灌注桩长螺旋钻机全护筒成孔施工技术

罗伟，武岗松，宋承禹，董良民，韩绍强，刘海民

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇岛 066002）

1 工程概况

沙特延布海岸开发Ⅰ、Ⅱ期工程，位于沙特西部，滨红海沿岸，是沙特皇家委员会的一个海岸景观项目。施工内容包括港池疏浚、场地回填、护坡、沙滩游泳池和景观绿化，以及海墙、挡土墙、行车桥等。其中2处海墙和3段挡土墙总长度约1000 m，2处海墙位于人工岛I2岛上，3段挡土墙位于C3航道，具体位置如图1所示。

海墙、挡土墙和桥梁均采用灌注桩基础，场地标高约+1.0 m，混凝土强度等级35 MPa，表面喷漆环氧钢筋。灌注桩参数如表1所示。

海墙设计断面图和灌注桩施工示意图如图2所示。

2 地质条件

图1 沙特延布海岸开发Ⅱ期工程平面布置图

表1 灌注桩参数汇总表

图2 海墙设计断面图和灌注桩施工示意图

本工程位于沙特红海沿岸断裂带附近，属生物海岸泻湖地形地貌。红海沿岸地壳下降、海平面上升，由古珊瑚礁和地质沉积（多由粉砂淤泥质夹砂砾石物质组成，往往有黑色有机质黏土与贝壳碎屑等沉积物）作用形成目前的地质条件。海岸的演变，使珊瑚礁的分布杂乱无章。

施工区域水深1～5 m。开工前对灌注桩区域进行了地质勘察，勘察钻孔共48个，根据勘察成果，该区域地基的土层情况自上而下依次为：标贯击数1～5击的淤泥、中等密实的黏性土或砂、密实或非常密实的砂或坚硬的黏性土，其中表层淤泥层厚度2～23 m不等，部分钻孔中间夹杂着一层或两层珊瑚礁。48个钻孔之间的地质差异非常大，基本没有规律。

3 灌注桩护壁、钻孔工艺选择

供选择的灌注桩护壁工艺有传统的泥浆护壁工艺，和使用通长护筒护壁工艺（以下称全护筒工艺）。由于本工程大部分区域地基表层存在较厚的淤泥质土、且护筒内外水头差比较小（施工平台标高+1.0 m左右，平均潮位+0.1 m）等特点，故不适合采用传统的泥浆护壁灌注桩施工工艺。

为了验证传统的泥浆护壁灌注桩施工工艺在本工程特点下的可行性，在正式施工前，进行了实验验证。实验验证选择在施工区域地质条件相对较好的SW-6号钻孔附近。SW-6号钻孔地质情况如表2所示。

表2 SW-6号钻孔地质描述表

实验验证的施工方式是履带吊吊振动锤下护筒，旋挖钻成孔，泥浆护壁。实验桩长20 m，钻孔深度26 m，护筒长度20 m，护筒底部进入密实的砂层4 m，护壁内泥浆比重为1.06，在成孔后，护筒下孔壁坍塌严重，15 min孔深减小了3 m，虽加大了泥浆比重，但仍然不能维持孔壁稳定。实验证明，泥浆护壁工艺不适用于本工程。

全护筒施工采用120M-608型履带式长螺旋钻机，钻机如图3，钻头和钻杆如图4。设备自重约120 t，高度41 m，适合于桩长在32 m以内的灌注桩施工。

主臂呈竖直状态，通过后部两根支撑杆的伸缩，调整垂直度，其上安装了两套驱动装置，分别驱动长螺旋钻杆和驱动护筒。主机尾部配发电机和空压机，为钻杆和护筒驱动装置提供动力；下方设两根液压油缸，工作中通过伸缩，支撑在地面上，增加设备的稳定性。主机配置三套卷扬，主臂顶部设多套滑轮组，可兼做起重设备。长螺旋钻杆分节拼装，每节长度6～9 m，连接方式为内六角承插接头，销子固定，组装、拆卸比较方便。120M-608型长螺旋钻机能够在钻孔的同时驱动护筒，直至整个钻孔。

图3 120M-608型长螺旋钻机图

图4 钻头和钻杆图

4 全护筒施工工艺流程及施工要点

4.1 施工工艺流程

全护筒施工工艺流程与传统的泥浆护壁工艺基本相同，如图5所示，其主要区别在于成孔设备和钻孔方式。

图5 施工工艺流程图

在成孔前要完成连接护筒与其驱动装置。具体步骤如下：首先在钻孔附近开动钻杆钻进，至地面以上剩余15 m左右，卸掉钻杆的驱动连接销，旋转钻机，将钻杆留在土中，吊车吊护筒，套在钻杆外侧，钻机旋转将护筒驱动装置对准护筒，对正、旋转将其连接，开动驱动装置，将护筒向下驱动，至钻杆顶部以下，连接另一个驱动装置与钻杆，旋转拔出护筒和钻杆，钻杆和护筒同时连接到钻机上。全护筒工艺使用的护筒，壁厚10～12 mm，其外径略大于设计桩径，每延米重量约300 kg。

钻机对准钻孔位置后，开动钻杆驱动，顺时针旋转钻进，钻进约2～3 m后，同时开动护筒驱动，逆时针旋转跟进，保持护筒底部与钻杆底部基本平齐。在钻进过程中，土方随螺旋上升，从护筒驱动上部的排渣孔向外排放，直至达到要求的深度。钻杆逆时针旋转，慢慢提升，清理钻孔内的土方，采用气举反循环或旋挖钻机清孔，孔深验收合格后，下钢筋笼，浇筑混凝土。在混凝土浇筑后，使用钻机迅速拔出护筒，其最大上拔力60 t。拔出2～3 m时，补浇混凝土，填补由于护筒拔出其侧壁占用的空隙，确保护筒拔出后的混凝土顶面高于设计顶标高。

