上卵石下红砂岩地质无套管咬合桩止水帷幕施工技术
Abstract： This paper describes the application of the technology of water proof curtain using secant piles with no casings in the geologic structure of pebbles in the upper and red sandstones on the bottom. Through the construction process control and research， and in accordance with good water stop curtain effect in pits， it summarizes the key technologies of this application.
Key words： pebbles；red sandstones；secant piles with no casings；water proof curtain；construction technologies
中图分类号：TU753 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）11-0132-03
0 引言
咬合桩已广泛应用于基坑支护结构，但目前较多的施工工艺采用全套管钻机，超缓凝混凝土凝固时间长，成本高、进度慢。无套管旋挖钻机成本低，采用普通混凝土减少了凝固时间，加快了施工进度，仍可保证较好的施工质量。
1 工程概况
1.1 工程概况
兰州轨道交通1号线一期工程东方红广场站为1号线与2号线换乘车站，采用明挖顺做法施工，局部两处交通疏解位置采用盖挖顺做法施工，车站1、2号线结构同期实施，为双岛式站台。车站主体结构标准段采用地下两层三柱四跨的结构形式，局部为单层结构，主体结构长度683.1m，标准段净宽41.3m，结构外包总高度14.24m～19.725m，底板埋置深度约为16.92m～22.90m。车站围护结构采用钻孔灌注桩与内支撑体系，钻孔灌注桩为？?I1000@1600mmC15素混凝土桩与？?I1000@1600mmC35围护桩，围护桩与素混凝土桩在同一轴线上相间布置切割咬合（咬合宽度每侧20cm）成排桩围护结构。
场地范围的地层主要为第四系全新统人工填土（Q4ml）、冲积（Q4al）卵石及第三系古-始新统（E1-2）砂岩组成。从上往下各层综合描述见表1。
勘察期间测得地下水潜水位埋深3.6～5.0m，水位高程1512.49～1513.14m，根据本次勘察及区域地质资料，含水层主要为卵石层，潜水含水层厚度约为17m，卵石下的砂岩为相对隔水层，砂岩顶部可能存在局部裂隙水。
2 工艺原理
钻孔咬合桩是桩与桩之间相互咬合的排桩结构，该结构不仅是基坑围护结构的重要组成部分，而且起到了止水帷幕的作用，在许多地下工程中得到了广泛应用。东方红广场站咬合桩为直径1.0m素混凝土桩（C15素混凝土桩）和直径1.0m围护桩（C35钢筋混凝土桩）间隔布置，如图1所示。
与传统咬合桩施工不同，东方红广场站钢筋混凝土桩及素混凝土桩均采用广泛使用的普通履带式旋挖钻机，无套管旋挖成孔，灌注水下混凝土成桩。施工时先施工C15素混凝土桩，待素混凝土桩达到强度后，旋挖钻切割素混凝土桩，通过“硬咬合”的方式施工中间的钢筋混凝土桩。
3 施工方案
3.1 工艺流程
平整场地→测量放样→埋设护桩、护筒→桩位复测 钻机就位→钻进（垂直度控制）→终孔检查→一次清孔（泥浆检验）→下导管→灌注混凝土（二次清孔）→等强2天（或跳桩施工）→施工相邻素混凝土桩→等强5～7天 施工中间钢筋混凝土桩。
3.2 施工准备
3.2.1 测量放样机具准备
根据设计图纸，综合考虑施工误差、喷射混凝土厚度、围护变形等因素，将咬合桩外放0.15m，按照间隔施工的原则计算好钻孔桩中心坐标，利用全站仪放样，并布设好护桩。
3.2.2 机具准备
检查旋挖钻机的电子控制系统，利用铅垂和全站仪校正钻机钻杆垂直度并与钻机电子控制系统相互校核，保证机械性能满足施工技术指标。
3.2.3 泥浆制备
