華東地區(qū)超厚砂層旋挖樁施工技術

曹景全

1 概述

近年來，旋挖鉆成孔施工工藝以其低噪音、低振動、鉆進速度快、施工現(xiàn)場內移動就位方便、垂直度易于控制、施工占地面積小等優(yōu)點得到廣泛推廣，尤其在市政工程和施工工期較緊、臨近既有建筑物及較厚砂層地區(qū)應用較多。

在華東地區(qū)進行旋挖鉆孔灌注樁施工，不可避免地要穿越中間超厚砂層。這不僅需要控制鉆進過程中達到進尺速度，保證樁基工程鉆進過程中的質量，還須妥善地解決成孔以及下放鋼筋籠、混凝土澆筑過程中可能遇到的擴孔、塌孔、夾渣、超灌、成樁質量差等問題。因為東站房緊鄰高鐵線路既有線及1#牽引變電所，必須有效防止由于塌孔等原因對既有線及1#牽引變電所造成不良的影響。

中鐵建工集團在杭州南站進行旋挖鉆孔灌注樁施工過程中形成了華東地區(qū)超厚砂層施工經(jīng)驗。由于在處理地層與成樁關系、樁基施工對高鐵既有線及既有建筑物變形影響方面成效顯著，成孔鉆進、泥漿制備及控制兩個環(huán)節(jié)采用有針對性的先進技術，避免出現(xiàn)擴孔、塌孔、夾渣、超灌等質量問題，故有明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。

2 工程概況

杭州南站位于杭州市蕭山區(qū)中部，是杭州樞紐內重要的客運站。杭州南站規(guī)模為7臺21線，設東西廣場，以東廣場為主，西廣場為輔，采用高架候車。

其中，站房建筑面積 47456㎡，站臺雨棚 32014㎡，通廊 8300m2、站臺42210㎡。地下一層、地上二層，建筑高度為27m；鋼筋混凝土框架結構，最大跨度為24m。屋蓋結構形式為雙向平面鋼桁架，順軌向最大跨度42m，垂軌向最大跨度35.575m。

東站房樁基工程采用旋挖擴孔灌注樁施工工藝成樁，樁長最長為61.5m，樁底最深處位于地面以下78.5m。施工區(qū)地層為砂和粘土互層結構，砂層均呈松散狀態(tài)，且層厚達到10m，砂層最大標準貫入擊數(shù)56擊，粘土層最大標準貫入擊數(shù)25擊。大部分樁穿越深度較厚的砂層。在厚砂層中采用旋挖鉆孔工藝施工要冒相當大的風險，若控制不當易發(fā)生擴孔、塌孔、夾渣、超灌、成樁質量差等問題。必須防止旋挖鉆孔過程中出現(xiàn)上述質量問題，保證樁基施工質量和高鐵既有線及1#牽引變電所的安全。

3 技術特點

（1）旋挖鉆機在砂層中成孔難度大，必須選擇合適的鉆斗、鉆壓和鉆速。旋挖鉆機在砂層中鉆進，普通鉆斗經(jīng)常會“跑空”，提鉆時無法將砂土有效取出。經(jīng)過與廠家及有經(jīng)驗的施工工人的探討研究，決定采用改進的撈砂式封底鉆斗（圖1）。利用撈砂式封底鉆斗，結合提鉆速度的控制，能有效地取出樁孔中的砂土，從而大大提高了樁基成孔的速率。

（2）采用依據(jù)不同土層采用不同的鉆壓和鉆速的鉆進方法。旋挖鉆機啟動后，初始采用低速鉆進，主卷揚機鋼絲繩承擔不低于鉆桿、鉆斗質量之和的20%，保證孔位不產(chǎn)生偏差。

（3）提鉆下鉆速度控制：鉆斗提升時，泥漿在鉆斗與孔壁之間流速加快會沖刷孔壁，有時還會在孔內產(chǎn)生負壓，遇松散砂層極易塌孔，因此必須控制提鉆和下鉆速度，應以慢速、勻速提升和下放。本工程鉆斗升降速度控制在0.6 m/s 以內。

