拱形咬合桩在桥梁深基坑围护结构中的应用

易 垚

(四川仁沐高速公路有限责任公司 成都市 610000)

咬合桩是从国外引进的一种深基坑围护支挡结构形式，在国外有较多成功的工程实例，积累了丰富的施工经验。咬合桩作为一种深基坑围护型式在内地应用较晚，我国地下工程界知名专家王振信在国外考察时发现，将其引进国内最先应用到深圳地铁一期工程购物公园站到会展中心站之间隧道的围护支挡中，此后该工法在地铁、高层建筑物等深基坑中得到大量应用，施工工艺也日趋成熟。

咬合桩是平面布置的排桩，相邻桩基部分圆周相嵌、互相咬合成为共同受力的整体结构，从而起到承重、挡土、止水等作用，主要用于构筑物的深基坑临时支护结构。咬合桩按照施工机械分为全套管钻孔咬合桩和冲击钻孔咬合桩，全套管钻孔咬合桩采用旋挖钻机施工，具有施工安全快捷、成孔垂直度精度高、桩间咬合紧密、环保、造价低等优点，在深基坑围护支挡施工中应用广泛。

常见深基坑咬合桩支护形式平面布置为矩形，结合仁沐新高速公路岷江特大桥沐川岸拱座基坑支护工程，浅述拱形布置咬合桩在深基坑围护结构中的应用。

1 工程背景

1.1 工程概况

仁沐新高速公路犍为岷江特大桥桥址位于犍为县县城下游，岷江特大桥需跨越岷江和马边河，桥梁全长2782.6m，其中跨越岷江主桥采用中承式钢管混凝土拱桥，拱桥长457.6m，主跨400m，桥位呈E～W向展布，与岷江正交。沐川岸为钢筋混凝土拱座，顶部宽7m，底部宽10m，拱座基础采用整体式扩大基础，顺桥向长50m，横桥向50.6m，厚5m，如图1所示。

1.2 地质概况

基坑工程位于四川盆地南缘岷江冲积平原，以侵蚀堆积地貌为主。沐川岸为岷江I级冲积阶地，基坑范围内东、西侧和南侧原地面较为平缓，高程约为315.00～317.00m，北侧为一斜坡，坡度约20°～30°，坡顶为河口村街道尾部，房屋密集，高程约312.2～321.5m，从上到下地层分布为粉土(3m)、卵石层(4～7m)及粉砂质泥岩。

2 基坑开挖围护方案

2.1 开挖围护方案比选

根据以上工程地质条件，基坑开挖范围内有粉土、粉砂等，靠近岷江地下水位高，雨季前拱座必须施工完毕。基坑开挖围护若采用SMW工法桩+锚索方案，虽然成桩速度快，开挖面积和方量少，型钢可重复利用，但是土石方出渣慢，复杂地层条件下工法桩成桩质量难以保证，锚索工程量大，工期过长；若采用放坡+咬合桩方案，咬合桩和放坡施工工艺成熟，施工速度快，咬合桩单桩长度较短，结构受力好，变形小，但是开挖面积和方量大，基坑北侧房屋密集，征地拆迁工作量大，对工期和施工外围环境影响较大。经综合比选，基坑开挖围护采用放坡+咬合桩+锚索方案，出渣速度快，锚索工程量较小，咬合桩和放坡工艺成熟，施工速度较快，施工质量有保证，征地拆迁工作量小，工期适中。

图1 沐川岸拱座设计图

2.2 围护结构布置

本方案的主要特点为基坑边坡采用三级放坡+咬合桩+锚索的防护结构，基坑北侧采用咬合桩+锚索支护，东、西、南侧采用咬合桩支护。采用咬合桩构成基坑围护结构，平面上咬合桩采用拱形布置，靠近边坡侧为a边，顺时针方向依次为b、c、d边，咬合桩按照顺序编号。基坑单边跨距52.27m，矢高4.06m，矢跨比1/12.9，钢筋混凝土桩和素混凝土桩间隔布置，桩间相互咬合0.1m，钢筋混凝土桩直径1.4m，承受水、土压力，素混凝土桩直径1.2m，以填充钢筋混凝土桩间隙，咬合桩底部嵌入基岩足够深度，桩顶与连系梁(截面尺寸180cm×120cm)固结，在四个角点处设置直径2.0m抗力桩和直径1.4m加固桩，作为拱形围护结构的拱座。三级放坡首先施工第三级边坡，在第三级坡脚施工咬合桩，咬合桩内侧施工第二级边坡，第二级边坡放坡至基岩中风化顶面，坡脚设置护脚墙，护脚墙内侧为中风化基岩，采用垂直开挖施工第一级边坡。基坑北侧开挖深度大，桩悬臂段较长，设置2道竖向锚索，锚索从素混凝土桩钻孔入土，锚固端深入中风化基岩。

