套管咬合樁在徐州地鐵車站基坑應用中的關鍵技術問題研究

李燦輝

摘要：套管咬合樁在徐州地鐵車站基坑圍護中的首次應用，提出了杏山子站地層選用套管咬合樁需重點解決的若干問題。介紹了咬合樁的概念、基本原理、技術要點。通過理論分析對常見葷素搭配套管咬合樁中素樁對抗彎承載力的貢獻做了分析探討。結合咬合樁在徐州地區首次應用過程中遇到的問題，描述了施工中的幾個關鍵技術及對應解決方案。以徐州1號線杏山子站為例，詳細介紹了工程概況、圍護結構設計及選型依據;結合工程案例，分析了工程監測數據，并與設計結果進行了對比評價。

Abstract： Aiming at the retaining and protection structure of the foundation pit for subway station， this paper puts forward some problems that need to be solved urgently in the first selection of casing occlusal pile in Xingshanzi metro station for Xuzhou subway. The concept， basic principle and technical points of occlusal piles are introduced. Through the theoretical analysis， the contribution of the concrete pile to the bending bearing capacity of the casing occlusal pile is analyzed. Combined with the problems encountered in the first application of casing occlusal pile in Xuzhou area， several key technologies and corresponding solutions in construction are described. Taking Xingshanzi Station of Xuzhou Line 1 as an example， the general situation of the project， the design of the retaining and protection structure and the basis of type selection are introduced in detail. Combined with the engineering case， the engineering monitoring data are analyzed and compared with the design results.

關鍵詞：套管咬合樁;素樁;抗彎承載力;施工關鍵技術

Key words： casing occlusal pile;concrete pile;bending capacity;key technologies in construction

中圖分類號：TU476 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）27-0153-04

0 ?引言

徐州目前正進行大規模的地鐵建設，這也將進一步鞏固其在淮海經濟區的中心城市地位，提升對周邊城市的輻射力與影響力，對改善城市地面交通壓力和開發地下空間意義重大。

地鐵車站主體基坑圍護形式主要有鉆孔灌注樁+止水帷幕、咬合樁、地下連續墻。徐州民建基坑較常用形式為鉆孔灌注樁，無地鐵基坑施工實例。鉆孔咬合樁在國內外應用較廣泛，但在徐州地區的應用屬首次，在保證技術可靠的同時，對于適用地層的新工法應進行嘗試和推廣。

徐州市區位于魯南山區向黃淮海平原過渡的部位，以平原為主，中部斜插丘陵山帶，地貌形態主要有丘陵（殘丘）和平原兩大類。筆者以杏山子站主體基坑為工程背景，介紹套管咬合樁在徐州地鐵車站基坑圍護中的首次應用。杏山子站工程地質和水文地質條件較為典型，咬合樁的選用需重點解決以下幾個問題：①剛度和強度能否滿足要求，基坑變形對周邊的環境影響;②基巖埋深較淺，單軸抗壓強度較高，咬合樁入巖問題;③咬合樁對施工工藝要求較高，咬合樁入巖增加了成樁時間，進一步提高了對超緩凝混凝土的初凝時間要求;④地下水豐富，成樁質量能否保證止水效果;⑤土巖分界面有一層破碎帶，富承壓性，水頭較高，為有效隔斷破碎帶，素樁需入巖，為此帶來的套管跟進，防止管涌問題。

1 ?咬合樁應用情況研究

套管咬合樁是相鄰混凝土排樁間相互咬合形成部分圓周相嵌，并于后序次相間施工的樁內置入鋼筋籠，使之形成具有良好防滲作用的整體連續防水和擋土圍護結構。套管咬合樁的鉆孔深度、平面布置形式靈活多變，相比地下連續墻更加適用于外輪廓為曲線形式、地質縱斷面起伏變化較大的車站。適用的地層范圍較廣。其主要特點是一樁多能，既能擋土受力又能防水抗滲，具有施工噪音低、節省施工場地、工期較快、無泥漿污染、節約混凝土（充盈系數小）和止水效果好等優點，對城市施工的環保措施與文明施工的價值是極為顯著的[1]。

