修咬合桩在杭州奥体主体育场深基坑支护工程的应用

钢筋混凝土咬合桩在杭州奥体主体育场深基坑临江堤支护工程的应郑建荣1，陆学水2（1.杭州奥体博览中心滨江建设指挥部,浙江杭州310053;2.浙江江南工程建设管理有限公司,浙江杭州310007）摘要：本文介绍了杭州奥体博览中心主体育场地下深基坑工程中采用钻孔咬合桩作为基坑围护结构的施工工艺及其特点、重点、难点和技术质量控制措施。对今后临近江河、基坑变形要求高的深基坑工程提供了一种比较可靠的方法和思路。关键词：钻孔咬合桩超缓凝混凝土特大型工程临江堤深基坑支护应用1.工程概况和水文地质条件1.1工程概况杭州奥体博览中心主体育场位于滨江区地界内的钱塘江与七甲河交汇处南侧。用地西北侧为钱塘江，西南侧为奥运路，东南侧比邻利民河及地铁，东北侧为七甲河。图1-1主体育场鸟瞰图主体育场为8万座特级（结构设计使用年限100年）特大型体育建筑。主体育场建筑面积为212310㎡（地上151451㎡，地下60859㎡），地上六层，地下一层（局部二层），建筑高度59.4米，为钢筋混框架结构。屋面钢结构罩棚轮廓平面形状为近似椭圆形（长轴×短轴=333×285m，环型花瓣由空间管桁架+悬支单层网壳钢结构体系组成），如图1-1所示。±0.000相当于绝对标高7.400m，室内外高差0.150m，场地自然地面平均相对标高-1.20m，东北面紧邻七甲河堤部位自然地面标高为+2.45m图1-1主体育场鸟瞰图第一作者：郑建荣（1963.2-），男，工学学士，高级工程师，主要从事建筑施工和工程项目管理，E-mail:516789528@第二作者：陆学1983.7-）,男，工学学士，工程师，主要从事建设工程监理和工程项目管理，E-mail:153289077@第17页共17页层底标高﹣7.600m，独立承台底面标高－9.200m。图1-2主体育场基坑平面图基坑设计安全等级为一级，为特大型深基坑。平面形状为近似南北向为长轴、东西向为短轴的环形椭圆(如图1-2所示)。基坑外轮廓（1-M轴外侧，长轴×短轴=385×358m）；内环（1-D轴内侧的长轴×短轴=200×130m）。整个基坑采用了复合土钉墙、排桩（咬合桩）+混凝土内支撑等多种形式相结合支护形式，在1-M轴坑外3～12m不等设一排∅850@600三轴水泥搅拌桩止水帷幕（桩长有16米和19.8米两种，总长44828米）或咬合桩墙；坑内采用自流井疏干降水，坑外除北面紧靠七甲河一侧不降水外，其余坑外采用自流井控制性降水；坑中坑及高低差交界部位采用土钉墙支护或放坡开挖。沿1-M轴外侧周长约1300m，开挖面积约为11万m2，开挖土方量约为60万m3。图1-2主体育场基坑平面图基坑设计方案对椭圆环分两步实施，第一步先施工至1-H轴（长轴×短轴=325×275m）以内至1-D轴，开挖面积约为4.5万m2，开挖土方量约为23万m3；待1-H轴以内的上部钢结构罩棚吊装完成后，第二期施工从1-H轴以外至1-M轴外侧，开挖面积约为6.5万m2，开挖土方量约为37万m3。1.2咬合桩（排桩）简况基坑北面紧临七甲河标准堤塘（地下室外墙皮距离七甲河最近距离9.85m），七甲河与钱塘江相通，钱塘江常年受潮汐影响，当泄洪与潮汐相迭时达到年最高水位，最高潮水位为8.0～9.0m，最低潮水位为3.59～5.35m。该区域采用一排Ф1000@1500咬合桩结合二道钢筋砼支撑支护（计291根，桩长21.7米,桩墙总长217.5米，共5028.4m3砼，分别在+0.8m、-4.7米设置了两道钢砼内支撑；桩墙两端与主体育场外围一周的一排Ф850@600三轴水泥搅拌桩无缝连接，形成一道止水挡土帷幕。该止水帷幕先行于其他围护排桩和工程桩施工。钻孔咬合桩+钢筋混凝土围檩+深井降水形式：其中钻孔咬合桩桩径Φ1000，采用C25钢筋混凝土桩（主筋保护层厚度75㎜）和C15素混凝土桩交替布置，钢筋混凝土桩切入素混凝土桩内250㎜，即两桩相互咬合250㎜，相邻钢筋混凝土和素混凝土桩长均为21.7米。1.3工程地质和水文地质根据地质勘查报告，场区地貌属钱塘江河口冲海积形成的滩地，经后期人工围垦而成。