改进加强型长螺旋钻孔压灌桩在全岩地层中的应用

邓环宇

摘  要：该文阐述了改进加强型长螺旋压灌成桩工艺在全岩地层中的应用，比较分析3种可行成桩工艺的优缺点，确定采用改进加强型长螺旋钻孔压灌桩作为成桩工艺，介绍了钻机技术改进方法和手段，通过合理组织安排成孔及压灌混凝土施工顺序，解决了成桩过程中的潜在问题，拓展了长螺旋压灌工艺应用范围，此外，经实践总结，说明了应用工艺存在的不足之处以及需要改进的方向。

关键词：改进加强型长螺旋钻机;全岩地层;入岩成孔;压灌顺序调整

中图分类号：TU753        文献标志码：A

1 项目概况

该建设项目位于辽宁省锦州市滨海经济技术开发区，施工桩基为钢筋混凝土挡土墙底部桩基础，东西方向成条状分布。该桩基既作为顶部挡土墙基础，承受竖向荷载，该桩嵌入深部岩层中，还可起到抗滑桩的作用，此外在一侧土方开挖剥离后，通过锚索张拉施工辅助后，该桩基又可作为挡土桩。

设计桩径为φ800 mm，桩长3.5 m～8.2 m，分为钢筋混凝土桩和素混凝土桩，钢筋混凝土桩沿着墙体走向按1.2 m间距布置，素桩主要布置在建设场地东侧钢筋混凝土桩中间，与钢筋混凝土桩相互咬合对桩间土进行支护。

2 工程地质条件

施工场地地层从上到下分布的主要地层为素填土、砾质黏性土、风化花岗岩及砂岩地层，建设场地东侧区域，桩长范围内为砂质黏性土，黏性土呈棕黄色-砖红色，可塑-硬塑，干强度、韧性中等;建设场地其他区域在桩基施工前，表层第四系土及杂填土均已清除，因此桩基开孔钻进地层基本即为强风化花岗岩或者砂岩地层，岩石大多呈破碎状，节理裂隙发育，岩石强度差异性大，勘察取芯岩样单轴抗压强度分布在10.6 MPa～40 MPa。

施工期间，未见地下水，钻孔均为干孔。

3 成桩工艺选择

该建设项目桩基桩长较短，在项目实施前期，通过比选，拟确定3种可适应于该场地的成桩工艺，分别为冲击正反循环钻机成孔-水下混凝土灌注、旋挖钻机成孔-水下混凝土灌注、长螺旋钻孔压灌成桩，3种成桩工艺在该建设场地的适应性及优缺点分析如下。

（1）冲击正反循环钻机成孔-水下混凝土灌注成桩

冲击成孔灌注桩桩径一般为φ800 mm以上，管状或者实心锥头利用重力势能锤击破碎岩土层成孔。其优点是在各种地层中均可实现有效钻进，适应性强。缺点是施工速率慢，需要拌制泥浆冲洗液，污染严重，沉渣清理难度大，充盈系数相对较大，造价较高。

（2）旋挖钻机成孔-水下混凝土灌注成桩

旋挖钻机成孔工艺目前应用最为广泛，其可以通过更换专用钻头适用于各种地层，施工效率高，钻机自动化程度高，可在各种复杂场地内施工作业，辅助需求相对较少。缺点是成孔后，塌孔缩颈容易发生，尤其在软土地层中容易产生负压引起深层孔壁坍塌，必要时也需造浆辅助护壁，成桩质量不易保障，重大工程应用中，重点需关注沉渣厚度及桩体质量问题。

（3）长螺旋钻孔压灌成桩

传统长螺旋钻孔适用于在黏性土、粉土、沙土、填土、非密实的碎石类土以及强风化岩等地层中钻进成孔，施工效率高、振动小、噪声低、环境污染小，在压力灌注条件下成桩质量易于保障，缺点是只能在相对均质、松软的第四系岩土层钻进施工，尤其不适应于在相对坚硬地层中施工，应用范围有限，其自身的一些优点得不到发挥。

近年来，各种改进型长螺旋钻机的研制、开发及应用扩大了长螺旋钻机的适用范围，改进技术主要是从改进钻头及钻进形式，加大轴向压力，加大旋转扭矩等方面改进加强。该应用项目选用的改进加强型长螺旋钻机采用双直流动力电机提供动力，可提供250 kN·m扭矩，利用增设的加压卷扬装置最大可提供400 kN轴向压力以利于在岩石地层中破岩钻进，钻机钻头为锥形结构，钻头主体材料为高强钢材，耐磨性好，钻头螺旋状胎体外沿焊接钨钴硬质合金齿牙，进一步适应于高强岩石地层钻进，该型钻机在锦州市老城区基坑工程项目中成功应用，中等风化砾岩层最大钻进深度为3.7 m。

