华东地区超厚砂层旋挖桩施工技术

曹景全

1 概述

近年来，旋挖钻成孔施工工艺以其低噪音、低振动、钻进速度快、施工现场内移动就位方便、垂直度易于控制、施工占地面积小等优点得到广泛推广，尤其在市政工程和施工工期较紧、临近既有建筑物及较厚砂层地区应用较多。

在华东地区进行旋挖钻孔灌注桩施工，不可避免地要穿越中间超厚砂层。这不仅需要控制钻进过程中达到进尺速度，保证桩基工程钻进过程中的质量，还须妥善地解决成孔以及下放钢筋笼、混凝土浇筑过程中可能遇到的扩孔、塌孔、夹渣、超灌、成桩质量差等问题。因为东站房紧邻高铁线路既有线及1#牵引变电所，必须有效防止由于塌孔等原因对既有线及1#牵引变电所造成不良的影响。

中铁建工集团在杭州南站进行旋挖钻孔灌注桩施工过程中形成了华东地区超厚砂层施工经验。由于在处理地层与成桩关系、桩基施工对高铁既有线及既有建筑物变形影响方面成效显著，成孔钻进、泥浆制备及控制两个环节采用有针对性的先进技术，避免出现扩孔、塌孔、夹渣、超灌等质量问题，故有明显的社会效益和经济效益。

2 工程概况

杭州南站位于杭州市萧山区中部，是杭州枢纽内重要的客运站。杭州南站规模为7台21线，设东西广场，以东广场为主，西广场为辅，采用高架候车。

其中，站房建筑面积 47456㎡，站台雨棚 32014㎡，通廊 8300m2、站台42210㎡。地下一层、地上二层，建筑高度为27m；钢筋混凝土框架结构，最大跨度为24m。屋盖结构形式为双向平面钢桁架，顺轨向最大跨度42m，垂轨向最大跨度35.575m。

东站房桩基工程采用旋挖扩孔灌注桩施工工艺成桩，桩长最长为61.5m，桩底最深处位于地面以下78.5m。施工区地层为砂和粘土互层结构，砂层均呈松散状态，且层厚达到10m，砂层最大标准贯入击数56击，粘土层最大标准贯入击数25击。大部分桩穿越深度较厚的砂层。在厚砂层中采用旋挖钻孔工艺施工要冒相当大的风险，若控制不当易发生扩孔、塌孔、夹渣、超灌、成桩质量差等问题。必须防止旋挖钻孔过程中出现上述质量问题，保证桩基施工质量和高铁既有线及1#牵引变电所的安全。

3 技术特点

（1）旋挖钻机在砂层中成孔难度大，必须选择合适的钻斗、钻压和钻速。旋挖钻机在砂层中钻进，普通钻斗经常会“跑空”，提钻时无法将砂土有效取出。经过与厂家及有经验的施工工人的探讨研究，决定采用改进的捞砂式封底钻斗（图1）。利用捞砂式封底钻斗，结合提钻速度的控制，能有效地取出桩孔中的砂土，从而大大提高了桩基成孔的速率。

（2）采用依据不同土层采用不同的钻压和钻速的钻进方法。旋挖钻机启动后，初始采用低速钻进，主卷扬机钢丝绳承担不低于钻杆、钻斗质量之和的20%，保证孔位不产生偏差。

（3）提钻下钻速度控制：钻斗提升时，泥浆在钻斗与孔壁之间流速加快会冲刷孔壁，有时还会在孔内产生负压，遇松散砂层极易塌孔，因此必须控制提钻和下钻速度，应以慢速、匀速提升和下放。本工程钻斗升降速度控制在0.6 m/s 以内。

4 施工工藝流程

4.1 施工工艺流程

由工艺流程图可知，当钻孔灌注桩采用旋挖成孔时，由于钻斗需要多次上下往复作业摩擦孔壁，加之松散的砂层较厚，容易发生扩孔、塌孔、夹渣、超灌事故，因此在钻孔过程中，要制备符合性能指标的高质量泥浆，同时要及时补充泥浆护壁，以确保孔内水头压力，防止扩孔、坍孔等现象的发生。