组成物质以砂质粉土为主，但场地大部分有回填土分布，厚度约0.4～4.9米。场区地下水主要为空隙潜水和承压水，水位随季节而变化，埋深为0.8～4.2米，相对高程一般在2.85～5.22m左右，地下水对混凝土无腐蚀性。工程范围内涉及地层主要有（0）杂填土、耕植土层；=1\*GB3①粘质粉土层；=2\*GB3②砂质粉土层；=3\*GB3③淤泥质粘土层；=5\*GB3⑤砂细砂层；=6\*GB3⑥-1圆砾层；=6\*GB3⑥-2卵石层；=6\*GB3⑥-3卵石层。其主要物理学指标详见表1—1所列：表1-1土层主要物理学指标层号土层名称厚度（m）含水量W(%)天然重度孔隙比e有效粘聚力c(kkPa).72.咬合桩的工艺原理和施工流程2.1工艺原理和关键技术Ф1000@1500钻孔咬合桩，是在两根直径Ф1000、中心距1500的素砼桩中间嵌入一根Ф1000钢筋砼桩，桩与桩之间相互咬合相间连续排列而成的一种围护结构。其关键技术是采用专用桩机来保证桩身的垂直度，使得钢筋砼桩与素砼桩能可靠咬合、不分叉，形成连续的止水挡土帷幕。素砼桩必须采用超缓凝砼，方可在两边两根素砼没有初凝前，在中间嵌入一根钢筋砼桩，切割掉钢筋砼桩与两边两根素砼桩重叠部分的超缓凝砼，实现咬合，从而使钢筋砼与素砼共同终凝，使其成为一个整体。咬合桩采用全套管液压桩机施工，套管由主机液压油缸压入底层后再进行管内取土。即咬合桩的排列方式为：一个素混凝土桩（简称A）和一个钢筋混凝土桩（简称B）间隔，先施工A序桩，后施工B序桩，A桩混凝土采用超缓凝型混凝土，要求必须在A桩混凝土初凝之前完成B桩的施工，B桩施工时，利用套管钻机切割掉相邻A桩部分的混凝土，则实现了咬合。如图2-1所示图2-1钻孔咬合桩的排列方式2.2排桩施工顺序总的施工原则为先施工素混凝土桩A序桩，后施工钢筋混凝土B序桩，其施工工艺流程是：A1→A2→B1→A3→B2→A4→B3……→An-1→Bn-2→An→Bn-1，如图2-2所示。图2-2钻孔咬合桩施工顺序图单根桩的施工顺序：定位放样→地表障碍物处理→原土夯实→导墙施工→桩位编号→套管就位对中→吊装安放第一节套管→测控垂直度→压入第一节套管→校对垂直度→抓斗取土，套管钻进→测量孔深→清理虚土，检查孔底→（B序桩吊放钢筋笼）→放入砼灌注导管→灌注砼并逐渐上拔→测量砼面→桩机移位。2.3本工程咬合桩的参数设计超缓凝素砼桩缓凝时间≥60小时，砼强度等级为C15，三天强度≤3.0Mpa，桩位水平偏差＜50,竖向垂直度偏差＜5‰（本工程我们的内控标准为3‰），充盈系数1.05～1.1。钢筋砼咬合桩砼强度等级为C25，主筋保护层厚度75，超灌高度600，素砼桩不超灌。本工程桩长21.7米，B序桩钢筋笼主筋：上段长11.8米配筋26C28-螺旋箍C10@200，下段长10.5m.配筋13C28-螺旋箍C10@200。钻孔咬合桩在全面施工前进行试成孔（数量不小于2个），以核对地质资料、检验设备、工艺、材料以及技术措施是否适当。3.咬合桩施工方法和控制要点3.1施工场地平整：施工前平整场地，清除地表的植物及其他附着物，进行平整、压实。3.2测量放样：采用全站仪放出钻孔咬合桩中轴线，以确定导墙位置。图3-1导墙实物照片3.3导墙施工：根据设计要求及本工程所采用的套管机的特点，在咬合桩顶部设置混凝土导墙，导墙厚度500mm，导墙宽度3500mm，导墙内配钢筋5C16/C10@150，导墙的混凝土强度等级C20。如图3-1所示。导墙模板采用自制整体木模，导墙预留定位孔模板，直径取套管直径扩大30mm。导墙采用商品混凝土，人工入模，插入式振动棒振捣。在混凝土强度达到70%后拆模，拆模后立即加设对口撑，以防施工动载导致导墙水平位移，同时，在导墙上用红漆标明桩号，分段表明各设计段的桩底标高，并将点位从侧面引至导墙顶面上，作为钻机定位控制点。混凝土养护时间为7天。图3-1导墙实物照片图3-2液压摇动套管钻机成孔3.4成孔施工：钻孔咬合桩拟采用MZ-2B型液压摇动套管钻机成孔，钻机由吊机、主机、液压工作站、冲击抓斗及套筒组成。