4.2 施工要点

成孔质量是灌注桩施工中最关键的环节，其质量的好坏决定灌注桩的质量。在通长护筒拔出过程中钢筋笼的下沉，特别是在松软地基条件下，是全护筒工艺需要解决的最大问题，在施工过程中应按以下施工要点，加强过程控制。

1）成孔过程中加水维持护筒内外水头平衡，防止发生管涌。虽然使用通长护筒，但随着成孔深度的增加，内外水头差加大，若不及时注水，护筒周围土方将沿护筒底部上涌，形成空洞，在护筒拔除时，混凝土面迅速下降，填补底部空洞，造成混凝土的使用量的增大，并且混凝土的下沉将导致钢筋笼的下沉。全护筒工艺成孔过程，护筒周围土方损失不易察觉，损失量大小不易掌握，需要特别关注；

2）钻头钻进过程中不得低于护筒底部，保证孔壁不坍塌；

3）钻孔钻至螺旋钻头底部高于设计孔底标高0.5 m左右，采用气举反循环清理孔底松散土层，不得扰动设计孔底标高以下土层，以免影响灌注桩的承载力；

4）使用表面喷漆环氧钢筋的灌注桩钢筋笼，建议在主筋搭接和主筋与箍筋交叉位置焊接加强，增加钢筋笼的整体刚度；

5）混凝土浇筑后拔出护筒要及时，并使用履带吊或钻机，悬吊钢筋笼，防止其下沉。

5 全护筒工艺的优缺点

5.1 全护筒工艺的优点

5.1.1 成桩质量好，特别适用于松软地基条件

钻孔过程中，钻杆始终在护筒跟进条件下钻进，护筒保证孔壁的稳定，防止坍塌，同时，钻杆清理中间密实土层，为护筒的下沉减小了阻力，两者相辅相成，保证了成孔质量，在清孔后，不会产生沉渣。

钻孔前调整主臂的垂直度，钻孔过程中，护筒和钻杆始终沿主臂升降，保证了钻孔的垂直度。

混凝土浇筑后拔出护筒，使混凝土浇筑始终在护筒保护下进行，保证了桩身质量，断面尺寸均匀一致，使灌注桩施工中存在的质量通病，如孔壁坍塌、沉渣过厚、扩径、缩径乃至断桩等，得到了有效解决。

灌注桩载荷试验结果满足设计要求，开挖部分桩体质量良好（如图6），低应变检测桩身质量完好。

图6 开挖后的灌注桩

5.1.2 施工成本低

由于采用通长护筒，减少了泥浆的使用，节约了膨润土等原材料和泥浆制作、处理费用，而护筒一次投入，可以循环使用，该工艺尤其适用于沙特这种膨润土材料稀缺的国家和地区，预计每延米灌注桩可节约成本60元。同时，长螺旋钻机集钻孔、下护筒、拔护筒和吊装功能于一身，减少了振动锤和履带吊的配置，节约了机械费用。

5.1.3 安全环保

通长护筒的使用，避免了成孔、下放钢筋笼和混凝土浇筑整个施工过程中的孔壁坍塌，保证了设备和人员的安全。取消泥浆使用，降低了水土和环境污染。

5.1.4 对地质变化适应能力强，施工效率高

由于钻杆与护筒同时钻进，相辅相成，遇到软弱土质时，护筒为钻杆提供支撑，遇到坚硬土质时，钻杆为护筒下沉清除障碍，两者的有机结合，提高了施工效率。25 m深的钻孔，软弱土质成孔时间1 h，坚硬土层1.5 h。对于直径0.8 m，桩长20 m的灌注桩，曾在1 d内单机完成29根。

5.2 全护筒工艺的缺点

5.2.1 对地基承载力要求较高

设备自重120 t，接地压力较大，施工桩长29 m灌注桩时，成孔深度35 m，护筒长度36 m，重量10 t，加上护筒拔出和钢筋笼悬吊的荷载，总荷载约200 t。场地要回填较好的材料，碾压密实，才能满足设备行走和作业要求。

5.2.2 使用范围有限

该钻机主臂长度41 m，设备最大起拔能力60 t，仅适用于孔深在32 m以内，桩径小于1.0 m的灌注桩。

5.2.3 混凝土充盈系数较大

由于在混凝土浇筑后拔出护筒，混凝土顶面随护筒的上拔而下降，混凝土将补充护筒侧壁所占用的空隙和护筒与周围土体之间的空隙，加上土质软硬情况不均，在混凝土的压力作用下，土质向外压缩，需要耗费一定的混凝土。直到护筒拔出后才能确定混凝土顶面的最终下沉量。土质的软硬程度不均，导致了混凝土的沉降量不易控制，为确保混凝土终灌标高高于设计标高，根据经验值，需预留较大的混凝土沉降量，导致混凝土充盈系数比较大。

6 结语

全护筒施工工艺，通过长螺旋钻杆和通长护筒的有效配合，解决了灌注桩施工中的存在的一些质量通病，施工质量高，速度快，方便快捷。在施工过程中，加强过程控制，灌注桩施工将会在质量、进度、成本和安全环保等各个方面取得理想的效果。长螺旋钻机全护筒成孔工艺，在松软地基条件下，应该成为灌注桩施工的首选，值得大范围推广和使用。

[1]林宗元.岩土工程治理手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[2]JGJ 94—2008，建筑桩基技术规范[S].

[3]JTJ 254—98，港口工程桩基规范[S].