧 A 桩咬合厚度为 20c m , 因此 必须对已灌好的 A 桩进行切割 (如图 10 。图 10各桩切割示意图经反复论证与选用的国产机械性能 , 决定在两侧 A 桩 C 15素混凝土初凝前进行切割成孔 B 桩 。(1 A 2、 B 1、 A 3、 B 2桩施工时间 A 2桩 10h , 桩机位移 1h ; B 1桩 1

21、5h , 桩机位移 1h ; A 3桩 10h , 桩机位移 1h ; B 2桩 15h , 桩机位移 1h ;共计 :53h 。(2 A 桩 C 15素混凝土初凝时间确定为保证施工 B 桩时 , 11根 A 桩 C 15混 凝 保 凝 混 凝 土 掺 M N F 2SP ( , 60h 。 坍落度 3防止管涌措施因 A 桩混凝土是在初凝状态下进行 B 桩成孔施 工 , 如果抓土成孔底与套管底相对标高相差过小会发 生管涌现象 , 为防止发生管涌 , 采取以下措施 :(1 A 桩混凝土坍落度有效控制在 142c m 范围 内 ;(2 套管应超前孔底 1. 5m , 即管内取土 (抓土 底 面与第

22、一节套管底面相对高差大于 1. 5m 以上 。如图 11所示 。图 11 B 型桩成孔示意图(3 如有必要 (如遇地下障碍物套管底无法超前时 可向套管内注入一定量的水 , 使其保持一定的反压 来平衡 A 桩混凝土的压力 , 阻止管涌的发生 。(4 B 桩成孔过程中应注意观察相邻两侧 A 桩混 凝土顶面 , 如发现 A 桩混凝土下陷应立即停止 B 桩成 孔 , 并一边将套管尽量下压 , 一边向 B 桩内填 C 15混 凝土或注水 , 直到完全制止住管涌为止 。75第 1期 王安龙 :钻孔咬合桩 地铁工程围护结构新型式58 铁道工程学报 2003 年 3 月 7. 4遇障碍物的处理 混凝土已经凝固

23、, 使套管钻机不能按正常要求切割咬 合 A 1、 A 2 桩。 在这种情况下, 宜向 A 2 桩方向平移 B 桩桩位, 使管钻机单侧切割 A 2 桩施工 B 桩, 并在 A 1 与 B 桩外侧另增加一根旋喷桩作为防水处理。 7. 7. 2跳桩施工, 背桩补强 总的来说, 套管钻机施工过程中如遇地下障碍物 处理起来都比较困难, 特别是受 A 桩混凝土缓凝时间 的限制, 因此采用钻孔咬合桩作围护结构的工程必须 对地质情况十分清楚。 当遇到卵石层、 体积较小的孤 石、 局部中风化岩层等, 先抽干套管内积水, 然后用十 字冲锤把障碍物冲击碎, 再用抓斗取出孔外, 有时也可 用吊笼下人去处理作业。 7.

24、 5克服钢筋笼上浮的措施 如图 14 所示, B 1 桩成孔施工时, 其两侧 A 1、 A2 桩的混凝土均已凝固, 在这种情况下, 则放弃 B 1 桩的 施工, 调整桩序继续后面咬合桩的施工。 处理措施是在 防 B 1 桩外侧增加三根咬合桩及两根旋喷桩作为补强、 水处理。 在基坑开挖过程中将A 1 和 A 2 桩间土清除干 净, 喷 C 25 混凝土补平。 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 B 桩混凝土的骨料粒径应尽量小一些, 不宜大 于 20 mm 。 ( 2 在钢筋笼底部焊上一块比钢筋笼略小

25、的薄钢 板以增加其抗浮能力。 7. 6分段施工接头的处理方法 图 14背桩补强施工示意图 往往一台钻机施工无法满足工程进度, 需要多台 钻机分段施工, 这就存在段与段之间的接头问题。 采用 砂桩接头是比较好的方法, 如图 12 所示。 在先施工段 的端头设置一个砂桩 ( 成孔后用砂灌满 , 形成 A 桩的 咬合口。 7. 7. 3预留咬合企口 图 15预留咬合企口示意图 如图 15 所示, 在 B 1 桩成孔施工中发现 A 1 桩混 凝土已有早凝倾向但还未完全凝固时, 如继续按正常 图 12分段施工接头预设砂桩示意图 顺序施工则会更多的造成事故桩, 应及时在 A 1 桩右 侧施工一砂桩以预留出

26、咬合企口, 待调整完成后再继 续后面桩的施工。 7. 7事故桩的形成及处理 在钻孔咬合桩施工过程中, 有时因 A 桩超缓凝混 凝土的质量不稳定或机械设备故障等原因, 会造成 A 桩混凝土早凝现象而发生事故桩, 事故桩的处理主要 有以下几种措施: 7. 7. 1平移桩位单侧咬合 8施工进度与质量情况 ( 1 施工进度如表 1 所示 时间 2000. 6 2000. 7 2000. 8 2000. 9 2000. 10 表 1钻孔咬合桩施工进度情况表 其中 月进度 A 桩 B桩 C桩 159 228 201 268 104 960 87 115 99 132 47 480 72 110 99 13

27、6 57 474 6 3 3 单位: 根 备注 试桩阶段 完工月 合计 图 13B 桩平移单侧咬合示意图 如图 13 所示, B 桩成孔施工时, 其一侧 A 1 桩的 ( 2 质量情况 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第 1 期 王安龙: 钻孔咬合桩地铁工程围护结构新型式 图 Z . 1 1 D 03 S J 08 W 00 Q T 00000 A. 2000203. 59 会购区间隧道明挖段于 2000 年 11 月 23 日开挖 基坑施工隧道箱体结构, 20

28、01 年 10 月 30 日完成。 基 坑开挖后, 桩间无渗水现象, 围护结构安全、 稳定。 经监理与业主验收, 钻孔咬合桩合格率 100% , 优 良率 98% 。 ( 3 有关施工状况见图片 1、 2、 3。 9结束语 钻孔咬合桩作为国内地下工程围护结构的一种新 型式、 新工法, 它的可靠性、 适用性通过在深圳地铁一 期工程 10 标段会购区间明挖段的施工实例, 得到地下 铁道工程专家们的认可, 同时也取得了较好地经济效 益与推广应用, 于 2001 年 4 月、 11 月分别应用于深圳 地铁香蜜湖站 ( 660 根 与地铁罗湖站北端连接线明挖 隧道的围护结构, 均取得了成功。 尤其是采用套管钻机 成孔, 在套管内用冲抓取土, 无泥浆污染, 对城市施工 ( 特别是深圳这样的世界花园城市 的环保措施与文明 施工的价值是极为显著的。 左上方: 图片 1钻孔咬合桩导墙 右上方: 图片 2基坑开挖后的钻孔咬合桩排桩围护 左下方: 图片 3钻孔咬合桩成孔施工 2 深圳地铁一期工程:“会购区间隧道围护结构” 实施性施 参考文献 1 区间隧道 ( 会展中心 购物公园区间 围护结构施工设计 工组织设计 Z . 2000205201. DRI LL ING OCCL US IVE P I L ES NEW STYL E O F M ETRO PRO TECT