地鐵車站柱下端承樁施工技術(shù)研究

楊兵

（中鐵六局集團(tuán)有限公司交通工程分公司，北京100036）

1 工程概況

孖嶺站是深圳軌道交通10號線工程的第7個站,為地下四層島式換乘車站,車站主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆整體式框架結(jié)構(gòu)，車站左線起點(diǎn)里程ZDK7+239.340，右線起點(diǎn)里程DK7+248.340，車站有效站臺中心里程為DK7+367.500，終點(diǎn)里程為DK7+477.540，車站左線長238.20m，右線長229.20m。車站全長238.20m，基坑深度約25.1-26.1m（南端頭基坑深度26.1m），深度嵌入底板下4.5-9.5m，南端頭位置連續(xù)墻位于底板下右線8.4、左線8.5m。（圖1）

車站南端頭地質(zhì)從上到下依次為素填土4.52m、淤泥質(zhì)黏土0.56m、粗砂1.48m、粉質(zhì)黏土3.07m、粗砂2.42m、砂質(zhì)粘性土2.47m、全風(fēng)化混合巖5.67m、土狀強(qiáng)風(fēng)化混合巖9.51m、中風(fēng)化混合巖2.62m、微風(fēng)化混合巖。（圖2）

車站采用1000mm厚地連墻+內(nèi)支撐系統(tǒng)；車站標(biāo)準(zhǔn)段采用五道支撐，其中第一、第四道為鋼筋混凝土支撐，第二、三、五道為鋼管支撐；車站南端頭采用五道鋼筋混凝土支撐。

其中支撐及混凝土腰梁截面為800*1000mm，底板厚1300mm。

2 柱下端承樁施工情況

在主體結(jié)構(gòu)雙數(shù)軸線位置設(shè)置柱下端承樁樁，樁徑1.5m，柱下端承樁采用鉆孔灌注樁施工，應(yīng)確保每根樁樁端進(jìn)入中風(fēng)化層中H不小于4m，或進(jìn)入微風(fēng)化層不小于1.5m。車站柱下樁嵌固深度見下表。

表1 車站柱下樁嵌固深度表

底板預(yù)留位置：（圖3）

圖1

圖2

圖3

3 影響地鐵車站柱下端承樁施工的原因排查及分析

3.1 柱下端承樁成樁工藝分析

結(jié)合施工條件，擬采用柱下端承樁施工工藝分2種，包含人工挖孔樁和沖擊鉆機(jī)成樁。

人工挖孔樁是一種采用人工挖孔成樁的灌注樁基礎(chǔ)，其具有使用機(jī)具設(shè)備簡單，占用施工場地小，施工操作方便，施工質(zhì)量可靠，對周邊建(構(gòu))筑物影響小，可全面開展施工，達(dá)到縮短工期，降低造價等優(yōu)點(diǎn)。因此得到廣泛應(yīng)用。人工挖孔樁適用于土質(zhì)相對較好、地下水位較低的黏土和亞黏土層(含少量砂卵石)。人工挖孔樁可用于公用建筑、水工建筑、高層建筑做樁基礎(chǔ)，可承擔(dān)擋土、支承、抗滑等作用。對軟弱土層、流砂地質(zhì)層以及地下水位較高(涌水量大)的土層則不宜采用人工挖孔灌注樁基礎(chǔ)。

沖擊鉆機(jī)是一種以垂直往復(fù)運(yùn)動憑借沖擊力進(jìn)行鉆孔的工程鉆機(jī)設(shè)備，其工作原理類似于鑿巖的錘子。都是依靠沖擊力進(jìn)行鉆孔作業(yè)。

優(yōu)點(diǎn)：具有良好的鉆孔性能，對較硬的地層可以有效的進(jìn)行鉆孔作業(yè)，且鉆孔效率十分得高。適用于硬度較高的巖層、風(fēng)化的巖層以及各種硬脆的地質(zhì)環(huán)境中。

