□北京城乡集团公司 韦晓峰 张志永 孙玉文 常薇 杨永诚
【摘 要】北京地铁14号线张仪村停车场共12个建筑单体，总建筑面积57484m2。勘察报告显示，该场区地下为杂填土和生活垃圾，不能满足设计承载力要求，需要进行地基处理。设计方对比目前常用的几种地基处理形式并经专家论证，最终采用干硬性混凝土柱锤冲扩桩复合地基，设计总地基处理面积近70000m2，设计施工桩数约45000根，总长30余万米。
干硬性混凝土柱锤冲扩桩桩身为干硬性混凝土经细长锤夯扩加固挤密形成的挤密实体，由于其施工工艺的特殊性，可达到挤密周围土体从而提高地基承载力的地基加固效果。由于该地基处理方式为地铁工程首例，虽然施工范围大、数量多，但经合理部署组织施工，不但按时完成了施工计划，经检测地基承载力满足设计要求，而且为该工艺在以后地铁工程中的推广应用提供了成功的案例。
1 工程概况
北京地铁14号线张仪村停车场工程位于丰台区大瓦窑，占地约22公顷（详见图1、图2），结构形式为以组合库为主的排架结构和以综合楼为主的框架结构。场区地质条件复杂，是近期形成的建筑垃圾和生活垃圾填埋场，地基处理形式为干硬性混凝土柱锤冲扩桩复合地基。
图1 张仪村停车场鸟瞰图
2 干硬性混凝土冲扩桩作用机理及施工难点
干硬性混凝土冲扩桩具有挤密地基的作用。桩身为干硬性混凝土经细长锤夯扩加固挤密形成的挤密实体，通过吸收周围土里的水分逐渐硬化成坚硬的混凝土柱。
该桩与其它桩型的最大区别在于它不是通过桩身形状、桩径、桩端面积的改变来提高承载能力，而是利用重锤对填充料进行夯实挤密，挤密区土体受到很大夯击能量后缓慢释放，对侧向周围影响土体施加侧向挤压力进行有效加固挤密，土体得到密实，变形模量提高很大，所以能够较大幅度地提高地基承载力。
地基处理施工范围大、工期紧，故合理安排施工是确保工程如期完工的重点。
地质情况复杂，遇大块障碍物、石块等易发生打桩机卡桶现象，护桶难以打入，影响成孔速度。
受拆迁影响，地基处理必须安排在2011年11月至2012年3月，排布整个冬季，对人工、机械效率影响严重。
3 设计方案
该建设场地地质条件复杂，表层1.7米范围内全部为杂填土层。地基土不均匀，属于不均匀地基。场地自上而下共分以下几层：
（1）人工堆积层
岩性特性如下：杂填土①1层：杂色，稍密，稍湿～湿，含砖块、灰渣、碎石；细砂填土①2层：黄褐色，松散～稍密，湿，含砖、灰渣，少量圆砾填土；圆砾填土、卵石填土①3层：杂色，稍密，湿，含砖、灰渣。该层厚度变化较大，一般厚度1.6～5.0m，部分区域为掩埋的采砂坑，人工堆积层厚度达7.1～11.5m，土质不均，厚度变化大，工程性质差。
（2）新近沉积层
岩性特征如下：圆砾、卵石②层：杂色，中密～稍密，湿，剪切波速vs值＝359m/s，重型动力触探击数N63.5＝33～75，属低压缩性土，钻探揭露卵石部分：D大＝8cm，D长＝10cm，D一般＝3～5cm，亚圆形，级配一般，含中砂、粗砂约30%。该大层层顶标高约53.87～57.29m。该大层局部受上部人工填土层影响，地层缺失。
（3）第四纪沉积层
主要岩性特征如下：卵石⑤层：杂色，密实～中密，湿，剪切波速vs值＝383～449m/s，重型动力触探击数N63.5＝43～100，属低压缩性土，钻探揭露：D大＝10cm，D长＝12cm，D一般＝3～5cm，亚圆形，级配较好，含中砂约30%。该大层层顶标高47.80～53.49m。
根据地质勘查情况，结合停车场各建筑单体结构形式、基础埋深、轨道区域荷载形式，并考虑工期要求，设计方、甲方经过多方案对比计算及聘请专家论证，最终一致认可采用干硬性柱锤冲扩桩复合地基进行处理。
