紧邻机场滑行道的钻孔灌注桩施工关键技术

董 鸽

上海建工七建集团有限公司 上海 200050

1 工程概况

上海浦东国际机场（下称“机场”）三期扩建工程新建T1-S1下穿通道，位于机场现状航站区与新建航站区之间，南起新建S1卫星厅北指廊东侧，北至既有T1航站楼小机坪，呈南北方向布置，总长1 173 m。该下穿通道结合了敞开段和暗埋段2种结构形式，其中794 m的暗埋段从既有飞机滑行道下方垂直穿过（图1）。

根据机场三期扩建的总体部署，本下穿通道采用基坑明挖的形式进行施工，明挖后的基坑将造成飞机滑行道中断。但浦东机场的实际运营又要求在整个下穿通道施工过程中，须保证至少2条滑行道的正常运营，以满足飞机双向通行要求，确保机场东西两侧飞行区之间联系畅通。另外，根据相关规定，在飞机滑行道两侧安全距离内的施工作业均视为禁区施工，因此第1阶段施工区域北端需深入T3滑行道安全距离内27.5 m，属于禁区施工范围（图2）。综合以上因素，本下穿通道工程须在T4滑行道不停航、T3滑行道间歇式关停的情况下，停用T0滑行道，完成T3滑行道以南区域的第1阶段施工。

图1 T1-S1下穿通道周边环境示意

为保障机场正常运营，T3滑行道仅能在夜间飞机起降频率较低时实施间歇性关停。数据显示，在T3滑行道关停的情况下，T4滑行道满负荷运行的最长时间为6 h，因此第1阶段每晚禁区施工的时长被限制在6 h以内（含施工准备及场地清理时间），远低于按照常规工艺施工钻孔灌注桩所需的时间。

图2 第1阶段禁区施工范围示意

此外，机场运营指挥中心根据每晚的天气情况，决定是否开展禁区施工。若天气条件较差时，为确保飞机滑行安全，指挥中心将取消当晚的施工计划。当出现大雾、雷电等突发二类天气时，指挥中心有权要求所有进入禁区的施工人员和机械设备在20 min内全部撤离，并恢复滑行道运行。

T1-S1下穿通道第1阶段禁区内共有围护桩99根、工程桩38根，均采用φ800 mm混凝土灌注桩。其中，围护桩设计桩长21.3 m，工程桩设计桩长25 m，考虑禁区内9.495 m的基坑最大挖深，工程桩成孔深度接近34.5 m。

2 工程地质情况

2.1 地质条件

经勘察，本工程场地自地表以下45.38 m深度范围内土层自上而下依次为①1填土（以黏性土为主）、①2浜填土、②1粉质黏土、②2粉质黏土夹黏质粉土、②3砂质粉土、③1淤泥质粉质黏土、③2砂质粉土、④淤泥质黏土、⑤1黏土、⑤3粉质黏土、⑤4粉质黏土、⑦1砂质粉土、⑦2-1粉砂、⑦2-2粉砂。

2.2 地下水

2.2.1 潜水

本工程场地浅部地下水属潜水类型，受大气降水及地表径流补给。上海市潜水年平均水位埋深为0.50～0.70 m，低水位埋深为1.50 m。机场地下水静止水位埋深一般在0.40～1.90 m间，其相应绝对高程一般在2.12～3.64 m间。

2.2.2 承压含水层

本工程场地内承压水分布于第⑦层，经计算，基坑开挖后该承压水层无突涌风险。

3 施工设备选型

混凝土灌注桩施工主要分为成孔和成桩2个阶段。成桩施工包括钢筋笼就位、下导管、浇筑混凝土等工序，施工速度和施工质量的可控程度较高，但在浦东机场软弱土层较厚、地质情况复杂的条件下，影响成孔施工质量好坏的因素很多，包括土质条件、设备选型、工艺参数、泥浆相对密度等，其中设备选型决定了整个成孔施工的技术路线和施工工艺，对成孔施工起到关键性作用。

