市政淤泥流塑层中旋挖成孔施工技术的应用研究

(中国水电基础局有限公司，天津 武清，301700)

1 工程概况

南京海赋尚城项目工程位于南京主城区东北部，经五路以东，燕山路以南，神农路以北。包括地上7栋31～33层住宅楼(楼下设1层地下室)及共5栋2层裙楼商业服务网点，楼间空地下设2～3层人防地下室。结构形式为框架剪力墙结构，基础为钻孔灌注桩基础，桩径包括600mm、700mm两种规格，小计561根(含5个单体子分部工程)，入5-3/5-3b层中风化细砂岩持力层不小于0.5m。项目地点位于地势低洼处，场地内原有多处水塘，局部发育有坳沟，涉及桩基根数274根。

2 地质情况

根据工程地质报告以及开挖地下室时地质剖面的揭露状况，本工程场址原有多处水塘，塘深约0.6m～3.0m，塘底淤泥厚度约0.3m～5.0m。施工前期，塘底淤泥未经技术处理，采取建筑垃圾、碎砖、碎石、混凝土块、生活垃圾等填埋，回填松散，局部粒径最大约2.0m；场址局部发育有坳沟，坳沟深度、宽度未探明。水塘、填塘底、坳沟底及周边分布淤泥、淤泥质填土，最大厚度10m左右，自稳能力差，呈流塑状态，具触变性、蠕变性，开挖过程中桩周土体坍塌。基岩为中风化细砂岩，岩层起伏较大。

场址地下水稳定水位埋深在地面下0.45m～8.1m，高程为19.39m～24.99m(吴淞高程系)。施工过程中，探明坳沟区域底层存在高速水流，约在地面下20m位置，涉及桩基11根。

3 工艺选择

目前在南京地区钻孔灌注桩主要施工成孔方法有：①人工开挖干作业法成孔灌注桩；②反循环泥浆护壁成孔灌注桩；③旋挖钻机钻进成孔灌注桩。

因建设单位开发计划、资金回笼因素，桩基施工工期十分紧张，单栋单体工期仅15d，合同总工期49d，而且场地狭窄、交叉作业、无较大动力电源、居民较多、周边绿化环境基本成型。

人工开挖干作业法成孔灌注桩进度缓慢，对场址地质条件要求高，要求土体自稳能力强、无坍塌。本工程淤泥质土体呈流塑状，存在丰富地下水等不良工况，不能保证顺利成桩，如果所有桩基同时开孔施工，施工干扰大、不可控因素多、安全风险大，技术上、安全上不可行。

反循环泥浆护壁钻孔灌注桩桩机用电负荷大，单台钻机及附属设备用电量约125kW，需要较大的泥浆池、环境影响大，孔内泥浆不仅用于护壁而且用于排渣，成孔质量控制难度大，现场动力电源不足，场地狭窄，防扰民管控严，租赁大型发电机供电不可行，现场不具备该工艺的实施条件。

旋挖钻机自动化程度高，成孔速度快，全液压驱动、数字化控制，精确定位钻孔、自动校正钻孔垂直度、监测孔深，质量进度可靠；自带移动装置、无需借助辅助设备移位，节省辅助作业时间及设备投入；自带动力电源，解决现场电源不足难题；旋挖钻机通过钻头钻土，孔外卸土，泥浆仅用于护壁不用于排渣，经沉淀除砂可循环再利用，降低排污费用，绿色、环保施工特点突出。

经过三种成孔工艺比较，旋挖钻机成孔能保证工期、解决现场动力电源不足难题、对环境影响小，综合考虑淤泥层平均厚度，本着节约成本的原则，本项目决定采用10m钢护筒配合旋挖钻机成孔、局部辅以优化操作方式/护筒跟进施工工艺成孔。

4 施工工艺操作要点

旋挖钻机取土成孔、成桩工艺：定桩位-埋护筒-注泥浆-钻进取土-一次清孔-放钢筋笼-安装导管-二次清孔-混凝土灌注-拔出护筒。成孔主要难题是在地面以下3m～20m范围内分布有深厚淤泥层，且地下水位高，在流塑淤泥及地下水的双重作用下，极易造成塌孔、超方现象。

施工前，优先考虑规划行车路线，使便道与钻孔位置保持一定距离，降低造孔过程中塌孔、偏位现象；要求钻机底盘置于坚实地基上，底部铺设钢板，避免产生不均匀沉陷；同时考虑孔口钻渣清运便利条件。