4 施工工藝流程

4.1 施工工藝流程

由工藝流程圖可知，當鉆孔灌注樁采用旋挖成孔時，由于鉆斗需要多次上下往復作業(yè)摩擦孔壁，加之松散的砂層較厚，容易發(fā)生擴孔、塌孔、夾渣、超灌事故，因此在鉆孔過程中，要制備符合性能指標的高質量泥漿，同時要及時補充泥漿護壁，以確保孔內水頭壓力，防止擴孔、坍孔等現(xiàn)象的發(fā)生。

4.2 操作要點

（1）合理布置施工現(xiàn)場，清理場地內影響施工的障礙物，低洼處用粘土回填，達到“三通一平”，挖好泥漿循環(huán)池。

（2）鉆孔前使用全站儀采用逐樁坐標法施放樁位點，放樣后四周設護樁并復測，誤差控制在5mm以內，待甲方或監(jiān)理驗收合格后方可進行成孔施工。

（3）設置護筒：根據(jù)樁位點設置護筒，護筒的內徑應大于鉆頭直徑200～300mm，護筒位置應埋設正確穩(wěn)定，護筒中心和樁位中心偏差不得大于50mm，傾斜度的偏差不大于1%，護筒與坑壁之間應用粘土填實。施工中，護筒的埋設采用旋挖鉆機靜壓法來完成。首先正確就位鉆機，使其機體垂直度、鉆桿垂直度和樁位鋼筋條三線合一，然后在鉆桿頂部帶好筒式鉆頭，再用吊車吊起護筒并正確就位，用旋挖鉆桿將其垂直壓入土體中。護筒埋設后再將樁位中心通過四個控制護樁引回，使護筒中心與樁位中心重合，并在護筒上用紅油漆標識護樁方向線位置。護筒的埋設深度：在粘性土中不宜小于1m，在砂土中不宜小于1.5m。護筒應高出地面20～30cm，隨即注入泥漿，并應保證孔內泥漿液面高于地下水位1m以上。

（4）鉆機就位：鉆機就位應保持平穩(wěn)，不發(fā)生傾斜、位移，鉆頭對準孔位開啟電機進行開孔。經(jīng)研究決定采用改進的撈砂式封底鉆斗。利用撈砂式封底鉆斗，結合提鉆速度的控制，能有效地取出樁孔中的砂土，提高樁基成孔速率。旋挖鉆機底盤為伸縮式自動整平裝置，并在操作室內有儀表準確顯示電子讀數(shù)，當鉆頭對準樁位中心十字線時，各項數(shù)據(jù)即可鎖定。鉆機就位后鉆頭中心和樁中心應對正準確，誤差控制在2cm內。

（5）泥漿制備：基于旋挖成孔自造漿能力差的缺點，必須人工造漿并及時補充孔內以維持孔壁穩(wěn)定?？紤]到砂層穩(wěn)定性差，人工造漿選用優(yōu)質鈉質膨潤土為原料，并摻人適量的純堿及羧甲基纖維素配制而成。純堿可增大泥漿PH 值至8～10，加速膨潤土顆粒分散，增強土水化作用，提高泥漿膠體率和穩(wěn)定性，摻入量為膨潤土的0.3%～ 0.5%。纖維素可使孔壁土表面形成薄膜防止孔壁剝落，降低失水量，提高粘度，摻入量為膨潤土的0.05%～ 0.1%。

①泥漿指標控制

泥漿性能的優(yōu)劣直接影響成孔、成樁質量，因此對泥漿指標的控制格外嚴格。工地上設專人對泥漿進行粘度、相對密度、含沙率測試，并記錄下來，當泥漿指標達不到表內規(guī)定時，及時調整泥漿指標。

②入孔泥漿指標

靜態(tài)泥漿在成孔過程中起護壁及固孔2 個作用，泥漿過稠，影響鉆進速度，泥漿過稀，孔壁易坍塌，泥漿含砂量大，孔底沉渣太厚。本工程地下水位高，中砂層最大埋深64.4m，護筒埋深6.5 m，中砂層有10.6 m高度靠泥漿壓力維持孔壁穩(wěn)定，由于該砂層埋深較深，泥漿產(chǎn)生的液注壓力大，初始泥漿宜采用高相對密度，而后根據(jù)實際情況調整。