应用项目工期要求特别短，建设地点位于大型国有石油化工企业生产场地内，环保及安全要求标准为极高级别，综合考虑上述3种工艺的优缺点以及工艺对于现场条件的适应性，最终选用改进型长螺旋钻机作为该应用项目的成桩工艺。

4 成桩施工工艺流程

该应用项目全岩地层成桩工艺流程如下。

（1）桩孔位置测量放线定位后，为了减少桩位偏差，利用小型挖掘机破岩装置沿作业面点位凿岩开挖出一系列小型导向坑，引导钻头开孔钻进。

（2）钻机就位，破岩钻进达到设计桩长孔深，达到预计孔深后不立即压灌混凝土，而是继续按孔位排序钻进后续桩孔，完成的桩孔为保障安全，可立即用桩孔钻进过程中产生的岩屑回填，杜绝其他杂物掺杂其中被回填至桩孔内。

（3）待桩孔数量达到预定数量后（满足一定数量混凝土集中供应条件），安排钻机在已形成钻孔的桩位处再次钻进并超钻深度0.3 m～0.4 m，随后通过中空的钻杆向孔内压灌混凝土直至孔口。

（4）提出钻具，利用振捣下压方式下发安装钢筋笼。

5 项目实际应用中的初步尝试以及存在的问题

（1）该应用项目首次在全岩地层条件下选择改进型长螺旋钻机开展成桩作业，具有一定先导性，进一步验证了长螺旋压灌桩工艺在类似地质条件下的可行性及可操作性。

（2）为了减小全岩地层中桩位偏差，试验性地在钻机开孔钻进前开凿引导坑，通过现场实施验证，可在一定范围内保证孔位偏差。

（3）结合该项目中桩长相对较短，单桩混凝土需求量少，岩石地层钻进桩孔时间较长，并考虑长螺旋压灌工艺特点，该应用项目选择“集中钻进成孔，二次清孔压灌混凝土成桩”的施工工艺，即根据设计要求先行成批量钻进形成桩孔，在此期间不按根压灌混凝土，待桩孔混凝土需求量达到一定数量后，按桩位顺序再次钻进已形成管状孔洞的桩孔，随后压灌混凝土并振动安装钢筋笼最终成桩，经验证，该种成桩组织方式也具有一定开创性和可行性，可解决混凝土待时过长凝固造成堵管问题，此外混凝土可集中供给，利于与商砼站的配合协调组织工作。

该工艺在该应用项目中取得了一定成果，但在应用中也出现了一些不适应和需要改进的方面，主要有。

（1）锥形钻头在开孔钻进过程中，因岩石地层强度存在的差异性容易出现孔位偏差，钻头缺少有效导向结构装置，因此可进一步优化钻头结构构造。

（2）改进钻机采用直流电机作为主要动力来源，需配备复杂交变电流转换直流电装置，整机运行易受外部电源条件影响，此外复杂的电流转换集成电路及输配电线路自身也易出现问题，下一步需提高配电系统的自身稳定性及可靠性。

（3）钻机各部件均为自主定制研发产品，缺乏相关构配件配套，在单个部件损坏或者磨损后，需专门到相关加工企业加工定制，不利于工期保障，此外，在岩石地层中施工作业过程中，各主要部件承受很大的施工负荷时，象钻杆、钻头及动力头，钻机无有效自身保护系统，容易造成电机过荷线路烧毁，钻杆断裂，钻头过度磨损等问题，因此需开发一套有效的自保系統。

6 结语

传统长螺旋压灌成桩工艺其自身有很多优点，但适用范围有一定的局限性，尤其不适用于岩石地层中的应用，为拓展其应用范围，改进加强型长螺旋压灌成桩工艺被大胆地应用在全岩地层中的成桩作业中，通过调整成孔及压灌混凝土顺序，解决了混凝土待时过长凝固等问题，经应用项目的有效组织和顺利实施，验证了全岩地层中采用长螺旋压灌成桩工艺的可行性，为岩石地层中全螺旋压灌成桩工艺的应用提供了一个范例。

参考文献

[1]赵树强，李建功.长螺旋（气旋）钻机压灌桩在岩石地基中的应用[J].建材发展导向，2017（15）：66-69.

[2]刘守进.长螺旋钻机的发展趋势探析[J].技术应用，2014（3）：89-90.