吊脚桩在地铁围护结构中的应用分析

周圣超

（中铁六局集团广州工程有限公司，广东 深圳 518114）

1 吊脚桩简述

吊脚桩在实际施工过程中又称锁脚桩，根据其施工工艺特点，属于钻孔灌注桩类别。在具体施工过程中，吊脚桩一般不会嵌入基坑底以下，吊脚桩深入岩层的深度根据具体情况决定，如果地质情况允许，还可以在桩身以下设置锚杆或者锚索，其目的在于进一步加固吊脚桩，达到最佳稳定性。而桩底以下至基坑底可采用岩石锚杆加固岩体。吊脚桩在实践应用过程中具有传统钻孔灌注桩的相关优势，且吊脚桩自身桩身较短，因此其整体施工工期很短，需要的材料也较少，这就使得其整体建设成本大幅下降，在地铁施工建设过程中得到推广应用。文章结合具体案例分析吊脚桩的实践应用，为相关工作人员提供借鉴。

2 吊脚桩在地铁车站基坑施工中的应用

2.1 工程地质条件分析

石芽岭站位于盛宝路与布澜路交叉口，对深基坑进行实地勘察，发现孔口标高为70.27～70.67m。场地原始地貌主要为台地及其中间冲沟，局部为残丘，地形略有起伏，现状地形经人工改造后较为平坦，局部略有起伏。上覆第四系全新统人工堆积填土层、第四系冲洪积粉质黏土、淤泥质黏性土、第四系角岩残积黏土、粉质黏土、下伏侏罗纪角岩，呈全风化～微风化。此次地铁施工过程中，车站吊脚围护桩区段位于当地锥形岩体构造中，覆盖层主要由素填土、粉质黏土构成，由于角岩岩面线起伏较大，浅表层素填土、粉质黏土深度不均匀。

针对深基坑的考察发现，石芽岭站基坑施工场地揭露的覆盖层主要有第四系人工堆积层（Q4ml）、第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）、第四系残积层（Qel），局部分布坡积层（Qdl），下伏基岩为侏罗系（J2tn）角岩等，沿线地质具体情况如图1所示。

图1 地质纵剖面图

考察还发现，深基坑内部下伏基岩为侏罗纪角岩，吊脚围护桩区段基岩埋深很浅，埋深为0.6～4.0m，最浅处仅路面结构层以下可见中风化角岩。该区段侏罗纪角岩自上而下依次为全风化角岩、土状强风化角岩、块状强风化角岩、中风化角岩、微风化角岩。中风化角岩为块状构造，结构部分被破坏，沿节理面有次生矿物，风化裂隙发育，岩体被切割成岩块，为较硬岩～坚硬岩，主要为较硬岩；微风化角岩亦为块状构造，结构基本未变，仅节理面有渲染或略有变色，有少量风化裂隙。岩石饱和单轴抗压强度为40.3～155.0MPa，标准值为67.4MPa，为较硬岩～坚硬岩，以坚硬岩为主。

2.2 水文地质条件分析

石芽岭车站范围内未见常年地表水体。根据其赋存介质的类型，场地地下水主要有两种类型：一类是第四系松散岩类孔隙水，主要赋存于第四系岩土层中；另一类为基岩裂隙水，主要赋存于强风化及中风化带中，略具承压型。由此可见，石芽岭车站吊脚围护桩区段水文地质情况非常具有代表性。

（1）第四系松散岩类孔隙潜水。主要赋存在第四系冲洪积、残积层中。第四系黏性土层透水性弱，主要由大气降水和地表水渗流补给，排泄方式主要为蒸发和地下径流，水量一般，水质易被污染，水质较差。

（2）基岩裂隙水。基岩裂隙水普遍存在，其具体情况受到当地基岩影响，会出现各种变化，水位一般不稳定。地下水补给来源主要为第四系地层中的孔隙水补给，其次是地下水径流补给。主要是以地下径流由高往低排泄。