因施工场地狭小，工期紧，咬合桩用泥浆池体积以满足循环出来的泥浆能够沉淀和方便泥浆循环为准。当每根桩施工完成，及时清除废泥浆，在夜间运到指定地点进行排放。根据施工进度的安排，综合施工管理、地质、机械效率等因素，结合以往施工经验，泥浆需要4根桩同时施工的储备量，泥浆池砂浆抹面，分造浆池、新浆池、贮浆池、废浆池。泥浆池深2m，地下1.5m，地上0.5m，墙壁采用M7.5砂浆砌筑标准红砖，墙厚0.37m，如图2所示。泥浆池附近设置泥浆搅拌机等配套设施，同时在泥浆池四周均设置围档，以保证施工场地内的文明施工及环保要求。新浆将在贮浆池中存放24小时以上，并不断地用泵搅拌，使粘土或膨胀土充分水化后才使用。
泥浆采用膨润土制备，其各项性能指标经试验合格后才使用。泥浆配比将根据地质条件和成桩过程中地质情况要求确定。其性能指标按表2规定执行。依据技术规范，具体施工时根据情况再作调整，泥浆性能指标见表2。
泥浆输送采用卧式泥浆泵及专用泥浆管道接胶管送至施工桩基，旋挖钻机施工时，携碴泥浆用泥浆泵抽出，通过胶管或临时排泥浆沟送至沉淀池。浇注桩基水下砼时和清孔换浆时所排之泥浆予以回收。 3.3 施工方案
3.3.1 护筒埋设
护筒采用4～8mm厚钢板卷制而成，一般埋设深度3～4m，内径比桩径大100～200mm，高出地面0.3m。先在桩位处挖出比护筒外径大100～200mm的圆孔，下端地质情况牢固，不下沉，不渗水时，将坑底整平、夯实。然后用控制桩在坑底放出钻孔中心，再将护筒吊至坑中，用十字交叉线定出护筒中心，然后移动护筒，利用垂球使护筒中心与钻孔中心重合，同时使用垂球和水平尺检查，使护筒竖直。要求护筒中心平面位置顺轴线方向偏差小于5cm，垂直轴线方向偏差小于3cm，倾斜度偏差小于0.3%。将护筒周围用接近最佳含水量的粘土回填，回填时应注意对称均匀分层夯实，以防护筒倾斜。
3.3.2 旋挖钻机就位
咬合桩采用旋挖钻成孔，将组装好的钻机就位于所钻的孔位上，钻头中心精确对准已放好的桩位。旋挖钻机利用自身设备精确定位，自动矫正钻孔垂直度和自动测量钻孔深度，并在钻进过程中可根据地层变化控制进尺速度和扭矩。
3.3.3 钻机钻进
钻机对正桩位后，启动泥浆泵，等泥浆输入到孔内一定数量后方可开始钻孔。开孔初期控制好钻进速度，并随时进行桩位复测，检查孔径、倾斜度以及钻机平稳程度，防止孔位偏斜。钻进过程中根据地质情况的变化调整钻进速度，并做好钻孔记录。旋挖钻进施工时采用不同钻具，泥浆不循环，直接出土的方法进行，装载机接土，然后装到汽车上或运到暂存土场中去。
当遇到易坍塌层时，应适当提高泥浆比重、降低钻进速度。当钻至设计标高时进行检孔，包括孔位、孔深、孔径和垂直度等。钻孔时要高度重视泥浆护壁，根据地质情况随时调整泥浆指标，适时测定泥浆比重、粘度和含砂率等主要指标。
钻孔作业应分班连续进行，注意土层变化，防止塌孔、斜孔。钻机钻进过程中每进尺2m或根据设计地质资料在土层变化处捞取钻渣并做详细记录，以便与设计地质剖面核对。
3.3.4 一次清孔
钻孔达到设计桩底标高后进行一次清孔，清孔用高压射水法进行。清孔时，稍提出钻锤，保持泥浆正常循环，以中速将相对密度为1.10～1.15的纯泥浆压入，把孔内悬浮钻渣较多的泥浆换出，使清孔后泥浆相对密度降到1.15～1.20。
3.3.5 灌注水下混凝土
导管采用经过气密性实验和承压实验的丝扣连接导管，根据实际测量的孔深配备导管长度，并保证连接紧固，将导管放置在桩孔中心。下好导管后，进行二次清孔，将泥浆比重控制在1.15～1.20，用测绳检查孔底沉渣，保证沉渣厚度不大于10cm，达到灌注标准。储料斗采用与导管配套的锥形料斗，容积满足首批封底混凝土体积要求。灌注前检查混凝土的坍落度并复测孔深，复合要求后将混凝土灌入储料斗。
储料斗装满混凝土时，提起导管塞灌注首批混凝土。首批混凝土灌注后，导管埋深不得小于0.8m。灌注过程应保持孔内水头，根据灌注混凝土方量经常测量孔内混凝土面的位置，及时调整导管埋深，将导管埋深控制在2～6m。灌注过程应连续不间断进行，最终灌注的混凝土高于设计桩顶0.8～1.0m，以确保桩顶混凝土密实。
施工中间钢筋混凝土桩时，在一次清孔后安放钢筋笼，之后下导管，其余过程同素混凝土桩施工。
4 施工关键技术
4.1 旋挖钻孔桩成孔要点
4.1.1 静态泥浆的配比
旋挖取土成孔中，静态泥浆作为成孔过程的稳定液，主要作用是护壁。