4.2 操作要点

（1）合理布置施工现场，清理场地内影响施工的障碍物，低洼处用粘土回填，达到“三通一平”，挖好泥浆循环池。

（2）钻孔前使用全站仪采用逐桩坐标法施放桩位点，放样后四周设护桩并复测，误差控制在5mm以内，待甲方或监理验收合格后方可进行成孔施工。

（3）设置护筒：根据桩位点设置护筒，护筒的内径应大于钻头直径200～300mm，护筒位置应埋设正确稳定，护筒中心和桩位中心偏差不得大于50mm，倾斜度的偏差不大于1%，护筒与坑壁之间应用粘土填实。施工中，护筒的埋设采用旋挖钻机静压法来完成。首先正确就位钻机，使其机体垂直度、钻杆垂直度和桩位钢筋条三线合一，然后在钻杆顶部带好筒式钻头，再用吊车吊起护筒并正确就位，用旋挖钻杆将其垂直压入土体中。护筒埋设后再将桩位中心通过四个控制护桩引回，使护筒中心与桩位中心重合，并在护筒上用红油漆标识护桩方向线位置。护筒的埋设深度：在粘性土中不宜小于1m，在砂土中不宜小于1.5m。护筒应高出地面20～30cm，随即注入泥浆，并应保证孔内泥浆液面高于地下水位1m以上。

（4）钻机就位：钻机就位应保持平稳，不发生倾斜、位移，钻头对准孔位开启电机进行开孔。经研究决定采用改进的捞砂式封底钻斗。利用捞砂式封底钻斗，结合提钻速度的控制，能有效地取出桩孔中的砂土，提高桩基成孔速率。旋挖钻机底盘为伸缩式自动整平装置，并在操作室内有仪表准确显示电子读数，当钻头对准桩位中心十字线时，各项数据即可锁定。钻机就位后钻头中心和桩中心应对正准确，误差控制在2cm内。

（5）泥浆制备：基于旋挖成孔自造浆能力差的缺点，必须人工造浆并及时补充孔内以维持孔壁稳定。考虑到砂层稳定性差，人工造浆选用优质钠质膨润土为原料，并掺人适量的纯碱及羧甲基纤维素配制而成。纯碱可增大泥浆PH 值至8～10，加速膨润土颗粒分散，增强土水化作用，提高泥浆胶体率和稳定性，掺入量为膨润土的0.3%～ 0.5%。纤维素可使孔壁土表面形成薄膜防止孔壁剥落，降低失水量，提高粘度，掺入量为膨润土的0.05%～ 0.1%。

①泥浆指标控制

泥浆性能的优劣直接影响成孔、成桩质量，因此对泥浆指标的控制格外严格。工地上设专人对泥浆进行粘度、相对密度、含沙率测试，并记录下来，当泥浆指标达不到表内规定时，及时调整泥浆指标。

②入孔泥浆指标

静态泥浆在成孔过程中起护壁及固孔2 个作用，泥浆过稠，影响钻进速度，泥浆过稀，孔壁易坍塌，泥浆含砂量大，孔底沉渣太厚。本工程地下水位高，中砂层最大埋深64.4m，护筒埋深6.5 m，中砂层有10.6 m高度靠泥浆压力维持孔壁稳定，由于该砂层埋深较深，泥浆产生的液注压力大，初始泥浆宜采用高相对密度，而后根据实际情况调整。

（6）旋挖钻进：采用依据不同土层采用不同的钻压和钻速的钻进方法。当钻机就位准确，泥浆制备合格后即开始钻进。旋挖钻机启动后，初始采用低速钻进，主卷扬机钢丝绳承担不低于钻杆、钻斗质量之和的20%，保证孔位不产生偏差。钻进时每回次进尺控制在60cm左右，刚开始要放慢旋挖速度，注意放斗要稳，提斗要慢，特别是在孔口5～8m段旋挖过程中要注意通过控制盘来监控垂直度，如有偏差及时进行纠正，且必须保证每挖一斗及时向孔内注浆，使孔内水头保持一定高度，以增加压力，保证护壁质量。