2.3 设计概况

深圳地铁14号线石芽岭站为地下两层岛式换乘车站，考虑到地铁工程施工的特性以及当地的地形地质环境，结合地铁车站施工建设的原则和标准，主体结构采用明挖顺作法进行施工，车站长度为478.226m，标准段宽为21.28m，深度为17.25～27.35m，其围护结构主要形式为地下连续墙，局部区段采用吊脚围护桩形式。其中1～48轴、55～59轴采用800mm（1000mm）厚地下连续墙+内支撑（局部+锚索）的支护形式，大里程端配线范围49～54轴采用Φ800mm@1000mm的钻孔灌注桩+内支撑（局部+锚索/锚杆）及放坡+喷锚的支护形式。吊脚桩区段位于配线区，长度为47.8m，宽度为13.8～24.9m，基坑开挖深度为23.4m，三层结构，设计吊脚围护桩91根，A型桩27根（桩长15m），B型桩64根（桩长9m），具体平面布置情况如图2所示。另外，在吊脚桩桩底设计有宽度为1000mm的吊脚平台，并设置对应的混凝土腰梁，在桩底以下设计对应的岩石锚杆，这个结构能够有效利用岩石自身的稳定性来增加结构的稳定性。

3 施工中的问题及解决措施

3.1 成桩工艺和设备选型

前期组织吊脚围护桩（钻孔灌注桩）施工过程中，根据设计图纸及水文地质情况，钻孔设备采用山河智能SWDM420旋挖钻机（动力头输出扭矩225kN·m，最大加压力420kN），钻孔进度缓慢，入中风化岩层后平均每小时进尺在5～10cm，并且施工场地处于岩层背斜区域，斜岩角度大，钻孔过程中出现偏孔，再加上岩石硬度大，钻头磨损严重。

石芽岭站地质情况复杂，岩石样本经现场取样试压，实测中、微风化角岩强度远大于详勘显示的数据，局部岩层抗压强度达244MPa，采用旋挖钻进行吊脚围护桩施工非常困难，穿越岩层很厚，成孔成桩效率缓慢。通过试桩，初步测算整个围护结构施工工期，同时综合考虑工期和成本因素，决定放弃该成孔工艺，寻求新的解决办法。

图2 围护桩平面布置图

经过深入研究成孔方案，广泛咨询硬岩成孔工艺，项目部决定采用气动潜孔锤来完成此项工作。潜孔锤是通过旋挖钻改装而成，由主机（旋挖钻）、空压机组、改装钻杆、气管、冲击器、锤头等组成。利用旋挖钻机的动力和机架进行工作，将潜孔锤选配在旋挖钻机上，使改造后的旋挖钻机具备凿岩功能，既提高了设备的利用率，又降低了设备的投入成本。

潜孔锤的冲击器和锤头是根据成桩孔径定制，锤头采用特制合金钢材料制成。钻杆中心设置密封的高压空气通道，顶端通过气管与空压机连接，底端与冲击器轴向连接，而冲击器与锤头采用螺纹连接。根据现场岩石抗压强度，配备4台空压机。潜孔锤施工过程中，经现场记录，整理统计出其在中、微风化角岩成孔效率是旋挖钻的10～15倍，大大提高了成孔速度，最终在1个月左右完成91根围护桩的施工，比计划工期提前了2个月。若在成孔过程中岩层上覆土层时，由于高压气流是从锤头往上喷，造成桩孔四周土层塌方，需加设钢护筒，以确保土体稳定。

