硬咬合樁在含承壓水復雜軟土地層中的應用

徐 輝

［上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092］

0 引 言

20 世紀50 年代由法國Benoto 公司發明的鉆孔咬合樁是采用全套管灌注樁機施工而形成的混凝土灌注相互咬合搭接形成的具有擋土和止水作用的一種基坑連續樁墻支護結構。鉆孔咬合樁已在國內外獲得了廣泛的應用。歐美地區的使用歷史已近60 a，亞太地區（包括港臺地區）的使用歷史也近40 a，我國內地地區于1999 年在深圳地鐵一期工程中引入[1]，隨后在全國各地的深基坑和地鐵基坑施工中獲得了大量的成功應用，但在水務工程中應用并不廣泛。

隨著現代制水工藝的發展，自來水的標準工藝一直在不斷地完善和提升，多年的運營的許多老廠水質已經不能完全達到新的要求，大量的水廠需要改造升級。另外，城市內部建筑物密集，重要設施眾多，水務工程舊結構改造時往往會引起周圍地基的移動與沉降，給鄰近地區帶來比較嚴重的影響。因此鉆孔咬合樁在水務工程深基坑的施工中已得到越來越多的應用。

鉆孔咬合式排樁根據其切割成孔的施工方法分為兩種，如果Ⅱ序樁（有筋樁或葷樁）在相鄰Ⅰ序樁（無筋樁或素樁）的混凝土終凝后對其切割成孔的為硬切割咬合樁，如果Ⅱ序樁在Ⅰ序樁混凝土初凝前對其切割成孔的為軟切割咬合樁。目前上海地區復雜軟土地質條件下，在受承壓水層影響下進行硬切割咬合式排樁施工的工程應用經驗還比較少，本文將對硬切割咬合式排樁在含承壓水的復雜軟土地層中的施工技術進行研究，進一步完善鉆孔咬合式排樁支護結構的施工工法，為咬合樁施工技術提供類似經驗。

1 工程概況

上海某水廠工程頂管工作井和接收井基坑圍護結構設計采用硬切割成孔的咬合式排樁，全套管全回轉鉆機施工，一葷一素的排列方式，共130 根。Ⅰ序樁Φ1000@1400，樁長20.8 m，采用水下C20 混凝土；Ⅱ序樁Φ1000@1400，樁長30.8m，采用水下C30混凝土。頂管工作井基坑平面尺寸13.4 m×8.6 m，開挖深度13.7 m；頂管接收井基坑平面尺寸9.0 m×8.0 m，開挖深度13.5 m。

如圖1，頂管工作井基坑南側為砂濾池（下層消毒接觸池），距基坑開挖邊線8.9 m，基坑西南角為上海市歷史保護建筑，三層磚混結構，淺基礎，距基坑開挖邊線16.1 m；頂管接收井位于現狀廢棄7# 沉淀池內，基坑西側緊鄰現狀7#沉淀池鋼筋混凝土池壁，為文物保護建筑，施工期間需進行保護。頂管工作井和接收井基坑安全等級均為一級；環境保護等級均為一級。本工程施工機械選用鉆機型號為DTR2106 的全套管全回轉鉆機。

2 工程地質條件

根據地質勘察報告，頂管工作井和接收井咬合樁施工需穿越的復雜軟土地層為①1層雜填土、①3層粘質粉土（江灘土）、④層灰色淤泥質粘土、⑤1-1層灰色粘土、⑤1-2層灰色粉質粘土、⑥層暗綠- 草黃色粉質粘土、⑦1-2層草黃色砂質粉土等，頂管工作井咬合樁還需穿越⑦1-1層草黃色砂質粉土夾粉質粘土，見圖2。兩基坑淺部 ⑤1-2層及其以上土層埋藏相對較淺，土質偏軟，其承載力較低，見表1，①3層為65 kPa、④層為50 kPa 等，但⑦1-2層中密～密實狀、中壓縮性，其平均 Ps 值 11.17 MPa，土質條件較好，但較深。①1層土質松散，成孔時容易坍塌；①3層為粉性土，透水性強，在動水壓力下容易產生流砂現象；④層淤泥質土，抗剪強度低，容易產生蠕變及剪切破壞。

