超長螺旋鉆孔壓灌成樁技術(shù)研究與應(yīng)用

張淵龍，黃紅粉，司舒陽

（1.河南黃河河務(wù)局 工程建設(shè)中心，河南 鄭州 450003； 2.河南黃河河務(wù)局 供水局，河南 鄭州 450003；3.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046）

1 灌注樁技術(shù)的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀

灌注樁是廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁工程基礎(chǔ)處理的常用方式，具有承載力高、適應(yīng)性廣以及抗震能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［1］。 20 世紀(jì)50 年代，隨著大型鉆孔機(jī)械的開發(fā)應(yīng)用，我國在鐵路和公路橋梁建設(shè)中開始大量采用鉆孔灌注樁和挖孔灌注樁［2］。 1994 年，在全面總結(jié)我國樁基施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建設(shè)部頒布了《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—1994），對(duì)使用回旋鉆、沖擊鉆等常用鉆機(jī)進(jìn)行灌注樁施工的適用范圍和施工要求進(jìn)行了規(guī)范。 2008 年住建部對(duì)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—1994）進(jìn)行了修訂，吸納樁基建設(shè)領(lǐng)域新的經(jīng)驗(yàn)和科技成果，增加了長螺旋鉆機(jī)鉆孔壓灌混凝土后插鋼筋籠的施工方法。 2018 年住建部頒布了《長螺旋鉆孔壓灌樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ／T 419—2018），對(duì)長螺旋鉆孔壓灌樁的施工技術(shù)要求進(jìn)行了細(xì)化，要求“長螺旋鉆孔壓灌樁設(shè)計(jì)樁長不宜大于30 m”。

1987—1988 年灌注樁壩在河南黃河花園口東大壩進(jìn)行試驗(yàn)。 試驗(yàn)工程竣工后，當(dāng)年即經(jīng)受了汛期6次超過5 000 m3／s 洪水的考驗(yàn)，運(yùn)行情況良好，基本達(dá)到了預(yù)期效果［3］。 1999 年以來在中牟韋灘、武陟東安等工程進(jìn)行了灌注樁壩改進(jìn)推廣，成為當(dāng)前黃河控導(dǎo)工程的主要壩型之一。

螺旋鉆孔壓灌混凝土后植入鋼筋籠灌注樁技術(shù)，是由日本CIP 工法演變而來的一種新型的樁基礎(chǔ)施工技術(shù)［4］。 該施工技術(shù)特點(diǎn)在于利用長螺旋鉆機(jī)鉆孔至設(shè)計(jì)深度，在提鉆的同時(shí)通過鉆桿芯管將混凝土壓送至孔底，向孔內(nèi)連續(xù)灌注混凝土至樁頂標(biāo)高后，再將鋼筋籠植入素混凝土樁體中形成鋼筋混凝土灌注樁［5］。 該施工技術(shù)具有無泥漿污染、噪聲小、效率高、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，在建筑工程、市政圍護(hù)工程施工中得到較為廣泛的應(yīng)用［6］，但在水利工程建設(shè)中的應(yīng)用相對(duì)較少，尤其是設(shè)計(jì)樁長超過30 m 的鋼筋混凝土灌注樁，在水利工程建設(shè)中還沒有實(shí)例。 本研究以黃河孤柏嘴透水樁壩工程施工為例，研究超長螺旋鉆機(jī)鉆孔壓灌成樁技術(shù)在水利工程基礎(chǔ)施工中的適用性，以及影響施工質(zhì)量、進(jìn)度的問題及處理方案與措施，以期為該施工技術(shù)在水利工程建設(shè)中推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。

2 黃河孤柏嘴透水樁壩工程概況

黃河孤柏嘴控導(dǎo)工程位于河南省滎陽市王村鎮(zhèn)黃河南岸孤柏嘴山灣河段，是保護(hù)南水北調(diào)穿黃工程、控導(dǎo)黃河三花間河勢、歸順河道流路的重要節(jié)點(diǎn)工程。 孤柏嘴透水樁壩工程位于孤柏嘴控導(dǎo)工程樁號(hào)KD2＋930—3＋600 處，采用鋼筋混凝土灌注樁透水壩結(jié)構(gòu)，壩頂高程103.18 m，灌注樁樁徑0.8 m，樁長36 m，樁中心距1.1 m。 該工程建設(shè)具有以下特點(diǎn)：①工期要求緊。孤柏嘴控導(dǎo)工程自2005 年開工，由于種種原因歷經(jīng)15 a尚未完工，已影響到南水北調(diào)中線工程的整體驗(yàn)收，因此被水利部列為2020—2021 年重點(diǎn)督辦建設(shè)項(xiàng)目。②地質(zhì)情況復(fù)雜，施工難度大。 工程開工后，采用旋挖鉆進(jìn)行了試驗(yàn)樁施工，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩大問題，一是樁位處存在厚度3～6 m的淤積粉細(xì)砂層，加上水中進(jìn)占形成的樁基施工平臺(tái)填筑層不穩(wěn)定，施工中出現(xiàn)較嚴(yán)重的擴(kuò)孔、塌孔現(xiàn)象，個(gè)別樁位甚至護(hù)筒下陷，嚴(yán)重影響施工安全和進(jìn)度；二是地下約29 m 處存在不均勻分布的厚度2～5 m 鈣質(zhì)結(jié)核層，且局部樁位存在歷史搶險(xiǎn)用石，降低了旋挖鉆施工功效。