设计方案为除咽喉区、轨道区及三大库以外的单位工程设计桩长5-10m，咽喉区、轨道区及三大库设计桩长：1区5-6m、2区6-9m、3区7-11m、4区9-11m、5区10-12m，实际施工长度以满足最后三击贯入度为准；桩间距Ⅰ区1.2×1.2、Ⅱ区1.3×1.3、Ⅲ区1.4×1.4，直径500mm，面积置换率Ⅰ区13.6﹪、Ⅱ区11.6﹪、Ⅲ区10﹪。以第1杂填层为基底持力层，以第5卵石为桩端持力层，设计总地基处理面积近70000m2，总量约45000根，总长度30余万米（详见图3）。
图3 咽喉区、轨道区及三大库地基处理设计图
设计桩身为干硬性混凝土，每立方米（2.153t）原材料配料：水45kg、水泥（425）120g、砂子（中砂）827kg、石子（5-25mm）1040kg、粉煤灰（I级）120kg。
4 柱锤冲扩桩施工工艺
图4 冲扩桩施工工艺流程示意图
工程项目部放线人员依据加密点将桩位放线完毕，在桩点上标清施工桩顶标高及填料方式，验线员复测合格后报监理单位，经监理验线合格后，在施工前，各施工组技术员对所要打的桩位再进行一遍复测，确认无误后方可进行施工。
检查桩机设备工作是否正常，移动桩机就位，校正垂直度及轴线位置偏差。现场打桩机就位详见图5。
图5 现场打桩机就位
在确定所要打的桩位上，使护筒中心与桩位中心对齐。先用细长锤低落距夯击地面，在地面土体中形成一个浅孔，用反压系统将护筒沉至孔底，并调整护筒垂直。
提高柱锤夯击成孔，将护筒沉至孔底，经反复操作后，将护筒沉至设计标高处。当接近桩底标高时，控制柱锤落距，准确将护筒沉至设计标高。测量最后三击贯入度，桩锤落距为10m，1区域终孔控制最后10m落距三击贯入度不大于8cm； 2区域终孔控制最后10m落距三击贯入度不大于12cm； 3区域终孔控制最后10m落距三击贯入度不大于15cm。
钻机柱锤从自然地面达到11m后（保证有效桩长10m），三击贯入度不满足上条规定时，采用边填碎石边冲击的方式冲扩出一个扩大头，最多累计填料不超过1立方米，填至1立方米后可正常填干硬性混凝土夯填，每次0.3m3，5m落距四击。
护筒沉至设计标高后，提升柱锤高出填料口，采用干硬性混凝土进行填料，锤做自由落体运动，夯击填充料，每次填料量0.3m3，落距为5m，4击。每次填料完成后，将护筒提升至填料面以上，令柱锤以5m落距做自由落体运动，严禁带刹车，继续填夯至设计标高以上500mm。桩机配备填料铲车详见图6。
图6 填料铲车
成桩5天后进行凿桩头及清除桩间土，清理桩间土之前先统计施工桩顶标高，小型挖掘机挖桩顶上层土时应高出施工桩顶标高200mm，桩间土用人工及小型挖掘机的方式挖至设计标高，挖掘机严禁触碰桩头，挖掘机采用后退向下进行挖土，施工机械严禁碾压剔凿好的桩头。桩头截除采用人工以钢钎对称截断，配合使用风镐、无齿锯。在截掉大部分桩头后，用小锤、钢钎将桩顶修平至设计标高。现场凿桩头施工见图7。
图7 现场凿桩头
5 质量保证措施及难点处理
5.1 干硬性混凝土柱锤冲扩桩质量控制主要指标
（1）桩孔的垂直度偏差≯桩长的1%，桩位偏差不大于150mm。
（2）桩位允许偏差：沿轴线≯150mm。
（3）桩径允许偏差为-20mm。
（4）严格控制每次填料量为0.3m3，每次夯填落距为5m，四击。
（5）桩身干硬性混凝土配合比按设计要求进行施工。
（6）施工桩顶保护桩头夯填高度不少于50cm。
（7）控制三击贯入度不大于设计要求，柱锤落距为10.0m，锤重3.5吨，三击。
5.2 质量保证措施
（1）夯扩桩正式施工前按设计要求先作试桩，试桩检测合格后，方可进行大面积施工。
（2）桩位放线：首先由测量人员根据设计要求放出桩位线，并标出施工桩顶标高及填料材质，由专人验线并报监理单位验收，做好桩位放线记录。
（3）移桩机就位，调整护筒垂直，确保其垂直度偏差不大于1%。
（4）依照设计要求配置干硬性混凝土，以手攥成团松手散开为宜。严格控制每次填料量，应用专门器具进行计量。
（5）测三击贯入度时严禁带刹车和离合，测量要细致、准确，如实记录测量数据。
（6）成桩过程中随时测量对邻桩的影响，发现邻桩水平及竖向位移超过20cm，则停止夯击。
