拱形咬合樁在橋梁深基坑圍護結構中的應用

易 垚

(四川仁沐高速公路有限責任公司 成都市 610000)

咬合樁是從國外引進的一種深基坑圍護支擋結構形式，在國外有較多成功的工程實例，積累了豐富的施工經驗。咬合樁作為一種深基坑圍護型式在內地應用較晚，我國地下工程界知名專家王振信在國外考察時發現，將其引進國內最先應用到深圳地鐵一期工程購物公園站到會展中心站之間隧道的圍護支擋中，此后該工法在地鐵、高層建筑物等深基坑中得到大量應用，施工工藝也日趨成熟。

咬合樁是平面布置的排樁，相鄰樁基部分圓周相嵌、互相咬合成為共同受力的整體結構，從而起到承重、擋土、止水等作用，主要用于構筑物的深基坑臨時支護結構。咬合樁按照施工機械分為全套管鉆孔咬合樁和沖擊鉆孔咬合樁，全套管鉆孔咬合樁采用旋挖鉆機施工，具有施工安全快捷、成孔垂直度精度高、樁間咬合緊密、環保、造價低等優點，在深基坑圍護支擋施工中應用廣泛。

常見深基坑咬合樁支護形式平面布置為矩形，結合仁沐新高速公路岷江特大橋沐川岸拱座基坑支護工程，淺述拱形布置咬合樁在深基坑圍護結構中的應用。

1 工程背景

1.1 工程概況

仁沐新高速公路犍為岷江特大橋橋址位于犍為縣縣城下游，岷江特大橋需跨越岷江和馬邊河，橋梁全長2782.6m，其中跨越岷江主橋采用中承式鋼管混凝土拱橋，拱橋長457.6m，主跨400m，橋位呈E～W向展布，與岷江正交。沐川岸為鋼筋混凝土拱座，頂部寬7m，底部寬10m，拱座基礎采用整體式擴大基礎，順橋向長50m，橫橋向50.6m，厚5m，如圖1所示。

1.2 地質概況

基坑工程位于四川盆地南緣岷江沖積平原，以侵蝕堆積地貌為主。沐川岸為岷江I級沖積階地，基坑范圍內東、西側和南側原地面較為平緩，高程約為315.00～317.00m，北側為一斜坡，坡度約20°～30°，坡頂為河口村街道尾部，房屋密集，高程約312.2～321.5m，從上到下地層分布為粉土(3m)、卵石層(4～7m)及粉砂質泥巖。

2 基坑開挖圍護方案

2.1 開挖圍護方案比選

根據以上工程地質條件，基坑開挖范圍內有粉土、粉砂等，靠近岷江地下水位高，雨季前拱座必須施工完畢。基坑開挖圍護若采用SMW工法樁+錨索方案，雖然成樁速度快，開挖面積和方量少，型鋼可重復利用，但是土石方出渣慢，復雜地層條件下工法樁成樁質量難以保證，錨索工程量大，工期過長；若采用放坡+咬合樁方案，咬合樁和放坡施工工藝成熟，施工速度快，咬合樁單樁長度較短，結構受力好，變形小，但是開挖面積和方量大，基坑北側房屋密集，征地拆遷工作量大，對工期和施工外圍環境影響較大。經綜合比選，基坑開挖圍護采用放坡+咬合樁+錨索方案，出渣速度快，錨索工程量較小，咬合樁和放坡工藝成熟，施工速度較快，施工質量有保證，征地拆遷工作量小，工期適中。

圖1 沐川岸拱座設計圖

2.2 圍護結構布置

本方案的主要特點為基坑邊坡采用三級放坡+咬合樁+錨索的防護結構，基坑北側采用咬合樁+錨索支護，東、西、南側采用咬合樁支護。采用咬合樁構成基坑圍護結構，平面上咬合樁采用拱形布置，靠近邊坡側為a邊，順時針方向依次為b、c、d邊，咬合樁按照順序編號。基坑單邊跨距52.27m，矢高4.06m，矢跨比1/12.9，鋼筋混凝土樁和素混凝土樁間隔布置，樁間相互咬合0.1m，鋼筋混凝土樁直徑1.4m，承受水、土壓力，素混凝土樁直徑1.2m，以填充鋼筋混凝土樁間隙，咬合樁底部嵌入基巖足夠深度，樁頂與連系梁(截面尺寸180cm×120cm)固結，在四個角點處設置直徑2.0m抗力樁和直徑1.4m加固樁，作為拱形圍護結構的拱座。三級放坡首先施工第三級邊坡，在第三級坡腳施工咬合樁，咬合樁內側施工第二級邊坡，第二級邊坡放坡至基巖中風化頂面，坡腳設置護腳墻，護腳墻內側為中風化基巖，采用垂直開挖施工第一級邊坡。基坑北側開挖深度大，樁懸臂段較長，設置2道豎向錨索，錨索從素混凝土樁鉆孔入土，錨固端深入中風化基巖。

