钻孔咬合桩施工及引起变形的原因和影响

钻孔咬合桩施工及引起变形的原因和影响摘要:通过某深基坑工程围护桩施工实例,介绍液压摇动式全套管钻机施工工艺和钻孔咬合桩工程的施工技术要点;分析了由于咬合桩施工引起的临近地铁隧道上方地面出现裂缝的原因,结合监测结果分析了咬合桩施工对临近地铁隧道的影响程度。关键词:钻孔咬合桩;地铁隧道;地面裂缝;影响

引言

钻孔过使前后施工的桩凝结成一体,形成能够共同受力的、緻密的支护系统和止水帷幕的一种基坑围护结构。钻孔咬合桩由于采用套管干孔作业成孔,具有在施工中无塌孔、无泥浆或少量泥浆、噪声小,对周围环境影响小等特点,因此在城市商业繁华区,房屋和生命线工程的密集区,对于建设文明工程有着重要作用。

深圳市某深基坑工程基坑开挖深度17.9m,在基坑西侧和北侧分别与已有的两条地铁隧道相邻,场地周边地质条件复杂,基坑支护采用桩锚与内支撑等多种形式的联合支护,其中西侧一段与地铁支护桩净距仅3.80m,此段基坑围护采用钻孔咬合桩围护结构与内支撑联合支护,以解决基坑变形及地下水渗流对地铁结构变形的影响,工程总平面布置图见图1。1工程地质条件

场地原始地貌为水塘,后经回填而成。地面较平整,标高介于5.81~6.62m之间。根据岩土工程勘察报告,拟建场地基坑影响深度范围内地层自上而下分别为:

素填土层:稍密状态,层厚3.2~9.0m。

粉土:松散状态,层厚0.6~1.9m。

淤泥质粉细砂:层厚0.5~7.4m。

含粘土中粗砂:稍密状态,层厚1.1~5.7m。

含砾粉质粘土:可塑状态,层厚0.7~3.2m。

砾质粉质粘土:可塑~硬塑状态,层厚1.6~12.6m。

全风化中粒花岗岩:层厚2.4~7.5m。

强风化中粒花岗岩:揭露层厚1.55~9.5m。

中风化中粒花岗岩:基坑的南侧中风化花岗岩层顶埋深约25~28m,北侧较深,平均埋深约31m。

2基坑围护结构设计

基坑西侧临近地铁处,采用钻孔咬合桩。设计钻孔咬合桩桩径1.2m,桩间距1.0m,素混凝土桩(A桩)与钢筋混凝土桩(B桩)交错搭接,设计咬合厚度200mm,桩长24.90m,A桩为C15超缓凝混凝土,缓凝时间大于60h。B桩为C30混凝土。

3钻孔咬合桩施工3.1施工设备简介

本工程钻孔咬合桩是采用专用履带式钻孔咬合桩机施工,该设备自重约70t,采用液压摇动式全套管钻进成桩。桩机由主机、液压工作系统、钢套管(下端带合金刀头)、取土装置(冲击抓斗)和牵引吊车系统组成。成孔施工时,其液压系统一方面产生竖向压力,一方面产生轴向旋转力,使钢套管在两个方向力的共同作用下,边切割土体边钻进,同时,冲击抓斗不断从套管中取土,直到桩孔施工完成。桩孔完成后,即安装钢筋笼并浇筑混凝土,同时机械实施拔管动作,其液压系统同时产生轴向旋转力和竖直向上的拔管力,使套管顺利拔出。3.2工艺原理

钻孔咬合桩的排列方式为一根素混凝土桩(A桩)与一根钢筋混凝土桩(B桩)间隔布置。A桩采用超缓凝型混凝土,B桩采用普通混凝土,先施工两侧A桩,再利用护筒钻机的下压切割能力,切割掉A桩部分混凝土而使中间的B桩成桩,施工顺序为:A1→A2→B1→A3→B2→A4→B3……施工过程如图2所示。