3 超長螺旋鉆孔壓灌成樁技術(shù)試驗(yàn)方案

參建各方赴洛陽實(shí)地考察長螺旋鉆現(xiàn)場施工后，結(jié)合孤柏嘴控導(dǎo)工程建設(shè)特點(diǎn)，對(duì)灌注樁施工設(shè)備進(jìn)行優(yōu)劣分析，認(rèn)為長螺旋鉆孔壓灌成樁技術(shù)能針對(duì)性地解決施工中的問題，一致同意在工程現(xiàn)場先行試樁施工，滿足設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行工程樁施工。

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

（1）通過超長螺旋鉆機(jī)在孤柏嘴控導(dǎo)工程施工應(yīng)用，對(duì)其成樁質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，檢驗(yàn)超長螺旋鉆孔壓灌成樁技術(shù)在黃河水利工程施工中的可行性。

（2）通過施工過程中發(fā)現(xiàn)的影響質(zhì)量、效率等問題，對(duì)施工工藝和相關(guān)配套設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，提出質(zhì)量、進(jìn)度控制措施，提高其在水利工程施工中的適用性。

（3）通過與旋挖鉆施工質(zhì)量、效率和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，評(píng)價(jià)超長螺旋鉆孔壓灌成樁技術(shù)在水利工程基礎(chǔ)處理施工中的適用性。

3.2 技術(shù)路線

在工程樁外選取合適位置進(jìn)行試驗(yàn)性施工，以確定施工工藝參數(shù)，試驗(yàn)樁數(shù)量選定為2 根；混凝土依據(jù)設(shè)計(jì)推薦配比進(jìn)行施工配比試驗(yàn)，采用滿足要求的施工配比在場外商用混凝土站進(jìn)行制備；人員、設(shè)備到位，各項(xiàng)準(zhǔn)備工作完成后進(jìn)行試樁；按照設(shè)計(jì)及施工規(guī)范要求，對(duì)試樁進(jìn)行檢測，對(duì)成樁質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，滿足有關(guān)要求后在樁號(hào)KD2＋990—3＋320 段進(jìn)行工程樁施工試驗(yàn)。 同時(shí)，將其成樁情況與下游的旋挖鉆施工情況進(jìn)行對(duì)比。

3.3 設(shè)備選擇

鉆機(jī)選型：根據(jù)該工程設(shè)計(jì)樁長36 m、實(shí)際鉆孔施工樁長34.5 m（后期接樁1.5 m）的施工情況，技術(shù)人員聯(lián)系螺旋樁機(jī)生產(chǎn)廠家，要求提供鉆桿長度滿足鉆進(jìn)深度需要、掘進(jìn)功率及設(shè)備穩(wěn)定性滿足工程施工需求的超長螺旋樁機(jī)。 經(jīng)比選，最終選用山東卓力樁機(jī)有限公司的步履式螺旋樁機(jī)。 該樁機(jī)有效鉆進(jìn)深度為40 m，滿足設(shè)計(jì)樁長要求。

配套設(shè)備：混凝土輸送泵1 套、95 t 履帶吊1 臺(tái)、220型反鏟挖掘機(jī)1 臺(tái)、小型挖掘機(jī)1 臺(tái)，鋼筋籠導(dǎo)入管采用DN200 高強(qiáng)合金無縫鋼管和振動(dòng)錘在現(xiàn)場制作。