3 咬合樁施工工藝

3.1 工藝原理

圖2 拱形咬合樁基坑圍護結構平面圖

圖3 拱形咬合樁基坑圍護結構剖面圖

咬合樁采用全套管鉆孔施工，相鄰單樁之間相互咬合形成具有防滲漏作用的整體防水和擋土雙重功能的圍護結構。樁的平面排列按照一根素混凝土樁(A樁)和一根鋼筋混凝土樁(B樁)間隔布置，先施工A樁后施工B樁。利用旋挖鉆機完成A樁樁孔，A樁采用超緩混凝土成樁，在A樁混凝土初凝前利用旋挖鉆機切割掉A樁與B樁相交部分混凝土，然后完成B樁施工，實現樁與樁之間咬合，待樁達到設計強度，在樁頂施工連系梁使咬合樁形成整體，在咬合樁支護下開挖施工基坑。

3.2 施工順序

鉆孔施工順序為先施工混凝土素樁(A樁)，再在相鄰A樁之間施工鋼筋混凝土樁(B樁)，其施工順序為：A1-A2-B1-A3-B2-A4-B3，如圖4所示。

圖4 鉆孔灌注樁成樁順序示意圖

3.3 單樁施工工藝

旋挖鉆機開孔前，利用控制點位準確定位排樁中心位置，護筒采用10mm厚雙臂鋼套管，內徑比設計樁徑大20cm，鋼護筒埋設后，旋轉鉆頭對準樁位十字線交點，并調整設備的水平度，保證鉆桿及鋼護筒的垂直度。符合要求后開始鉆進成孔，鉆孔深度達到孔底設計標高后，對孔深、孔徑進行檢查，確保符合設計及規范要求。B樁鋼筋籠在鋼筋加工廠內利用滾焊機集中加工制作，鋼筋籠分段制作，鋼筋接長采用焊接，接頭位置錯開，扎口焊接時，上下主筋位置對正，保持鋼筋籠上下軸線一致。混凝土灌注采用導管法灌注，導管為直徑275mm的鋼管，每節長度為6m，導管口距離混凝土表面的高度保持在2m以內，混凝土灌注應連續進行不得中斷，邊灌注邊提升導管和鋼護筒，混凝土灌注至樁頂設計標高以上1m，并做好孔口防護。

3.4 連系梁施工

將咬合樁樁頂的劣質混凝土鑿除(破樁頭)，樁頭鑿除采用環切法，樁芯頂面的混凝土進行鑿毛處理，清除樁頂浮渣，施工一層墊層，連系梁采用定制鋼模板施工，綁扎鋼筋，澆注混凝土，四周連系梁形成整體、混凝土達到設計強度后進行基坑開挖作業。

4 基坑監測

4.1 監測目的

岷江特大橋沐川岸拱座基坑開挖規模大，基坑深度較深，隨著基坑開挖作業的不斷深入，基坑內外的土體由原來的靜止土壓力狀態向被動和主動土壓力狀態轉變，基坑內外土體應力狀態的改變關系到基坑的安全，為保證基坑開挖過程中圍護結構一直處在良好運行狀態，實時掌握工程實際狀況，及時采取糾偏措施，必須對基坑支護結構、周邊土體以及相鄰建筑物進行綜合、系統的監測。

對基坑施工過程進行監測的目的主要有：

(1)根據現場監測數據與設計值(或預測值)進行比較，如超過某個限值，就采取工程措施，防止支護結構破壞和環境事故的發生，保證支護結構和相鄰建筑物的安全；

(2)驗證支護結構設計，指導基坑開挖和支護結構的施工；

(3)結合工程經驗，為完善設計分析提供依據。

4.2 監測項目

依據本工程基坑支護設計方案，該基坑類別為一級。依據《建筑基坑工程監測技術規范》(GB50497-2009)、設計要求及本地區工程經驗確定本基坑工程的監測內容和項目主要有：邊坡穩定監測；連系梁監測；樁體監測；樁后土體監測；基坑周邊建筑物監測；地下水位監測；基坑安全的日常巡查、檢查。

4.3 監測結果

4.3.1應力監測

連系梁應力監測點布置于咬合樁鋼筋樁樁頂處，分別位于基坑每側的1/4、1/2處及四個角點處，共24個水平位移監測點，依次編號為 XL1～XL24，水平位移監測點平面布置如圖5所示。樁身應力監測點采用在樁身鋼筋上設置鋼筋拉力計的方式，監測點布置與連系梁相同，依次編號為YL1～YL16，在每根咬合樁中部沿徑向分別設置兩個鋼筋應力計作為監測點，一個應力計靠近基坑內側，一個應力計靠近基坑外側土體，依次編號為 YLn-1、Yln-2(n為監測點平面布置點號)，如圖6所示。樁身內應力監測點共48個。

