浅谈全套管旋挖扩大头灌注桩施工工艺

李 陈

(福建省东辰建设工程集团有限公司， 福州 350005)

旋挖钻机具有成孔工效快，污染小等优点；但在厚砂卵石等复杂地层中进行旋挖成孔施工，常会出现孔壁坍塌、施工进度慢、混凝土超灌、沉渣难控制等现象，若处理不当,不仅会造成施工困难,有时还会引发孔内各种事故,导致钻孔报废。随着我国建筑事业的不断发展,在一些复杂地层中施工的项目日益增多，对单桩承载力要求越来越高，有些项目设计要求必须穿过复杂的砂卵石地层进入下部持力岩层。因此解决在厚砂卵石复杂地层扩大头的施工问题,有利于完善提高灌注桩的成孔技术水平，对提高工程的经济效益和社会效益具有重要的意义。

1 工程概况

漳州某项目二期工程位于漳州旧花山溪的干涸河道上，项目设计有4栋地面31层的高层建筑，建筑总面积91 732.5 m2,一层地下室建筑面积约10 563.4m2,桩基采用灌注桩基础，设计直径为1.0 m和1.1 m两种，持力层进入碎块状强风化花岗岩不小于1.5m，设计桩端扩大头直径分别为1.6 m和1.7 m，,桩长42～46m，单桩极限承载力为14 200和16 000kN，共245根桩。根据地质勘查报告显示易坍塌的砂卵石层全场分布，层厚12.0～24.1m，由于砂卵石多、粒度大、硬度高，且含有大量的中微风化孤石；另外项目所在区域地下水丰富，水位高。

2 工程地质条件

2.1 地层

场地内岩土层自上而下简述如下。

①杂填土：为人工堆填，干～稍湿，结构松散，含生活垃圾和建筑垃圾，堆填时间为1～3a，未完成自重固结，工程地质性能差；层厚0.60～6.50m。

②粉质黏土：为第四纪全新统冲洪积成因，干～稍湿，主要为粉粘粒，稍有光泽，无摇震反应，干强度中等，韧性中等，局部土质软硬不均。含部份石英质砂，局部含砂较高，呈软塑～可塑状态,层厚1.20～3.60m。

③粉砂：为第四纪全新统冲积成因，稍湿～饱和，稍密状，矿物成分以长石、石英及云母为主，颗粒形状为次圆粒状及针片状，磨圆较差，颗粒组成以粉细砂为主，其中粉粘粒含量约占15.1%～31.0%，细砂约占30.6%～41.5%，中砂约占19.8%～25.3%，粗砂约占10.8～18.6%，含有少量的砾砂,厚度0.90～3.40m。

④卵石：为第四纪冲洪积成因，含少量石英砂，呈稍湿～饱和，以中密状态为主，局部稍密、密实状态。卵石约占56.1%～66.2%，砾石约占6.2%～9.2%，粉粘粒约2.7%～17.1%，余为充填的各粒径砂，卵石成分主要为中～微风化花岗岩、石英砂岩，全场分布分选差，粒径一般20～60mm，最大约100mm；层厚11.40～19.50m。

⑤残积黏性土：残积成因，花岗岩完全风化形成，原岩组织结构全部破坏，风化成土状无摇震反应，干强度中等韧性低，本层属特殊性土，遇水易软化、崩解的特性，自上而下土质变硬，可塑～硬塑状态；全场分布，层厚5.10～14.30m。

⑥全风化花岗岩：花岗岩风化形成，风化完全，局部见有大小不一的球状风化体分布；岩体基本质量等级为Ⅴ级，泡水易软化、降低强度；自上而下风化减弱，与下伏层呈渐变关系；全场分布，层厚4.40～12.00m。