3.2 基坑开挖及支护方法

（1）围护桩止水措施。根据设计图纸以及详勘报告，围护桩桩间止水采用Φ600mm@1000mm高压旋喷桩，桩底至中风化岩顶采用三管旋喷工艺。旋喷桩施工过程中，由于中风化岩层埋深较浅，而且根据现场实际情况，中风化角岩上覆厚度约2.6m的块状强风化，其岩石抗压强度可达到144MPa，成桩难度大，旋喷注浆过程中返浆量大，水泥浆很难深入扩散，成桩效果不理想。经讨论研究，决定采用潜孔钻引孔、钢花管注浆的方式进行二次止水，增强止水效果，确保基坑开挖坑外地表和围护结构的稳定性。高压旋喷桩以及钢花管注浆施工技术要点如下：①水泥掺量宜取土的天然质量的25%～40%，水泥最终掺量根据试验确定，不宜＜350kg/m3，高压喷射注浆应按水泥土固结体设计有效半径与土的性状确定喷射压力、注浆流量、提升速度、旋转速度等工艺参数，应根据现场试验确定。②采用P42.5级普通硅酸盐水泥，建议水灰比为1.0，并在0.9～1.1范围内调整。根据实际情况可适当添加外加剂。③采取隔孔分序方式，同时还需要科学控制注浆的间隔时间，一般情况下，相邻孔在进行注浆操作过程中，需要保持间隔时间长达1d；喷射过程中还需要注意方式和速度，保持喷射均匀，同时还需要科学控制停止喷射以后的位置。④喷射注浆过程中，需要根据返浆情况调整喷射方式，当返浆达到一定程度，可以采用提高喷射压力的方式进行工作，确保喷射效果；如果出现液面下降的情况，要根据需要做好后续补偿工作；注浆过程中出现中断，后续工作过程中要确保与前期注浆保持良好连接，并控制其长度。⑤注浆过程中，如果因为浆液渗漏导致返浆不出现的情况，要调整注浆工作，将其集中在对应位置进行持续注浆，同时还需要填入相关材料，确保其产生返浆现象。⑥桩间止水采用三重管高压旋喷桩，28d加固后土体无侧限抗压强度qu≥1.0MPa，渗透系数≤1×10-6cm/s。⑦旋喷桩垂直度偏差≤1%，桩定位偏差≤50mm。⑧钢花管采用直径48mm×2mm规格的无缝钢管，采用螺纹接头连接。

（2）基坑开挖控制要点。①在实施土方开挖工作之前，除了需要做好基坑围护桩的建设工作，还需要做好喷桩的施工工作。另外，在进行基坑开挖前，必须确保灌注桩和冠梁达到相应标准。②基坑开挖至吊脚平台标高时必须停止开挖，及时设置锁脚锚索。锚索须根据设计要求施加一定的预应力，确保围护结构的变形在设计允许范围内，锚索施设完毕后，应检查确认基坑的稳定性，安全后方可继续开挖施工。同时，在基坑开挖过程中要注意监测围护结构变位和支撑轴力变化，若发现围护结构变位和支撑轴力有异常时，应立即采取有效措施补救，并立即通知相关单位进行处理。③土方开挖过程中，要注意控制速度，一般要按照分层分段的方式进行，同时开挖过程中需要科学控制高差；分段开挖过程中要合理控制长度，这有助于确保开挖的稳定性，避免影响到整体稳定性。实施浇筑过程中，要采用相关材料对桩与主体之间的间隙进行填充，确保其达到良好稳定性。④开挖至最后一道腰梁底标高时，应及时施作腰梁，并在吊脚围护桩桩底以上一定距离开始预留900mm宽的吊脚平台。预留吊脚平台的过程中，有效控制平台的高度和宽度，避免吊脚桩在后续处于悬空状态。吊脚平台表面施作100mm厚C25、P6早强喷射混凝土，喷射混凝土前挂φ8mm@200mm×200mm钢筋网。⑤吊脚围护桩嵌入微风化基岩以下，还需要采取相关措施确保锁脚平台以及对应岩体的稳定性。