基坑開挖完成階段部分連系梁應力理論值與實測值，如表1所示(僅列出部分測點)。

基坑開挖過程中，內外傳感器測點8(系列1表示內側應力測點、系列2表示外側應力測點)連系梁應力和樁身應力如圖7、圖8所示。

圖5 連系梁應力監測點平面布置圖

圖6 樁身應力監測點立面布置圖

連系梁位置系梁模擬應力(內)系梁模擬應力(外)系梁實測應力(內)系梁實測應力(外)a15-2.0463-2.5538—-1.2603a25-5.8024-7.1724-0.9384-1.2768a35-1.8396-2.5725-1.3095-1.2594b15-1.8155-2.4646-1.2243-1.3992b25-4.7816-8.0446-1.1775-0.9888b35-2.0284-2.7227-1.0143-1.053

4.3.2變形監測

(1)連系梁變形

基坑開挖完成后連系梁位移(向基坑內側的位移值)理論值與實測值如圖9所示，基坑開挖過程中a25連系梁各方向累計變化值如圖10所示。

圖7 系梁應力測點應力圖

圖8 樁身應力測點應力圖

圖9 系梁理論位移值與實測位移值對比(單位：mm)

圖10 a25系梁各方向累計變形值(單位：mm)

(2)樁身變形

樁體變形監測點采用粘貼反光片的方式進行布置，監測點選擇位于基坑每側的1/4、1/2處及四個角點處，共16根咬合樁進行布置，位移-1是樁體距系梁底3m處的位移，位移-2是樁體距系梁底6m處的位移。其中c25樁變形監測如圖11、圖12所示。

圖11 樁C25-1監測點各方向累計變化值

圖12 樁C25-2監測點各方向累計變化值

(3)周邊建筑變形監測

通過在基坑周邊建筑物監測點處設置反光片，對基坑周邊建筑物傾斜度進行監測。監測點布置在外墻墻角、外墻中間部位及其他有代表性的部位。其中被保護建筑物軸線1傾斜度如圖13所示。

圖13 軸線1傾斜度

(4)周邊建筑物裂縫監測

裂縫監測的內容包括對裂縫的位置、走向、長度、寬度及變化程度的監測。在基坑開挖前對基坑周邊建筑物已有裂縫的分布位置和數量進行確定，測定其走向、長度、寬度和深度等情況。選擇有代表性的裂縫進行監測并做好標志，每一條裂縫的測點至少設2組，在裂縫的最寬處及裂縫末端布設監測點。其中FW2-LF1-1裂縫寬度監測結果如圖14所示。

圖14 FW2-LF1-1裂縫寬度(單位：mm)

4.3.3監測結論

樁頂連系梁應力在同一截面，內、外側傳感器的實測值變化趨勢一致，實測值基本相等，全截面受壓狀態，該應力分布規律符合徑向土壓力作用下圓弧線為合理拱軸線的特征，達到了拱形咬合樁的設計意圖。樁頂連系梁實測應力在基坑開挖到位之后保持穩定不變，說明支護結構的穩定性較好，能夠滿足支護要求。

施工過程中岷江河多次漲水，基坑漫水對支護結構的變形和受力均產生了較大影響，其結果等效為基坑的二次開挖，在類似基坑施工過程中，條件允許的情況下應盡量在洪峰季之前完成基礎的澆注作業，降低施工風險。

連系梁實測變形值與理論變形值分布趨勢相似，實測值基本都小于理論計算位移值。房屋傾斜度和裂縫除在基坑開挖階段有小幅波動，后期均保持穩定，房屋傾斜度沒有超過2/1000限值，裂縫基本沒有超過1.5～3mm的規范限值。

綜上，對基坑開挖各施工階段監測，經分析監測數據，表明拱形咬合樁支護結構的選取及施工工藝上是合理的。

5 總結

咬合樁在岷江特大橋沐川岸拱座基坑圍護中的成功應用，為今后其他同類型基坑咬合樁圍護結構施工提供借鑒，結合本方案咬合樁施工總結以下幾點：

(1)咬合樁作為圍護結構具有防滲能力強，施工效率高，占地面積小等特點，咬合樁施工采用旋挖鉆施工，機械設備噪音低、振動小，大幅度縮短工期，對周圍環境污染小，有利于文明施工。

(2)咬合樁平面布置由矩形優化成拱形，有利于提高圍護結構整體受力。

(3)地下工程具有復雜性和不可預見性，基坑開挖過程中重視信息化施工，定期檢測，根據不同施工狀態下實測數據，及時調整與優化施工。