在粘土中钻进时，考虑到粘土塑性好、土质硬、稳定性好，采用中等压力高档钻速钻进，每钻进尺控制在60cm左右。砂层钻进时由于砂土稳定性差，土体经扰动后易塌孔，采取低速增压钻进，每钻进尺深度控制在40cm以内，并加大泥浆泵入量，减小对土体的扰动以防坍孔。在软硬土层交界处注意控制钻速和钻压，并采用二次复钻扫孔，避免产生孔斜。

提钻下钻速度控制：钻斗提升时，泥浆在钻斗与孔壁之间流速加快会冲刷孔壁，有时还会在孔内产生负压，遇松散砂层极易塌孔，因此必须控制提钻和下钻速度。本工程钻斗升降速度控制在0.6 m/s 以内。

（7）清孔：钻进至设计孔深后，将钻斗留在原处机械旋转数圈，孔底虚土尽量装入斗内，起钻后需对孔底虚土进行清理。一般用沉渣处理钻斗来排出沉渣，若沉淀时间较长，应采用水泵进行浊水循环。

在多砂、厚砂地层中施工，由于旋挖工艺泥浆不参与循环排渣，砂粒会混入泥浆中，且桩径大、桩孔深，成孔时间长（22～25 h），终孔后泥浆含砂率及沉淀均会出现不同程度超标。

（8）钢筋笼制作應符合设计要求，钢筋笼存放场地应平整，钢筋笼应先进行隐蔽工程验收方能下放，下放时应保证钢筋笼顺直，严禁摆动碰撞孔壁，就位后焊制定位钢筋。

（9）钢筋笼下放至设计深度后，立即安装混凝土灌注导管，避免导管与钢筋笼碰撞，遇导管下放困难应及时查明原因。导管一般由直径为200～300mm的钢管制作，内壁表面应光滑并有足够的强度和刚度，管段的接头应密封良好和便于装拆。

（10）二次清孔：将头部带有1m长管子的气管插入导管内，气管底部与导管底部最小距离2m，压缩空气从气管底部喷出，如能使导管底部在桩孔底部不停的移动，就能全部排出沉渣，对深度不足10m的桩孔，须用空吸泵清渣。灌注混凝土前的孔底沉渣厚度应满足要求。

（11）灌注水下混凝土：配制的混凝土强度等级必须满足设计要求，并应具备良好的和易性。开始灌注混凝土时，为使隔水栓顺利排出，导管底部至孔底的距离宜为30～50cm，使导管一次埋入混凝土面下1.0m以上，灌注过程中导管埋深宜为2～6m，严禁将导管提出混凝土面，设专人测导管埋深及管内外混凝土液面高差。混凝土必须连续灌注，灌注的桩顶标高应预加一定的高度，一般应比设计高出50～100cm，预加高度可于基坑开挖后凿除，凿除时候应防止损坏桩身。

5 质量保证措施

（1）钢护筒埋设：护筒既保护孔口壁防止坍孔，又是钻孔的导向，因此护筒的垂直度要保证不得大于施工技术规范要求。为防止漏浆以维持孔内泥浆液面，护筒周围土要夯实，采用粘土封口。在上层土质较差时，可将护筒加长至4～6m以提高护壁效果。在松散的杂填土层和流砂层成孔时，需加大泥浆比重，增加化学泥浆的粘度，提高泥浆的护壁效果。

（2）旋挖钻机在砂层中成孔难度大，必须选择合适的钻斗、钻压和钻速。旋挖钻机在砂层中钻进，普通钻斗经常会“跑空”，提钻时无法将砂土有效取出，决定采用改进的捞砂式封底钻斗。利用捞砂式封底钻斗，结合提钻速度的控制，能有效地取出桩孔中的砂土。

（3）对化学泥浆的要求：要根据土质情况选择合适的泥浆比重，一般应控制泥浆的比重在1. 10～1. 20 之间：一清：1.15～1.20，二清：1.10～1.15。粘度在18s～25s，含砂率小于6 %。当进入厚砂层后必须根据钻进实际情况，调整泥浆配合比。定期测试化学泥浆的各项技术指标，出现问题及时解决。

