地铁车站柱下端承桩施工技术研究

杨兵

【摘 要】深圳地区主要使用的两种端承桩型，一是钻（冲）孔灌注桩，二是预应力管桩。针对两种端承桩型分别以不同岩层做持力层的情况，论文结合深圳地铁10号线1011-3A标工程，阐述柱下端承桩施工工艺，并通过整理工程实测数据以及工程出现的问题，总结了地铁柱下桩桩端持力层的主要缺陷与危害，并归纳了持力层承载力不足的处理的工程技术对策。

【Abstract】There are two kinds of end-bearing piles mainly used in Shenzhen area， one is drilling （punching） hole cast-in-place pile， and the other one is prestressed pipe pile. Aiming at the case of two kinds of end-bearing piles with different strata as bearing layers， combines the 1011-3A section of Shenzhen Metro Line 10 project， this paper expounds the construction technology of end-bearing piles at the bottom of column， through sorting out the measured data and engineering problems， it summarizes the main defects and hazards of the bearing stratum of end-bearing piles at the bottom of column of the subway， and sums up the engineering technical countermeasures for the treatment of the insufficient bearing capacity of the holding layer.

【關键词】柱下端承桩；持力层；底板预留

【Keywords】 end-bearing piles at the bottom of column； bearing layer； bottom floor reservation

【中图分类号】U231.3 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）04-0183-06

1 工程概况

孖岭站是深圳轨道交通10号线工程的第7个站，为地下四层岛式换乘车站，车站主体结构采用现浇整体式框架结构，车站左线起点里程ZDK7+239.340，右线起点里程DK7+248.340，车站有效站台中心里程为DK7+367.500，终点里程为DK7+477.540，车站左线长238.20m，右线长229.20m。车站全长238.20m，基坑深度约25.1-26.1m（南端头基坑深度26.1m），深度嵌入底板下4.5-9.5m，南端头位置连续墙位于底板下右线8.4、左线8.5m。（图1）

车站南端头地质从上到下依次为素填土4.52m、淤泥质黏土0.56m、粗砂1.48m、粉质黏土3.07m、粗砂2.42m、砂质粘性土2.47m、全风化混合岩5.67m、土状强风化混合岩9.51m、中风化混合岩2.62m、微风化混合岩。（图2）

车站采用1000mm厚地连墙+内支撑系统；车站标准段采用五道支撑，其中第一、第四道为钢筋混凝土支撑，第二、三、五道为钢管支撑；车站南端头采用五道钢筋混凝土支撑。

其中支撑及混凝土腰梁截面为800*1000mm，底板厚1300mm。

2 柱下端承桩施工情况

在主体结构双数轴线位置设置柱下端承桩桩，桩径1.5m，柱下端承桩采用钻孔灌注桩施工，应确保每根桩桩端进入中风化层中H不小于4m，或进入微风化层不小于1.5m。车站柱下桩嵌固深度见下表。

柱下端承桩工况分析：

底板预留位置：（图3）

3 影响地铁车站柱下端承桩施工的原因排查及分析

3.1 柱下端承桩成桩工艺分析

结合施工条件，拟采用柱下端承桩施工工艺分2种，包含人工挖孔桩和冲击钻机成桩。

人工挖孔桩是一种采用人工挖孔成桩的灌注桩基础，其具有使用机具设备简单，占用施工场地小，施工操作方便，施工质量可靠，对周边建（构）筑物影响小，可全面开展施工，达到缩短工期，降低造价等优点。因此得到广泛应用。人工挖孔桩适用于土质相对较好、地下水位较低的黏土和亚黏土层（含少量砂卵石）。人工挖孔桩可用于公用建筑、水工建筑、高层建筑做桩基础，可承担挡土、支承、抗滑等作用。对软弱土层、流砂地质层以及地下水位较高（涌水量大）的土层则不宜采用人工挖孔灌注桩基础。

冲击钻机是一种以垂直往复运动凭借冲击力进行钻孔的工程钻机设备，其工作原理类似于凿岩的锤子。都是依靠冲击力进行钻孔作业。

优点：具有良好的钻孔性能，对较硬的地层可以有效的进行钻孔作业，且钻孔效率十分得高。适用于硬度较高的岩层、风化的岩层以及各种硬脆的地质环境中。

缺点：排屑较为困难，且对软地质以及粘度较大的土层地质钻孔有非常大的难度。使用有一定的局限性。

施工现场土方开挖至基底后，1小时左右已出现少量渗水，并降水井水量大，围护结构设计降水井深度为底板下6米，现设计柱下桩长度均超过6米，且车站水位为地面下2日左右，人工挖孔桩深度超底板下6米后会出现大量地下水，超过连续墙深度后，土压力过大，易发生坍塌危险。

