刚塑性混凝土咬合桩在临海深基坑支护中的应用
林礼进
【摘 要】临海深基坑支护形式面临两个难题,一是选择合适的支护结构,二是动水位对基坑开挖产生的影响.刚性桩与塑性混凝土咬合桩组成的联合支护形式,既能有效地解决支护结构受力问题,又能有效阻截地下水及潮汐动水位落差水压力带来的问题,在临海深基坑支护中具有一定的推广价值. 【期刊名称】《福建地质》 【年(卷),期】2014(033)001 【总页数】7页(P50-56)
【关键词】刚塑性混凝土;咬合桩;临海深基坑支护;止水帷幕 【作 者】林礼进
【作者单位】福建省第二地质勘探大队,永安,366000 【正文语种】中 文
1 工程概况
某取水泵房位于福建省石狮市境内，水泵房面积为37.7 m×27.4 m，基坑开挖深度约为16.60 m。泵房结构采用钢筋混凝土箱形结构，在防护堤沿线海域内，场地西侧为空地，东侧距离防坡外堤约60 m；北侧取水泵站翼墙距离东海直立堤约18 m；南侧取水泵站翼墙距现有的道路约15 m。
泵房区域与基坑工程相关的地层自上而下分述如下。①中粗砂，以石英砂为主，夹
粘粒，分选性差，级配差，饱和，主要呈稍密状态，平均厚度9.7 m；②不规则抛石层，抛石主要为花岗岩，呈不规则状，粒径100～500 mm，砂土充填，平均厚度5.0 m；③粉质粘土，以粘粒、粉粒为主，局部夹有少量砂质成分，可塑状，平均厚度4.2 m；④全风化花岗岩，含石英颗粒，长石全部高岭土化，组织结构基本破坏，岩石为极软岩，岩体极破碎，平均厚度3.3 m。
根据室内岩土试验及结合周边相关地质岩土资料，得出主要岩土力学参数(表1)。样品采集位置位于水泵房持力层为粉质粘土或全风化花岗岩上，其地基承载力特征值分别为220 kPa、260 kPa。
地下水主要为第四系孔隙潜水，局部为基岩裂隙水或上层滞水。地下水的来源主要为海水侧向补给，少量为大气降水补给，受海水潮位影响较大。根据主厂区地段抽水试验以及水位观测数据，地下水变化幅度在4.30 m左右，该工程所在的地理位置海域潮汐判别系数为0.29，属于正规的半日潮，主要分潮M2振幅为201.27 cm，S2振幅为59.33 cm，K1振幅为32.07 cm，O1振幅为26.18 cm。 表1 主要岩土力学参数Table 1 The main mechanical parameters of rock and soil岩土名称重度(kN/m3)粘聚力(kPa)内摩擦角(°)中粗砂18.5024不规则抛石层22.5030全风化花岗岩20.22524.2强风化花岗岩21.13530 2 基坑支护方案
该工程±0.00标高采用1985年黄海高程,现场地整平标高为4.60 m；泵房及翼墙底板底为-12.00 m，地面设计附加超载为20 kPa，基坑开挖深度16.60 m。支护工程设计为动态设计[1]。
由于地下水丰富，潮汐水位落差大、流动性强、基坑开挖深度大、地质条件复杂等特点，给深基坑支护及地下结构施工带来很大难度，根据场地情况，基坑支护安全等级为一级[2]。当塑性混凝土止水桩抗渗透帷幕发挥能效或渗透系数降至K=10 cm/s-7时，采用自然放坡及塑性止水桩结合翼墙部分刚性支护桩的支护形式，才
能为后续地下结构施工创造有利条件。 2.1 防渗帷幕