⑦散体状强风化花岗岩(γ5)：花岗岩风化形成,灰黄或灰白色，风化强烈，岩体基本质量等级为Ⅴ级；揭示层厚3.05～11.70m。

⑧碎块状强风化花岗岩：灰黄色、风化强烈、裂隙发育，原岩结构已部分风化破坏，岩芯多呈碎块状及少量短柱状，岩体基本质量等级Ⅴ级,层厚5.3～13.20m。

⑨中风化花岗岩：灰白、灰黄色，原岩组织结构部份破坏，风化中等，块状构造，岩石较坚硬,层厚4.70～11.70m。

⑩微风化花岗岩：灰白色，少量风化裂隙，为中粒结构块状构造，岩石较坚硬,层厚2.50～7.10m。

2.2 地下水

拟建场地地下水动态变化主要受季节性控制，天然条件下，地下水总体由北向南排泄，地表水和地下水未受污染；勘察期间测得场地各钻孔中地下水初见水位1.40～8.70m,混合稳定水位埋深1.20～8.60m。

3 施工工艺

3.1 工艺原理

全套管回转钻机是由钻机卡盘的竖向油缸驱动径向夹持套管体，使套管进行360°连续回转的同时下压或起拔套管，套管受回转扭矩、轴向压拔力、径向夹持力的共同作用，通过卡盘夹持套管使套管实现回转和压拔，经过套管柱的传递把轴向压拔力和回转扭矩传递给套管靴(即套管钻头)，使钻头切削土层或岩石，不断压入套管，利用套管的护壁作用，用旋挖钻机将套管内土体掏出的一种新型施工方法。在套管回转过程中，为防止机身跟着套管一起回转而配备专用的反扭矩锁将机身卡紧，在设备的工作能力范围内驱动装置可以任意调节套管的回转扭矩、回转速度、压入力以及夹紧力，回转速度设有高、中、低三档速度，可以根据套管直径、地质条件以及扭矩的变化情况等来选择最适宜的回转速度；水平调整油缸采用专用的液压回路，所以在套管回转时也可以调整其垂直度。

3.2 工艺优点

①污染小、无振动；②全套管护壁成孔直径标准，避免了塌孔和砼超灌现象，充盈系数小，节约砼的使用，成桩质量高；③工效快，土层中可达14m/h，对可能出现的孤石，也可以利用高强刀头切割通过，达到全套管护壁的效果；④钻进深度大、根据地层情况，最大作业深度可达100m以上；⑤成孔垂直度便于掌握，垂直度可以精确到1/500，但，也存在提升行程较短、套筒钻进速度慢、对施工场地硬化要求高等缺点。

3.3 工艺流程

测量放样—钻机就位—放置钢套管钻机驱动钻进—旋挖机掏土—钢套管沉入设计孔深—扩底—吊放钢筋笼—气举反循环清孔—灌注混凝土—设备移位下一桩施工—2d后压注浆，具体施工流程如下图1所示。

①路基板定位。利用路基板孔中心对准桩位中心。

②放置钢套管钻机驱动钻进。定好桩位以后，用回转钻机驱动钢套管进行钻进施工，使用壁厚50 mm内径不小于设计桩径的钢护筒，在钻进第一节带套管靴的套管后，用吊机吊起另一节套管，与钻入地下的套管进行连接，套管采用内螺纹高强度螺栓进行连接，然后继续钻进施工。施工过程中要严格控制套管的垂直度，满足规范要求(图2、图3)。套管进场前对其进行校直，确保工程桩施工垂直度；成孔过程中桩的垂直度监测和检查。

③旋挖机掏土。套管下到位后需要用旋挖机进行掏土和嵌岩作业，回转钻机驱动套管钻进和旋挖取土钻进这两种工艺要交替进行，直到钻进至设计孔深满足设计要求后，钻进工作完成。钻渣土要及时运出工地，渣土弃运要按照环保要求运到规定的地点。