（3）锚索以及锚杆施工技术要求。①根据地勘资料并结合现场实际情况，现场有14根吊脚围护桩（A桩）桩底进入中风化岩层较浅，入中风化岩层最深为6.6m，最浅为3.2m，锚固深度不够，锚固力不足，故该区段采取了锚索锁脚的方法来稳定桩底。竖向设置一道锚索，其锚固点位于吊脚平台上方，距离桩底2.5m，水平间距均为2.0m，倾角角度均为30°，锚固体直径均为150mm，锚索长度为14m，自由段长度为6m，锚固段长度为8m，锚索均采用3束高强度、低松弛钢绞线。②锚索的安装应符合下列规定：安装之前应检查锚索体质量，确保符合设计要求；注浆管应和锚索体一起置入钻孔内，注浆管底端距孔底宜为50～100mm，二次注浆管的出浆孔和端头应密封，保证一次注浆时浆液不进入二次注浆管内；锚索体插入孔内深度不应＜锚索长度的95%，亦不得超深，以免外露长度不足。③锚索的注浆应符合下列规定：浆体按设计配制，宜选用灰砂比1∶0.5～1∶1的水泥砂浆或水灰比0.45～0.5的纯水泥浆；二次高压注浆宜使用水灰比为0.45～0.5的纯水泥浆；一次注浆待孔口溢浆，即可停止注浆；二次高压注浆应在一次注浆形成的水泥结石强度达到初凝后进行，注浆压力不宜＜2.0MPa，二次注浆时间可根据注浆工艺通过试验确定。④锚索张拉和锁定应符合以下规定：锚索张拉时，腰梁及台座的混凝土抗压强度、锚固段的注浆体抗压强度不应低于设计强度的80%；锚索正式张拉前，应取0.1～0.2倍轴向拉力标准值进行预张拉；锚索张拉至1.1kN时，应保持一定时间，观察其变化趋于稳定时，然后卸荷至0后，重新张拉至设计锁定荷载进行锁定。⑤吊脚平台以下均为微风化角岩，岩体比较完整，有少量风化裂隙，岩体自稳性较高，未设置预应力锚索，而是采用加设全粘接砂浆锚杆的方案，同时在岩面挂网喷射混凝土，杆材采用HRB400的钢筋，其直径为25mm，长度为4000mm，锚杆设置倾角为15°，锚杆布置间距1500mm×1500mm，呈梅花型布置。岩体表面施作100mm厚C25、P6早强喷射混凝土，喷射混凝土前挂φ8mm@200mm×200mm钢筋网。⑥锚杆的施工应遵守下列规定：锚杆杆体放入孔内或注浆前，应清除孔内的岩粉、土屑和积水；根据锚孔部位及方位，可先注浆后插杆或先插杆后注浆。当遇坍塌孔或孔壁变形，注浆管插不到孔底时，应对锚杆孔进行处理，或择位补打锚孔；锚杆安装后，在注浆体强度达到70%设计强度前，不得敲击、碰撞或牵拉。具体情况如图3所示。

4 注意事项

综上所述，吊脚桩在施工中的应用要注意以下4点：（1）做好详勘工作，对地层复杂处做好补勘，保证吊脚桩施工处岩层完整性，特殊地质应详细说明；（2）设计出图时，视地层情况辅助岩石锚杆，施作吊脚平台；（3）施工时需要及时施作吊脚平台并对围护桩进行锁脚，保证平台宽度及高度满足要求，避免基坑长时间暴露，及时施工主体结构；（4）监测应加强施工监测频率，及时反馈信息，为施工提供可靠信息。

5 结束语

图3 围护桩横向剖面图

为了有效开展地铁施工，需要积极应用先进的生产施工设备和技术。在这个过程中，针对深基坑的施工尤其需要控制好整体工艺，在具体施工建设过程中，吊脚桩是经常采用的一种施工工艺，这种工艺施工时间较少，成本较低，还能达到良好施工效果，因此在地铁施工建设过程中得到广泛应用。

吊脚桩是对传统钻孔灌注桩施工技术的一种创新型应用，初期应用肯定有各种问题，但是对地质条件相对较好的地区，吊脚桩不失为一种综合性能较好的支护方式。随着地铁工程迅速发展，建筑技术也在不断创新，吊脚桩在地铁围护结构中的应用将越来越广泛，在今后的吊脚桩施工中做好吊脚桩施工的注意事项，吊脚桩是可以在支护领域大放异彩的。