（6）旋挖鉆進：采用依據(jù)不同土層采用不同的鉆壓和鉆速的鉆進方法。當鉆機就位準確，泥漿制備合格后即開始鉆進。旋挖鉆機啟動后，初始采用低速鉆進，主卷揚機鋼絲繩承擔不低于鉆桿、鉆斗質量之和的20%，保證孔位不產(chǎn)生偏差。鉆進時每回次進尺控制在60cm左右，剛開始要放慢旋挖速度，注意放斗要穩(wěn)，提斗要慢，特別是在孔口5～8m段旋挖過程中要注意通過控制盤來監(jiān)控垂直度，如有偏差及時進行糾正，且必須保證每挖一斗及時向孔內注漿，使孔內水頭保持一定高度，以增加壓力，保證護壁質量。

在粘土中鉆進時，考慮到粘土塑性好、土質硬、穩(wěn)定性好，采用中等壓力高檔鉆速鉆進，每鉆進尺控制在60cm左右。砂層鉆進時由于砂土穩(wěn)定性差，土體經(jīng)擾動后易塌孔，采取低速增壓鉆進，每鉆進尺深度控制在40cm以內，并加大泥漿泵入量，減小對土體的擾動以防坍孔。在軟硬土層交界處注意控制鉆速和鉆壓，并采用二次復鉆掃孔，避免產(chǎn)生孔斜。

提鉆下鉆速度控制：鉆斗提升時，泥漿在鉆斗與孔壁之間流速加快會沖刷孔壁，有時還會在孔內產(chǎn)生負壓，遇松散砂層極易塌孔，因此必須控制提鉆和下鉆速度。本工程鉆斗升降速度控制在0.6 m/s 以內。

（7）清孔：鉆進至設計孔深后，將鉆斗留在原處機械旋轉數(shù)圈，孔底虛土盡量裝入斗內，起鉆后需對孔底虛土進行清理。一般用沉渣處理鉆斗來排出沉渣，若沉淀時間較長，應采用水泵進行濁水循環(huán)。

在多砂、厚砂地層中施工，由于旋挖工藝泥漿不參與循環(huán)排渣，砂粒會混入泥漿中，且樁徑大、樁孔深，成孔時間長（22～25 h），終孔后泥漿含砂率及沉淀均會出現(xiàn)不同程度超標。

（8）鋼筋籠制作應符合設計要求，鋼筋籠存放場地應平整，鋼筋籠應先進行隱蔽工程驗收方能下放，下放時應保證鋼筋籠順直，嚴禁擺動碰撞孔壁，就位后焊制定位鋼筋。

（9）鋼筋籠下放至設計深度后，立即安裝混凝土灌注導管，避免導管與鋼筋籠碰撞，遇導管下放困難應及時查明原因。導管一般由直徑為200～300mm的鋼管制作，內壁表面應光滑并有足夠的強度和剛度，管段的接頭應密封良好和便于裝拆。

（10）二次清孔：將頭部帶有1m長管子的氣管插入導管內，氣管底部與導管底部最小距離2m，壓縮空氣從氣管底部噴出，如能使導管底部在樁孔底部不停的移動，就能全部排出沉渣，對深度不足10m的樁孔，須用空吸泵清渣。灌注混凝土前的孔底沉渣厚度應滿足要求。

（11）灌注水下混凝土：配制的混凝土強度等級必須滿足設計要求，并應具備良好的和易性。開始灌注混凝土時，為使隔水栓順利排出，導管底部至孔底的距離宜為30～50cm，使導管一次埋入混凝土面下1.0m以上，灌注過程中導管埋深宜為2～6m，嚴禁將導管提出混凝土面，設專人測導管埋深及管內外混凝土液面高差?；炷帘仨氝B續(xù)灌注，灌注的樁頂標高應預加一定的高度，一般應比設計高出50～100cm，預加高度可于基坑開挖后鑿除，鑿除時候應防止損壞樁身。

5 質量保證措施

（1）鋼護筒埋設：護筒既保護孔口壁防止坍孔，又是鉆孔的導向，因此護筒的垂直度要保證不得大于施工技術規(guī)范要求。為防止漏漿以維持孔內泥漿液面，護筒周圍土要夯實，采用粘土封口。在上層土質較差時，可將護筒加長至4～6m以提高護壁效果。在松散的雜填土層和流砂層成孔時，需加大泥漿比重，增加化學泥漿的粘度，提高泥漿的護壁效果。