3.2 影响端承桩竖向承载力的主要因素

岩层的性质、嵌岩深度、孔壁的粗糙程度、土的强度参数、桩底沉渣、成桩工艺、桩端软弱下卧层。桩长、桩径、桩身混凝土强度等对嵌岩桩的竖向承载力都有重要的影响。

桩端持力层为花岗岩基岩且其中存在“中风化层+强风化层+中风化层”夹层，下层中风化岩层完整，上层中风化岩层破碎，并且下层中风化岩层的强度大于上层中风化岩层的强度。对地铁车站柱下端承桩而言，极易导致桩基入岩段偏斜的现象。

柱下端承桩桩端存在软弱下卧层，如土洞、溶洞、灰岩地质等；桩端岩层承载力不足，此时在竖向荷载的作用下，桩端岩层极易产生剪切、冲切、弯拉等脆性破坏；此时需对端承桩桩端阻力进行专门的验算。

对于地铁车站柱下端承桩，不管以什么岩层作持力层，若现场施工控制不当，桩底沉渣厚度超过规范要求，均出现持力层承载力不足现象。

4 针对地铁车站柱下端承桩施工风险采取的具体措施

4.1成桩工艺的选择

结合现场实际情况以及保证安全施工，采用冲击钻机施工。

柱下桩可采用旋挖钻、冲击钻进行施工。从施工工艺、泥浆需求、对周围环境影响进行考虑，定位采用冲击钻进行施工。分析见下表。

4.2 底板预留位置的确定

①2-2轴：2-2轴柱下端承桩在第一段底板底板施工完成后进行施工。东西两侧柱下端承桩底板预留宽5.5米位置，由于东西两侧预留位置较近，进行贯通预留处理。预留位置具体尺寸下图。

②4-4轴至26-26轴：4-4轴至26-26轴在底板施工完成后进行柱下桩施工。4-4轴柱下桩施工需在第二段底板底板位置预留6.35米*11.9米豁口位置。（图4）

4.3 底板预留孔洞位置处理

由于底板位置存在预留孔，在柱下桩施工时，桩机前段处于悬空状态，采取措施为悬空位置底板顶面上及桩机后面采用现有钢围檩沿基坑方向横铺，保证桩机稳定性。（图5）

4.4 2-2轴底板预留位置处理

①柱下桩处理方法：柱下桩处理方法，参照降水井处理进行。

a凿毛后位置高底板垫层10cm；（考虑防水保护层5cm，底板钢筋保护层4.5cm）

b防水铺设采取降水井处理方式，加强层40*40mm，防水铺设高度100mm，防水卷材与桩侧壁接触位置采用密封胶密封；

c柱下桩凿毛后，采用水泥基涂刷2-3次。

②底板：按照施工缝进行处理。（图6，图7）

监测：在施工柱下桩期间，实施进行对基坑进行监测，并在地面提前准备拼装好的钢支撑，若基坑监测数据异常，在垫层上按3m/道架设钢支撑，保证基坑稳定性。

泥浆池位置选择：第一段底板位置设置废水泵房，拟采用废水泵房作为柱下端承桩泥浆池，废水泵房尺寸5.55m*3.5m*3.06m（长*宽*高），可存放泥浆50m3。两根柱下端承桩同时施工需泥浆最大量为3.14*0.75*0.75*16.665*2=58.87m3，為满足施工要求，在原有沙袋封堵位置进行沙袋加高至纵梁顶面，同时在2-2轴位置加设2层沙袋封堵泥浆。 3-11轴柱下端承桩施工均采用此临时泥浆池，泥浆管沿左线纵梁腋角位置铺设。（图8）

桩机移位：由自带装置进行移位。由于第五道钢支撑距基底低于桩机高度，移位前需将桩机钢结构塔架提前卸掉。

桩机摆放位置：每次桩机摆放位置需避开第五道钢支撑、临时立柱及抗拔桩位置。

第五道钢支撑调整：未满足柱下端承桩空间要求，对第五道钢支撑有影响的进行适当调整，同时准备好备用钢支撑，对支撑轴力变化大的位置进行加密架设。具体需进行调整钢支撑位置见附件2。