4.1 测量放样

根据建筑工程原始控制点、施工控制网、设计施工图提供的桩位坐标，采用全站仪精确放出桩位中心，以桩位中心为圆心，以钢护筒半径为半径画出上部圆周，撒石灰线作为钢护筒下设的引导线，经监理单位复核后，做好护桩。

4.2 钢护筒埋设

根据海赋尚城桩基地质柱状图资料，水塘及坳沟区域表层回填建筑垃圾，淤泥层厚度不等，淤泥平均深度达7.5m，最深达20m，护筒采用8mm厚钢板卷制焊接制成比孔径大40cm的钢护筒，焊接牢固不漏水，护筒以穿透平均淤泥层厚度为准，护筒埋设深度初定为10m，未涉及水塘及坳沟区域桩基护筒埋设深度暂定为2.0m。浅层回填建渣层采用挖机挖除至淤泥表层后采用振动锤下沉钢护筒，深层建渣层采用反复插拔法强制下设钢护筒(下设不理想情况下再开挖换填)，护筒与护筒壁之间采用黏土回填夯实，同时保护好护桩及桩位中心。护筒平面位置偏差不大于20mm，倾斜度不大于1%，高度高出地面20cm。

4.3 钻机就位

钻机平台、钻机及钻架稳定牢固，要求地面承载力大于250kN/m2，钻机就位时与地面最大倾斜角不超过4°。根据地质情况局部回填碎块石，碾压密实后铺设10mm厚钢板。

将钻机行驶至预施工孔位，调整桅杆角度、操作卷扬机，将钻头中心与桩位中心对准，并调整钻机垂直度参数，使桅杆垂直，确保钻头环刀自由浮动孔内。正式钻孔前，钻机进行运转试验，检查钻机的稳定和工况，确保后续施工连续进行。

4.4 钻孔

开始钻孔时，保证钻杆垂直，钻机稳定，然后进行钻孔。当钻头下降到预定深度后，旋转钻斗并施加压力，将土体挤入钻斗内，仪表自动显示筒满时，钻斗底部关闭，提升钻斗将土卸于堆放地点。总的钻进流程是通过钻斗的旋转、削土、提升、卸土，反复循环直至成孔。

针对孔内存在丰富地下水状况，采用旋挖钻机泥浆护壁施工工艺，钻机施工过程中，始终保持水面顶高程不低于护筒底部且高于地下水位100cm以上，以保证孔壁的稳定性及抑制地下水位。钻孔过程中经常观察主机所在地面和支脚支撑地面处的变化情况，发现沉降现象立即停钻处理，钻孔时严格控制钻孔的垂直度，根据旋挖钻自身的自动控制系统，定期进行测量复核。成孔过程中，随时对护壁泥浆的指标进行检测，满足不同土层护壁泥浆指标的要求。

参照地勘报告，钻孔至5-3b或5-3中风化细砂岩层处进行取样，由地勘、监理等参建单位进行基岩鉴定，确定基岩面高程，继续钻进直至终孔。

4.5 清孔

清孔采用换浆方法，钻至设计桩底标高后立即测量孔深，以确定实际钻孔深度及确认沉渣厚度的起算点，根据地质情况自然沉淀3h后测沉渣回升值，以确定沉淀的速率，以便估算下笼、下导管时间段沉渣回升值。自然沉淀后采用平底捞渣钻具清孔至第一次实际桩底标高，根据沉淀的速率和沉渣回升值确定捞渣的次数。

钢筋笼、导管下设完毕，复测孔底沉渣厚度，沉渣厚度若不满足设计要求值，采用高压泥浆泵循环泥浆使沉渣悬浮起来，直至沉渣厚度达到设计要求。

为保证快速有效的清孔，可在泥浆循环系统中增加滤砂筒，泥浆泵的进浆口与泥浆池连通，泥浆泵的出浆口与滤砂筒的入口连通，滤砂筒的出口直接连接泥浆池，通过定期对滤砂筒的砂子进行清理，在泥浆使用过程中使泥浆清洁，缩短清孔时间，提高清孔质量。

清孔后，泥浆技术要求：沉渣厚度不大于50mm，泥浆黏度32s～55s，相对密度1.03～1.15，含砂率不大于5%。

4.6 终孔验收

成孔检查的主要内容有孔位、孔径、垂直度、深度、沉渣厚度等，不合格时采取措施处理。用测绳测量孔深并做记录，钻孔完成后采用探孔器检测孔径，钻杆垂线法等检查倾斜度，用长度符合规定的探孔器上下两次检查孔是否合格，合格后清孔。检查质量控制标准如下表1所示。

