高速公路厚砂卵層旋挖鉆孔樁施工技術

陳勇 汪平

收稿日期：2024-01-12

作者簡介：陳勇（1982—），男，大專，工程師，從事工程管理工作。

通信作者：汪平（1978—），男，大專，工程師，從事工程管理工作。

摘要 城市化發(fā)展中高速公路線路范圍不斷擴大，沿線水文、地質條件復雜，厚砂卵層地質頻出。為提升高速公路建設水平，應根據(jù)高速公路項目地質情況，科學選用施工工藝。文章結合某高速公路橋梁項目，分析厚砂卵層地質下旋挖鉆孔樁施工技術要點，明確旋挖鉆孔樁施工技術原理，以突出特殊地質下旋挖鉆孔樁技術應用優(yōu)勢，完善高速公路樁基技術方案，保障高速公路樁基質量。

關鍵詞 高速公路；厚砂卵層；旋挖鉆孔；施工技術

中圖分類號 U445.551文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0099-03

0 引言

旋挖鉆孔樁施工技術是公路橋梁樁基技術之一，常用于土層、砂卵石、風化巖及巖層等特殊地質的樁孔施工，最大鉆孔深度不低于100 m，最大鉆孔直徑不低于2.8 m。對于厚砂卵層地質，旋挖鉆孔樁的技術優(yōu)勢非常明顯，但需要結合項目實況，規(guī)范旋挖鉆孔樁施工工序，保障項目建設質量。

1 項目概況

某高速公路項目，線路全長38.2527 km，沿線包含雙線大橋，橋梁區(qū)域地質條件較為特殊，包含雜填土、粉質黏土、卵石、風化砂巖，具體如表1所示。砂卵石層厚度為7～35 m，樁基施工難度大，擬采用旋挖鉆孔樁施工工藝。

表1 項目地質條件

巖土層名稱 工程特征指標（旋挖鉆孔樁）

fak/kPa frk/MPa qxis/kPa Eo/MPa Es/MPa

雜填土 100 — 11 4.3 4.2

粉質黏土 200 — 33 7 7

稍密狀卵石 420 — 68 — 27

松散狀卵石 200 — 50 — 13

強風化細砂巖 400 — 80 — 43

中等風化細砂巖 2 200 11.25 160 不可壓縮層

2 高速公路厚砂卵層旋挖鉆孔樁施工設計

項目沿線范圍內，厚砂卵層全長568 m，約300 m為高速公路橋梁樁基工程。項目橋梁結構設計為預應力連續(xù)箱梁，跨徑組合為30 m+6×40 m+30 m，橋梁路段樁基為群樁基礎結構，樁直徑分別為1.5 m、1.8 m、2 m，樁基需嵌入后砂卵石層約23 m。成樁工藝均為旋挖鉆孔樁，具體樁型設計如表2所示。施工流程設計：定樁位—埋設鋼護筒—鉆機就位—鉆孔—清孔—成孔檢測及二次清孔—下放鋼筋籠—澆筑混凝土，澆筑結束后拔除導管，卸除護筒，回填孔口，開挖公路橋梁樁基。

表2 高速公路項目旋挖鉆孔樁設計參數(shù)

樁型 樁數(shù)/

個 樁直徑/

m 主筋/

cm 主筋保護層

厚度/cm 樁身混凝土

強度等級

Ⅰ型 25 1.5 37×30 ≥8 C35

Ⅱ型 18 1.8 40×30 ≥8 C35

Ⅲ型 16 2 50×30 ≥8 C35

3 厚砂卵層旋挖鉆孔樁施工技術原理

旋挖鉆孔樁施工的成孔工藝與其他樁基工程存在差異，旋挖鉆機鉆進時會基于無沖洗介質循環(huán)、靜態(tài)泥漿護壁、鉆斗取土原理在保護孔壁的基礎上，在孔內注入優(yōu)質泥漿。旋挖過程中，旋挖機可靈活移動，但對于厚砂卵層地質，旋挖機本身的自重力不足，需利用加壓油缸增加鉆桿鉆入壓力，將斗齒鉆入地層內，完成鉆孔取土任務。取土后經鉆桿、鉆斗將土層移動到地面，后下放鋼筋籠，灌注成樁[1]。常用旋挖工藝包括“干作業(yè)旋挖”“濕作業(yè)旋挖”“全鋼護筒護壁旋挖成孔”，項目采用全鋼護筒護壁旋挖工藝，旋挖鉆孔時，使用鋼護筒進行護壁。

