李灿辉

摘要：套管咬合桩在徐州地铁车站基坑围护中的首次应用，提出了杏山子站地层选用套管咬合桩需重点解决的若干问题。介绍了咬合桩的概念、基本原理、技术要点。通过理论分析对常见荤素搭配套管咬合桩中素桩对抗弯承载力的贡献做了分析探讨。结合咬合桩在徐州地区首次应用过程中遇到的问题，描述了施工中的几个关键技术及对应解决方案。以徐州1号线杏山子站为例，详细介绍了工程概况、围护结构设计及选型依据;结合工程案例，分析了工程监测数据，并与设计结果进行了对比评价。

Abstract： Aiming at the retaining and protection structure of the foundation pit for subway station， this paper puts forward some problems that need to be solved urgently in the first selection of casing occlusal pile in Xingshanzi metro station for Xuzhou subway. The concept， basic principle and technical points of occlusal piles are introduced. Through the theoretical analysis， the contribution of the concrete pile to the bending bearing capacity of the casing occlusal pile is analyzed. Combined with the problems encountered in the first application of casing occlusal pile in Xuzhou area， several key technologies and corresponding solutions in construction are described. Taking Xingshanzi Station of Xuzhou Line 1 as an example， the general situation of the project， the design of the retaining and protection structure and the basis of type selection are introduced in detail. Combined with the engineering case， the engineering monitoring data are analyzed and compared with the design results.

關键词：套管咬合桩;素桩;抗弯承载力;施工关键技术

Key words： casing occlusal pile;concrete pile;bending capacity;key technologies in construction

中图分类号：TU476                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）27-0153-04

0  引言

徐州目前正进行大规模的地铁建设，这也将进一步巩固其在淮海经济区的中心城市地位，提升对周边城市的辐射力与影响力，对改善城市地面交通压力和开发地下空间意义重大。

地铁车站主体基坑围护形式主要有钻孔灌注桩+止水帷幕、咬合桩、地下连续墙。徐州民建基坑较常用形式为钻孔灌注桩，无地铁基坑施工实例。钻孔咬合桩在国内外应用较广泛，但在徐州地区的应用属首次，在保证技术可靠的同时，对于适用地层的新工法应进行尝试和推广。

徐州市区位于鲁南山区向黄淮海平原过渡的部位，以平原为主，中部斜插丘陵山带，地貌形态主要有丘陵（残丘）和平原两大类。笔者以杏山子站主体基坑为工程背景，介绍套管咬合桩在徐州地铁车站基坑围护中的首次应用。杏山子站工程地质和水文地质条件较为典型，咬合桩的选用需重点解决以下几个问题：①刚度和强度能否满足要求，基坑变形对周边的环境影响;②基岩埋深较浅，单轴抗压强度较高，咬合桩入岩问题;③咬合桩对施工工艺要求较高，咬合桩入岩增加了成桩时间，进一步提高了对超缓凝混凝土的初凝时间要求;④地下水丰富，成桩质量能否保证止水效果;⑤土岩分界面有一层破碎带，富承压性，水头较高，为有效隔断破碎带，素桩需入岩，为此带来的套管跟进，防止管涌问题。

1  咬合桩应用情况研究

套管咬合桩是相邻混凝土排桩间相互咬合形成部分圆周相嵌，并于后序次相间施工的桩内置入钢筋笼，使之形成具有良好防渗作用的整体连续防水和挡土围护结构。套管咬合桩的钻孔深度、平面布置形式灵活多变，相比地下连续墙更加适用于外轮廓为曲线形式、地质纵断面起伏变化较大的车站。适用的地层范围较广。其主要特点是一桩多能，既能挡土受力又能防水抗渗，具有施工噪音低、节省施工场地、工期较快、无泥浆污染、节约混凝土（充盈系数小）和止水效果好等优点，对城市施工的环保措施与文明施工的价值是极为显著的[1]。

套管咬合桩的关键技术是桩身垂直度、无筋桩（以下简称A桩）混凝土初凝时间的控制、以及有筋桩（以下简称B桩）与A桩的协同受力特性。混凝土初凝时间的控制受诸多因素影响，与其他桩型相比，咬合桩的施工难度较大。目的是确保桩体之间的咬合质量（咬合时间和厚度），使其真正形成一道连续无缝的地下钢筋混凝土连续桩墙[2]。