套管咬合樁的關鍵技術是樁身垂直度、無筋樁（以下簡稱A樁）混凝土初凝時間的控制、以及有筋樁（以下簡稱B樁）與A樁的協同受力特性。混凝土初凝時間的控制受諸多因素影響，與其他樁型相比，咬合樁的施工難度較大。目的是確保樁體之間的咬合質量（咬合時間和厚度），使其真正形成一道連續無縫的地下鋼筋混凝土連續樁墻[2]。

咬合樁是近20年在國內外發展起來的一項新的深基坑支護技術[3]，于1999年首次應用于深圳地鐵一期工程會展中心站至購物公園站區間隧道明挖段的基坑支護設計[4]。某臨海轉運站基坑，因地下水位較高、地層含較多的塊石，圍護結構采用沖孔灌注樁+素混凝土樁搭配的咬合樁型式，解決了圍護樁施工難題的同時，較好地實現了止水效果[5]。南京地鐵1號線西延線的元-中區間利用水泥攪拌樁替代A序素混凝土樁，用有鋼筋籠的B序樁咬合A序的水泥攪拌樁，形成一種新型咬合樁工法，成功解決了在沖淤沉積層中套管咬合樁的擴徑現象[6]。葷葷搭配的咬合樁由于施工上存在一定的問題，只在上海地鐵8號線的虹口足球場車站基坑使用過[7]。葷素搭配的套管咬合樁應用范圍最廣，相繼成功應用于深圳、南京、天津、上海和杭州等地的地鐵工程及其他工程中。據初步統計，其在南京地鐵工程中應用最為廣泛[3]。李文林[7]和廖少明等[8]通過相似模型試驗對咬合樁支護結構在考慮A樁作用下的抗彎承載力特性進行研究，揭示了咬合樁從彈性到塑性破壞不同階段葷素樁的力學行為，提出了其抗彎承載力計算方法，并通過工程實測驗證了結論的正確性。但需要指出的是，文獻中沒有給出咬合樁抗彎受力特性4個階段對應的臨界彎矩與基坑深度的關系。因此，套管咬合樁圍護結構基坑開挖過程中產生最大彎矩時A樁進入何種力學階段還需做進一步深入研究。胡琦等人通過建立非線性三維實體模型，結合現場實測結果對比分析，對咬合樁主要是素樁的受力機制進行了研究[9]，但都缺乏理論推導分析過程。本文以杏山子站工程為背景，通過理論分析進一步探討A樁對咬合樁抗彎承載力的貢獻。

2 ?B樁與A樁的協同受力特征分析

在腰梁的整體約束作用以及葷素樁相互咬合嵌固作用下，A樁實際是與B樁一同參與結構受力的。問題僅在于咬合樁在整個受力過程的不同階段，A樁的力學行為及其對整體結構承載力的貢獻值。地鐵結構設計中，目前主要是按一般灌注樁的設計方法進行設計，即不考慮A樁的作用。

實際上，A樁裂縫的逐步發展會不斷減小混凝土受壓區高度，即咬合樁整體受力過程中A樁對結構抗彎承載力的貢獻是逐步減弱的[9]。因此，最終A樁對咬合樁抗彎承載力貢獻不會超過15%。

由上述分析可知，設計中可不考慮A樁對抗彎承載力的貢獻。從確保安全的角度分析，A樁對承載力的貢獻在基坑圍護結構設計中可以作為安全儲備。

3 ?施工關鍵技術問題及解決方案

3.1 合理的施工工藝流程

施工組織上，要求在A樁砼初凝之前完成B樁的施工。正常施工步序如圖3所示。本站咬合樁大部分需入巖，在套管咬合樁入巖段，由于成樁時間長，加大了發生管涌的概率，處于不同硬化階段的兩相鄰A樁早期強度相差較大，對B樁成孔垂直度造成較大影響，施工組織上進行調整優化：A1→A2→A3→B1→A4→B2→A5→B3……

3.2 防止管涌措施

套管咬合樁施工過程中易產生管涌的情況分為兩種：①樁孔內地下水位或承壓水水頭較高，由此產生的動水坡度大于土層的極限動水坡度，土顆粒就會處于冒出、沸涌狀態，向孔內噴水，形成管涌，本站圍護樁施工過程中于靠近土巖結合面時，存在這種現象;②B樁成孔過程中，由于A樁混凝土未凝固，還處于流動狀態，A樁混凝土有可能從A、B樁相交處涌入B樁孔內，形成A樁超緩凝混凝土的管涌，常發生于葷素樁均入巖且施工B樁時套管沒有跟進，富有承壓性的基巖裂隙水的作用情況下，本站咬合樁施工初期出現了這種情況。