3.4 施工工藝

長螺旋鉆孔壓灌樁與普通鉆孔樁不同，其施工流程為先利用長螺旋鉆機(jī)鉆孔至設(shè)計(jì)深度，然后在提鉆的同時(shí)通過鉆桿芯管將混凝土壓送至孔底，連續(xù)泵注混凝土至樁機(jī)施工平臺(tái)頂部后，由履帶式起重機(jī)將已穿入導(dǎo)入管的鋼筋籠一同起吊至施工樁位正上方，然后利用導(dǎo)入管和鋼筋籠自重，并配合鋼筋籠導(dǎo)入管振動(dòng)，將鋼筋籠豎直植入素混凝土樁體，最后將鋼筋籠導(dǎo)入管振動(dòng)拔出而形成鋼筋混凝土樁體。 工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

3.5 實(shí)施過程及質(zhì)量控制

2020 年12 月31 日，超長螺旋鉆機(jī)在現(xiàn)場組裝調(diào)試完成，按照既定試驗(yàn)方案和工藝流程進(jìn)行了試驗(yàn)樁施工，施工過程順利。 施工中主要加強(qiáng)以下質(zhì)量管控工作。

（1）精準(zhǔn)控制樁位。 使用全站儀將樁位坐標(biāo)投放至樁基平臺(tái)，然后將調(diào)正就位的樁機(jī)對(duì)中，調(diào)整樁機(jī)位置至鉆頭中心與樁位中心重合。 同時(shí)，在施工中加強(qiáng)觀測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正樁機(jī)水平度和垂直度偏差。

（2）嚴(yán)格執(zhí)行混凝土澆筑流程。 混凝土采用強(qiáng)度和配合比符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求的商品混凝土，坍落度控制在180 ～220 mm。 在鉆機(jī)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)樁底高程時(shí)，經(jīng)參建各方人員驗(yàn)收合格后，開始灌注混凝土。 混凝土灌注前先將鉆桿提升20～30 cm，然后邊提升鉆桿邊持續(xù)灌注混凝土，鉆桿提升速度與混凝土泵注量相匹配，保證鉆頭始終埋在混凝土面以下。 混凝土灌注達(dá)到樁基平臺(tái)頂面之前，人工配合小型挖掘機(jī)將鉆出的土體清理干凈，然后繼續(xù)澆筑；待混凝土澆筑面高于樁基施工平臺(tái)頂面時(shí)停止混凝土澆筑。

（3）精細(xì)植入鋼筋籠。 鋼筋籠的植入直接關(guān)系到最終樁體的成樁質(zhì)量，必須把握以下幾個(gè)要點(diǎn)：一是使用驗(yàn)收合格的鋼筋籠，并將鋼筋籠與導(dǎo)入管上部振動(dòng)錘牢固連接；二是用吊車緩緩吊起鋼筋籠就位，使用兩臺(tái)90°安放的經(jīng)緯儀校正鋼筋籠的豎直度；三是鋼筋籠調(diào)正后全程采用自重及振動(dòng)錘沉放至設(shè)計(jì)標(biāo)高，嚴(yán)禁強(qiáng)迫式壓入；四是導(dǎo)入管拔出時(shí)全程開啟振動(dòng)錘，以保證導(dǎo)管順利拔出，增加混凝土密實(shí)度。

2021 年1 月7 日，采用低應(yīng)變反射波法對(duì)2 根試驗(yàn)樁進(jìn)行樁身完整性檢測，檢測結(jié)果為2 根樁均“樁身完整”，達(dá)到“Ⅰ類樁”標(biāo)準(zhǔn)；使用GPS 測量儀對(duì)成樁位置進(jìn)行了復(fù)核，樁位偏差滿足規(guī)范要求。 該施工技術(shù)在工程施工中應(yīng)用后，一臺(tái)超長螺旋鉆機(jī)在兩個(gè)月內(nèi)共完成灌注樁352 根。

4 試驗(yàn)效果

從該工程超長螺旋鉆機(jī)施工的352 根樁和旋挖鉆機(jī)施工的259 根樁中各選擇連續(xù)的15 根樁，分別在施工歷時(shí)、充盈系數(shù)、樁位偏差、垂直度偏差、抗壓強(qiáng)度和樁身完整性等6 個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1。

表1 超長螺旋鉆與旋挖鉆施工效果對(duì)比

從超長螺旋鉆機(jī)和旋挖鉆機(jī)的成樁質(zhì)量和施工過程來看，兩種施工方法均能滿足工程施工規(guī)范要求的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，在平均樁位偏差、垂直度偏差、抗壓強(qiáng)度和樁身完整性方面相同或相差不大，但在施工歷時(shí)和充盈系數(shù)方面有較大差距。 其中：在平均施工歷時(shí)方面旋挖鉆施工是超長螺旋鉆施工的6.74 倍，在平均充盈系數(shù)方面旋挖鉆施工比超長螺旋鉆施工增加10.26%。