该工程设计前期共设置三口井抽水试验，分别设置于支护结构西侧、南侧及北侧，为后期方案设计提供地下水渗透系数、浮托作用、基坑突涌、孔隙水压力等计算依据。第一口井采用深层水泥搅拌桩，因桩机无法穿透抛石层，第二、第三口井改用两排高压旋喷桩围井试验。并进行对比抽水试验。第一口井抽水试验4.5 h降深2.12 m，抽水量保持稳定水位状态，测得K1值=0.029 4 cm/s；第二、第三口井围井试验抽水7 h最大水位降深8.15 m，测得K2值=0.008 25 cm/s，渗透系数比值为K1/K2=3.56。说明采用两排高压旋喷桩具有一定止水效果，但尚未达到10-4cm/s的抗渗效果，即采用高压旋喷桩作为抗渗帷幕难以满足设计要求。 场地内主要透水层为中粗砂层和不规则抛石层，厚度15 m左右。止水帷幕采用搅拌桩或高压旋喷桩均难满足止水要求。塑性混凝土咬合桩由于混凝土强度高、垂直度好，在地下水位高、流动性强的场地具有良好的止水效果，施工工艺成熟，工程造价低廉等优点。施工时，只要能控制好冲(钻)孔灌注桩的垂直度，采用成孔后再灌注混凝土成桩的施工工艺，咬合搭接效果好，能有效堵截海水补给。结合场地的地质水文条件，该支护结构拟采用放坡卸载塑性混凝土止水桩结合刚性桩联合支护体系，坑底地下水(属裂隙水)则采用深层井点法排降[3]。
该工程防渗选择在基坑外围施工一排塑性混凝土咬合桩止水，咬合搭接，形成闭合的止水帷幕(止水帷幕闭合口选择远离海域的西侧)，结合辅助坑内深层井点降水及外围排水的施工防渗方案，为支护结构后续施工提供干作业创造有利条件。 2.2 支护结构选择
场地西侧为空地，东侧距离防坡外堤约60 m，东西两侧有放坡空间，考虑到地层情况采用自然放坡+塑性混凝土咬合桩止水帷幕形式(限于篇幅，作者仅阐述刚性桩与塑性混凝土咬合桩支护内容)；北侧取水泵站翼墙距离直立堤约18 m，南侧取
水泵站翼墙距离现有道路约15 m，取水泵站翼墙坑壁放坡空间有限，采用刚性桩+内支撑+塑性混凝土咬合桩(取水泵站翼墙两侧采用自然放坡+塑性混凝土咬合桩止水帷幕)[4，5]。支护结构平面图(图1)。
图1 支护结构平面布置图 Fig.1 The floor layout plan of supporting stucture 挡土结构采用冲孔灌注桩，并与塑性混凝土桩咬合搭接，亦作为止水帷幕的一部分，搭接长度200 mm。 3 组合支护施工工序
剖面A主要采用冲孔灌注桩+钢管内支撑+塑性混凝土咬合桩止水的组合支护形式施工，其施工工艺：塑性混凝土咬合桩+坑内立柱→冲孔灌注桩施工→钢管内支撑施工→基坑开挖→取水泵房结构施工→回填与拆撑。
咬合桩施工工艺流程：平整场地→测量放样→施工混凝土导墙→冲钻孔机就位对中→吊装安放钢护筒→测控垂直度→泥浆护壁、冲孔成孔→测量孔深→清除虚土、检查孔底→若是B桩则吊放钢筋笼→下灌注导管→水下混凝土灌注→测定混凝土面→拔护筒并钻机移位 。 3.1 导墙施工
为了提高冲孔咬合桩孔口的定位精度和提高钻孔咬合桩垂直度，在钻孔咬合桩桩顶设置混凝土或钢筋混凝土导墙，导墙上定位孔直径宜比桩径大20 mm。钻机就位后，将护壁钢护筒下入定位孔并检查调整，使钢护筒周围与定位孔之间的空隙保持均匀。具体步骤：① 平整场地；② 测放桩位中心线；③ 导墙沟槽开挖，采用人工开挖、制模，并复核导墙中心线与桩位中心线，确保无误；④ 若场地条件差，制模后加入钢筋，导墙钢筋设计用φ14螺纹钢，采用双层双向布置，钢筋间距按150 mm排列；⑤ 施灌导墙混凝土成型。 3.2 冲钻孔灌注桩施工工艺流程