3 咬合桩施工工艺

3.1 工艺原理

图2 拱形咬合桩基坑围护结构平面图

图3 拱形咬合桩基坑围护结构剖面图

咬合桩采用全套管钻孔施工，相邻单桩之间相互咬合形成具有防渗漏作用的整体防水和挡土双重功能的围护结构。桩的平面排列按照一根素混凝土桩(A桩)和一根钢筋混凝土桩(B桩)间隔布置，先施工A桩后施工B桩。利用旋挖钻机完成A桩桩孔，A桩采用超缓混凝土成桩，在A桩混凝土初凝前利用旋挖钻机切割掉A桩与B桩相交部分混凝土，然后完成B桩施工，实现桩与桩之间咬合，待桩达到设计强度，在桩顶施工连系梁使咬合桩形成整体，在咬合桩支护下开挖施工基坑。

3.2 施工顺序

钻孔施工顺序为先施工混凝土素桩(A桩)，再在相邻A桩之间施工钢筋混凝土桩(B桩)，其施工顺序为：A1-A2-B1-A3-B2-A4-B3，如图4所示。

图4 钻孔灌注桩成桩顺序示意图

3.3 单桩施工工艺

旋挖钻机开孔前，利用控制点位准确定位排桩中心位置，护筒采用10mm厚双臂钢套管，内径比设计桩径大20cm，钢护筒埋设后，旋转钻头对准桩位十字线交点，并调整设备的水平度，保证钻杆及钢护筒的垂直度。符合要求后开始钻进成孔，钻孔深度达到孔底设计标高后，对孔深、孔径进行检查，确保符合设计及规范要求。B桩钢筋笼在钢筋加工厂内利用滚焊机集中加工制作，钢筋笼分段制作，钢筋接长采用焊接，接头位置错开，扎口焊接时，上下主筋位置对正，保持钢筋笼上下轴线一致。混凝土灌注采用导管法灌注，导管为直径275mm的钢管，每节长度为6m，导管口距离混凝土表面的高度保持在2m以内，混凝土灌注应连续进行不得中断，边灌注边提升导管和钢护筒，混凝土灌注至桩顶设计标高以上1m，并做好孔口防护。

3.4 连系梁施工

将咬合桩桩顶的劣质混凝土凿除(破桩头)，桩头凿除采用环切法，桩芯顶面的混凝土进行凿毛处理，清除桩顶浮渣，施工一层垫层，连系梁采用定制钢模板施工，绑扎钢筋，浇注混凝土，四周连系梁形成整体、混凝土达到设计强度后进行基坑开挖作业。

4 基坑监测

4.1 监测目的

岷江特大桥沐川岸拱座基坑开挖规模大，基坑深度较深，随着基坑开挖作业的不断深入，基坑内外的土体由原来的静止土压力状态向被动和主动土压力状态转变，基坑内外土体应力状态的改变关系到基坑的安全，为保证基坑开挖过程中围护结构一直处在良好运行状态，实时掌握工程实际状况，及时采取纠偏措施，必须对基坑支护结构、周边土体以及相邻建筑物进行综合、系统的监测。

对基坑施工过程进行监测的目的主要有：

(1)根据现场监测数据与设计值(或预测值)进行比较，如超过某个限值，就采取工程措施，防止支护结构破坏和环境事故的发生，保证支护结构和相邻建筑物的安全；

(2)验证支护结构设计，指导基坑开挖和支护结构的施工；

(3)结合工程经验，为完善设计分析提供依据。

4.2 监测项目

依据本工程基坑支护设计方案，该基坑类别为一级。依据《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497-2009)、设计要求及本地区工程经验确定本基坑工程的监测内容和项目主要有：边坡稳定监测；连系梁监测；桩体监测；桩后土体监测；基坑周边建筑物监测；地下水位监测；基坑安全的日常巡查、检查。

4.3 监测结果

4.3.1应力监测

连系梁应力监测点布置于咬合桩钢筋桩桩顶处，分别位于基坑每侧的1/4、1/2处及四个角点处，共24个水平位移监测点，依次编号为 XL1～XL24，水平位移监测点平面布置如图5所示。桩身应力监测点采用在桩身钢筋上设置钢筋拉力计的方式，监测点布置与连系梁相同，依次编号为YL1～YL16，在每根咬合桩中部沿径向分别设置两个钢筋应力计作为监测点，一个应力计靠近基坑内侧，一个应力计靠近基坑外侧土体，依次编号为 YLn-1、Yln-2(n为监测点平面布置点号)，如图6所示。桩身内应力监测点共48个。