表1 成孔检查质量控制标准

5 辅助工法

5.1 超方案例

振动桩锤配合下沉10.0m钢护筒形成钢护壁工法钻孔桩，成功解决了海赋尚城流塑状淤泥质土层旋挖钻孔灌注桩188根，因局部水塘、坳沟较深，存在86根桩基护筒下设深度未穿透桩底流塑淤泥质土层。旋挖钻机施工至10.0m位置(钢护筒底标高)，出现吸钻、塌孔、缩颈、卸渣困难等不良工况。施工3-115#桩基，旋挖钻机在10m位置，掏捞淤泥4次，钻机显示屏显示钻孔深度12m，测绳量测仅9.5m，反复钻进8次均无进尺。因淤泥质地层承载力低，容易出现地层的不均匀沉降，存在钻机倾覆的隐患，安全起见，采取护筒跟进的方式成孔。浇筑中，边续浇混凝土边起拔护筒，护筒拔出后，灌注超方系数1.50。

5.2 问题分析

对淤泥土进行取土试验分析：孔隙比1.5～2.0，含水率50%～75%，表现为软塑、流塑状态，抗剪强度低，显著的触变性、蠕变性，扰动后出现坍落现象，自稳能力差。

淤泥的软塑、流塑性是导致吸钻、塌孔、超方的主要原因。

旋挖钻机钻孔穿过钢护筒底部进入淤泥层，对孔周淤泥层造成恶性扰动，破坏了地层原有的受力平衡，加之操作手同速钻进，未在交界面减速减压、控制进尺，导致孔内泥浆压力与淤泥流塑力失去平衡，泥浆压力难以抑制淤泥向桩孔内的流动趋势，造成钻孔过程中不断出现淤泥涌流到孔内引起缩颈，以致淤泥紧紧裹住钻头，在提钻过程中，钻头上方和下方的泥浆液面不流通，造成钻底的负压过大，从而导致吸钻，吸钻会加速淤泥向桩孔内涌流，造成快速塌方，孔壁泥皮及坍塌体迅速沉淀到孔底，孔中间出现塌方洞是超方根源所在。

5.3 辅助工法

避免吸钻、缩颈、塌孔现象发生，就要较好地保持淤泥的原始应力状态，保持泥浆压力与淤泥流塑体流动趋势的受力平衡，将钻孔扰动降至最低，需采取辅助工法。

5.3.1 优化操作方式

旋挖钻机钻进至护筒底部，进入淤泥质土层前，要求操作手遵循“三降”、“三减”原则。“三降”是指降低放钻速度、降低旋转速度、降低提钻速度，为孔壁泥皮的形成预留充足时间；“三减”是指减少单斗进尺(由80cm减少到40cm左右)、减少钻压(采用提钻或自由下放钻进)、减少合斗门时的旋转速度和圈数，将对桩壁淤泥土体的扰动降至最低。

5.3.2 改善泥浆性能

配置高粘度、中等容重的膨润土+黏土泥浆，良好护壁。对浆池内的膨润土浆进行改良，加入定量膨润土、纤维素、纯碱，采用长臂小挖机充分搅拌后静置24h，待膨润土完全水合后，倒入黏土，用长臂小挖机再次充分搅拌，并检测泥浆主要参数值，控制相对密度在1.20左右，黏度不小于45s，否则在浆池内酌情添加原料。

钻孔中，存在轻微缩颈，则在桩孔内投入黏土+碎石混合料，通过钻具在缩颈区域缓慢来回推移，充分搅拌浆体，使浆体与桩壁淤泥体受力趋于平衡，形成浸染泥皮，阻止塌孔现象的发生。

5.3.3 改进钻头结构

对筒式钻斗的筒壁对称加焊护壁钢板(或设置导流槽)，避免施工提升钻斗时因筒斗下部产生较大的负压力作用，引起吸钻现象；采用体开式钻头或带有内流水孔的钻斗，提钻时使泥浆实现上下流通，避免产生“活塞效应”引起孔壁压力，导致吸钻、塌孔现象发生。

5.3.4 局部护筒跟进

坳沟高流速深厚淤泥+地下动水区域桩基，通过优化操作方式、改善泥浆性能、改进钻头结构等仍不能有效解决，成孔非常困难。首钻扫孔2次无进尺情况下采用全钢护筒逐节跟进的方式施工，穿透深厚高流速淤泥层，跟进至淤泥层底以下1.0m位置，形成对桩基钻孔淤泥层全长范围的防护，与周围地层隔离，形成独立空间，不受周围地质环境影响，成孔后浇筑过程中根据浇筑深度逐节起拔。