（2）旋挖鉆機在砂層中成孔難度大，必須選擇合適的鉆斗、鉆壓和鉆速。旋挖鉆機在砂層中鉆進，普通鉆斗經(jīng)常會“跑空”，提鉆時無法將砂土有效取出，決定采用改進的撈砂式封底鉆斗。利用撈砂式封底鉆斗，結合提鉆速度的控制，能有效地取出樁孔中的砂土。

（3）對化學泥漿的要求：要根據(jù)土質情況選擇合適的泥漿比重，一般應控制泥漿的比重在1. 10～1. 20 之間：一清：1.15～1.20，二清：1.10～1.15。粘度在18s～25s，含砂率小于6 %。當進入厚砂層后必須根據(jù)鉆進實際情況，調整泥漿配合比。定期測試化學泥漿的各項技術指標，出現(xiàn)問題及時解決。

（4）孔底沉渣控制：旋挖鉆斗的切削、提升土屑的機理與常見回轉鉆進的正、反循環(huán)成孔的切削、提升形式完全不同。前者是通過鉆斗把孔底原狀土切削成條狀載入鉆斗提升出土，后者是通過鉆頭把孔底原狀土打碎由泥漿循環(huán)帶出土面。前者底部面緩，鉆至設計標高對土的擾動很小，沒有聚淤漏斗，所以要加強化學泥漿的管理，控制固相含量，提高粘度，防止快速沉淀，還要控制終孔前幾鉆斗的旋挖量。

（5）復測孔深及泥漿比重：為保證灌注樁質量，澆筑混凝土前，一要檢查孔底泥漿的比重是否小于1.10 ，否則采取換漿處理；二要檢查孔的深度，判斷有否孔壁坍塌現(xiàn)象，若有可用旋鉆機清孔，達到設計深度后方可安裝導管。

（6）對導管的要求：導管在使用前必須作水密承壓試驗和接頭抗拉試驗，確保接頭嚴密，不漏水、不漏漿。導管上料斗的體積，由樁徑、樁長和導管埋入混凝土中的深度來確定，料斗體積應大些為好，確保首批澆筑混凝土的埋管深度。

（7）澆筑混凝土要求：樁基水下混凝土應連續(xù)澆筑，中間不得停頓。由于樁內混凝土不能振搗，主要靠混凝土自重壓密和混凝土流動成型，須控制好配合比、澆筑速度以確?；炷临|量，隨時檢查混凝土塌落度。由于混凝土澆筑到頂時殘留泥漿會與混凝土混合，為確保樁頭混凝土質量，實際樁頂標高應比設計標高高0.5m～1.0m ，最后機械破樁頭處理。

6 結束語

以一臺XR360旋挖鉆機施工一根直徑0.85米、樁長60m（入中風化）的樁基為例：

旋挖鉆機施工：純鉆進成孔時間約16小時，鋼筋籠焊接時間約3小時，下導管約2小時，混凝土澆注約2小時，合計用時約23小時。用水量約34m3，泥漿循環(huán)池大小約需43m3，不需另外征地。旋挖鉆機施工承包單價約345元/米，施工內容包括清理平整場地、挖泥漿循環(huán)池、造漿、成孔、鉆渣清理運輸、焊接鋼筋籠、輔助灌注水下混凝土、泥漿循環(huán)池整平處理。

回旋鉆機施工：純鉆進成孔時間約48小時，鋼筋籠焊接時間約3小時，下導管約2小時，混凝土澆注約2小時，合計用時約55小時。用水量約170m3，泥漿循環(huán)池大小約需215m3，需另外征地約0.17畝?；匦@機施工承包單價約340元/米（自發(fā)電單價），施工內容僅包括造漿、成孔、焊接鋼筋籠、輔助灌注水下混凝土，其他輔助工作全部由項目部負責。如采用承包施工內容與旋挖鉆機相同，每延米需增加措施費約30元。

由此可見，旋挖鉆機施工與常規(guī)回旋鉆機相比可節(jié)省約25元/米，還能大大提高成樁效率，同時將工程施工由地面轉入地下，避免了地面施工產(chǎn)生的大量場地占用，消除了對城市交通的嚴重影響，施工產(chǎn)生的振動、噪音、粉塵等公害也得到了最大限度的降低，減少了安全防護和環(huán)境保護方面的資金投入和安全生產(chǎn)隱患。社會效益和環(huán)境效益明顯。

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