该套设备可施工直径800～1200mm的钻孔桩，最大施工深度达45m，摇动力达1255kN，最大扭距1470KN·m，根据杭州地区类似工程施工经验，可以满足本工程施工需要，如图3-2所示图3-2液压摇动套管钻机成孔在钻孔桩成孔过程中，用套管正反扭动加压下切，管内冲击抓斗取土，使套管压入至桩的设计深度，形成套管护壁成孔，施工速度快，成孔精度高、质量好，桩间相互咬合排列形成围护墙。①钻机就位：待导墙验收合格后，将套管钻机就位，使抱管器中心对应在导墙孔位中心，并调整好套管垂直度，首节偏差不得大于2‰。②取土成孔：压入第一节套管，压入深度约2.5～3m，然后用抓斗从套管内取土，一边取土，一边继续下压套管，始终保持套管底口超前开挖面2.5m以上。第一节套管压入土中后(地面上留1.2～1.5m，以便于接管)，检测垂直度，如不合格则进行纠偏，合格则安装第二节套管继续下压取土，如此重复，直至达到设计孔底。3.5钢筋笼制作安装（B序桩）：钢筋笼的制作安装与钻孔灌注桩基本相同。需要强调的是，设计时适当加大保护层厚度，取75mm为宜,为保证钢筋在桩身混凝土中的保护层厚度，以及套管拔除时产生抱死现象，钢筋笼主筋上应焊接定位钢筋Φ20，每2m一道，周圈不少于4根，长20cm。倘若主筋为非对称布置，制作和安装时还应保证主筋方向的正确性。3.6水下浇灌砼：由于本工程地下水水位较高，桩身混凝土均采用水下混凝土灌注法施工，其中A桩为C15超缓凝混凝土，B桩为C25砼，超缓凝混凝土最短缓凝时间按60小时设计。混凝土采用商品砼，施工时砼坍落度控制在180mm～220mm之间。水下混凝土灌注前应再次用测绳检测孔深，以测定沉渣厚度，厚度不宜超过200mm，如超过必须予以清除，可采用抓斗直接清除。水下砼灌注施工与普通砼钻孔灌注桩相比，有以下几个特点要引起重视：（1）随混凝土面上升拔高套管和导管，逐步拆除套管和导管。根据导管埋深情况，每次拆除1～2节导管，导管拆除后应立即冲洗干净，以便下次使用。套管提升时，慢慢上拔并左右摇晃，使砼能流入套管所占空间，同时注意观察钢筋笼有无上浮，套管埋深应控制在2m左右。（2）成桩检测：桩体强度达到设计强度后，开挖到至桩顶高程，凿除桩头多余部分，对桩位进行检验，桩位偏差应在50mm内。同时采用钻芯法检验桩身质量，检查数量不少于10根。3.7咬合桩定位与垂直度控制：3.7.1导墙主要起到锁口和导向定位作用，施工中应严格控制精度。要求导墙预留孔垂直偏差不大于1mm，导墙表面高低差≤2mm，预留孔中心线与咬合桩纵轴线偏差≤5mm。3.7.2为了保证钻孔咬合桩底部有足够厚度的咬合量，除对其孔口定位误差严格控制外，还应对其垂直度进行严格的控制，设计规定桩的垂直度标准为5‰，本工程我们的内控标准为3‰。发现偏差及时纠正。通常采用以下方法纠偏：（1）利用钻机油缸进行纠偏：如果偏差不大于或套管入土不深（5m以内），可直接利用钻机的两个顶机油缸和两个推拉油缸调节的垂直度，即可达到纠偏的目的。（2）A桩纠偏：如果A桩在入土5m以下发生较大偏移，可先套管内填砂或粘土，一边填土一边拔起套管，直至将套管提升到上一次检查合格的地方，然后调直套管，检查其垂直度合格后再重新下压。（3）B桩的纠偏：B桩的纠偏方法与A桩基本相同，其不同之处是不能向套管内填砂或粘土而应填入与A桩相同的混凝土，否则有可能在桩间留下土夹层，从而影响排桩的防水效果。3.7.3套管的顺直度检查和校正钻孔咬合桩施工前平整地面上进行套管顺直度的检查和校正，首先检查和校正单节套管的顺直度，然后将按照桩长配置的套管全部链接起来，进行整根套管（15～25m）的顺直度偏差检查，偏差宜小于10mm。检测方法：于地面上测放出两条相互平行的直线，将套管置于两条直线之间，然后用线锤和直尺进行检测。3.7.4成孔过程中桩的垂直度监测和检查（1）地面监测：在地面选择两个相互的方向采用经纬仪或线锤监测地面以上部分的套管的垂直度，发现偏差随时纠正。这项检测在每根桩的成孔过程中应自始自终坚持，不能中断。