4 高速公路厚砂卵層旋挖鉆孔樁施工技術要點

4.1 施工前準備

（1）確定樁位。平整場地后，測樣放樣出旋挖鉆孔樁樁位，包括樁中心位置、樁軸線，設計旋挖機行走路線。明確樁位后，插打短鋼筋標識，插入深度應大于30 cm。校核樁位后方可開始成樁作業(yè)。

（2）埋設護筒。項目所用鋼護筒為10～15 mm鋼板制作而成，埋設深度為13 m，需用多節(jié)鋼護筒拼接，護筒直徑大于孔徑約20 cm。護筒埋設時，若地面標高低于樁頂標高，應使鋼護筒高出樁頂約30 cm，反之需高于地面約30 cm。為保障旋挖鉆孔施工質量，應嚴格控制鋼護筒垂直度，護筒周圍、底部應連接緊密，無滲水情況[2]。由于項目鉆孔區(qū)底部土層非黏性土，埋設護筒時還應回填350 mm厚的黏土，夯實后安裝護筒。護筒上端綁扎方木，對稱吊緊到孔口，避免鋼護筒下沉，護筒頂面中心與設計樁位允許偏差應小于5 cm，傾斜度小于1%。

（3）開挖泥漿池。旋挖鉆孔施工前，應開挖泥漿池，并根據(jù)地層條件制造泥漿護壁。可選擇良好造漿黏土或膨潤土，造漿量為旋挖鉆孔樁混凝土體積的2倍，泥漿比重以鉆入地層條件為準。對于厚砂石層地質，泥漿性能指標如下：①泥漿比重，應用管形鉆頭時，入孔泥漿比重為1.1～1.3，鉆頭為實心時，泥漿比重需適當減小，約為1.2～1.4，巖石為1.2，黏土、粉土為1.3，卵石為1.4。②黏度：入孔時，一般地層的泥漿黏度為16～22 s，松散易坍地層19～28 s。③含砂率小于4%，pH值大于6.5。

（4）鉆機就位。檢查鉆機性能，調整鉆機垂直度參數(shù)，使鉆桿正對旋挖鉆孔樁基的鋼護筒中心點。項目所用旋挖鉆機為中型機、大型機，中型機鉆機扭矩為180 kN·m，鉆孔直徑約為0.8～1.8 m，可鉆入深度為60 m，發(fā)動機功率200 kW。大型機扭矩為240 kN·m，鉆孔直徑1～2.5 m，發(fā)動機功率300 kW。鉆機型號分別為XR240E、XR360E。

4.2 旋挖鉆孔

（1）正式鉆孔前，用水準儀測量護筒標高，將其作為旋挖鉆孔基點，計算孔深。低速鉆進后，觀察鉆桿是否垂直，為預防孔位偏差，主卷揚機鋼絲繩承受荷載應大于鉆具重量的20%。

（2）順時針鉆入后，使鉆機筒體翻板、切削板末端對齊，使鉆屑順利進入鉆斗。鉆斗滿后，逆時針旋轉鉆頭，封死底板底端開口，提升鉆頭卸土后重新鉆入。孔口護筒需地面0.5 m，便于向孔內補漿，套管跟隨鉆進時，管底口與旋挖深度相同?？變人恍韪哂谧o筒底腳0.5 m，或高于地下水位1.5～2 m。

（3）鉆入后應根據(jù)鉆機壓力控制進尺速度。鉆壓小于150 MPa后，進尺速度約為0.2 m/min；鉆壓為150～200 MPa時，進尺速度為0.3 m/min；鉆壓為200～260 MPa時，進尺速度應調整為0.5 m/min。對于厚卵石層，土層中包含卵石、砂石等硬質雜物，鉆入后需減壓，預防跨孔、孔斜，合理鉆壓為15 MPa，鉆頭速度為15～22轉/分[3]。

（4）厚砂卵層砂石區(qū)域土層黏聚力小，旋挖鉆孔時土層穩(wěn)定性差，為減少對砂層擾動，預防塌孔風險，鉆孔時采用“間隔跳鉆”方式，避免影響未澆筑、初凝時間不到的混凝土樁。

（5）鉆入深度為設計深度以上的20 cm后，停止鉆進，更換擴底鉆頭鉆孔。首先，提起鉆機，緩慢放下后，在鉆桿上標記深度，計算擴孔終點。其次，提起鉆頭，使其懸吊在孔底上，啟動鉆機、水泵后排出沉渣。最后，開始擴孔，慢鉆后上下提升鉆桿，直至鉆入深度符合要求，且擴底過程中鉆頭轉動順暢無阻。

