超厚砂层地质条件下的钻孔工艺及控制要点

唐海波

摘要：针对灞河漫滩超厚砂层地质条件，通过克服砂层厚度超厚、泥浆损失严重、可液化性及地层稳定性差等困难进行钻孔桩施工，并结合工地实际发生的问题，总结出了桩基施工时的主要控制指标及相关技术要点，为以后在此类地质条件下桩基施工提供了经验。

关键词：砂层；钻孔桩；工艺；要点；

砂类土层中具有粘粒含量少、 砂粒间粘聚力小、 地基土层结构不稳定等特点，所以在桥梁钻孔灌注桩施工时，往往出现缩径、 坍塌、孔底沉渣过厚等现象，严重的会出现埋钻、 埋管、 桩长不足或桩身不完整等施工或质量事故。结合大西客专灞河特大桥桩基超厚砂层、等下水位高、砂层可液化等特点，本人对钻孔灌注桩在超厚砂层中的成孔施工工艺及控制要点进行了总结。

一、概述

1、工程概况

大西铁路客运专线灞河特大桥全长25118m，位于西安市临潼区、灞桥区，与郑西客运专线并行，走行于郑西客专右侧，全桥共有墩台787个，采用桩径为125cm的钻孔灌注桩，平均桩长50m。

2、工程地质情况

灞河特大桥位于渭河、灞河一级阶地及灞河漫滩上，地形平缓开阔，桥址位于渭河新生代断陷盆地中心地段，堆积有厚度巨大的第四系松散堆积物。桥址范围出露地层主要为：第四系全新统人工填土、冲积黏质黄土、粉质黏土、细砂、中砂、粗砂、细圆砾。全桥平均桩长50m，桥梁桩基施工主要地层为砂层，其中第四系全新统人工填土、冲积黏质黄土、粉质黏土等覆土厚度一般为0.5～3m，往下地层均为由细砂、中砂、粗砂等构成的超厚砂层，砂层厚度一般为40～60m，同时距地面20m以上的饱和第四系全新统砂类土均具有可液化性。

二、施工难点及工艺选择

1、施工难点分析

本桥共有6365根樁基，平均桩长50m，砂层占桩基穿越地层总厚度的90%以上，砂层中含沙量高，粘粒及含泥量少，加之地下水水位高，同时20m的砂层具有可液化，透水能力强，稳定性差，容易出现孔壁坍塌、 孔底沉沉过厚及埋钻、 埋笼、 埋管等事故。

2、施工工艺分析及选择

由于桥址位置处，地势平坦开阔，且未见有坚硬岩石地质情况，考虑旋挖钻有施工速度快、利于环保、行走移位方便等优点，本桥桩基施工拟选旋挖钻进行钻孔施工，针对这种超厚砂层且自稳性极差的地质条件，如不严格进行过程控制并采取其他技术辅助措施是很难成功的。所以如何使孔内泥浆的性能既要满足成孔还应确保孔壁的稳定和悬浮能力，就成为了现场必须解决的问题。

为了能够保证施工的质量，我们制定了相应钻孔桩试桩方案，在试桩成功后进行技术总结，并对不合理的指标及施工工艺进行修正后，再进行下一步的大面积推广施工。

三、施工方案

1、试验桩施工及泥浆指标确定

针对本桥桩基的地质特点，为保证工程顺利施工，经查阅资料，砂层地质条件下的桩基施工，主要在于钻进速度及泥浆指标的控制，我们初步拟定旋挖钻在细砂层和中粗砂层的钻进速度分部控制在3～5m/h和5～7m/h，使用的泥浆采用水化性能较好、造浆率高、成浆快的膨润土造浆并根据钻进情况，掺加少量的烧碱，以提高泥浆的胶体率，对于钻孔及清孔过程中的泥浆指标控制值见表1。

表1桩基施工不同工序泥浆指标值

工序名称 泥浆比重 粘度 含砂率 备注

开钻 1.13～1.17 22s～25s ＜4%

正常钻进 1.15～1.2 25s～30s ＜4% 根据岩层调整比重

一次清孔后 1.1～1.13 20～25s ＜3%

二次清孔后 1.07～1.1 19～22s ＜2%

根据拟定的试验桩施工方案，试验桩入孔护壁泥浆比重为 1.15，黏度25，在钻至细砂层后将泥浆调整为泥浆比重为 1.17，黏度28，钻进很顺利，桩长52米桩径为1.25米的桩基成孔时间用了9个半小时，成孔后的沉淀厚度只有不到22cm；含砂率为4%, 第一次清孔采用泥浆比重1.13，泥浆黏度22s。钢筋笼及导管下孔用了6小时，沉渣达到了65cm，用泥浆泵管连接导管进行二次清孔，二次清孔用时1.5小时，二次清孔泥浆比重1.07，泥浆黏度21s，经过反复清孔，孔内泥浆指标为比重1.1，含砂率1.8%，黏度21s，沉渣7cm。灌注砼共2小时50分钟，灌注过程顺利，砼灌注完毕后，经计算砼理论方量63.8m3，实际灌注方量65.2m3，超灌砼1.2 m3，扩孔率0.31% ，经济指标满足要求。