可以看出，超長螺旋鉆施工技術(shù)在水利工程施工中具有良好的適應(yīng)性，而且與傳統(tǒng)的旋挖鉆施工相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）對(duì)不同土質(zhì)的適應(yīng)性強(qiáng)，更能保證成孔質(zhì)量。超長螺旋鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中，對(duì)樁周圍土體有很好的擠密作用，能有效解決旋挖鉆機(jī)遇到砂礫石層或鈣質(zhì)結(jié)核層時(shí)鉆進(jìn)困難、進(jìn)展緩慢、效率低下以及難以成孔的問題，且鉆孔到設(shè)計(jì)深度后，提鉆出土?xí)r采用混凝土輸送泵將混凝土壓入樁孔，能夠保持樁孔始終處于有壓狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)不塌孔、不擴(kuò)孔、不縮徑，有效保證成孔質(zhì)量。

（2）成樁速度快，施工功效大幅度提高。 針對(duì)樁徑800 mm、樁長36 m 的鋼筋混凝土灌注樁，超長螺旋鉆機(jī)每日施工能力為5～8 根，較傳統(tǒng)的旋挖鉆機(jī)等提高工作效率5～8 倍。

（3）鋼筋籠在現(xiàn)場實(shí)施水平焊接，有效避免了傳統(tǒng)鉆機(jī)施工中鋼筋籠連接立焊的施工困難，保證了鋼筋籠焊接質(zhì)量。

（4）實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場綠色環(huán)保和文明施工要求。 超長螺旋鉆施工動(dòng)力供應(yīng)采用電力，低振動(dòng)、低噪聲；施工現(xiàn)場采用干法作業(yè)，不設(shè)置泥漿池，不使用泥漿或化學(xué)試劑造漿護(hù)壁，保證施工現(xiàn)場綠色環(huán)保無污染。

（5）導(dǎo)入管振動(dòng)有效提高了樁身混凝土澆筑質(zhì)量。 采用振動(dòng)導(dǎo)入管不僅能使鋼筋籠順利植入到位，而且實(shí)現(xiàn)對(duì)樁身混凝土的振搗，提高了成樁質(zhì)量。

（6）提高了經(jīng)濟(jì)效益。 超長螺旋鉆施工中有效避免了塌孔、縮徑、擴(kuò)孔，在滿足施工要求的前提下混凝土使用量少，且施工不需要埋設(shè)護(hù)筒等，降低了施工成本。

5 影響工程質(zhì)量的因素及改進(jìn)措施

5.1 局部混凝土保護(hù)層厚度不足

經(jīng)過認(rèn)真分析，確定局部混凝土保護(hù)層厚度不足的原因主要有兩個(gè)方面：①鋼筋籠起吊不規(guī)范，豎直度不夠；②保護(hù)層墊塊的影響。

針對(duì)這兩個(gè)問題，采取了針對(duì)性改進(jìn)措施：①嚴(yán)格控制鋼筋籠的豎直度。 鋼筋籠在起吊時(shí)，必須采用兩端及中間三吊點(diǎn)起吊，嚴(yán)禁只起吊兩端而造成鋼筋籠彎曲變形；防止鋼筋籠沉入施工中上下不豎直，造成局部鋼筋保護(hù)層不足。 ②將鋼筋籠外固定的方形混凝土墊塊更換為半徑與鋼筋籠保護(hù)層厚度一致的圓形高強(qiáng)混凝土滾動(dòng)墊塊。

5.2 樁頭常見缺陷及處理措施

（1）樁頭混凝土夾泥。 樁頭混凝土夾泥主要是鉆桿拔出后，樁孔周邊的渣土清理不徹底，使鋼筋籠植入時(shí)外溢的混凝土回流，以及鋼筋籠下放時(shí)刮擦孔邊帶入泥土而造成的。

改進(jìn)措施：一是在鉆桿提升過程中，及時(shí)清除樁口出土，防止下籠時(shí)把泥土混入混凝土；二是研制了滾軸式混凝土防溢料斗（見圖2），在混凝土灌注完成、植入鋼筋籠前，將該料斗對(duì)中放入樁孔，構(gòu)筑孔壁與鋼筋籠的剛性接觸，不但能夠避免鋼筋籠下沉中刮擦孔壁帶入泥土及溢出混凝土與孔口周邊泥土接觸混合，而且可以保證樁體混凝土保護(hù)層厚度均勻。

圖2 滾軸式混凝土防溢料斗結(jié)構(gòu)示意（單位：mm）

（2）樁身氣泡。 混凝土灌注過程中混凝土泵排氣閥堵塞，造成空氣和混凝土一起進(jìn)入樁孔內(nèi)，從而產(chǎn)生樁身氣泡，影響混凝土強(qiáng)度。