缺點(diǎn)：排屑較為困難，且對軟地質(zhì)以及粘度較大的土層地質(zhì)鉆孔有非常大的難度。使用有一定的局限性。

施工現(xiàn)場土方開挖至基底后，1小時左右已出現(xiàn)少量滲水，并降水井水量大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計降水井深度為底板下6米，現(xiàn)設(shè)計柱下樁長度均超過6米，且車站水位為地面下2日左右，人工挖孔樁深度超底板下6米后會出現(xiàn)大量地下水，超過連續(xù)墻深度后，土壓力過大，易發(fā)生坍塌危險。

3.2 影響端承樁豎向承載力的主要因素

巖層的性質(zhì)、嵌巖深度、孔壁的粗糙程度、土的強(qiáng)度參數(shù)、樁底沉渣、成樁工藝、樁端軟弱下臥層。樁長、樁徑、樁身混凝土強(qiáng)度等對嵌巖樁的豎向承載力都有重要的影響。

樁端持力層為花崗巖基巖且其中存在“中風(fēng)化層+強(qiáng)風(fēng)化層+中風(fēng)化層”夾層，下層中風(fēng)化巖層完整，上層中風(fēng)化巖層破碎，并且下層中風(fēng)化巖層的強(qiáng)度大于上層中風(fēng)化巖層的強(qiáng)度。對地鐵車站柱下端承樁而言，極易導(dǎo)致樁基入巖段偏斜的現(xiàn)象。

柱下端承樁樁端存在軟弱下臥層，如土洞、溶洞、灰?guī)r地質(zhì)等；樁端巖層承載力不足，此時在豎向荷載的作用下，樁端巖層極易產(chǎn)生剪切、沖切、彎拉等脆性破壞；此時需對端承樁樁端阻力進(jìn)行專門的驗算。

對于地鐵車站柱下端承樁，不管以什么巖層作持力層，若現(xiàn)場施工控制不當(dāng)，樁底沉渣厚度超過規(guī)范要求，均出現(xiàn)持力層承載力不足現(xiàn)象。

4 針對地鐵車站柱下端承樁施工風(fēng)險采取的具體措施

4.1 成樁工藝的選擇

結(jié)合現(xiàn)場實際情況以及保證安全施工，采用沖擊鉆機(jī)施工。

柱下樁可采用旋挖鉆、沖擊鉆進(jìn)行施工。從施工工藝、泥漿需求、對周圍環(huán)境影響進(jìn)行考慮，定位采用沖擊鉆進(jìn)行施工。分析見下表。

圖4

圖5

表2

4.2 底板預(yù)留位置的確定

①2-2軸：2-2軸柱下端承樁在第一段底板底板施工完成后進(jìn)行施工。東西兩側(cè)柱下端承樁底板預(yù)留寬5.5米位置，由于東西兩側(cè)預(yù)留位置較近，進(jìn)行貫通預(yù)留處理。預(yù)留位置具體尺寸下圖。

②4-4軸至26-26軸：4-4軸至26-26軸在底板施工完成后進(jìn)行柱下樁施工。4-4軸柱下樁施工需在第二段底板底板位置預(yù)留6.35米*11.9米豁口位置。（圖4）

4.3 底板預(yù)留孔洞位置處理

由于底板位置存在預(yù)留孔，在柱下樁施工時，樁機(jī)前段處于懸空狀態(tài)，采取措施為懸空位置底板頂面上及樁機(jī)后面采用現(xiàn)有鋼圍檁沿基坑方向橫鋪，保證樁機(jī)穩(wěn)定性。（圖5）

4.4 2-2軸底板預(yù)留位置處理

①柱下樁處理方法：柱下樁處理方法，參照降水井處理進(jìn)行。

a鑿毛后位置高底板墊層10cm；（考慮防水保護(hù)層5cm，底板鋼筋保護(hù)層4.5cm）

b防水鋪設(shè)采取降水井處理方式，加強(qiáng)層40*40mm，防水鋪設(shè)高度100mm，防水卷材與樁側(cè)壁接觸位置采用密封膠密封；

c柱下樁鑿毛后，采用水泥基涂刷2-3次。

②底板：按照施工縫進(jìn)行處理。（圖6，圖7）

圖6 鋼邊橡膠止水帶大樣圖

表3

圖7 施工縫防水構(gòu)造

監(jiān)測：在施工柱下樁期間，實施進(jìn)行對基坑進(jìn)行監(jiān)測，并在地面提前準(zhǔn)備拼裝好的鋼支撐，若基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)異常，在墊層上按3m/道架設(shè)鋼支撐，保證基坑穩(wěn)定性。

