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旋挖钻机与钻孔咬合桩施工工法

旋挖钻机在现代地基基础施工中的优势已经是耳熟能详了，但旋挖钻机在工民建及地下工程开挖领域的基坑支护方面的巨大潜力，对习惯于传统设计理念和施工方法的设计和施工人员来说，是一个值得关注和尝试的新课题。笔者结合三一重机生产的SR220C、SR l80旋挖钻机在中东海湾地区参与重大工程项目建设的实践，并参考国内外地铁工程和高层建筑基坑围护工程中钻孔咬合桩施工工法应用的成功经验，对在工民建及地下工程开挖领域的基坑支护工程中，如何合理。有效地使用旋挖钻机进行钻孔咬合桩施工以及咬合桩施工工艺和管理规范，进行基本的探讨和归纳。

1 咬合桩施T工法的现状

基坑工程是一个古老而又有时代特点的岩土工程课题。放坡开挖和简易木桩围护可以追溯到远古时代。20世纪以来，随着大量高层，超高层建筑及地下工程的不断涌现，旋挖钻机，特别是钻深不超过40m的中小吨位旋挖钻机替代套管钻机、循环钻机以及螺旋桩机，用钻孔咬合桩施工工法来完成主体基坑支护工程，得到了广泛的应用，并逐渐从理论和概念上得到完善和成熟，形成一种新的现代基础施工工法：钻孔咬合桩基坑支护工法，如图1所示。


图1 钻孔咬合桩基坑支护工法的现场施工照片

2 工法特点

(1) 采用旋挖钻机施工，在成孔过程中对易于坍孔的部分采用钢套管(一般直径略大于桩孔直径)护壁，这样可避免孔壁坍垮问题，且成孔垂直度能由旋挖钻机垂直度控制系统自动调整和保证。如三一重机生产的SR220C旋挖钻机可实现垂直度误差不大子2‰的控制精度。因此，咬合桩终端持力层处错位交叉的偏离精度可控、桩型标准。用旋挖钻机在桩身混凝土处于塑性状态下完成切割咬合过程形成的排桩围护结构整体性状好、支护强度大、防渗效果佳。一些厂家生产的旋挖钻机甚至可通过驾驶室内的HMI操控系统，清楚地判定和记录所穿越地层的土质情况及桩底持力层情况，因此成桩过程比较容易控制。

(2) 施工机械化程度高、成孔速度快、桩机就位迅速、成桩效率明显高于其他类型灌注桩。

(3) 施工无噪声、无振动，对地层及周边环境影9向小，少泥浆作业，施工现场洁；争。

(4) 钻孔咬合桩围护结构适用地层范围广，尤其在富水软地层中施工的排桩围护结构防渗效果好，无需另外增加辅助截水帷幕等防水措施，与其他达到相同工程要求的围护结构形式(如人工挖孔排桩、地下连续墙及泥浆护壁钻孔排桩等)相比造价低。

(5) 旋挖钻机施工钻孔咬合桩技术通用性强、易掌握，利于推广

(6) 便于施行其他后处理技术如后压密注浆技术、锚杆支护技术旋喷加固技术等。

3 适用范围

该工法适用于风化石灰石岩层，砂砾石层及软土地层深基坑围护结构的施工，尤其在饱和富水软土层施工中最能体现其优越性。

4 工艺原理

钻孔咬合桩是用旋挖钻机钻孔，桩与桩之间相互咬合排列的一种基坑围护结构，如图2所示。


图2 钻孔咬合桩平面图

为便于切割咬合，桩的排列方式一般设计为一个素混凝土桩或异型钢筋混凝土桩(A桩)和一个钢筋混凝土桩(B桩)间隔布置。为了减少施工过程中相邻孔间的扰动，一般采用隔4孔为一个单元序列施工工法。即施工时，先施工A，桩，再施工A，桩。紧跟着施工相邻的B桩。A桩用超缓凝型混凝土，要求必须在A桩混凝土凝结之前完成B桩的施工，以便在B桩施工时，利用旋挖钻机切割掉相邻A桩1/4弱直径相交部分的混凝工，实现A桩与B桩的咬合。