（4）孔底沉渣控制：旋挖钻斗的切削、提升土屑的机理与常见回转钻进的正、反循环成孔的切削、提升形式完全不同。前者是通过钻斗把孔底原状土切削成条状载入钻斗提升出土，后者是通过钻头把孔底原状土打碎由泥浆循环带出土面。前者底部面缓，钻至设计标高对土的扰动很小，没有聚淤漏斗，所以要加强化学泥浆的管理，控制固相含量，提高粘度，防止快速沉淀，还要控制终孔前几钻斗的旋挖量。

（5）复测孔深及泥浆比重：为保证灌注桩质量，浇筑混凝土前，一要检查孔底泥浆的比重是否小于1.10 ，否则采取换浆处理；二要检查孔的深度，判断有否孔壁坍塌现象，若有可用旋钻机清孔，达到设计深度后方可安装导管。

（6）对导管的要求：导管在使用前必须作水密承压试验和接头抗拉试验，确保接头严密，不漏水、不漏浆。导管上料斗的体积，由桩径、桩长和导管埋入混凝土中的深度来确定，料斗体积应大些为好，确保首批浇筑混凝土的埋管深度。

（7）浇筑混凝土要求：桩基水下混凝土应连续浇筑，中间不得停顿。由于桩内混凝土不能振捣，主要靠混凝土自重压密和混凝土流动成型，须控制好配合比、浇筑速度以确保混凝土质量，随时检查混凝土塌落度。由于混凝土浇筑到顶时残留泥浆会与混凝土混合，为确保桩头混凝土质量，实际桩顶标高应比设计标高高0.5m～1.0m ，最后机械破桩头处理。

6 结束语

以一台XR360旋挖钻机施工一根直径0.85米、桩长60m（入中风化）的桩基为例：

旋挖钻机施工：纯钻进成孔时间约16小时，钢筋笼焊接时间约3小时，下导管约2小时，混凝土浇注约2小时，合计用时约23小时。用水量约34m3，泥浆循环池大小约需43m3，不需另外征地。旋挖钻机施工承包单价约345元/米，施工内容包括清理平整场地、挖泥浆循环池、造浆、成孔、钻渣清理运输、焊接钢筋笼、辅助灌注水下混凝土、泥浆循环池整平处理。

回旋钻机施工：纯钻进成孔时间约48小时，钢筋笼焊接时间约3小时，下导管约2小时，混凝土浇注约2小时，合计用时约55小时。用水量约170m3，泥浆循环池大小约需215m3，需另外征地约0.17亩。回旋钻机施工承包单价约340元/米（自发电单价），施工内容仅包括造浆、成孔、焊接钢筋笼、輔助灌注水下混凝土，其他辅助工作全部由项目部负责。如采用承包施工内容与旋挖钻机相同，每延米需增加措施费约30元。

由此可见，旋挖钻机施工与常规回旋钻机相比可节省约25元/米，还能大大提高成桩效率，同时将工程施工由地面转入地下，避免了地面施工产生的大量场地占用，消除了对城市交通的严重影响，施工产生的振动、噪音、粉尘等公害也得到了最大限度的降低，减少了安全防护和环境保护方面的资金投入和安全生产隐患。社会效益和环境效益明显。

参考文献：

[1] 王永鹏，杨双锁，于洋等.漫谈地层深基坑稳定性特征机理及支护方案研究[J].施工技术，2016（19）.

[2] 袁钎，郑明新，吴刚.某深基坑工程坑中坑支护施工问题综合分析[J].施工技术，2016（17）.

[3] 潘巨忠，姚伟锋.某电厂旋喷桩施工对冷却水塔基础的挤土分析[J].施工技术，2016（7）.

[4] 刘建钊，史魏.复杂地质旋挖组合成桩工艺[J].施工技术，2014（S1）.

[5] 叶安福.浅谈成桩工艺与成桩质量[J].工程质量，1997（4）.

[6] 邹泓荣.从工程事故看桩型选择和成桩工艺.[J].广州土木与建筑，1995（1）.

[7] 杨静，张妮，韩麟.大直径现浇混凝土空心桩（筒桩）成桩工艺简介[J].科技信息，2011（24）.

[8] 吴廷杰.干振碎石桩成桩工艺及设计计算的研究通过技术鉴定[J].施工技术，1993（5）.