导墙施工为了保证钻孔咬合桩孔口定位的精度并提高桩体就位效率,应在咬合桩成桩前首先在桩顶部两侧施作混凝土导墙或钢筋混凝土导墙;

④护筒钻机就位当定位导墙有足够的强度后,用吊车移动钻机就位,并使主机抱管器中心对应定位于导墙孔位中心;

（四）单桩成孔其步骤为随着第1节护筒的压入(深度为1.5~2.5m),冲弧斗随着从护筒内取土,一边抓土一边继续下压护筒,待第1节全部压入后(一般地面上留1~2m,以便于接筒)检测垂直度,合格后,接第2节护筒,如此循环至压到设计桩底标高;

吊放钢筋笼对于B桩,成孔检查合格后进行安放钢筋笼工作,此时应保证钢筋笼标高正确;

灌注混凝土如孔内有水,需采用水下混凝土灌注法施工;如孔内无水,则采用干孔灌注法施工并注意振捣;

拔筒成桩一边浇注混凝土一边拔护筒,应注意保持护筒底低于混凝土面≥2.5m。3.4施工过程垂直度控制

施工过程中,套管的垂直度控制关系到咬合桩的咬合质量,因此应随时监测其垂直度。监测的方法为,在地面上选择两个相互垂直的方向用经纬仪或线锤监测地面以上部分套管的垂直度,如发现偏差随时纠偏。孔内的垂直度检查方法是,在每节套管压完后安装下一节套管前,用测斜仪或线锤进行孔内的垂直度检查。

纠偏的方法:当套管入土深度不深(5m以下)时发现垂直度不符合要求时,可直接利用桩机的液压系统调节套管的垂直度,即可达到纠偏目的;当套管入土较深时,可先利用桩机液压系统纠偏,如达不到要求,可向套管中填入砂、粘土(A桩)或与A桩相同的混凝土(B桩),一边填料一边拔起套管,直至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。3.5施工中常见事故处理3.5.1克服“管涌”的措施

在B桩成孔施工过程中,由于A桩混凝土未凝固,还处于流动状态,A桩混凝土可能从A、B桩相交处,通过套管底部涌入B桩孔内,称之为“管涌”,克服“管涌”的方法有以下几种:

A桩混凝土的塌落度适当减小,以降低混凝土的流动性;

④抓斗取土成孔过程中,应一边抓土,一边下压套管,并始终保持套管底口超前于开挖面深度不小于1.5m,以便在取土面以下造成一段“瓶颈”,阻止混凝土流动,如果钻机能力许可,这个距离越大越好。

（四）B桩成孔施工过程中,注意观察相邻两侧A桩混凝土顶面,如发现A桩混凝土下沉,立即停止B桩施工,并一边将套管尽量下压,一边向B桩填土或灌水,直到完全抑制住“管涌”为止。

当地质条件较好,桩孔施工速度较快时,在保证A桩混凝土初凝前完成B桩的前提下,可将施工顺序改变为:A1→A2→A3→B1→A4→B2→A5→B3…,从而使A桩有时间产生一定的凝结。3.5.2分段施工的接头处理方法

在工程施工中,常常因单台设备无法满足施工进度的要求,需多台设备分段施工,或因工作面无法一次性提供,这就引起了先后施工段之间接头处的咬合问题。

采用砂桩是处理此类问题的较好方法。具体为,假设由于某种原因,需要在某一点处将咬合桩施工分成两部分进行,则可先施工一根A1桩后,在进度方向的相反侧咬合的B桩桩位上施工桩孔后灌砂(如图3),之后仍按原来的施工顺序继续施工,则后续在接头处施工时仍可咬合,保持了咬合桩的整体性。具体施工顺序为:A1→砂桩→A2→B1→A3→B2→A4→B3……3.5.3事故桩处理方法