泥浆可在孔壁处形成一薄层泥皮，使水无法从内向外或从外向内渗透。针对本工程的地质情况，施工时动态调整泥浆配比，控制泥浆比重，提高泥粉质量，增加粘性及润滑感，适当添加处理剂，增强絮凝能力，确保护壁泥皮的厚度及强度。初次注入泥浆，尽量竖直向下冲击在桩孔中间，避免泥浆沿护筒侧壁下流冲塌护筒根部，造成护筒根部基土的松软，正式钻进前，再倒入2～3袋膨润土，启动钻机的高速甩土功能，进行充分搅拌，提高膨润土的含量，增大护筒底部同基土结合处护壁泥皮的厚度，防止钻进过程孔口渗漏坍塌。
4.1.2 护筒埋设
测量人员应定期对控制点进行复测，在桩位现场放样后，立即埋设护桩，护筒埋设确保护筒中心点和护桩中心点重合，用线锤检查护筒的垂直度并保证其满足要求。
护筒采用4～8mm的钢板卷曲而成，护筒内径尺寸较大，能贮存足够的泥浆，在钻杆提出桩孔时，可确保护筒内的水压，维护孔壁泥皮的稳定。护筒单边侧隙达到100mm以上，可有效避免回转斗升降过程碰撞、刮拉护筒，保护孔口的稳固。护筒埋设时分层填埋并夯实，提高护筒跟土壤的结合度，增强抗外界振动、冲击的能力，在注浆或提升回转斗时防止渗水、漏浆现象的发生，有效降低孔口坍塌的概率。
4.1.3 回转斗的结构
回转斗采用双底旋挖斗，侧壁加焊导流槽，以有利于在桩孔内的导向及泥浆的导流，减小桩孔内的负压。同时底盘加焊侧齿，适当控制回转斗与刀尖间的距离，防止回转斗升降旋转时碰坏孔壁。
4.1.4 钻机钻进控制
旋挖钻机在钻孔时要确保钻机位置稳固，若由于探坑回填或其它问题引起钻机位置不稳固时，应在钻机下方铺设3cm厚钢板，防止钻机在钻进过程中由于机身倾斜而引起偏孔。
钻进过程，回转斗的底盘斗门必须保证处于关闭状态，以防止回转斗内砂土或粘土落入护壁泥浆中，破坏泥浆的配比；每个工作循环严格控制钻进尺度，避免埋钻事故；同时应适当控制回转斗的提升速度，一般保持在0.75～0.85m/s，提升速度过快，泥浆在回转斗与孔壁之间高速流过，冲刷孔壁，破坏泥皮，对孔壁的稳定不利，容易引起坍塌。钻进过程中，要根据不同地质情况调整钻进参数，保证顺利钻进施工。
4.1.5 垂直度控制及偏孔纠正
素混凝土桩与围护桩相互咬合，实现了止水、挡土的作用，同时与钢筋混凝土围护桩一起形成围护受力结构，本工程围护结构处于砂卵石地质环境，大粒径的孤石、漂石分布广泛，钻孔作业采用旋挖钻机成孔，钻孔过程中极易出现偏斜和卡钻，成桩偏斜则存在咬合效果差，基坑漏水的风险，所以垂直度的控制变得尤为重要。 钻孔施工时应定期对旋挖机钻杆垂直度进行检查，检查时使用两右全站仪或经纬仪在钻杆的两个方向进行检查。除检查钻杆外，应定期对钻机微电脑控制仪进行检查，并将检查结果送专业检测单位进行检验。成孔后，使用桩基垂直度检测仪对垂直度情况进行检测，检测合格后方能进行下一道工序。
若素混凝土桩施工时偏孔较大无法纠偏时，须重新换填粘土并用钻头分层压实后重新开钻。若素混凝土桩施工时偏孔较小时，利用护桩重新定位钻孔，直至垂直度符合要求。
4.2 咬合面质量控制
由于采用硬咬合的方式，在钢筋混凝土桩钻孔时，应使两侧的C15素混凝土桩强度尽量保持一致，避免切割素混凝土桩时钻头向强度低的素桩侧偏斜。素混凝土桩施工采用跳桩法，故相邻两根素混凝土桩的施工时间控制在3天为宜，施工中间钢筋混凝土桩时，以咬合桩的强度达到80%为宜。
在钢筋混凝土桩钻孔完毕时，在验孔合格后要尽快组织钢筋笼吊装及灌注施工，防止泥浆沉积时间过长在素混凝土桩的切割面上形成泥皮。若钻孔完毕后停留时间超过3小时以上，要在旋挖钻机上更换小钻头及钢刷进行刷壁处理。
5 结束语
东方红广场站咬合桩采用了“硬咬合”的施工工艺，利用较广泛使用的无套管旋挖钻机，适应较复杂的地质条件，成桩垂度不大于3‰，咬合质量高，止水效果好。与套管咬全桩施工采用的超缓凝混凝土不同，无套管施工采用普通水下混凝土，避免了超缓凝混凝土因缓凝剂质量和配合比控制不严引起的缓凝时间过长，避免了超缓凝混凝土超过48小时后固化引起20～30%的强度降低现象，也为后续工序施工提供了早期条件。普通旋挖钻机较全套管钻机无需采用钢套管，材料少成本低，采用化学泥浆施工，解决了文明施工问题，也避免了全套管钻机在市中心会造成扬尘的环保问题。类似的咬合桩结构可参考此施工工艺，取得良好的经济技术效果。