3.1 普通水文钻机正循环成孔工艺

该工艺是指采用GPS-10、GPS-15等型号的普通水文钻机，根据不同的地质特点，控制钻进参数（钻速、钻压），控制泥浆相对密度，通过正循环的方式利用泥浆将沉渣从孔口排出，携渣泥浆经沉淀后与沉渣分离，泥浆循环利用。

该工艺的优点为：操作简便、成熟经验较多；在机场禁区的特殊工况条件下，施工机械形体大小适中，便于吊运和紧急撤离。

该工艺的缺点为：经多次试验和成孔检测发现，在③1层和④层中，正常钻速和钻压下极易出现扩径现象，局部桩径达到设计桩径的150%，而这些扩径位置大多与基坑内支撑标高重叠，这意味着基坑开挖后无法及时施工钢围檩，无法及时形成基坑内支撑传力体系，非常不利于周边飞机滑行道的运营安全。在采取增加水泥用量调节泥浆相对密度或添加膨润土人工造浆等措施后，扩径现象虽有一定的改善，但仍需配合减慢钻头的钻进速度，因此造成成孔时间大幅度增加。

3.2 压灌桩成孔工艺

近年来压灌桩施工工艺在混凝土灌注桩施工领域的运用日趋频繁。该工艺是指先采用专用螺旋钻具钻至桩底设计深度形成桩径，然后通过钻具中空管道由底向上连续高压泵注混凝土至桩顶，形成素混凝土桩，同时利用螺旋叶片将置换土原状取出，最后将整根钢筋笼振动插入素混凝土桩中，形成钢筋混凝土灌注桩。

该工艺的优点为：成孔时间短且质量稳定，单桩施工效率高。缺点为：施工机械体积庞大，移动不便，紧急情况下无法在规定时间内撤离，无法确保机场运营安全。

3.3 汽车钻反循环成孔工艺

该工艺是指循环介质流向从地面沿钻具与孔壁的环状间隙进入钻孔，至孔底携带钻渣从钻杆内返回地面的一种钻进工艺。反循环钻进常用于大直径钻孔施工，适用于填土层、砂性土层、淤泥质土层、黏土层、卵砾石层等，钻进效率较高，扩径现象少，节省电费，噪声低。由于反循环汽车钻机采用直接吸除的方式将土渣吸出，故成孔速度比正循环施工工艺快。同时，将反循环钻机与汽车结合，实现了钻机自身的可移动性能。

3.4 施工设备选型结果

因为机场禁区内特殊的施工环境和施工要求，同时为了确保钻孔灌注围护桩施工质量，工程部决定采用汽车钻反循环成孔工艺进行施工。此工艺将钻机与汽车相结合，在满足围护桩成孔要求的同时，极大提高了钻机的机动性以及桩位定位的准确性。另外，使用反循环成孔工艺可以有效加快成孔施工的速度，同时减少扩径现象的产生。

4 反循环成孔主要工艺流程

埋设护筒：孔口处埋设钢质护筒，用以护住孔口，护筒内径大于钻头直径150 mm，壁厚4～8 mm，护筒埋置深度为2 m，其上部开设1～2个溢浆孔。埋设护筒时，以桩位为基准，中心偏移不得超过30 mm。护筒周围用黏土分层夯实，并经测量人员复测后方可进入下道工序。

钻机就位：钻机就位后确保机座平稳，转盘中心与桩位偏差不得大于20 mm，并做到“三点一线”，即天车中心、回转器中心与钻头中心在同一铅垂线上，否则应及时调整桅杆和钻杆的角度。钻机安装就位后应精心调平，确保施工中不发生倾斜移位。