① 桩机就位，待导墙有足够的强度后，移动咬合冲孔桩机，冲锤中心对应定位在
导墙孔位中心；② 安装钢护筒3～4 m并调制护壁泥浆开机；③ 冲钻成孔；④ 吊放钢筋笼(B桩)、下导管；⑤水下混凝土灌注成桩；⑥ 成桩后拔起护筒；⑦ 空孔部分用砂回填。总的施工原则是先施工A桩，后施工B桩。
导墙应在冲孔机械进场前先施工, 待导墙有足够的强度后,方可进行塑性混凝土A桩施工，A桩混凝土采用超缓凝型混凝土，后施工B桩，采用“跳二打一”的施工方法(图2)。
图2 咬合桩工艺流程Fig.2 The process flow of secant pile
超缓凝混凝土是钻孔咬合桩施工工艺所需的特殊材料，主要作用是延长A桩混凝土的初凝时间，以达到其相邻B桩的成孔能够在A桩混凝土初凝之前完成，这样便给冲孔机械冲切A桩混凝土创造了条件，是冲孔咬合桩施工工艺成败的关键。 在成孔全过程中，应对桩的垂直度进行动态监测和检查，线锤地面监测、孔内测环或线锤检查，确保垂直度。偏差控制在千分之一至千分之二。
若发现偏差应及时纠偏，如A桩发生较大偏移，可向孔内填入碎砖渣或粘土，回填偏斜、弯曲处竖向向上2～3 m，吊住钻锥进行反复扫孔，纠正为止。B桩纠偏方法与A桩基本相同，其不同之处是不能向孔内填碎砖渣或粘土，而应填入与A桩相同的混凝土，否则，有可能在桩间留下土体夹层，从而影响咬合桩的防水效果。 3.3 分段施工接头的处理方法
因一台钻机施工无法满足工程进度，需要多台钻机分段施工，各区段自成一小段咬合排桩单元，这就存在各区工段的接头问题。连接好坏直接影响钻孔咬合桩的整体连续性和密闭性。
项目采用砂桩连接法，各区段节点部位通过钻制砂桩来切割各区段单元端部的A型桩，以预留咬合企口的形式来实现各区段钻孔咬合桩的咬合连接。在施工段与段的断头设置一个砂桩，待后施工段到此接头时，再进行去砂成孔、灌混凝土成桩施工即可(图3)。
图3 分段施工接头砂桩预设示意图Fig.3 Sketch map of the joint sand pile presets of segmental construction 3.4 事故桩的处理方法
在钻孔咬合桩施工过程中，主要事故桩有单侧不咬合和双侧不咬合2种，不咬合主要原因是A桩超缓混凝土出现早凝现象或人为因素(如机械设备故障)等。 3.4.1 单侧不咬合
B桩成孔施工时，其一侧A1桩的混凝土已经凝固或A1桩混凝土强度高于A2桩，使冲钻成孔不能按正常要求冲切咬合A1、A2桩。B桩容易偏离A1桩向A2桩方向平移并咬合，形成单侧不咬合，处理办法是在A1桩和B桩外侧另增加一根旋喷桩作为防水处理[6](图4)。
图4 单侧不咬合桩示意图Fig.4 Sketch map of the unilateral non secant pile 3.4.2 双侧不咬合
B1桩成孔施工时，其两侧A1、A2桩的混凝土均已凝固，成孔时易偏桩位中心线，使B1桩不能正常冲切咬合A1、A2桩，形成双侧不咬合。处理办法则放弃B1桩的施工，调整桩序继续后面咬合桩的施工，之后在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。在基坑开挖过程中将A1和A2桩之间的夹土清除，喷上混凝土即可(图5)。
图5 双侧不咬合桩示意图Fig.5 Sketch map of the bilateral non secant pile 3.5 A桩混凝土缓凝时间的确定