5 施工工艺

5.1 导孔的施工

旋挖钻机就位以后，先预钻一个深3m左右的导孔，导孔的直径只要能顺利放入套管护筒即可。

5.2 单桩的施工工艺流程

(1) 压入护筒并取土咸孔。为了保证进入桩位预孔内护筒的垂直度要求，先用旋挖钻机的护筒驱动器驱动第一节套管(每节套管长约7～8m)压入1.5～2.5m，然后用短螺旋钻斗(或土斗等)从套管内取土，一边卸土、一边继续下压护筒没入土中，第一节套管按要求压入土中后，地面以上要留1.2-2.0m，以便于接管。此后要视桩位的地质情况来决定需要接入钢护筒的节数或长短，以及压入钢护筒的方法：对于地质条件优越的桩孔(护壁性能好，质地均匀等)可考虑不再接入第二节护筒即用直接取土法施工。在需要长套管护筒护壁时，除用护筒驱动器压入外，也可考虑用振动锤下护筒来提高作业效率。

(2) 垂直度的检测。在用驱动器压护筒时，桩位垂直度的检测一般为抽样检查。

(3) 吊放钢筋笼。对于需放置钢筋的桩孔，成孔检查合格后进行安放钢筋笼工作。安装钢筋笼时应采取有效措施保证钢筋笼标高的正确。

(4) 灌注桩芯混凝土。如孔内有水时需采用水下混凝土灌注法施工；如孔内无水时则采用干孔灌注法施工，此时应加强振捣。

(5) 拔管咸桩。一边灌注混凝土一边拔管．此时常用振动锤拔起护筒套管。

(6) 预置二次灌浆导管。在预置灌浆导管时．不但在桩芯要预置一次灌浆导管，在桩的咬合相交部分，还应布置直径为50mm左右的PVC导管(二次灌浆导管)，为事后压密注浆提高排桩承载力和防渗效果做事前准备。

(7) 成桩维护。灌注后的单桩或排桩总会存在缩颈、搭接错位、承载力不足等等缺陷，对其进行事后补救维护是必须的。

5.3 排桩的施工工艺流程

钻孔咬合桩施工总的原则是先施工被切割的A桩，紧跟着施工B桩，其施工工艺流程是：A11→A12→A21→A22→B1→B2→B3→……，如图4所示。


图3 单桩的施工工艺流程图


图4 排桩的施工工艺流程图

5.4 施工过程控制的管理

现场施工过程控制管理的要点如图5所示。


图5 现场施工过程控制管理要点

(1) 施工准备阶段的导孔施工，可采用导墙法替代。即在桩顶上部施作混凝土或钢筋混凝土导墙，导墙必须有足够的强度，以避免因旋挖钻机辗压或纠偏作业等而损坏。导墙的施工场景可参考图6(导墙法多用于少水干法施工时)。


图6 慕尼黑市地铁工程

(2) 成桩以后，尚有大量的维护事项。如排桩错位搭接不足时，就必须用压密注浆法进行二次灌浆，提高承载性能、防渗性能等。

6 关键技术

6.1 控制钻孔咬合桩桩位

为了保证钻孔咬合桩有良好的咬合效果，应严格控制孔口的定位误差，孔口定位误差的允许值见表1。


表1 孔口定位误差允许值/mm

6.2 单桩垂直度的控制

为了保证钻孔咬合桩底部有足够的咬合量，除严格控制孔口定位误差外，还应对其垂直度进行严格控制，根据我国《地下铁道工程施工及验收规范》规定，桩的垂直度误差应小于3‰。

成孔过程中要控制好桩的垂直度，必须抓好以下3个环节：

(1) 套管的顺直度检查和校正。 钻孔咬合桩施工前应在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连接起来进行整根套管的顺直度检查和校正。单节套管(8m)的顺直度偏差应小于4mm，整根套管(15-25m)的顺直度偏差应小于10mm。

(2) 成孔过程中桩的垂直度监测和检查。

① 地面监测。用SR系列旋挖钻机时，可自动保证垂直度在3‰范围以内。

② 孔内检查。每节套管下压完成后安装下一节套管之前，可视施工过程中桩孔垂直度的变化规律，定期安排一定频次的抽样检查，即停下来用测斜仪进行孔内垂直度检查。

(3) 纠偏。

成孔过程中如发现垂直度偏差过大，必须及时纠偏，一般是利用钻机的套管驱动器来进行切削钻进纠偏即可。

6.3 超缓凝混凝土的缓凝时间要求

A桩混凝土缓凝时间应根据钻机施工咬合桩工序要求时间来确定，单桩成桩时间又与地质条件、桩长、桩径、钻进能力及操作工艺水平等有直接的关系。因此．A桩混凝土缓凝时间主要根据以下因素来确定：

(1) 根据工程的具体情况和所选钻机的类型在现场做成桩试验来测定A、B桩单桩成桩所需时间tA、tB。

(2) A桩混凝土的缓凝时间可根据下式计算

F=k(2tA+tB)
式中T--A桩混凝土的缓凝时间(初凝时间)；
k--不可预见因素影响系数，k=1.20；
tA、tB--A、B型桩单桩成桩所需时间。
6.4 克服桩内“混凝土管涌”