（6）鉆入深度符合設計深度后開始清孔，清除孔內沉渣，使混凝土澆筑后緊密貼合基巖，提升鉆孔樁承載力。清孔方式是利用清孔鉆頭取出孔底沉渣，清孔后孔內泥漿密度應控制在1.0～1.2 kg/m3左右。清孔后緩慢提升鉆機，利用重力作用收攏鉆頭，將鉆頭徹底提升到孔外后驗收成孔，測量孔深、孔徑、垂直度，無誤后進入下一道工序，旋挖鉆孔樁成孔施工允許誤差如表3所示。

表3 旋挖鉆孔成孔施工允許誤差

項目 允許誤差/mm

孔徑（θ≤1 000 mm） ≤?50

孔深 摩擦樁 不小于設計孔深

柱樁 不小于設計孔深，并進入設計巖層

孔位中心偏心 ≤100

傾斜度 ≤1%

澆筑前樁底沉渣厚度 摩擦樁 ≤200

端承樁 ≤50

4.3 鋼筋籠制作與安裝

項目所用鋼筋籠在加工廠集中生產，由多節(jié)鋼筋制作而成，每節(jié)鋼筋長度控制在10 m以內。

（1）鋼筋加工時，需提前焊接加強筋、主筋，綁扎箍筋后編號。使用主筋時，應將主筋調直，確保主筋無彎折情況，加工時可采用電弧焊工藝，焊接區(qū)域接頭應錯開，且相同區(qū)域接頭數(shù)量應小于主筋總數(shù)的二分之一。鋼筋籠肋筋實施雙面搭接焊接工藝，搭接長度為5d，d為鋼筋直徑，主筋間距、箍筋間距、鋼筋籠長度、傾斜度應符合鋼筋籠安裝質量標準。比如，主筋間距誤差應小于10 mm，箍筋間距誤差應小于20 mm，鋼筋傾斜度誤差應小于1%，鋼筋籠長度誤差應小于50 mm[4]。

（2）安裝聲測管，項目聲測管采用3根D≥5 cm鋼管，可直接綁扎于加強箍筋，呈等邊三角形。管上、下端與鋼板密封焊接。聲測管上端應高于旋挖鉆孔樁頂面20 cm，下端緊挨樁底。聲測管每節(jié)長8～12 m，各管節(jié)間焊接套管焊接。將聲測管存放于鋼筋籠時還應設置醒目標識，每2～3 m放置墊木，覆蓋管節(jié)。

（3）檢驗鋼筋籠加工質量后吊裝鋼筋籠。頂端節(jié)鋼筋籠可設置吊筋，應用起重機起吊。吊點拴牢后將鋼筋起吊到鋼筋籠直徑方向。鋼筋籠離地約0.5 m后，還應檢查其穩(wěn)定性，緩慢起吊后調整其垂直度，使其和地面垂直，緩慢將鋼筋籠下放到孔內。鋼筋下放到位后，移除鋼絲繩、卡環(huán)，調整吊點，繼續(xù)下放到設計位置。

4.4 二次清孔

吊放鋼筋籠后進行二次清孔，根據(jù)旋挖鉆孔樁施工技術規(guī)范，處理孔底沉渣，設計無要求時，柱樁底沉渣應小于10 cm，摩擦樁孔底沉渣小于30 cm?？椎壮猎环弦髸r，需按照首次清孔方式清孔，沉渣厚度較大時，應吊出鋼筋籠，懸吊后清孔，二次清孔后孔底泥漿密度應小于1.15 kg/m3，泥漿黏度為16～18 Pa·s，含沙量小于2%，膠體率≥95%。清孔結束后垂直吊放鋼筋籠，安裝導管，灌注混凝土。

導管采用ф300鋼管，首節(jié)鋼管長度為400 cm，標準節(jié)為270 cm，同時配有150 cm的短管，管徑基本一致，內壁光滑。安裝時可用汽車吊裝，接頭處采用絲扣連接，連接后應用橡膠墊圈密封[5]。導管安裝時，管底和孔底間距應控制在50 cm左右，使用前進行水密試驗，不得漏水。組裝后，導管軸線偏差不得小于孔深0.5%，連接螺栓螺帽在上，試壓壓力宜為孔底靜水壓力1.5倍。

4.5 澆筑混凝土

項目混凝土強度設計為C35，集中攪拌后通過混凝土泵車現(xiàn)場澆筑。拌和混凝土時應控制好材料坍落度，坍落度約為20～22 cm。

（1）應用導管法澆筑混凝土，料斗內裝滿混凝土后，檢查灌注機具，確保設備滿足混凝土正常澆筑條件后，開始澆筑混凝土。首批混凝土應提前計算，一次性澆筑后混凝土厚度應大于50 cm，使鉆孔底部混凝土一次封底。封底混凝土下落應帶有沖擊能量，可將泥漿從導管中排出，并使導管下端埋入深度孔樁為1～3 m?？讖捷^大時，可適當增加澆筑時泵送量，加速泵送，直至料斗內的混凝土順利封底。