A桩为超缓凝型混凝土桩(塑性桩)，B桩为钢筋混凝土桩(刚性桩)，设计要求B1桩成孔过程中需与A1和A2桩咬合20 cm,要求A1和A2桩混凝土有自稳的强度，同时不能凝固过快，避免造成B1桩成孔困难，影响施工进度，因此咬合桩的A桩混凝土凝固时间控制是基坑围护成败的关键。
(1)提前做好超缓凝混凝土配合比，进行试桩确定各施工参数。
(2)商品混凝土搅拌站驻场人员严格监测混凝土配合比及外加剂的掺入量。 (3)做好混凝土施工记录，保证各工序施工均处于可控状态。
(4)控制A1和A2桩成孔进度，成孔过快或过慢均有可能对B桩混凝土质量造成损害。
(5)A桩混凝土缓凝时间应根据单桩成桩时间来确定，单桩成桩时间又与地质条件、桩长、桩径和钻机能力等直接的联系。因此，A桩混凝土缓凝时间根据以下方法来确定混凝土的缓凝时间。计算公式： T=3t+K
式中：T为A桩混凝土的缓凝时间(初凝时间) ；K为储备时间，一般取12 h；T为单桩成桩所需时间 。
基坑冲钻成孔咬合桩所用超缓凝混凝土缓凝时间为60 h，咬合桩桩长最长为20.70 m，单桩成桩时间为10 h，则T=42 h<60 h，超缓凝混凝土缓凝时间满足施工要求。 4 组合支护效果 4.1 防渗帷幕
基坑土方开挖前，利用坑内深层降水井进行了抽水试验，抽水12 h后停泵，最终测得稳定水位降深2.8 m， 证明止水帷幕效果良好。整个取水泵房施工过程中，止水帷幕局部呈润湿状，未见明显渗水，地下结构施工基本为干作业。 4.2 支护结构
在基坑工程施工过程中，基坑监测可通过对基坑周边变形情况分析，对支护结构是否能满足安全要求作出实时预测。 工程按规范要求进行了监测[7]，基坑周边共布置坡顶沉降与水平位移监测点16个，深层水平位移监测点12个。最大2#、3#监测点水平位移变形量分别为11.05 mm和10.68 mm，其余监测点水平位移变形量均小于10.00 mm。整个监测过程中，支护结构及基坑周边土体变形均保持
在监测预警值范围内，支护结构安全、稳定。 5 结论
临海、临江基坑一般有砂层、卵石层分布，且地下水充沛、潮汐水位落差大、流动性强，对于该类基坑，首先要采取有效的措施堵截海水、江水灌入，止水效果的成功与否，关系到基坑支护的成败。冲孔灌注桩侧向抗压强度大，常用于基坑支护结构中，塑性混凝土咬合桩作为止水帷幕的效果也毋庸置疑。在临海、临江基坑支护中，根据开挖深度及基坑周边条件，综合安全和经济因素，选择刚性桩+塑性混凝土咬合桩，或者自然放坡+塑性混凝土咬合桩的组合支护形式，具有一定的推广应用价值。 参 考 文 献
【相关文献】
1 GB50497-2009 建筑基坑工程监测技术规范. 2 JGJ120-2012 建筑基坑支护技术规程.
3 刘清文,车灿辉.长江漫滩复杂地层条件下超大超深基坑降水设计.探矿工程(岩土钻掘工程),2013,40(5).
4 龚晓南，高有潮.深基坑支护设计施工手册.北京：中国建筑工业出版社，1998. 5 黄强.深基坑支护结构实用内力计算手册. 北京：中国建筑工业出版社,1995.
6 麦荣强,曾宪斌.帷幕灌浆技术在桥墩施工中的应用.探矿工程(岩土钻掘工程),2009,36(8). 7 车灿辉,刘实,刘静.深基坑工程结构类型与安全监测要素.探矿工程(岩土钻掘工程),2013,40(4).
