新型螺杆桩在深厚松软土地区高速铁路施工中的应用

于庆福

摘 要：螺杆桩作为一种新型地基加固形式已被广泛应用于高层建筑施工中，但在铁路建设中的应用较少。以郑徐客专永城北站路基施工为工程背景，在高铁建设中首次采用螺杆灌注桩施工技术，取得了显著的效果，这一成功案例可为同类施工提供借鉴。

关键词：螺杆灌注桩；高速铁路；地基加固；深厚松软土地区

中图分类号：U213.1+4 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）05-0083-02

螺杆桩是一种“上部为圆柱型，下部为螺丝型”的新型组合式地基加固桩，它是在日本的高强度钢纤维混凝土预制螺纹桩的基础上创新而成的，适用于淤泥质黏土、粉土、黏土、粉质黏土、中细砂和料径小于20 mm的砂砾石层等地质条件，且不受地下水位的限制，是一种使用广泛、安全、经济的桩基施工新技术。由于其具有技术先进、集成化生产程度高、质量稳定、环境污染小、施工周期短和资源消耗少等技术、经济优势，现已成为了基础工程的重要桩基材料。郑徐客专永城北站地处深厚松软土地区，在高速铁路建设中，首次应用了新型螺杆灌注桩技术。

1 工程概况

郑州至徐州客运专线位于河南省东部和安徽、江苏省西北部地区，线路全长361.937 km。线路中永城北站路基施工为铁道部批复的郑徐高铁路基试验段，段内表层为Q4eol粉土，褐黄色，局部饱和，稍密，层厚1.5～5.5 m，局部为淤泥质黏土，流塑，厚0～2.7 m；粉质黏土，软塑，厚0～5.3 m；其下为Q4al粉质黏土，软—硬塑；粉砂，稍密—中实；中、细砂，稍实；再下为Q3al粉质黏土层，可塑—硬塑；下伏奥陶系泥质灰岩，深灰色，弱风化，节理裂隙发育。这些土层具有结构松软、压缩性高、强度低、工程特性差、易产生过大和不均匀沉降等不良地质特性。在DK281+059.99～757.51范围内采用螺杆桩技术进行地基加固处理。

2 施工参数

该标段螺杆桩设计桩径为0.5 m，桩长10.5～26 m（上部圆柱形桩长为总桩长的1/3，余下2/3为螺杆状），桩身混凝土强度等级为C35，桩顶设C45混凝土扩大桩帽。

3 技术特点

螺杆桩采用变截面的构造形状，在成桩过程中，钻具对桩土体有挤压、加密作用，成桩后桩侧土体呈螺母状，与螺杆状的桩体紧密咬合，对桩间土有明显的挤密效果，降低了地基土的压缩性，提高了桩基的侧摩擦阻力。同时，由于螺杆灌注桩的下部形成了螺纹段，使桩的受力性能发生变化，提高了桩的侧摩阻力，减小了地基的沉降。螺杆桩与普通直杆灌注桩相比，单桩的极限承载力明显提高。高铁施工对沉降变形有很高的要求，从这一角度而言，螺纹桩恰有很高的应用价值。

与普通灌注桩相比，螺杆桩机自动化程度高，实现了钻进成孔和提钻同时连续泵送混凝土一次性成桩，劳动强度低、施工进度快，且与传统的直杆混凝土灌注桩相比，螺纹段桩型的混凝土用量小，节约工期和成本，不存在塌孔、缩径和桩端虚土等问题，取土量小、无泥浆，减少了大量的泥浆处理和运输工作，具有无振动、低噪声、无环境污染等绿色桩型特点，尤其在周边临近建筑物施工时，其优势更加明显。

螺杆桩对土体的适应性强，可在砂卵石、卵石和承载力为600 kPa的强风化岩层中施工，而且成孔、成桩不受地下水的限制。它不仅可以作为桩基础的基桩，也可以进行端承桩施工，通过最后成桩时的磨压土体，获得桩体较高的单桩承载力，达到很好的成桩效果，解决了预应力管桩、长螺旋灌注桩在同等地层无法钻进的难题。与该类型桩搭配使用，可有效降低工程成本。

4 施工工艺要点

工艺流程详见图1.