采取的應對措施主要為：①套管先行，A樁混凝土的坍落度控制在180mm以內，施工時嚴格觀察相鄰樁混凝土表面是否下降，取土面應始終高于套管底口2.5m;②入巖樁采用全回轉鉆機施工，確保施工B樁時套管底口低于相鄰A樁底面，套管及時跟進對于控制管涌至關重要;③按照前述內容合理調整施工工藝流程，調節已施工樁凝固時間，避免管涌的發生。

4 ?套管咬合樁工程應用實例

4.1 工程概況

徐州地鐵1號線杏山子站為地下二層車站，采用明挖順做法施工，車站長度約372m，站臺中心里程處坑深約17.2m，標準段寬度19.7m。車站為帶配線車站，配線區基坑輪廓為曲線形式;坑底臨近土巖結合面，巖面起伏變化較大。除車站東端靠近河流，車站周邊無控制性建構筑物及重要管線。

基坑坑底主要為2-4-3粉質黏土，坑底以下有5-3-4黏土、12-7-3中風化灰巖（巖溶發育，完整性較好，飽和單軸抗壓強度標準值52MPa）。

地下水類型分為填土中的上層滯水、第四系土層中的孔隙水及基巖裂隙水（中透水，水量豐富，具承壓性）。根據詳勘資料、RQD指標以及工程經驗判定土巖分界面存在一層破碎帶，具承壓性，水頭較高。

4.2 圍護結構選定

綜合考慮周圍環境特點、工程地質和水文地質條件、基坑特征、施工技術及工程造價等諸多因素，并著重考慮土巖分界面存在的破碎帶，采用套管咬合樁作為基坑的圍護結構。

4.3 設計參數的選擇

本站選用常用的一葷一素搭配的全套管鉆孔咬合樁。B樁砼采用C35、A樁采用C20超緩凝混凝土。標準段采用Ф1000@800套管咬合樁，基巖埋深較淺段B樁按入巖2.5m、A樁入巖0.5m控制，以有效隔絕土巖分界面破碎帶，并保證B樁穿越溶洞時入完整巖面下1m。

5 ?結論

以徐州地鐵1號線杏山子站為工程背景，分析探討了套管咬合樁在徐州地層應用過程中，設計、施工存在的關鍵技術問題及解決辦法。通過理論分析、施工監測數據分析以及與設計的對比，可知圍護結構選用套管咬合樁達到了預期的效果，較好地解決了文初提到的5點需重點考慮的問題，得出以下結論：

①素樁對咬合樁抗彎承載力貢獻最大約為15%，對于葷樁配筋量的計算影響不顯著。設計中可將其作為安全儲備，不考慮素樁對抗彎承載力的貢獻。

②圍護結構深部水平位移開挖至坑底，最大值出現在對應0.6倍基坑開挖深度，深部水平位移較大值集中在0.45～0.7倍基坑深度內。

③地面各監測點沉降值在基坑開挖到坑底至底板混凝土澆筑前這段時間內地面沉降速率最大;待底板澆筑完成后地面沉降值趨于平穩。因此，基坑開挖至坑底時，應加快底板澆筑進度，減少坑底暴露時間，利于基坑安全，減少對周邊環境及建構筑物的影響。

④圍護結構樁頂位移隨時間呈上浮趨勢，總體上變化較為平緩，但上浮值較小，在15mm以內，對圍護結構受力不會產生影響。這主要由于基坑的開挖，坑底以下土體的卸荷造成土體回彈，致使圍護結構產生向上的位移。當底板澆筑完成后，樁頂位移即趨于穩定，這也與多數圍護結構監測得出的經驗相符[11]。

⑤超緩凝混凝土初凝時間掌握不到位，葷樁施工時，相鄰素樁存在向葷樁內發生管涌的可能，通過反復調整超緩凝混凝土初凝時間及葷樁施工順序，可有效控制管涌現象。

咬合樁繼承了排樁及地下連續墻的一些優點，在適用的地層及周邊環境情況下具有明顯的優勢，是首選的圍護結構型式。于徐州地區的首次成功應用，為以后套管咬合樁在徐州地鐵圍護結構工程中的廣泛應用提供了設計與施工的參考，值得推廣。

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