6 成桩质量检测及效益分析

6.1 成桩质量检测

深厚淤泥区域274根工程桩基低应变检测137根(检测比例50%)，其中Ⅰ类桩120根，Ⅱ类桩17根，Ⅰ类桩占比87.6%，经第三方检测，深厚淤泥区域内桩基成桩质量可靠；开挖后，未出现大桩头现象，桩身外观观感质量良好。

6.2 效益分析

振动锤下沉10.0m钢护筒配合旋挖钻机成孔工艺解决流塑淤泥层桩基188根，10.0m钢护筒+优化操作方式、改善泥浆性能、改进钻头结构施工工艺成功解决流塑淤泥层桩基71根(自护筒底部以下开始计量淤泥厚度，淤泥厚度不超过5.0m)，振动锤下沉10.0m钢护筒+护筒跟进至淤泥层底以下1.0m施工工艺解决深厚、底部动水淤泥层桩基15根。

首选10.0m钢护筒配合旋挖钻机成孔施工工艺比全护筒跟进淤泥质层工艺，节省护筒焊接、跟进、起拔时间，能较快地提高施工功效，且能较好地解决浅层流塑淤泥质土成孔难题；15m深度范围内淤泥质土层，采用10m钢护筒屏蔽防护+优化操作方式+底部改善泥浆性能+改进钻头结构，能够保持护筒底部一定范围内淤泥质土应力平衡状态，抑制淤泥向桩孔的流动趋势，保证旋挖钻进成孔率，成孔后后续工序的快速跟进，顺利完成浇筑过程，可以较好地解决较深层流塑淤泥质土成孔技术难题；对于深层淤泥，采用全钢护筒跟进施工工艺，穿透高流速淤泥层，与周边地质环境形成隔离空间，可以快速成孔，在一定程度上增加费用开支，确为解决深厚高流塑动水淤泥层的可取施工工艺。

6.2.1 经济效益

海赋尚城桩基项目综合施工工艺的应用，成功解决了深厚淤泥层的施工技术难题，将淤泥土层范围内的274根钻孔灌注桩由原充盈系数1.50控制在1.20范围内，节省超灌混凝土819.07m3(桩径700mm×700mm×3.14/4×平均孔深26m×超灌系数0.30×273根=819.07m3)，节省开支约19.27万元(混凝土市场价380元/m3，改进工艺支出11.85万元，819.07m3×0.038万元/m3-11.85万元=19.27万元)，取得可观的经济效益，并在建设单位的要求工期内完成施工任务。

6.2.2 社会效益

10m钢护筒配合旋挖钻机成孔+局部辅以优化操作方式/护筒跟进施工工艺，缓解项目施工现场电力不足的问题，规避了动力电缆带来的安全隐患，节约发电机施工消耗的大量柴油，起到节能减排的作用；旋挖钻机通过钻头旋挖取土，通过钻杆将钻头提出孔外卸土，旋挖钻机使用泥浆仅仅用于护壁而不用于排渣，泥浆经沉淀和除砂可以循环使用，降低排污费用，环保特点突出，提高文明施工的水平；旋挖钻机自动化程度高，成孔速度快、时间短，为后续工序施工赢得了宝贵时间；10m钢护筒的下设比全护筒跟进节省开支，能较好地控制成本，避免资源的浪费，较浅护筒的导向作用更能够起到屏蔽淤泥，加之优化泥浆能更好地起到护壁效果，成孔率高，具有一定的社会效益。

7 结语

10m钢护筒配合旋挖钻机成孔+局部辅以优化操作方式/护筒跟进施工工艺在南京海赋尚城桩基工程施工中的成熟应用，为以后类似工程的施工提供了可借鉴的经验，适用于滨海区、内陆河流三角洲、湖泊沉淀区等深厚流塑淤泥层，成功解决了缩颈、吸钻、塌孔、超方等技术难题，克服了过去在塌孔位置补灌混凝土重新造孔的弊端，比旋挖钻机全护筒跟进技术成本低，比纯优化工艺改善泥浆性能成孔率高，经济效益显著。

一般而言，针对深厚流塑淤泥层，采取一定深度的护筒下设，加之优化操作方式、改善泥浆性能、改进钻头结构是现场解决问题的主要思路，只要选择好可行的施工工艺，并加以综合、灵活运用，便可做到技术可行，经济利益的最大化。本工法自动化程度高、施工进度快、成本相对较低、尘土泥浆污染小、安全隐患可控、弥补前期动力电源不足难题，是一种行之有效的旋挖成孔方法，特别在城市密集建筑群内深厚流塑淤泥层桩基施工中具有广阔的应用前景。