图1 螺杆桩施工工艺流程图

4.1 施工准备

4.1.1 清表、平整场地

在施工前，先用推土机清除地表的种植土、腐质土，然后平整场地，并用压路机碾压密实。对局部平整后低于场地标高的地段，要换填素土至场地标高并用压路机分层碾压密实。作业场地要做好排水工作，确保施工场地不积水。

4.1.2 测量放样

利用全站仪测放出螺杆桩施工的中、边线，根据螺杆桩平面布置图确定每根桩的施工桩位，插入竹签并撒白灰标识。

4.1.3 工艺性试验

在施工前，要先进行螺杆桩的工艺性试验，每个工点试桩不少于3根。试验主要是要确定成桩的工艺参数，人员、机械配置。试桩完成后，开始编制试桩工艺性总结报告，用于指导大面积施工。

4.2 钻机就位调平

螺杆桩钻机就位后，应用钻机塔身两个方向的垂直标杆检查塔身导杆，确保螺杆桩垂直度容许偏差不大于1%. 校正位置，使钻杆垂直对准桩位中心，桩位偏差不大于5 cm。

4.3 钻进成孔

通过自控系统对钻孔速度指标应进行严格控制，下钻电流控制在80～110 A，下钻速度控制在1.5～2 m/min。当电流值大于控制范围时，减慢下钻速度；当电流值小于控制范围时，加快下钻速度。

在下钻过程中，桩机自控系统严格控制钻杆下降速度和旋转速度，使二者匹配，要求钻杆旋转2周以上，下降1个螺距，钻至螺杆桩直线段设计深度，在土体中形成圆柱状段。此后，钻杆旋转1周，下降1个螺距，钻至螺杆桩螺纹段设计深度，在土体中形成螺纹桩段。施工时，还需考虑施工工作面的标高差异，并作相应的增减。

4.4 钻至设计标高后停钻

通过自控系统对提升钻杆速度指标进行严格控制，桩径500 mm的桩钻杆提升速度控制在1.6～2 m/min。当钻头到达设计桩长预定标高时，在动力头底面停留位置相应的钻机塔身处做醒目标记，以其作为施工时控制孔深的依据。当动力头底面达到标记处桩长，即满足设计的要求。在施工时，还需考虑施工工作面的标高差异，并作相应的增减。

4.5 提钻同时泵送混凝土endprint

钻头钻至设计桩底标高后，第一次灌注混凝土时，应先停顿10～20 s加压，然后再缓慢反向旋转提升钻杆，在提升过程中，自控系统要严格控制钻杆提升速度和旋转速度，保持两速度同步和匹配。与此同时，将制备好的混凝土采用泵送方式迅速填满由钻杆旋转提升所产生的螺纹状空间，提到螺纹部分的顶端设计深度时，钻杆直接提升产生柱状的空间，并同时向钻杆内继续泵压灌注混凝土至桩顶设计标高，且保护层厚度为50 cm。

在泵送混凝土的过程中，根据钻机的生产能力和混凝土运输距离配备相应数量的混凝土罐车，尽量减少钻机停机待料的次数，严禁出现钻机在灌桩过程中断料的情况，避免不必要的断桩产生。

在钻机提钻至桩顶标高1 m左右时，采用小型挖掘机将桩口的钻渣挖除，再继续进行灌注，以便查看混凝土是否达到施工桩顶标高。

4.6 移位施工下一根

当上一根桩施工完毕后，钻机移位，进行下一根桩的施工。当钻机移位时，混凝土泵料斗内的混凝土应连续进行搅拌，泵送混凝土时，料斗内混凝土的高度不得低于400 mm，防止吸进空气造成堵管。施工时，由于螺杆桩的土较多，经常将临近的桩位覆盖，有时还会因钻机支撑时支撑脚压在桩位旁使原标定的桩位发生移动。因此，在下一根桩施工时，还应根据轴线或周围桩的位置对需要施工的桩位进行复核，以保证桩位的准确。