在B桩切割两侧A桩成孔过程中，由于A桩混凝土尚未凝固，还处于流塑状态，因此A桩混凝土可能从A、B桩相交处涌入日桩孔内，称为“混凝土管涌”。克服“混凝土管涌”主要采取以下措施：

(1) 控制A桩混凝土的坍落度，不宜超过14cm。

(2) 套管底口应始终超前于开挖面2.5m以上，如果钻机能力许可，这个距离越大越好。

(3) 必要时可向套管内注入一定量的水，使其保持一定的反压来平衡A桩混凝土的压力，阻止“混凝土管涌”的发生。

6.5 预防“浮笼”

由于套管内壁与钢筋笼外缘之间的间隙较小，灌注桩芯混凝工起拔套管的时候，钢筋笼有可能被套管带着一起上浮形成“浮笼”。一般用振动锤起拔套管时因高频振动的液化减摩效应，“浮笼”现象极少发生。此外，尚可采取如下预防措施：

(1) 确保灌桩混凝土的和易性良好，其祖骨科粒径满足＜20mm的要求；

(2) 钢筋笼的加工尺寸应确保精确，在转运、吊装过程中采取可靠措施防止钢筋笼扭曲变形；

(3) 在钢筋笼底部加焊一块比钢筋笼略小的薄钢板，增加其抗浮能力。

6.6 分段施工节点连接技术

往往一台钻机施工无法满足工程进度要求，需要多台钻机分段施工，这就存在首尾段之间的节点连接问题。节点连接一般采用砂桩过渡的方法，即先施工段的端头设置一个砂桩用以在相邻的A桩预留出咬合企口，待后施工段到此节点时在砂桩桩位重新成孔挖出砂并灌上混凝土即可。

6.7 钻孔咬合事故桩的处理措施

在钻孔咬合桩施工过程中，有可能因厶桩超缓凝混凝土的质量不稳定出现早凝现象或机械设备故障等原因，使施工未能按正常要求进行而形成事故桩。事故桩的处理主要分以下几种情况：

(1) 平移桩位单侧咬合。

如图7所示，B1桩切割咬合施工时，A、桩的混凝土已经凝固，使钻机不能按正常施工条件切割咬合A1、A2，桩完成B1桩。在这种情况下，可向A2桩方向平移B1桩桩位，使钻机单侧切割A2桩，以后在A1与B1桩外侧另增加一根旋喷桩作为过渡处理。

(2) 用后压浆技术，旋喷补强技术等法处理排桩之间的缺陷是十分有效的方法。

7 机具设备

旋挖钻机钻孔咬合桩施工工法所需主要机具设备见表2，其配置数量及所需技术性能根据具体的工程要求选定。


表2 主要机具设备

8 质量控制

加强施工现场管理是质量控制的基本要素，其目的是使各主要环节的施工能够满足设计要求。

8.1 质量控制标准

该工法国内目前只有市政地铁工程运用的相关标准，可适当参考《城市地下铁道施工及验收规范》的有关规定，此外还应满足表3的一些要求。


表3 钻孔咬合桩施工过程中主要质量控制标

8.2 后处理技术
应用后处理技术可拓展钻孔咬合桩施工工法的适用范围，在此方面，已有很多的论述。其中压密注浆是指在成桩且桩身达到一定的强度后，用高压注浆泵注入浆液，通过渗透扩径和劈裂加筋的机理在桩端或桩的缺陷处扩散，从而起到加固作用。


图7 平移桩位单侧咬合


图8 多哈高层写字楼工地

9 施工实例

图6所示为德国慕尼黑市地铁工程的现场施工照片，采用800mm导墙式(干法)钻孔咬合桩施工，地点位于慕尼黑市喜来顿大酒店前街，该工程是开挖式地铁站基坑支护施工标段，地质为少水砂性粘土，用短螺旋钻斗和单底斗成孔。

图1和图8所示为2005年由中建总公司承包的、由中国京；台建设工程承包公司分包的合同额达1.2亿美元的多哈高层写字楼基坑支护工地。该工法采用的是直径1000mm导孔式(水法)钻孔咬合桩法施工，地质为多水的中风化石灰岩土层，用短螺旋钻斗和双底斗成孔，用振动锤起拔套管护筒．采用压密注浆法二次灌浆防渗，基坑底部锚杆斜钉补强加固。

(黎中银 王宏伟 王三文 龚高柏 王立建-北京市三一重机有限公司，北京102206； 中国京冶建设工程承包公司，北京100088)

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