圖1 頂管工作井和接收井平面布置圖

圖2 咬合樁施工穿越土層剖面圖

表1 土層物理力學性質參數表

基坑場地內淺層地下水屬潛水，實測穩定地下水位埋深在0.70～1.50 m 之間，絕對標高在+3.28～+3.80 m 之間；所在的⑦1-1、⑦1-2、⑦2-1及⑦2-2層分布的地下水屬承壓水，這些含水層相互溝通，可視其為一個含水層，其水位呈周期性變化，水位埋深約3～12 m。⑦層承壓水實測穩定水位埋深在3.38～3.81 m左右，對應絕對標高在+0.83～+1.19 之間。頂管工作井基坑挖深13.7 m，根據規范值和實測值驗算不同水位情況下基坑開挖突涌可能性，按最不利情況考慮：即承壓水水位埋深3.0 m、⑦層層頂最不利絕對標高為-23.45 m 時（對應埋深為28.1 m），本工程基坑開挖過程中，可能發生⑦層承壓水突涌。本次咬合樁Ⅱ序樁（有筋樁或葷樁）樁長30.8 m，樁底位于⑦1-1層承壓水層或⑦1-2層層頂，鉆進過程中如施工控制不當則易引起孔內突涌，對周邊環境控制極其不利。

3 基坑圍護方案選擇

本工程基坑施工有以下難點：現場場地狹小，實施難度大；在文物保護區內進行施工，保護要求高，需選擇剛度較大的圍護結構，以便將基坑開挖對周邊環境的響控制在規范允許的范圍內；基坑施工期間時，必須保證周邊建構筑物及管線的正常生產運行；特別是由于是原址改造，地下障礙物（老舊基礎、水池池壁、圍護地下管線等）眾多，且由于年代久遠，具體情況不明，圍護樁施工難度較大。

結合本工程特點及上海地區類似工程的成功實踐經驗，特別是該水廠2007 年建設完成的“7# 生產系統凈水工藝深化建設工程”的深基坑設計施工經驗。在設計之初通過比選以下幾種圍護結構：水泥土攪拌樁擋土墻、灌注樁分離式排樁、咬合樁、型鋼水泥土攪拌墻、地下連續墻等板式支護體系，綜合分析了他們的優缺點，最終選用了咬合樁圍護方案。

頂管工作井的咬合樁圍護設計方案平剖面見圖3、圖4。

圖3 頂管工作井圍護平面圖（單位：mm）

圖4 頂管工作井圍護剖面圖

頂管接收井的咬合樁圍護設計方案平剖面見圖5、圖6。

圖6 頂管接收井圍護剖面圖

咬合樁是鋼筋混凝土樁與素混凝土樁切割咬合，樁與樁之間排列構成互相咬合的樁墻，樁與樁之間可一定程度上傳遞剪力。優點：具有圍護墻剛度較大、占用施工空間小、并同時具有承力和防滲兩種功能、止水可靠、對周邊建筑物及地下管線影響小等特點。同時，可以兼顧清障和施工圍護樁兩種功能。對于本工程特點，場地狹小、可能存在障礙物的情況，特別適用。缺點：該工藝施工難度較大、對施工單位技術實力要求較高、速度較慢，施工成本較鉆孔灌注樁+止水帷幕要高30%左右。

4 硬切割咬合樁施工要點

4.1 施工流程

場地平整→測量放樣→澆筑導墻→導墻孔位復核→鉆機定位板對中孔位→鉆機吊裝就位、調平→吊裝第一節套管切削靴→鉆進取土→吊裝下一節套管→鉆進取土→重復上一流程干成孔至承壓水層最低反壓標高→孔內注水反壓至導墻面高度→水下取土至成孔完成（過程中嚴格控制、檢查垂直度）→測孔深、檢查孔底→清孔、吊放鋼筋籠→放入灌注導管→水下澆筑混凝土逐次拔管→測定混凝土面標高→成樁→移機。

4.2 鉆進成孔施工順序

咬合樁分Ⅰ序素混凝土樁（A 樁或素樁）和Ⅱ序鋼筋混凝土樁（B 樁或葷樁）兩種，在樁與樁之間形成相互咬合排列的一種基坑圍護結構。施工時先施工Ⅰ序樁后施工Ⅱ序樁，Ⅱ序樁應在相鄰兩根Ⅰ序樁混凝土終凝后切割成孔，Ⅱ序樁切割的相鄰兩根Ⅰ序樁強度差值不大于3 MPa；Ⅱ序樁施工時采用全套管全回轉鉆機切割掉相鄰兩根Ⅰ序樁相交部分的混凝土，實現硬咬合。施工順序為ⅠA1-ⅠA2-ⅠA3-ⅠA4-ⅡB1-ⅠA5-ⅡB2-ⅠA6-ⅡB3……見圖7。

圖7 咬合樁排列示意圖

Ⅰ序樁和Ⅱ序樁施工順序可根據實際樁長和單樁施工時間進行調整，Ⅱ序樁施工時間宜在Ⅰ序樁完成7d 左右鉆進成孔施工；硬咬合樁施工灌注的混凝土無需添加緩凝劑，受混凝土凝固時間限制較小。Ⅱ序樁兩側相鄰的兩根Ⅰ序樁強度差值不可過大，否則不易控制成樁垂直度。