泥漿池位置選擇：第一段底板位置設(shè)置廢水泵房，擬采用廢水泵房作為柱下端承樁泥漿池，廢水泵房尺寸5.55m*3.5m*3.06m（長*寬*高），可存放泥漿50m3。兩根柱下端承樁同時施工需泥漿最大量為3.14*0.75*0.75*16.665*2=58.87m3，為滿足施工要求，在原有沙袋封堵位置進(jìn)行沙袋加高至縱梁頂面，同時在2-2軸位置加設(shè)2層沙袋封堵泥漿。3-11軸柱下端承樁施工均采用此臨時泥漿池，泥漿管沿左線縱梁腋角位置鋪設(shè)。（圖8）

圖8

樁機(jī)移位：由自帶裝置進(jìn)行移位。由于第五道鋼支撐距基底低于樁機(jī)高度，移位前需將樁機(jī)鋼結(jié)構(gòu)塔架提前卸掉。

樁機(jī)擺放位置：每次樁機(jī)擺放位置需避開第五道鋼支撐、臨時立柱及抗拔樁位置。

第五道鋼支撐調(diào)整：未滿足柱下端承樁空間要求，對第五道鋼支撐有影響的進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，同時準(zhǔn)備好備用鋼支撐，對支撐軸力變化大的位置進(jìn)行加密架設(shè)。具體需進(jìn)行調(diào)整鋼支撐位置見附件2。

通過計算柱下端承樁中心四周0.7米范圍內(nèi)鋼支撐需要進(jìn)行調(diào)整。

4-4軸第五道鋼支撐由南往北數(shù)第一根鋼支撐需要向南調(diào)整至少1.3m；

4-6軸第五道鋼支撐由南往北數(shù)第六、七根鋼支撐需要向南調(diào)整至少1.05m；

沖擊鉆機(jī)尺寸：沖擊鉆機(jī)采用現(xiàn)有沖擊鉆，尺寸為7.2m*2.5m*8.2m（長寬高），考慮滾筒及墊方木，樁機(jī)總高8.6m。（表3）

2-2軸東側(cè)砼支撐拆除：2-2軸西側(cè)柱下樁施工完成后，對D88～D5斜撐進(jìn)行拆除，同時切割2-2軸東側(cè)柱下樁上方位置腰梁，10天內(nèi)完成2-2軸東側(cè)柱下樁施工，進(jìn)行底板封閉。

型鋼柱加固：組合型鋼柱采用工63A工字鋼及鋼管架組合進(jìn)行加固。在進(jìn)行底板施工過程中，預(yù)埋鋼筋，固定腳手架。（圖9）

采用2條63A工字鋼將型鋼柱固定，型鋼柱下面采用腳手架固定。

4.5 地鐵柱下端承樁持力層的相關(guān)驗算

根據(jù)項目地質(zhì)補(bǔ)勘資料，部分鉆孔巖樣有兩層中風(fēng)化巖層，其中一層中風(fēng)化巖層的巖樣較為破碎，另一層中風(fēng)化巖層的巖樣較為完整。柱下端承樁大部分支承在完整中風(fēng)化巖層上，小部分柱下端承樁支承在較破碎的中風(fēng)化巖層上，現(xiàn)對支承在中風(fēng)化巖層中的4-4西側(cè)#樁進(jìn)行柱下端承樁的承載力復(fù)核及計算。

其中柱下端承樁樁基按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》10.2.4條計算。

圖9

計算時考慮到樁重量與土重量基本抵消，樁身自重忽略不計。

①在土層中，端承樁樁的側(cè)摩阻力特征值，其取值如下表

表4 端承樁的側(cè)摩阻力特征值取值表

土層中端承樁的側(cè)摩阻力特征值按項目地質(zhì)補(bǔ)勘報告中淤泥質(zhì)粘土②-4（Qal+pl）樁的側(cè)摩阻力特征值，根據(jù)項目地質(zhì)補(bǔ)勘報告，qsa取值為6kPa。