基坑开挖完成阶段部分连系梁应力理论值与实测值，如表1所示(仅列出部分测点)。

基坑开挖过程中，内外传感器测点8(系列1表示内侧应力测点、系列2表示外侧应力测点)连系梁应力和桩身应力如图7、图8所示。

图5 连系梁应力监测点平面布置图

图6 桩身应力监测点立面布置图

连系梁位置系梁模拟应力(内)系梁模拟应力(外)系梁实测应力(内)系梁实测应力(外)a15-2.0463-2.5538—-1.2603a25-5.8024-7.1724-0.9384-1.2768a35-1.8396-2.5725-1.3095-1.2594b15-1.8155-2.4646-1.2243-1.3992b25-4.7816-8.0446-1.1775-0.9888b35-2.0284-2.7227-1.0143-1.053

4.3.2变形监测

(1)连系梁变形

基坑开挖完成后连系梁位移(向基坑内侧的位移值)理论值与实测值如图9所示，基坑开挖过程中a25连系梁各方向累计变化值如图10所示。

图7 系梁应力测点应力图

图8 桩身应力测点应力图

图9 系梁理论位移值与实测位移值对比(单位：mm)

图10 a25系梁各方向累计变形值(单位：mm)

(2)桩身变形

桩体变形监测点采用粘贴反光片的方式进行布置，监测点选择位于基坑每侧的1/4、1/2处及四个角点处，共16根咬合桩进行布置，位移-1是桩体距系梁底3m处的位移，位移-2是桩体距系梁底6m处的位移。其中c25桩变形监测如图11、图12所示。

图11 桩C25-1监测点各方向累计变化值

图12 桩C25-2监测点各方向累计变化值

(3)周边建筑变形监测

通过在基坑周边建筑物监测点处设置反光片，对基坑周边建筑物倾斜度进行监测。监测点布置在外墙墙角、外墙中间部位及其他有代表性的部位。其中被保护建筑物轴线1倾斜度如图13所示。

图13 轴线1倾斜度

(4)周边建筑物裂缝监测

裂缝监测的内容包括对裂缝的位置、走向、长度、宽度及变化程度的监测。在基坑开挖前对基坑周边建筑物已有裂缝的分布位置和数量进行确定，测定其走向、长度、宽度和深度等情况。选择有代表性的裂缝进行监测并做好标志，每一条裂缝的测点至少设2组，在裂缝的最宽处及裂缝末端布设监测点。其中FW2-LF1-1裂缝宽度监测结果如图14所示。

图14 FW2-LF1-1裂缝宽度(单位：mm)

4.3.3监测结论

桩顶连系梁应力在同一截面，内、外侧传感器的实测值变化趋势一致，实测值基本相等，全截面受压状态，该应力分布规律符合径向土压力作用下圆弧线为合理拱轴线的特征，达到了拱形咬合桩的设计意图。桩顶连系梁实测应力在基坑开挖到位之后保持稳定不变，说明支护结构的稳定性较好，能够满足支护要求。

施工过程中岷江河多次涨水，基坑漫水对支护结构的变形和受力均产生了较大影响，其结果等效为基坑的二次开挖，在类似基坑施工过程中，条件允许的情况下应尽量在洪峰季之前完成基础的浇注作业，降低施工风险。

连系梁实测变形值与理论变形值分布趋势相似，实测值基本都小于理论计算位移值。房屋倾斜度和裂缝除在基坑开挖阶段有小幅波动，后期均保持稳定，房屋倾斜度没有超过2/1000限值，裂缝基本没有超过1.5～3mm的规范限值。

综上，对基坑开挖各施工阶段监测，经分析监测数据，表明拱形咬合桩支护结构的选取及施工工艺上是合理的。

5 总结

咬合桩在岷江特大桥沐川岸拱座基坑围护中的成功应用，为今后其他同类型基坑咬合桩围护结构施工提供借鉴，结合本方案咬合桩施工总结以下几点：

(1)咬合桩作为围护结构具有防渗能力强，施工效率高，占地面积小等特点，咬合桩施工采用旋挖钻施工，机械设备噪音低、振动小，大幅度缩短工期，对周围环境污染小，有利于文明施工。

(2)咬合桩平面布置由矩形优化成拱形，有利于提高围护结构整体受力。

(3)地下工程具有复杂性和不可预见性，基坑开挖过程中重视信息化施工，定期检测，根据不同施工状态下实测数据，及时调整与优化施工。