（2）由于澆筑過程中孔底混凝土會向孔口擠壓上升，每15 min需升降導管，起到振搗作用。混凝土面升高后，注意孔內混凝土坍落情況，實時監(jiān)測孔內混凝土高度，記錄澆筑過程中導管埋設深度，結合實際情況提升、拆卸各節(jié)導管，將導管實際埋深控制在3 m左右。埋深過小時會引起斷樁風險，過大時則會造成導管封堵，導致導管難以拔出。

（3）正常澆筑期間，提升導管時應使導管位置居中，沿著鉆孔軸線緩慢提升，直至澆筑作業(yè)完成。為保證旋挖鉆孔樁長符合要求，混凝土澆筑時，澆筑高度應大于設計標高約0.6 m。澆筑結束后依次拔出導管，及時清洗導管。

4.6 施工難點及處理

4.6.1 塌孔

項目沿線包含粉質黏土地層條件，該區(qū)域土質由碎石、黏土組成，難以碾壓密實，整體結構松散。應用旋挖鉆孔工藝時會出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，為預防塌孔需采取對應處理措施。對于普通塌孔情況，可通過鉆機反轉、慢鉆，或是泥漿護壁的方式輔助鉆孔作業(yè)。土層內孔洞較大、無法應用泥漿護壁工藝時，應回填混凝土，混凝土強度符合要求后重新旋挖鉆孔。地層內包含地下水時，則需埋設鋼護筒。

（1）泥漿護壁、鉆機翻轉及慢鉆。泥漿護壁的技術原理是利用泥漿平衡孔內壓力，保護孔壁，使孔壁外形成整體，預防孔內滲流，降低塌孔風險。同時，有助于潤滑鉆頭，懸浮孔底沉渣。泥漿制備材料包括膨潤土、CMC、黏土等。膨潤土用量約為5%～8%，CMC摻入量為0.18%，黏土含砂率取值為4%，泥漿比重取值1.15%，黏度需控制值為18～28 Pa·s左右，均符合規(guī)范要求。泥漿護壁后，旋挖鉆孔時應采取反鉆工藝，鉆入后適當施壓，提升鉆孔內回填土密實度。壓實孔內回填土后，反鉆鉆孔，緩慢提升鉆頭。制備護壁泥漿時，應嚴格按照設計配比拌和泥漿，每桶泥漿拌和時間應大于10 min。拌和后應轉移到泥漿池內，分化24 h后使用。

（2）回填混凝土時，可將低于旋挖鉆孔樁混凝土等級的素混凝土灌入孔內，混凝土強度等級約為C20、C25?；炷粱靥詈罂商畛淇赡芩莸目紫?，預防塌孔?；靥詈箴B(yǎng)護3～5 d，混凝土強度等級為50%后旋挖鉆孔。

4.6.2 孔位偏移

項目沿線地質復雜，部分旋挖鉆孔樁孔徑范圍內的土質軟硬不同，鉆入后鉆具受力不均勻，容易造成孔位偏移、樁身傾斜情況，需提前預防。①鉆進期間，持續(xù)觀察鉆機顯示屏上的壓力值、垂直度、鉆進速度，將其控制在標準值內，預防孔位偏差。②鉆入后發(fā)現(xiàn)活動石、硬質孤石時，若埋深較小，可將其挖出后開始鉆孔。埋深較大時，應基于取芯法，減小鉆入壓力，緩慢鉆進后實時糾偏，以提升鉆孔垂直度。③為使鉆頭受力均勻，需在鉆入時及時調整鉆桿角度。因巖層傾斜角過大、土層軟硬不均導致鉆位傾斜時，可取芯慢鉆，鉆入巖層約30 cm后，調整鉆桿，加壓垂直鉆孔或投入3 cm碎石，調整土層硬度，逐層鉆入。

5 結語

綜上所述，高速公路是城市交通體系的重要組成部分，為保障高速公路樁基施工質量，應用旋挖鉆孔施工技術時，還應提前做好后砂卵層地質勘測工作，掌握地質信息后優(yōu)化施工設計，分別從泥漿制備、護筒埋設、旋挖鉆孔、鋼筋籠制作安裝、混凝土澆筑等環(huán)節(jié)入手，明確砂卵層旋挖鉆孔樁施工要點，規(guī)范施工操作，保障高速公路橋梁成樁質量，促進高速公路樁基施工技術的完善。

參考文獻

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