咬合桩是近20年在国内外发展起来的一项新的深基坑支护技术[3]，于1999年首次应用于深圳地铁一期工程会展中心站至购物公园站区间隧道明挖段的基坑支护设计[4]。某临海转运站基坑，因地下水位较高、地层含较多的块石，围护结构采用冲孔灌注桩+素混凝土桩搭配的咬合桩型式，解决了围护桩施工难题的同时，较好地实现了止水效果[5]。南京地铁1号线西延线的元-中区间利用水泥搅拌桩替代A序素混凝土桩，用有钢筋笼的B序桩咬合A序的水泥搅拌桩，形成一种新型咬合桩工法，成功解决了在冲淤沉积层中套管咬合桩的扩径现象[6]。荤荤搭配的咬合桩由于施工上存在一定的问题，只在上海地铁8号线的虹口足球场车站基坑使用过[7]。荤素搭配的套管咬合桩应用范围最广，相继成功应用于深圳、南京、天津、上海和杭州等地的地铁工程及其他工程中。据初步统计，其在南京地铁工程中应用最为广泛[3]。李文林[7]和廖少明等[8]通过相似模型试验对咬合桩支护结构在考虑A桩作用下的抗弯承载力特性进行研究，揭示了咬合桩从弹性到塑性破坏不同阶段荤素桩的力学行为，提出了其抗弯承载力计算方法，并通过工程实测验证了结论的正确性。但需要指出的是，文献中没有给出咬合桩抗弯受力特性4个阶段对应的临界弯矩与基坑深度的关系。因此，套管咬合桩围护结构基坑开挖过程中产生最大弯矩时A桩进入何种力学阶段还需做进一步深入研究。胡琦等人通过建立非线性三维实体模型，结合现场实测结果对比分析，对咬合桩主要是素桩的受力机制进行了研究[9]，但都缺乏理论推导分析过程。本文以杏山子站工程为背景，通过理论分析进一步探讨A桩对咬合桩抗弯承载力的贡献。

2  B桩与A桩的协同受力特征分析

在腰梁的整体约束作用以及荤素桩相互咬合嵌固作用下，A桩实际是与B桩一同参与结构受力的。问题仅在于咬合桩在整个受力过程的不同阶段，A桩的力学行为及其对整体结构承载力的贡献值。地铁结构设计中，目前主要是按一般灌注桩的设计方法进行设计，即不考虑A桩的作用。

实际上，A桩裂缝的逐步发展会不断减小混凝土受压区高度，即咬合桩整体受力过程中A桩对结构抗弯承载力的贡献是逐步减弱的[9]。因此，最终A桩对咬合桩抗弯承载力贡献不会超过15%。

由上述分析可知，设计中可不考虑A桩对抗弯承载力的贡献。从确保安全的角度分析，A桩对承载力的贡献在基坑围护结构设计中可以作为安全储备。

3  施工关键技术问题及解决方案

3.1 合理的施工工艺流程

施工组织上，要求在A桩砼初凝之前完成B桩的施工。正常施工步序如图3所示。本站咬合桩大部分需入岩，在套管咬合桩入岩段，由于成桩时间长，加大了发生管涌的概率，处于不同硬化阶段的两相邻A桩早期强度相差较大，对B桩成孔垂直度造成较大影响，施工组织上进行调整优化：A1→A2→A3→B1→A4→B2→A5→B3……

3.2 防止管涌措施

套管咬合桩施工过程中易产生管涌的情况分为两种：①桩孔内地下水位或承压水水头较高，由此产生的动水坡度大于土层的极限动水坡度，土颗粒就会处于冒出、沸涌状态，向孔内喷水，形成管涌，本站围护桩施工过程中于靠近土岩结合面时，存在这种现象;②B桩成孔过程中，由于A桩混凝土未凝固，还处于流动状态，A桩混凝土有可能从A、B桩相交处涌入B桩孔内，形成A桩超缓凝混凝土的管涌，常发生于荤素桩均入岩且施工B桩时套管没有跟进，富有承压性的基岩裂隙水的作用情况下，本站咬合桩施工初期出现了这种情况。

采取的应对措施主要为：①套管先行，A桩混凝土的坍落度控制在180mm以内，施工时严格观察相邻桩混凝土表面是否下降，取土面应始终高于套管底口2.5m;②入岩桩采用全回转钻机施工，确保施工B桩时套管底口低于相邻A桩底面，套管及时跟进对于控制管涌至关重要;③按照前述内容合理调整施工工艺流程，调节已施工桩凝固时间，避免管涌的发生。

4  套管咬合桩工程应用实例

4.1 工程概况

徐州地铁1号线杏山子站为地下二层车站，采用明挖顺做法施工，车站长度约372m，站台中心里程处坑深约17.2m，标准段宽度19.7m。车站为带配线车站，配线区基坑轮廓为曲线形式;坑底临近土岩结合面，岩面起伏变化较大。除车站东端靠近河流，车站周边无控制性建构筑物及重要管线。

基坑坑底主要为2-4-3粉质黏土，坑底以下有5-3-4黏土、12-7-3中风化灰岩（岩溶发育，完整性较好，饱和单轴抗压强度标准值52MPa）。

地下水类型分为填土中的上层滞水、第四系土层中的孔隙水及基岩裂隙水（中透水，水量丰富，具承压性）。根据详勘资料、RQD指标以及工程经验判定土岩分界面存在一层破碎带，具承压性，水头较高。