4.7 成桩验收

螺杆桩达到一定强度后，用切割机切除多余的虚桩。对螺杆桩进行低应变检验和单桩静载实验检测，检测后方可验收。

4.8 桩帽施工

螺杆桩桩帽采用C45混凝土浇筑，形状为圆台状，圆台下断面的直径与桩直径相同，都为0.5 m，上断面的直径为1.0 m，桩帽厚度为0.6 m。

螺杆桩桩基检测合格后，开始回填土并压实，在原桩身位置处找到桩的中心点，以中心点为圆心，1.0 m为半径画圆，并用白灰做好标记，按照标记的桩帽尺寸进行人工开挖螺杆桩桩帽，开挖时要严格按照设计尺寸进行，混凝土浇筑采用土模。混凝土到场后，要先对混凝土的坍落度和入模温度进行测量，符合要求后开始浇筑混凝土。在浇筑过程中，需采用混凝土振捣棒振捣。施工完毕后，将桩帽表面进行抹面，抹面次数不少于3次，采用塑料薄膜将桩帽覆盖、养生。

5 施工注意事项

桩的施工顺序应从中间向四周进行。同时，根据桩的规格，宜先长后短进行施工，采取跳跃式的施工，或采用控制凝固时间间隔施工，防止桩孔间窜浆或因挤压造成断桩。

螺杆钻具的旋转速度与给进速度必须要有稳定、一定比例的传动关系，才能形成等螺距的螺纹孔，并能在不破坏螺纹孔的条件下将钻具旋出。不同直径的螺杆桩其螺距也不同，因此，钻机的回转速度和给进速度应该可以无级调速，才能实现不同转速和不同螺距的任意匹配。同时，钻机也必须具有足够大的输出扭矩和加、减压能力，才能将钻具旋转挤压进土层，在不排土的情况下形成螺纹孔。在下钻和提钻的过程中，要严格控制钻杆下降、提升和旋转的速度，使二者保持同步，以确保在土体中形成较好的螺纹段。

在泵送混凝土前，要先用清水润管，再灌注砂浆确保泵管的气密性，然后灌注部分混凝土进行试通。要尽量保证成桩的连续性，当间隔时间过长时，要及时洗管。

清土和截桩时，不得造成桩顶标高以下的桩身断裂，扰动桩间土。

在施工过程中，要及时清除成桩时排出的弃土，否则会影响施工进度。

在螺杆桩施工中，每台班都需制作1组试件，进行28 d强度检验。成桩28 d后，应及时进行单桩承载力或复合地基承载力试验，其承载力和变形模量应符合设计要求。

采用经纬仪测量钻杆，确保桩体倾斜偏差不超过1%.

当土层中有砂层夹层时，施工采用下开门钻头。下开门钻头的灌注阀门是由下而上打开的，下钻时，阀门被土体挡住，提钻时，阀门便可自动打开，可以阻止砂层土对提钻空间的填充。

6 结束语

在郑徐客专用城北站路基施工中，采用了新型的螺杆灌注桩施工工艺，机械扭矩潜能大、穿透力强且不受地下水位影响，对不同土质都具有很强的适应性，在施工过程中不存在桩端虚土、取土量小、无泥浆的现象，排除了大量的泥浆处理和运输工作，不存在清底、泥浆护壁、塌孔、缩径和弃土等问题，且桩身质量可靠。新型螺杆桩的应用具有很高的应用价值，有很好的市场前景。

参考文献

[1]范静海，肖静静，潘尧锋.螺杆桩技术及其应用[J].浙江建筑，2011（03）.

[2]沈保汗，王凤良.螺杆灌注桩施工技术[J].建筑技术，2010（05）.

[3]史小燕.螺杆灌注桩及其在房屋建筑中的应用[J].工程建设与设计，2012（12）.

〔编辑：白洁〕

Application of New High-speed Railway Construction Screw Piles Deep in the Soft Land Area

Yu Qingfu

Abstract： As a new type of screw pile foundation reinforcement in the form of high-rise buildings have been widely used in construction， but it is seldom used in railway construction. Xu Yong Zheng passenger dedicated to North Station roadbed construction engineering background， in the first high-speed railway construction using screw pile construction technology， has achieved remarkable result， the success stories can provide reference for similar construction.

Key words： screw pile； high-speed rail； foundation reinforcement； deep soft soil areaendprint