4.3 導墻施工

4.3.1 導墻質量問題及分析

采用咬合樁導墻的主要目的是為保證鉆孔咬合樁孔口的精確度，提高就位效率。常見的咬合樁導墻質量問題有：厚度較薄、配筋不足、強度較小。在施工過程中發現常有導墻被壓裂、壓碎，或有翻翹現象。

全套管全回轉樁機和配合施工的吊機自身較重，目前國內市場常用的全套管全回轉鉆機較輕的也有30 t，重的達50～60 t；配合的吊機自重70～120 t；故吊裝時對導墻的荷載為1 000～1 800 kN。導墻除了給咬合樁孔位進行定位，最主要的目的是為全套管全回轉鉆機施工提供足夠的承載力，如果導墻承載力不夠，鉆機就位后在施工葷樁時，有可能因下部導墻問題引起鉆機晃動，導致樁身垂直度偏差和孔位偏差，從而對素樁切削面造成破損、裂紋等不良現象，影響咬合樁定位和成樁質量。

4.3.2 導墻質量控制要點

（1）測量定位：根據測量放樣的樁位中心線，放樣導墻兩側邊線，再根據咬合樁的直徑外放20 mm作為導墻咬合樁孔位的外側線。成型后的導墻總寬度不宜小于配合全套管全回轉鉆機施工的履帶吊履帶行走的寬度。

（2）導墻施工：導墻地基承載力需滿足全套管全回轉鉆機施工荷載要求；可根據建筑地基基礎設計規范（GB 50007—2011）內相關計算公式及巖土勘察報告計算出導墻地基的實際承載力；再結合全套管全回轉鉆機施工荷載要求計算出導墻的厚度和配筋及混凝土強度要求。如果周邊環境保護要求較高，建議導墻厚度不小于400 mm，導墻鋼筋采用Φ12@200 雙層雙向鋼筋網，混凝土強度不低于C30。

（3）導墻模板及混凝土澆筑：模板宜采用鋼模板，導墻轉角處模板應根據圖紙實際樁位定制模板實際尺寸和形狀大小，混凝土施工前先檢查模板的垂直度和中心以及孔徑是否符合要求。導墻混凝土澆搗時須做到兩邊對稱施工，確保受力對稱均布，以防止因為不均勻受力造成的跑模。

4.4 垂直度控制

（1）定位板定位。復核樁位后，把鉆機定位板吊裝起來，利用十字交叉法確定定位板中心點，下放安裝完成后使定位板中心點與樁位中心點重合，確保樁位偏差小于1cm。定位板安裝前應確保安裝地面平整，無高低不平的現象；定位板放置后應平穩，確保鉆機安裝后無滑動和偏移現象。定位板定位是全套管全回轉鉆機鉆進成樁的首要工作，其定位精度和穩定狀態對成樁的樁位偏差、后續的垂直度控制及成樁質量起了決定性的作用。

（2）鉆機就位、調平，首節套管安裝。鉆機定位板安裝后，利用鉆機自身的調平系統調平，鉆機自身的調平油缸可滿足鉆機的水平調整和鉆進時鉆機垂直度控制要求。首節套管的初始垂直度很關鍵，是鉆進施工垂直度控制的重點，如首節套管安裝不當將直接影響后續鉆進垂直度。首節套管吊放至鉆機套管孔內時，鉆機的四個支腿油缸應處于全部收縮或全部頂升的狀態，在夾緊裝置夾緊套管前套管應處于垂直懸吊狀態，并與地面保持一定距離，宜為30～50 cm，然后用夾緊裝置夾緊套管開始下壓鉆進。

（3）套管垂直度控制。鉆進過程中需安排2 人利用垂線法對鉆管垂直度進行全程監控，嚴格控制鉆管垂直度，如垂直度出現偏差應及時糾偏，滿足要求后才能繼續下沉取土，或者安裝下一節套管，如此重復，直至達到設計孔底。

（4）套管垂直度糾偏措施。成孔過程中如發現垂直度出現偏差，必須及時進行糾偏，如果這時套管入土深度不超過5 m，可直接利用鉆機的兩個頂升油缸和兩個推拉油缸進行調節；如果套管入土深度大于5 m，可先利用鉆機油缸直接糾偏，如無法達到要求，可慢慢拔起套管，同時向套管內回填砂或粘土，將套管提升到上一次檢查合格的地方，然后調直套管，檢查其垂直度合格后再重新緩慢下壓。