②入中風(fēng)化一層的樁側(cè)摩阻力特征值及樁端承載力特征值取值

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》10.2.4條，樁端進(jìn)入中風(fēng)化巖層的嵌巖樁，柱下端承樁的側(cè)摩阻力特征值和樁端承載力特征值是按樁端巖層和樁側(cè)巖層的巖樣天然濕度單軸抗壓強(qiáng)度，按下式進(jìn)行驗算：

樁側(cè)摩阻力特征值=C2frs，樁端承載力特征值=C1frp。其中 C1、C2的系數(shù)按照樁端持力層基巖完整度，沉渣厚度等因素確定。

項目柱下端承樁的樁端持力層地質(zhì)補(bǔ)勘報告中，其柱下端承樁樁基參數(shù)建議值如表5，表6。

根據(jù)柱下端承樁檢測結(jié)果，4-4西側(cè)#持力層樁身完整性類別為1類，樁底如未見明顯沉渣現(xiàn)象。進(jìn)行驗算時，取 C1=0.34，C2=0.044，對鉆(沖)孔樁，C1及C2的取值都應(yīng)乘以0.8；詳見上表計算。

經(jīng)過復(fù)核及驗算，4-4西側(cè)#樁的樁端承載力不足。

③4-4東側(cè)#、6-6西側(cè)#樁及相鄰部位的樁沉降計算

端承樁樁端持力層為中風(fēng)化巖層且入持力層的深度大于等于0.5m時，端承樁為嵌巖樁。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》第10.2.11條說明，嵌巖樁可以不進(jìn)行沉降驗算。根據(jù)檢測結(jié)果，4-4東側(cè)#樁樁端持力層為中風(fēng)化巖層，其下部為強(qiáng)偏中風(fēng)化夾層；6-6西側(cè)#樁端持力層為強(qiáng)風(fēng)化，中風(fēng)化夾有強(qiáng)風(fēng)化巖層；故需對這2條樁進(jìn)行樁沉降驗算，并驗算相鄰部位基礎(chǔ)間的沉降差。

對已采用單樁靜載試驗的4-4東側(cè)#、6-6西側(cè)#樁，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定驗算樁的沉降值，并對與4-4東側(cè)#、6-6西側(cè)#相鄰部位的樁根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定驗算樁的沉降值。

表5 柱下端承樁樁基參數(shù)建議值表

表6 西側(cè)#樁端承載力表

因中風(fēng)化層的壓縮模量無法獲取，故中風(fēng)化巖石的壓縮忽略不計。

a對4-4東側(cè)#樁，根據(jù)單樁靜載的試驗結(jié)果，在試樁達(dá)到荷載N=2500kN時，其樁基沉降量為1.30mm，試樁達(dá)到荷載N=500kN時，其樁基沉降量為6.47mm，使用荷載Nvk=3822kN時，其樁基沉降量為5.58mm（根據(jù)靜載的沉降關(guān)系和前兩級的荷載按線性插值求得），按“單樁宜取低值，群樁取高值”的相關(guān)規(guī)定，最終沉降量為試樁達(dá)到使用荷載時沉降量的2-5倍，此處最終沉降量取使用荷載時沉降量的3倍，其最終沉降量為16.74mm。

b對6-6西側(cè)#樁，根據(jù)單樁靜載的試驗結(jié)果，在試樁達(dá)到荷載N=2800kN時，其樁基沉降量為2.58mm，試樁達(dá)到荷載N=5600kN時，其樁基沉降量為6.05mm，使用荷載Nvk=5020kN時的對應(yīng)的樁基沉降量為5.33mm（根據(jù)靜載的前兩級的荷載和沉降關(guān)系按線性插值求取），“單樁宜取低值，群樁取高值”的相關(guān)規(guī)定，最終沉降量為試樁達(dá)到使用荷載時沉降量的2-5倍取值，此處最終沉降量取使用荷載時沉降量的3.5倍，其最終沉降量為18.66mm。

4.6 地鐵車站柱下端承樁樁持力層承載力不足的處理技術(shù)

4.6.1 高壓水切割沖洗，注漿加固技術(shù)