4.2 围护结构选定

综合考虑周圍环境特点、工程地质和水文地质条件、基坑特征、施工技术及工程造价等诸多因素，并着重考虑土岩分界面存在的破碎带，采用套管咬合桩作为基坑的围护结构。

4.3 设计参数的选择

本站选用常用的一荤一素搭配的全套管钻孔咬合桩。B桩砼采用C35、A桩采用C20超缓凝混凝土。标准段采用Ф1000@800套管咬合桩，基岩埋深较浅段B桩按入岩2.5m、A桩入岩0.5m控制，以有效隔绝土岩分界面破碎带，并保证B桩穿越溶洞时入完整岩面下1m。

5  结论

以徐州地铁1号线杏山子站为工程背景，分析探讨了套管咬合桩在徐州地层应用过程中，设计、施工存在的关键技术问题及解决办法。通过理论分析、施工监测数据分析以及与设计的对比，可知围护结构选用套管咬合桩达到了预期的效果，较好地解决了文初提到的5点需重点考虑的问题，得出以下结论：

①素桩对咬合桩抗弯承载力贡献最大約为15%，对于荤桩配筋量的计算影响不显著。设计中可将其作为安全储备，不考虑素桩对抗弯承载力的贡献。

②围护结构深部水平位移开挖至坑底，最大值出现在对应0.6倍基坑开挖深度，深部水平位移较大值集中在0.45～0.7倍基坑深度内。

③地面各监测点沉降值在基坑开挖到坑底至底板混凝土浇筑前这段时间内地面沉降速率最大;待底板浇筑完成后地面沉降值趋于平稳。因此，基坑开挖至坑底时，应加快底板浇筑进度，减少坑底暴露时间，利于基坑安全，减少对周边环境及建构筑物的影响。

④围护结构桩顶位移随时间呈上浮趋势，总体上变化较为平缓，但上浮值较小，在15mm以内，对围护结构受力不会产生影响。这主要由于基坑的开挖，坑底以下土体的卸荷造成土体回弹，致使围护结构产生向上的位移。当底板浇筑完成后，桩顶位移即趋于稳定，这也与多数围护结构监测得出的经验相符[11]。

⑤超缓凝混凝土初凝时间掌握不到位，荤桩施工时，相邻素桩存在向荤桩内发生管涌的可能，通过反复调整超缓凝混凝土初凝时间及荤桩施工顺序，可有效控制管涌现象。

咬合桩继承了排桩及地下连续墙的一些优点，在适用的地层及周边环境情况下具有明显的优势，是首选的围护结构型式。于徐州地区的首次成功应用，为以后套管咬合桩在徐州地铁围护结构工程中的广泛应用提供了设计与施工的参考，值得推广。

参考文献：

[1]李昌宁.杭州地铁车站深基坑围护结构-钻孔咬合桩的施工[J].岩土工程界，2004，8（1）：44-46.

[2]朱悦明，佘才高，杨秀仁.地铁工程设计创新与实践—南京地铁工程设计总结[M].北京：中国铁道出版社，2013.

[3]朱悦明，庞振勇，江彬文，等.套管咬合桩支护技术在地铁工程中的设计与应用[J].都市快轨交通，2012，25（4）：82-88.

[4]黄传兵.粉砂粉土地基钻孔咬合桩围护结构渗流及管涌分析[D].杭州：浙江大学，2006.

[5]杨建学，侯伟生，郑陈旻，等.冲孔咬合桩在某邻海深基坑围护中的工程应用[J].岩土工程学报，2010，32（增刊1）：207-209.

[6]周顺华，郑剑升，何泽刚，等.冲淤沉积层中新型咬合桩工法及应用[J].中国铁道科学，2006，27（4）：57-61.

[7]李文林.软土地层咬合桩挡土结构设计与施工技术研究[D].上海：同济大学，2006.

[8]廖少明，周学领，宋博，等.咬合桩支护结构的抗弯承载特性研究[J].岩土工程学报，2008，30（1）：72-78.

[9]胡琦，陈彧，柯瀚，等.深基坑工程中的咬合桩受力变形分析[J].岩土力学，2008，29（8）：2144-2148.

[10]罗积胜.地铁车站咬合桩围护结构设计计算方法及其应用研究[D].成都：西南交通大学，2009.

[11]刘杰，程晓柱，徐新光.天津市某深基坑围护桩变形监测及数值模拟分析[J].工业建筑，2012（增刊）：1301.

[12]董金川.套管咬合桩在徐州地铁新元大道站围护结构中的应用[J].价值工程，2017，36（01）：142-143.