4.5 軟土層中鉆進取土控制要點

粘質粉土、淤泥質粘土在飽和水壓力作用下易軟化呈流塑狀，可能引起管涌或對剛完成不久的相鄰素樁的擠壓變形。因此，根據本工程經驗，在軟土層中鉆進取土建議采取以下措施：

（1）鉆進取土過程中需控制好施工參數，使套管的下壓力、下壓速度與取土面高度相互匹配。在葷樁鉆進成孔過程中，切割兩側的素樁混凝土時，下壓過快或下壓力過大，混凝土切削面切削不充分，可能造成素樁切割面崩裂、破損和樁身裂紋等現象，素樁取土面與套管底口的高差宜控制在1.5～3 m；葷樁取土面與套管底口的高差宜控制在1～2 m，套管下壓時嚴禁下壓力過大將全套管全回轉鉆機支腿油缸頂壓至脫離定位板，宜多回轉切割，在低壓力低頻率下壓鉆進。

（2）管內取土面和套管超深長度應滿足孔內防管涌的要求，嚴禁取土超挖、套管下壓速度過快及套管超深不足。

4.6 承壓水層中施工要點[2]

（1）重視并做好施工前試樁。在含承壓水的軟土地層中施工，應嚴格按照試樁優化后的參數進行施工，防止施工不當或缺乏經驗造成孔內承壓水突涌。試樁中如果發現，當暫停取土時，套管孔底取土面出現異常上升，這時應立即停止取土，分析原因，如果是因承壓水的影響造成上部土體涌起，應立即灌水，然后使用水下抓斗進行水下取土作業。

（2）采取干取土與水下取土相結合的成孔方式。葷樁鉆進取土，上部成孔采取干取土作業，但隨著孔底取土面的下降，受承壓水的影響，壓載土體太薄后，下部承壓水將會把管內土體頂起，造成孔內突涌，故孔底土體需要留置一定的厚度。然后用大流量潛水泵向孔內注水，注水完成后再繼續鉆進并水下取土成孔，完成成樁施工。

（3）鋼筋籠質量控制要點

a.鋼筋籠制作宜采用自動化的鋼筋籠繞筋機等機械化制作，以保證鋼筋籠成型外徑符合設計和規范要求，控制因鋼筋籠成型不規則引起混凝土灌注起拔外套管時套管內壁與鋼筋籠卡死，造成鋼筋籠上浮。

b.鋼筋籠底部需焊接一塊比鋼筋籠內徑小5～10 cm 的鋼板，鋼板圓心位置開一直徑2～5 cm 的小孔，防止灌注時鋼筋籠上浮和灌注完成后樁身下沉。

c.鋼筋籠下放完成后，宜將鉆進超深的套管起拔至距鋼筋籠底部約5 cm 位置處，再進行混凝土灌注；防止混凝土與套管底部土層形成土塞和套管底口切削刀齒卡住鋼筋籠，導致套管拔除時帶動鋼筋籠上浮。

d.鋼筋籠下放完成后，混凝土灌注前需做吊筋，待混凝土灌注至首節套管拔除時再拆除，防止鋼筋籠下沉。

（4）水下混凝土灌注施工要點

a.采用導管法進行水下混凝土灌注，導管直徑為300 mm，導管連接順直、光滑、密閉、不漏水，灌注混凝土前先進行壓力試驗；導管內隔水栓選用橡膠浮球。

b.在澆筑過程中，隨時檢查是否漏水，首灌時導管底部距孔底30～50 cm，首灌混凝土量要經過計算確定；灌注混凝土應連續進行，嚴禁中途停頓。導管埋入混凝土內深度為3～6 m，不得小于2 m 或大于6 m。

c.混凝土骨料粒徑宜小于2.5 cm，塌落度控制在200 mm±20 mm。對于骨料粒徑大于4 cm、塌落度小于180 mm 的混凝土嚴禁灌注。

d.拔管成樁：一邊澆筑混凝土一邊拔套管，應始終保持套管底低于混凝土面不得小于2.5 m 或大于10 m。

（5）套管底部刀具檢查及更換

每施工完成一根葷樁，需檢查刀齒磨損情況，對合金頭有缺塊現象或合金頭磨損小于2 cm 的刀齒需立即更換。

5 結 語

該文對硬切割咬合式排樁在含承壓水的復雜軟土地層中的施工技術進行了總結，進一步完善了鉆孔咬合式排樁支護結構的施工工法。

（1）隨著城市化的進程，以及地下工程的不斷發展，市區改建工程的增多，地下障礙物處理以及基坑周邊環境保護等級的提高，采用硬切割咬合樁圍護的基坑會越來越多，在含承壓水的復雜軟土層中進行硬咬合樁圍護施工，有一定的推廣意義。

（2）通過本工程的實踐，總結了在含承壓水的復雜軟土層中進行硬切割咬合式排樁的施工要點，克服了承壓水層對咬合樁施工的不利影響。經過基坑開挖后對咬合樁的檢測，Ι 類樁達97.8%，垂直度控制也較好；樁體個別位置略有濕跡外，無滴水或線流現象；周邊環境最大沉降為1.56 mm，很好地保護了基坑周邊的歷史保護建筑等重要建構筑物。希望為以后類似工程施工提供借鑒和參考。