钻进：为保证孔壁稳定，应视表层松散土层的厚度在孔口放置长度适当的护筒，并保持泥浆柱液面高度。钻进过程中随泥浆漏失及孔深增加及时向孔内补充泥浆。

泥浆排放、外运：成孔及回填土时，孔内泥浆按事先挖好的泥浆沟排放，排放时由专人负责疏导。泥浆池内泥浆随时清理外运，以保证桩孔内泥浆排放畅通，同时避免泥浆外溢污染滑行道道面。

钻进过程中的其他注意事项[1-3]：

1）钻进时控制钻压、钻速，平稳钻进，并保证钻孔垂直。

2）钻进过程中根据地层变化情况，适时调整钻进技术参数，并经常检查钻孔情况，防止钻机倾斜。

3）钻进过程中严格保持稳定的泥浆水头高度，防止孔口坍塌。

4）接近设计孔深时，准确控制钻进深度并做好深度记录。钻进至设计深度后进行清孔，以保证孔底沉渣符合规范要求。

5）钻进过程中泥浆护壁采用孔内自然造浆的方法，泥浆相对密度控制在1.05～1.15。

5 总体施工部署

为提高禁区内的施工效率，钻孔灌注桩成孔采用反循环汽车钻机完成；放置钢筋笼、下导管以及混凝土灌注施工由混凝土运输车配合汽车吊完成。

禁区内安排2台汽车钻机，分别为3#钻机和5#钻机。靠近基坑东侧的69根钻孔灌注桩成孔施工由5#钻机完成，靠近基坑西侧的68根钻孔灌注桩成孔施工由3#钻机完成。

由于禁区内场地有限，2台钻机同时成孔时，无法设置1个容量足够大的泥浆池同时向2个作业点供给泥浆，因此在基坑中部设置2个15 m3的过渡泥浆池（5.0 m×2.0 m×1.5 m），同时在禁区外部设置1个容量为54 m3的大泥浆池（6.0 m×6.0 m×1.5 m）。大、小泥浆池之间通过泥浆泵和泥浆管连通。禁区施工时同时进驻2辆排浆车，防止出现泥浆排放不及时的情况。

配合2个小泥浆池的平面布置，将2台汽车钻机错开设置。施工中每个钻孔作业点就近连接小泥浆池。

6 禁区外成桩试验

常规混凝土钻孔灌注桩的施工流程包括场地平整、定位放线以及泥浆池开挖，这3项工作内容均可以脱离成桩过程提前施工。为加快禁区施工速度，合理分配施工时间，设计桩位的场地平整、定位工作以及开挖泥浆池等准备工作，均在前一天的夜间禁区施工中完成，即每天禁区施工时，不仅完成当天的灌注桩成桩任务，而且要完成第2天的施工准备工作。

经过禁区外模拟，形成以下禁区内钻孔灌注桩施工流程：钻孔前准备（50 min）→钻孔（90 min）→清孔（30 min）→提钻杆（20 min）→下钢筋笼（30 min）→下导管（20 min）→浇筑混凝土（40 min），共计4 h 40 min。

7 实际施工效果

第1阶段禁区钻孔灌注围护桩施工的具体时间为2015年6月11日—2015年10月30日，其间实际施工天数仅为61 d，不足总时长的50%，其余时间由于机场运营要求或指挥中心临时调整，均未能进入禁区展开施工。尽管如此，经过精心策划、合理部署，第1阶段禁区钻孔灌注桩施工仍如期完成，为基坑的后续施工打下了坚实基础。

禁区施工过程中，根据机场运营指挥中心的安排，施工人员、机械的实际进场时间一般为凌晨1点，钻孔灌注桩于5点40分左右成桩。完成禁区内场地清扫后，所有施工人员、机械设备在6点前全部撤离。

在整个禁区施工过程中，共出现3次因二类天气紧急撤离的情况。由于设备选型合理、施工部署得当，所有进入禁区的人员、设备均在限定时间内全部撤离，在完成施工任务的同时，保障了机场的安全运营。