通过计算柱下端承桩中心四周0.7米范围内钢支撑需要进行调整。

4-4轴第五道钢支撑由南往北数第一根钢支撑需要向南调整至少1.3m；

4-6轴第五道钢支撑由南往北数第六、七根钢支撑需要向南调整至少1.05m；

冲击钻机尺寸：冲击钻机采用现有冲击钻，尺寸为7.2m*2.5m*8.2m（长宽高），考虑滚筒及垫方木，桩机总高8.6m。（表3）

2-2轴东侧砼支撑拆除：2-2轴西侧柱下桩施工完成后，对D88～D5斜撑进行拆除，同时切割2-2轴东侧柱下桩上方位置腰梁，10天内完成2-2轴东侧柱下桩施工，进行底板封闭。

型钢柱加固：组合型钢柱采用工63A工字钢及钢管架组合进行加固。在进行底板施工过程中，预埋钢筋，固定脚手架。（图9）

采用2条63A工字钢将型钢柱固定，型钢柱下面采用脚手架固定。

4.5 地铁柱下端承桩持力层的相关验算

根据项目地质补勘资料，部分钻孔岩样有两层中风化岩层，其中一层中风化岩层的岩样较为破碎，另一层中风化岩层的岩样较为完整。柱下端承桩大部分支承在完整中风化岩层上，小部分柱下端承桩支承在较破碎的中风化岩层上，现对支承在中风化岩层中的4-4西侧#桩进行柱下端承桩的承载力复核及计算。

其中柱下端承桩桩基按照《建筑地基基础设计规范》10.2.4条计算。

计算时考虑到桩重量与土重量基本抵消，桩身自重忽略不计。

Ra=uΣqsiali+UpC2frshr+C1frpAp

①在土层中，端承桩桩的侧摩阻力特征值，其取值如下表

土层中端承桩的侧摩阻力特征值按项目地质补勘报告中淤泥质粘土②-4（Qal+pl）桩的侧摩阻力特征值，根据项目地质补勘报告，qsa取值为6kPa。

②入中风化一层的桩侧摩阻力特征值及桩端承载力特征值取值

根据《建筑地基基础设计规范》10.2.4条，桩端进入中风化岩层的嵌岩桩，柱下端承桩的侧摩阻力特征值和桩端承载力特征值是按桩端岩层和桩侧岩层的岩样天然湿度单轴抗压强度，按下式进行验算：

桩侧摩阻力特征值=C2frs，桩端承载力特征值=C1frp。其中C1、C2的系数按照桩端持力层基岩完整度，沉渣厚度等因素确定。

项目柱下端承桩的桩端持力层地质补勘报告中，其柱下端承桩桩基参数建议值如表5，表6。

根据柱下端承桩检测结果，4-4西侧#持力层桩身完整性类别为1类，桩底如未见明显沉渣现象。进行验算时，取C1=0.34，C2=0.044，对钻（冲）孔桩，C1及C2的取值都应乘以0.8；详见上表计算。

经过复核及验算，4-4西侧#桩的桩端承载力不足。

③4-4东侧#、6-6西侧#桩及相邻部位的桩沉降计算

端承桩桩端持力层为中风化岩层且入持力层的深度大于等于0.5m时，端承桩为嵌岩桩。根据《建筑地基基础设计规范》第10.2.11条说明，嵌岩桩可以不进行沉降验算。根据检测结果，4-4东侧#桩桩端持力层为中风化岩层，其下部为强偏中风化夹层；6-6西侧#桩端持力层为强风化，中风化夹有强风化岩层；故需对这2条桩进行桩沉降验算，并验算相邻部位基础间的沉降差。

对已采用单桩静载试验的4-4东侧#、6-6西侧#桩，根据《建筑地基基础设计规范》的相关规定验算桩的沉降值，并对与4-4东侧#、6-6西侧#相邻部位的桩根据《建筑桩基技术规范》的规定验算桩的沉降值。