图3-3孔内检查示意图（2）孔内检查：每节套管压完后安装下一节套管之前，都要停下来用测斜仪或“测环”图3-3孔内检查示意图（3）终孔检测：在每根桩成完毕，必须进行垂直度检测，选两个相互垂直的方向进行测量。垂直度必须满足设计要求，如不合格必须纠偏，使度达到要求为止。4.重点难点和解决的方法措施及建议4.1如何克服“管涌”如图3-4，在B桩成孔过程中，由于A桩混凝土未凝固，还处于流动状态，A桩混凝土有可能从A、B桩相交处涌入B桩孔内，称之为“管涌”，克服“管涌”有以下几个方法：=1\*GB2⑴A桩混凝土的坍落度应尽量小一些，15～18cm，以便于降低混凝土的流动性。=2\*GB2⑵套管底口应始终保持超前于开挖面一定距离，以便于造成一段“瓶颈”，阻止混凝土的流动，超前距离宜大于2.5m。图3-4B桩施工过程砼管涌示意图=3\*GB2⑶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力来平衡A桩混凝土的压力，阻止“管涌”的发生。图3-4B桩施工过程砼管涌示意图=4\*GB2⑷B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桩开挖，并一边将套管尽量下压。一边向B桩内填土或注水，直到完全制止住“管涌”为止。4.2如何配置超缓凝混凝土超缓凝混凝土各项性能指标能否满足设计施工要求是决定钻孔咬合桩施工的成功的前提和关键。单桩成桩每循环时间约为15h，则单机成桩3根需用时约45h,考虑施工中不可预见因素，取1.3的安全系数，则混凝土的合理初凝时间为58.5h。施工中实际要求A序桩混凝土的初凝时间为60h。施工前要进行工艺试验，慎重选用高效缓凝减水剂。各种原材料的质量应保持稳定，主要材料应专罐专用、专车专送，各车砼运抵工地后按规定制备试块，抓好现场施工组织管理，保证施工连续、有序、高效快速推进。4.3遇地下障碍物的处理方法总的来说，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，特别是施工钻机咬合桩还要受时间的限制，因此在进行钻孔咬合桩施工前必须对地质情况十分清楚，否则会导致工程失败。对一些比较小的障碍物，如体积较小的孤石、混凝土块等，可以先抽于套管内积水，然后再吊放作业人员下去将其清楚即可。4.4分段施工接头的处理方法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，这就存在与先施工段的接头问题。采用砂桩是一个比较好的方法。在施工段与段的端头设置一个砂桩（成孔后用砂灌满），待后施工段到此接头时挖出砂灌上混凝土即可。砂桩桩位咬合面形成了一道弧形施工缝，在基坑开挖前须在施工缝外侧进行压密注浆处理。如图3-5所示。4.5事故桩的处理方法图3-5分段施工接头预设砂桩示意图在钻孔咬合桩施工过程中，因图3-5分段施工接头预设砂桩示意图4.5.1平移桩位侧咬合B桩成孔施工时，其一侧A1桩的混凝土已经凝固，使套管钻机不能按正常要求切割咬合A1、A2桩。在这种情况下，宜向A2桩方向平移B桩桩位，使套管钻机单侧切割A2桩施工B桩，并在A1桩和B桩外侧另增加一根高压旋喷桩作为防水处理。4.5.2背桩补强图3-6咬哈桩背补强示意B1桩成孔施工时，其两侧A1、A2桩的混凝土均已凝固，在这种情况下，则放弃B1桩的施工，调整桩序继续后面咬合桩的施工，以后在B1桩外侧增加三根咬合桩及两根旋喷桩作为补强、防水处理。在基坑开挖过程中A1和A2图3-6咬哈桩背补强示意4.5.3预留咬合企口图3-7砂桩接缝止水处理示意在B1桩成孔施工中发现A1混凝土已有早凝倾向但未完全凝固时，此时为避免继续按正常顺序施工造成事故桩，可及时在A1桩右侧施工一砂桩以预留出咬合企口，待调整完成再继续后面桩的施工。图3-7砂桩接缝止水处理示意4.6施工中建议注意事项：由于咬合灌注桩施工连续性的特点，须切实抓好现场施工组织管理，确保混凝土供应和工序衔接正常。否则，过多设置砂桩，不利于围护结构止水，增加施工成本。由于砂质粉土振动易液化，而施工采用的冲抓取土方法不可避免地要对地层产生一定的扰动，