图1 工艺流程图Figure 1 Technological flow

图2 全回转钻机工人接钢套管Figure 2 Full rotary drilling rig workers connecting casing

图3 全回转钻机下钢套管Figure 3 Full rotary drilling rig lowering down steel casing

④扩底钻进 。进入符合设计要求的地层后，按照设计扩大头要求进行扩底作业。将扩大头钻头可靠连接在旋挖主动钻杆上缓慢放下孔内进行扩大头施工，其扩底钻头的张开翼的张开度应事先在地面上进行调试，便于扩孔时控制，并检查扩底钻头的连结是否可靠、收张是否灵活。扩底钻进采用低速回转参数，扩底完成后，钻头在原位回转收起张开翼后方可提钻。扩底钻头见图4所示。若扩孔时遇到坚硬孤石旋挖机扩不动时，则需继续往下钻穿孤石后方能扩底。若扩孔时遇到坚硬孤石时，扩孔桩径无法达到设计要求，应通知监理、设计单位和业主，商议确认后方能进行下步工序施工。

图4 扩底钻头示意Figure 4 A schematic diagram of bottom reamer

⑤气举反循环清孔。由于该工程地下水水位较高(地面下约4m)，灌砼导管下好后利用气举反循环在导管混合器内形成负压把孔底的沉渣和泥浆水通过导管循环到孔口，并不断向孔内补充稀泥浆，保持孔内水位平衡压力，避免孔壁坍塌；孔底沉渣清理干净后立即灌注混凝土。该清孔法具有清渣速度快、效果好、降低施工成本等优点。

4 施工中的问题及处理方法

①垂直度纠偏。在成孔中若发现垂直度偏差过大，直接利用钻机的两个顶升油缸和两个推拉油缸调节套管的垂直度达到纠偏的目的；若利用钻机油缸纠偏无效时将套管拔出用粘土回填夯实后重新校正，或者根据实际地质情况在原桩位周边引孔。

②遇到地下障碍物的处理。在施工过程中若遇到一些较大卵石或小孤石等障碍物，可以直接抽干套管内积水后人工下去进行清除；若遇较大孤石先用冲锤打碎后再用冲抓掏出；若遇岩层时，使用旋挖机进行嵌岩施工。

③防止孔壁坍塌。本桩基工程的持力层为碎块状强风化花岗岩，为了防止孔壁坍塌，在进行扩大头施工时需要使用泥浆护壁，由于本工程地下水水位较高且存有粘土层，在施工中加入清水具有自然造浆性能，泥浆比重一般控制在1.2-1.3之间，若自然土层造浆不足可以加入粘性土或膨润土进行造浆调节泥浆比重，泥浆起到平衡土压力的作用，施工时应保持护筒内的液面高度以达到平衡土压力的作用，防止扩大头部分孔壁坍塌。

5 施工效果

①较大地缩短施工工期。经过统计比较，该项目一期工程中完成一根桩的综合时间为36.8h，而二期完成一根桩的综合时间为19.8h，施工完成一根桩的综合时间可以节省17h，则二期245根桩基工程全部完成可以缩短工期174天。

②成孔质量好。采用全套管隔离松散易塌的砂卵石地层，避免了塌孔、埋钻等现象，也确保了桩端扩大头的顺利进行，减少材料的使用并保证了桩基的质量。

③桩基质量更加优良。桩基经过静载、低应变、声波透射检测试验结果均满足设计及规范要求，质量达到优良标准，本桩基工程共抽取12根桩进行静载试验检测，其中最大沉降量为19.82mm，最小沉降量为10.6mm；全部桩基进行低应变检测，其中Ι类桩233根占95.1%，Ⅱ类桩12根占4.9%；共进行超声波检测40根，其中Ι类桩38根占95%，Ⅱ类桩2根占5.%；桩基最大偏位小于100 mm；相比于一期桩基工程所采用的液压振动锤旋挖钻孔灌注桩工艺施工结果的静载试验的最大沉降量35.4mm、最小沉降量18.6mm的静载试验等检测结果质量更加优良。