在钻孔咬合桩施工过程中,由于A桩超缓凝混凝土的质量不稳定而出现早凝现象,或因机械设备故障等原因,造成桩与桩之间未能按正常情况咬合而形成事故桩。事故桩的处理方法主要有以下几种。

a.平移桩位,单侧咬合

如图4所示,B桩成孔施工时,其一侧A1桩的混凝土已经凝固,使套管不能按正常要求切割咬合A1、A2桩。这时,将B桩向右侧平移至与A1桩相切,事后在A1桩与B桩之间外侧增加一根旋喷桩作为防水处理。

b.背桩补强

如图5所示,B桩施工时,其两侧A桩混凝土均已凝固。这种情况下,应先放弃B桩的施工,继续后边咬合桩的施工。待其它桩施工完毕后,在两A桩外侧补打一根B桩作为补强,并使B桩与两A桩均相切;在B桩与两A桩相切处外侧各增加一根旋喷桩作为防水处理。在基坑开挖过程中,将两A桩之间夹土清除,并喷射混凝土即可。

c.预留咬合企口

如图6所示,在B1桩成孔施工中,发现A1桩已有早凝倾向但还未完全凝固时,为避免继续按正常顺序施工造成事故桩,可及时在A1桩右侧施工一根砂桩,以预留出咬合企口,待调整完成后再继续后边桩的施工。4咬合桩施工引起周围地表变形分析

本工程西侧咬合桩于2005年11月4日开工,施工由地铁口南部开始向南进行。11月23日,工作人员发现在咬合桩桩位轴线外侧地面上出现一条由北向南延伸至桩机施工位置的连续贯通的裂缝,此时施工已进行了60m左右。经测量人员量测后发现,裂缝的位置在地铁支护桩冠梁外边缘的正上方,缝宽1~2cm,北部略宽于南部,深度未知。裂缝如图7所示。

笔者分析认为,咬合桩施工引起地表裂缝的原因有以下几种。4.1地质因素

本工程场地西侧填土厚约7m,其下为约10m的泥炭质粘土及淤泥质粉细砂,这部分土体工程性质较差,极易产生塌陷、崩裂等不良地质现象。4.2超缓凝混凝土的作用

咬合桩机每24小时平均施工3~4根桩,三天可施工约10~12根桩,其中的一半为采用超缓凝混凝土(缓凝时间60小时以上)的素桩,在这段时间内,超缓凝混凝土未达到终凝状态,强度很低,周围的软弱土易挤入桩体,并引起上部土体变形。4.3机械设备在施工过程中产生的附加压力及其反复作用

咬合桩机自重约70t,在成孔施工过程中,其在套管上形成的竖向压力约40t,而当桩孔施工完成后,其上拔套管时产生的拔管力可达160~200t,相当于在机械前部承压板下产生约400kPa的附加压力。桩机每施工一根桩,都需要经过压管、拔管动作,即其施工产生的是循环荷载。4.4施工中的渗水

咬合桩机在施工过程中,当穿越砂层时,往往会出现较短时间内较大量的渗水,并使土体固结。4.5土层不连续

地铁隧道外侧采用人工挖孔咬合桩作为支护结构,其支护桩冠梁顶比基坑支护桩冠梁顶低50cm左右,上部为路基。由于支护桩刚度较大,而其外侧土体压缩性较强,土体在基坑支护桩施工作用下产生变形时,支护桩与土体的变形不一致(支护桩位移较小,土体位移较大),从而在土层不连续处(地铁支护桩处)产生裂缝。

综上,场地上部的软弱土层在施工荷载和地下水渗流的影响下产生压缩变形,并可能挤入凝结较慢的超缓凝桩中,从而在刚度不连续的地铁支护桩与土体交界面处产生不连续变形,形成裂缝。

5位移监测

为了确保地铁结构安全运营,必须保证地铁结构的变形控制在规定的范围内,为此对地铁支护桩及地铁隧道内部分别进行了监测,结果发现由于钻孔咬合桩的施工,虽然引起支护桩上部土体出现裂缝