（7）成桩过程中，应随时观察地面隆起，当隆起超出规范要求时（小于200mm），应立即停止施工，报告技术人员解决。
（8）施工原始记录应详实，项目完整，签字齐备，部位、桩机号、桩号清晰。
（9）设置专职资料员，负责进度报表、资料收集整理等工作。
（10）桩机应做好明显标志严格控制锤击高度，保护桩头按正常方式填料及锤击。
（11）成孔及夯填过程中严禁加水，成孔时护筒应跟随柱锤下落。
（12）严格控制填料深度，填至设计标高后及时采用普通土将空打范围的空洞填实。扩大头填料时每次填料0.1 m3，锤击形成扩大头，扩大头部分的累积填料为1 m3，做完扩大头方可按正常标准进行填料。沉管时根据地质情况护筒应紧跟桩锤下落，防止抱锤。填料时应先填料，用桩锤压住混凝土，将护筒提升至混凝土上表面后进行夯实，三大库施工桩顶标高较多，施工前应复合桩号及施工记录，做好班前交底。
5.3 冬季施工措施
由于施工期跨越整个冬季，因此必须充分考虑低温对施工的影响，采取有效的保温、测温措施。
（1）干硬性混凝土运输车辆车斗内侧采用多层胶合板保温，并用岩棉被覆盖干硬性混凝土表面。
（2）堆料场地高于自然地面20cm，并铺一层塑料布防潮。干硬性混凝土运输到现场后及时用岩棉被覆盖，严禁雨水、雪水侵入。
（3）施工中设专人测量大气温度和干硬性混凝土温度，随时掌握气象变化情况，对于突然降温要提前作好准备。
（4）桩基施工之前，为防止地面受冻，先用岩棉被覆盖，施工时将桩孔位置掀起，填料夯击完成后及时覆盖。清理桩间土、凿桩头后及时覆盖岩棉被，防止桩基及地基土受冻。
由于本工程地质条件复杂，极个别地区土质夯扩机无法打入土层，针对这一特点，项目部采用柴油引孔机对复杂地块进行引孔，加快了成孔速度。柴油打桩机引孔施工详见图8。
合理组织安排施工，由于组合库受拆迁影响，不能提供足够工作面施工，我们见缝插针首先施工轨道区、工程车库、洗车库、混合变电站，待组合库具备施工条件后马上集中机械设备进行组合库的施工，确保了工程施工无间断、保证了工期。
图8 柴油锤打桩机
6 桩基检测
本工程设计扇形区及三大库处理后复合地基承载力特征值不小于200KPa，三大库处理后地基差异沉降量不大于20mm，线路处理后地基差异沉降量不大于150mm。垃圾站、混合变电站及门卫处理后复合地基承载力特征值不小于120KPa，综合楼处理后地基承载力不小于240KPa，处理后地基变形量不大于30mm。锅炉房、水泵房及消防水池处理后复合地基承载力特征值不小于120KP；派出所处理后复合地基承载力特征值不小于250KPa，处理后地基变形量不大于200mm，沉降量不大于0.002L。
桩基检测采用单桩复合地基静载试验，根据设计要求，各单位工程静载试验率0.5%，且每个单体不少于3处，共221处。试验完毕后，全部满足设计要求。
静载试验情景见图9。
图9 静载试验
7 结语
柱锤冲扩桩在北京地铁14号线张仪村停车场地基处理中的应用，是北京首次采用也是地铁工程首次采用的地基处理技术，圆满的解决了本停车场因地质条件不良导致的地基承载力不足的问题，为工程的如期完工打下了良好基础，同时也为日后同类工程的地基处理提供了经验。柱锤冲扩桩布置合理，操作安全，施工过程中无污染、低噪声，能够满足现场文明施工的各项要求。本次施工地基处理总面积近70000m2，经与基坑换填进行对比，工程造价节省近千万元。项目部合理组织施工，认真贯彻设计意图，实施技术创新，使企业受到了多方好评，赢得了良好的社会效益。
[1] 中国建筑科学研究院. JGJ 120-99建筑基坑支护技术规程[S] . 北京:中国建筑工业出版社，1999.
[2] 中国建筑科学研究院. JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范[S] . 北京:中国建筑工业出版社，2002.