改進(jìn)措施：在混凝土灌注過程中，混凝土泵料斗的混凝土面應(yīng)高于輸送泵進(jìn)口至少400 mm，避免氣體進(jìn)入泵內(nèi)；同時(shí)，定時(shí)檢查混凝土泵排氣閥是否暢通，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。

6 影響施工進(jìn)度的因素及改進(jìn)措施

6.1 導(dǎo)入管穿籠問題

導(dǎo)入管自重大，難以將長34.5 m 的鋼筋籠一次穿入，需將鋼筋籠分為兩節(jié)。 穿籠時(shí)使用履帶吊將導(dǎo)入管遠(yuǎn)端吊離地面30～40 cm，然后用挖掘機(jī)依次吊起上部和下部鋼筋籠，沿導(dǎo)桿向振動(dòng)錘方向行走，使導(dǎo)桿穿入鋼筋籠，最后將兩節(jié)鋼筋籠焊接一體。 該施工過程需80～90 min，與成孔和下籠時(shí)間不匹配，出現(xiàn)成孔后下籠人員和設(shè)備等待穿籠、焊接和吊籠，或植入鋼筋籠施工中制籠人員空閑的問題。

改進(jìn)措施：采用兩套導(dǎo)桿進(jìn)行作業(yè)。 在履帶吊起吊鋼筋籠進(jìn)行植入施工時(shí)，另一套導(dǎo)桿同時(shí)進(jìn)行鋼筋籠焊接施工。 該措施的實(shí)施使單樁的施工時(shí)間由近3.5 h縮短為2 h 左右。 在后期的施工中，現(xiàn)場技術(shù)人員研發(fā)了穿桿槽，解決了超長超重導(dǎo)桿穿入鋼筋籠的難題，有效降低了施工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了施工效率。

6.2 施工場地影響

導(dǎo)桿穿籠施工場地距樁機(jī)施工場地較遠(yuǎn)，履帶吊負(fù)重運(yùn)輸距離長，導(dǎo)致施工時(shí)間延長，施工效率降低，施工安全風(fēng)險(xiǎn)增大。

改進(jìn)措施：盡量將導(dǎo)桿穿籠及焊接的施工場地靠近樁機(jī)施工處，以減少履帶吊起鋼筋籠的運(yùn)輸距離，降低運(yùn)輸過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，保證施工安全。

6.3 泵送混凝土堵管

泵送混凝土堵管導(dǎo)致施工時(shí)間延長，減慢施工進(jìn)度，而且造成混凝土浪費(fèi)，甚至因施工中斷時(shí)間過長影響施工質(zhì)量。 產(chǎn)生泵送混凝土堵管的原因有以下幾個(gè)方面：一是混凝土坍落度過小，流動(dòng)性差，造成堵管；二是混凝土坍落度過大，易產(chǎn)生泌水、離析，在泵壓作用下骨料與砂漿分離，造成與管壁的摩擦力加大，從而導(dǎo)致堵管；三是施工結(jié)束后，管道清洗不徹底，管內(nèi)產(chǎn)生結(jié)塊，影響混凝土流動(dòng)，造成堵管。

改進(jìn)措施：控制混凝土坍落度在180 ～220 mm 范圍內(nèi)，泵送施工中經(jīng)常檢查泵管密封情況，以防漏漿造成堵管；每天首樁施工進(jìn)行泵送混凝土前，用水泥砂漿清洗管道，當(dāng)日施工結(jié)束后將管道用清水徹底清洗。

7 結(jié) 語

超長螺旋鉆孔壓灌樁技術(shù)是一種新型的樁基礎(chǔ)施工方法，適合黃河灘區(qū)地質(zhì)條件及地下水位高的情況，施工不需要埋設(shè)護(hù)筒和設(shè)置泥漿池，不塌孔，擴(kuò)孔率低，且鋼筋籠植入及導(dǎo)入管提升過程中的振動(dòng)能起到對(duì)混凝土的振搗作用，有效提高樁基混凝土灌注的密實(shí)性。 尤其是針對(duì)施工過程中存在的影響樁基質(zhì)量和施工進(jìn)度的問題，通過改進(jìn)措施的落實(shí)，有效保證了工程質(zhì)量和施工進(jìn)度。 該施工技術(shù)具有成樁質(zhì)量好、施工效率高、環(huán)境影響小、綜合成本低的特點(diǎn)，采用干法作業(yè)，減少了環(huán)境污染，契合了當(dāng)前生態(tài)保護(hù)的要求，因此具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值和使用前景。