因中风化层的压缩模量无法获取，故中风化岩石的压缩忽略不计。

a对4-4东侧#桩，根据单桩静载的试验结果，在试桩达到荷载N=2500kN时，其桩基沉降量为1.30mm，试桩达到荷载N=500kN时，其桩基沉降量为6.47mm，使用荷载Nvk=3822kN时，其桩基沉降量为5.58mm（根据静载的沉降关系和前两级的荷载按线性插值求得），按“单桩宜取低值，群桩取高值”的相关规定，最终沉降量为试桩达到使用荷载时沉降量的2-5倍，此处最终沉降量取使用荷载时沉降量的3倍，其最终沉降量为16.74mm。

b对6-6西侧#桩，根据单桩静载的试验结果，在试桩达到荷载N=2800kN时，其桩基沉降量为2.58mm，试桩达到荷载N=5600kN时，其桩基沉降量为6.05mm，使用荷载Nvk=5020kN时的对应的桩基沉降量为5.33mm（根据静载的前两级的荷载和沉降关系按线性插值求取），“单桩宜取低值，群桩取高值”的相关规定，最终沉降量为试桩达到使用荷载时沉降量的2-5倍取值，此处最终沉降量取使用荷载时沉降量的3.5倍，其最终沉降量为18.66mm。

4.6 地铁车站柱下端承桩桩持力层承载力不足的处理技术

4.6.1 高压水切割冲洗，注浆加固技术

该加固处理技术原理为：根据柱下端承桩桩径大小，均匀的布置若干个地质鉆孔，钻孔深度到出现缺陷部位，利用高压水流切割并冲洗孔底沉渣及破碎带，待清理完毕后，注入已配置好的化学浆液或固定配比水泥浆液。水泥浆液的强度小，缩水率大，注浆加固的效果不佳；现有一种强度高达80MPa的无收缩自流平化学灌浆料，其在端承桩缺陷部位灌注后固结快，并且无明显的收缩现象，可以有效的填筑高压水流切割后地铁柱下端承桩底的空隙部位，其处理效果较好。

4.6.2 后压浆施工处理技术

在柱下端承桩钻（冲）孔灌注桩成桩后，对柱下端承桩桩底沉渣厚，持力层抗压强度不足等问题；通过钻孔在柱下端承桩桩底以及桩侧的预埋压浆导管（压浆导管底部应设置多孔管阀，压浆导管向上延伸到地面或桩顶）向桩侧或桩底高压注入已配置好的水泥浆液，通过浆液塞实柱下端承桩底的松软部位，达到固结底泥以及挤压土层的目的；与此同时浆液在柱下端承桩的桩侧向上返浆扩散，加强了桩体与土层的侧摩阻力[1]。

本工程对4-4东侧#、6-6西侧#两桩采用在端承桩的桩后进行压浆补强，在桩侧预埋压浆导管，并加强观测，如发现沉降差过大，立即用压浆导管对桩进行后压浆补强。

压浆导管深度比柱下端承桩桩深度多0.6m，顶部应高出底板面30cm，袖阀管与套管（套管标识编号并刷防锈漆）之间嵌填防水材料，压浆导管管口应设置止水阀，以防止地下水上涌。后注浆导管管口做法如下：

施工期间每日对此桩位及相邻桩位的沉降变形进行观测，当发现相邻墙沉降差超过3mm时，应立即采用压浆导管对端承桩桩后进行注浆补强加固，补强加固配比参数如下表。

5 结论

①在地铁车站施工中，其施工空间有限时采用调整钢支撑位置及桩机位置有效的解决了桩机施工与钢支撑、预留孔洞冲突的问题，为今后地铁车站柱下端承桩施工提供了很好的指导意义[2]。②根据柱下端承桩成桩机理，结合工程实际出现问题，分析了持力层承载力不足影响成桩质量的因素以及进行原因排查采用的措施，为今后出现类似工程问题提供依据。③注浆加固是的桩端持力层补强有效手段，沉降监测是检测桩端持力层补强加固处理效果的重要方法，对工程实践有着重要意义。④岩层持力层承载力不足区域采用后压浆施工处理技术和高压水切割冲洗注浆加固技术是缺陷处理的重要方法。⑤本工程的施工技术研究通过相关控制措施总结出了相关工法施工的布置，为深圳地区今后采用类似工法施工提供了宝贵的经验。

参考文献】

【1】朱必峰.桩端持力层高压注浆补强处理技术[J].西部探矿工程，2010（10）：24-25.

【2】张明义，申利剑.风化岩持力层地基上的桩基础研究[J].工程勘察，2002（1）：5-7.