該加固處理技術(shù)原理為：根據(jù)柱下端承樁樁徑大小，均勻的布置若干個地質(zhì)鉆孔，鉆孔深度到出現(xiàn)缺陷部位，利用高壓水流切割并沖洗孔底沉渣及破碎帶，待清理完畢后，注入已配置好的化學(xué)漿液或固定配比水泥漿液。水泥漿液的強(qiáng)度小，縮水率大，注漿加固的效果不佳；現(xiàn)有一種強(qiáng)度高達(dá)80MPa的無收縮自流平化學(xué)灌漿料，其在端承樁缺陷部位灌注后固結(jié)快，并且無明顯的收縮現(xiàn)象，可以有效的填筑高壓水流切割后地鐵柱下端承樁底的空隙部位，其處理效果較好。

4.6.2 后壓漿施工處理技術(shù)

在柱下端承樁鉆(沖)孔灌注樁成樁后，對柱下端承樁樁底沉渣厚，持力層抗壓強(qiáng)度不足等問題；通過鉆孔在柱下端承樁樁底以及樁側(cè)的預(yù)埋壓漿導(dǎo)管（壓漿導(dǎo)管底部應(yīng)設(shè)置多孔管閥，壓漿導(dǎo)管向上延伸到地面或樁頂）向樁側(cè)或樁底高壓注入已配置好的水泥漿液，通過漿液塞實柱下端承樁底的松軟部位，達(dá)到固結(jié)底泥以及擠壓土層的目的；與此同時漿液在柱下端承樁的樁側(cè)向上返漿擴(kuò)散，加強(qiáng)了樁體與土層的側(cè)摩阻力[1]。

本工程對4-4東側(cè)#、6-6西側(cè)#兩樁采用在端承樁的樁后進(jìn)行壓漿補(bǔ)強(qiáng)，在樁側(cè)預(yù)埋壓漿導(dǎo)管，并加強(qiáng)觀測，如發(fā)現(xiàn)沉降差過大，立即用壓漿導(dǎo)管對樁進(jìn)行后壓漿補(bǔ)強(qiáng)。

壓漿導(dǎo)管深度比柱下端承樁樁深度多0.6m，頂部應(yīng)高出底板面30cm，袖閥管與套管（套管標(biāo)識編號并刷防銹漆）之間嵌填防水材料，壓漿導(dǎo)管管口應(yīng)設(shè)置止水閥，以防止地下水上涌。后注漿導(dǎo)管管口做法如下：

圖10 壓漿導(dǎo)管口做法示意圖

施工期間每日對此樁位及相鄰樁位的沉降變形進(jìn)行觀測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)相鄰墻沉降差超過3mm時，應(yīng)立即采用壓漿導(dǎo)管對端承樁樁后進(jìn)行注漿補(bǔ)強(qiáng)加固，補(bǔ)強(qiáng)加固配比參數(shù)如下表。

表7 后注漿補(bǔ)強(qiáng)配比參數(shù)表

5 結(jié)論

①在地鐵車站施工中，其施工空間有限時采用調(diào)整鋼支撐位置及樁機(jī)位置有效的解決了樁機(jī)施工與鋼支撐、預(yù)留孔洞沖突的問題，為今后地鐵車站柱下端承樁施工提供了很好的指導(dǎo)意義[2]。②根據(jù)柱下端承樁成樁機(jī)理，結(jié)合工程實際出現(xiàn)問題，分析了持力層承載力不足影響成樁質(zhì)量的因素以及進(jìn)行原因排查采用的措施，為今后出現(xiàn)類似工程問題提供依據(jù)。③注漿加固是的樁端持力層補(bǔ)強(qiáng)有效手段，沉降監(jiān)測是檢測樁端持力層補(bǔ)強(qiáng)加固處理效果的重要方法，對工程實踐有著重要意義。④巖層持力層承載力不足區(qū)域采用后壓漿施工處理技術(shù)和高壓水切割沖洗注漿加固技術(shù)是缺陷處理的重要方法。⑤本工程的施工技術(shù)研究通過相關(guān)控制措施總結(jié)出了相關(guān)工法施工的布置，為深圳地區(qū)今后采用類似工法施工提供了寶貴的經(jīng)驗。