2、施工过程中出现的问题

钻孔过程中，由于钻进或提升过快，导致泥浆护壁厚度不够，出现局部坍塌；

在清孔、砼浇注过程中出现局部的缩孔现象；

泥浆的质量下降，比重高了，粘度小了，胶体率下降，含砂率高达8％～10%；

钢筋笼下孔时间太长，导致沉渣厚度太厚；

桩顶3～5m范围内出现裹砂现象；

3、施工控制要点

A、施工工艺控制

根据施工进度安排，合理安排钻机的施工位置（桩基的施工顺序），为了最大限度减低施工中对桩间地层的扰动，施工时必须采取间隔桩位跳钻进行现场施工。

根据岩层选择合适的钻进速度，钻进砂层时速度必须减慢，同时钻头要轻提、轻放，因为钻头在孔内提升过程中，泥浆在护壁与钻头之间流动，若升降速度过快，会对护壁产生瞬间压力，破坏护壁的自身稳定性，容易造成孔壁坍塌。

在粉细沙段要及时加大泥浆比重，并在钻进过程中安排专人检测泥浆的性能指标（比重、粘度、含砂率），并根据测定情况随时调整泥浆指标。

B、泥浆制备及指标控制

①泥浆最好选用优质钠基膨润土进行造浆，严格设置设泥浆池和沉淀池，并在泥浆池与沉淀池之间设置过滤网，现场泥浆必须跟据实际地质情况选用。工程施工过程中，个别工点不按要求设置沉淀池，泥浆的含砂率始终无法降低，导致砼灌注过程始终无法正常，往往在距离桩基5～6m处出现异常。

②泥浆的几项性能指标之间的关系及作用一定要清楚，钻进和清孔的目的不一样，所以要严格根据工序及时调整泥浆的性能指标。钻进过程中主要控制泥浆的比重及黏度，泥浆比重决定孔内泥浆护壁质量的好坏，能保持孔内的水头压力，防止侧壁出现坍塌。泥浆的黏度质量的好坏直接影响着钻进速度，泥浆粘度高的能减少在地层中的漏失，同时在钻进过程中，能及时将钻碴悬浮。清孔过程中，严格控制泥浆的泥浆比重、黏度及含砂率，比重控制在1.08左右，比重太小，水头压力不够，会影响泥浆护壁的稳定性，黏度太小，孔内的沉碴不易随泥浆浮出，黏度太大，砂粒在沉淀池内不易沉淀，导致循环浆液中的含砂率超标，影响清孔质量。

③做好一次清孔工作，因钢筋笼及导管下孔时间较长，一次清孔的质量好坏直接决定沉碴厚度，在一次清孔的时候，最好按二次清孔的标准进行控制，减少钢筋笼下孔期间沉碴的厚度。

C、砼灌注过程控制

①严格按配合比进行砼拌合，确保桩基砼的和易性及坍落度等指标值满足要求，安排专职试验人员在现场进行全过程监控，对每罐砼的性能指标进行检查，发现不满足要求的砼坚决退回拌合站，桩基砼坍落度一般以18－22cm为宜。

②安排专职技术人员进行导管的埋深和桩孔内砼面高度的测定，并做好详细记录，防止导管拔脱或埋深太大，当砼面灌至钢筋笼底部附近时，要放慢灌注速度，使砼面慢慢上升，导管应避免碰撞钢筋笼，以免引起钢筋笼上浮或碰撞孔壁。当灌注到粉砂或细砂层等容易塌孔的桩段要更小心，要慢灌和慢拔管，避免冲刷孔壁。

③本桥桩基施工前期，在破桩头时发现有桩基在桩顶3～5米左右有不同程度的夹砂现象，经分析，主要原因就是在砼灌筑到桩顶时压力减小，灌筑过程中沉淀下来的粉细砂裹入砼中，经现场对灌注工艺进行调整，在砼灌筑到桩顶5～7m时更换为大漏斗，并按封底工艺进行大方量一次灌入至桩顶，并适当增大砼超灌高度，此问题得以彻底解决，后经检测，桩基质量良好。

四、施工效果

在后期施工过程中，现场严格按照上述成孔工艺及相关要求进行施工，钻孔、砼灌注过程均顺利进行，未出现孔壁坍塌、埋钻、孔底沉渣较厚及桩顶裹砂等不良现象，达到了预期目标。

截至目前本桥已施工桩基5207，通过声波透射法对桩基完整性检测，结果显示，本桥目前已完桩基均为I类桩或Ⅱ类桩， 其中I类桩为5132根，占总数的98.56%。

五、论语

在这种超厚砂层地质环境下进行桩基施工，主要是要严格控制泥浆的制备及指标值选择、现场工序监控、清孔质量和砼灌注，施工过程中，根据不同工序对泥浆指标(泥浆比重及黏度)进行动态调整尤为重要，清孔的质量好坏直接决定桩基的灌注质量，只要我们在过程中善于对出现的问题及时进行分析、总结，桩基施工质量基本万无一失。

本桥桩基施工即将结束，一年来的施工经历，让我们取得了不少在厚砂层施工桩基的经验，同样也得到了一定的教训，对本人而言，感触颇深，一点心得希望能给同类工程提供参考与借鉴。

参考文献：

[1] TZ213-2005 客运专线铁路桥涵工程施工技术指南[S]；

[2] 高大钊.桩基础的设计方法与施工技术[M].北京：机械工业出版社，2002.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。