旋挖钻在富水厚砂层桩基施工中的应用探索

杨建明

（中铁二十四局集团安徽工程有限公司，安徽 合肥 230012）

目前，我国桥梁施工都广泛地应用了钻孔灌注技术，但是，在一些砂层比较厚且地下水丰富的地区，传统的处理方法不仅不具有经济性，而且施工效率也比较低，且施工质量难以有效得到保证，所以，在现阶段的富水厚砂层桩基施工中，应该采用旋挖钻，从而进一步提高施工效率。

1 工程概述

济南至徐州高速公路济宁至鱼台（鲁苏界）段第三合同段有特大桥1254m/1 座，大桥1059m/2 座，分离立交桥789.12m/2 座，先后跨越河流3 次。其中，洙水河特大桥引桥采用简支转连续箱梁与现浇预应力混凝土箱梁组合结构，主桥采用55+90+55 米单箱单室预应力混凝土连续梁，下部结构采用空心矩形桥墩，基础采用1.8 米灌注桩加承台，引桥上部结构采用预制小箱梁，下部结构采用盖梁接墩柱，采用1.6 米灌注桩基础，全桥共有桩基224 根，桩径分布为1.6m、1.8m，共计10320 延米。

工程项目所在区域地质下部为砂质黏土层和未胶结的砂砾层，上部为不渗水的砂质土，近地表沉积多为河滩淤积和冲积层。设计桩基先后多次交替穿越黏土层、粉质黏土层、粉砂层、细砂层和中粗砂层，砂层厚度超过7m，尤其主桥直径1.8m 桩基桩长超过60m，在通航河道附近，且多次穿过砂层，给桩基成孔施工造成较大影响。当地降水分布在时间上高度集中，降水集中在6 ～9 月，占全年降水量的73%，区内年平均年降水量为630mm。工程项目区域处于稻田产区，地表为粉质黏土，下有砂层，且含水量较大，也给桩基成孔施工造成较大影响。

2 富水厚砂层桩基施工钻机机型选择

考虑本工程桩基工程量较多、施工难度大、工期紧，在选择机型时，进行了综合的比选。循环转与旋挖钻相比，循环钻成孔时间比较慢，其沉渣比较多，在清孔过程中极易发生局部塌孔，且扩孔系数较大。而旋挖钻成桩速度更快，孔壁更加光滑，钻渣比较少，对周围生态环境的污染也比较小，尤其是钻进速度，更是循环钻的2 ～3 倍，成孔效率更高，因此，本工程选择了XR280D 型旋挖钻。

3 旋挖钻在富水厚砂层桩基施工中的施工工艺

通过对桩基进行试桩施工，对进入砂层时的护壁泥浆稠度、钻进速度等因素进行了总结。

3.1 钢护筒加工

钢护筒的直径大于桩身直径25cm，埋设后护筒顶高于地面不少于30cm。它的主要作用是固定桩位、引导钻头方向、隔离地表水、保证桩孔内水位高度、保护井口不坍塌。由于地表水含水量较大，且为粉质黏土，为了保证井口不坍塌，根据桩位的地质情况，加长了钢护筒长度，采用长度不少于4.6m 的钢护筒。

3.2 泥浆制备

泥浆护壁是利用泥浆的静水压力在孔壁上形成一层泥皮，保护孔壁的稳定，防止孔壁坍塌。如果钻孔中的泥浆比重过小，形成的泥皮较薄，容易造成孔壁坍塌；如果泥浆的比重过大，形成的泥皮过厚，影响钻进速度，也会给清孔造成困难。针对本项目地表含水量大、砂层地质复杂等情况，泥浆制备如下：

（1）采用优质不分散、低固相、高黏度的膨润土制备泥浆进行护壁。因为膨润土泥浆具有相对黏度好、泥皮薄、密度低、固壁能力高的特性，与黏土相比，其造浆率更高，并且还具有回转阻力小、稳定性强以及钻进率高等优势。

（2）在开钻前一天进行泥浆的配置，确保膨润土能够得到充分的溶解。每立方米选用膨润土量的计算公式为：m=ρ1(ρ2-ρ3)/(ρ1+ρ3)

式中，ρ1表示膨润土的密度；ρ2表示所需泥浆的密度；ρ3表示水的密度。

（3）对泥浆的各项性能进行试验，不同土层中泥浆的性能指标为：黏土层，泥浆密度要控制在1.05 ～1.15g/cm3，黏度要控制在18 ～22Pa·s；容易坍塌的砂层，泥浆密度要控制在1.2 ～1.4g/cm3，黏度要控制在21 ～28Pa·s；泥浆的酸碱度pH 严格控制在8 ～10。在旋挖钻进过程中，随时监测泥浆的各种性能指标，同时，根据钻进的地质情况及时调整泥浆的各项性能技术指标，以保证旋挖成孔质量。

3.3 成孔施工

开钻前，检查钻头连接是否牢固、钻头直径等情况，要确保钻机工作平台平整稳固。同时，复核桩位，确保钻头对准桩孔的中心。

在钻进过程中，要确保钻杆的垂直度，这也是确保成孔切斜度的关键。钻进过程中，要密切关注孔内水头高度，护筒顶高出地下水位2m，使之产生对孔壁有渗流的压力，起到稳固孔壁的作用，如果孔内水位不够，对孔壁压力过小，易造成塌孔。同时，必须时刻观察土层的变化，只有采取合适的速度，才能够确成孔质量。如果速度过快，尤其是砂层，会造成塌孔。钻进过程中，根据地质情况调整钻进的速度，进入黏土层，钻进速度控制在不超过5m/h；进入砂层时，则减慢钻进速度，钻进速度控制在不超过3m/h，并适当增加泥浆比重及黏度。当钻进的距离与设计的标高相差30cm 时，则停止钻进，确保泥浆中所含有的砂子能够沉淀到孔的底部，再将钻渣及沉砂一同钻出，这样也能起到清孔的作用。

3.4 成孔检测

成孔之后，采用超声波检测仪进行成孔质量检测，主要检查成孔的孔径、垂直度、孔深、孔底的沉渣厚度，数据相对比较准确。

3.5 清孔

采用直径30cm 的钢导管，待导管密闭性试验合格后方能安装进行清孔。清孔的过程中，必须注意保持孔内的水头高度，确保泥浆的各项指标，避免塌孔。在灌注混凝土前，应再次检查孔内泥浆的各项技术指标和孔底的沉渣厚度，若桩底的沉渣厚度不满足要求时，应进行二次清孔，待各项技术指标检验合格后，方能进行水下混凝土灌注。清孔后的成渣厚度要求：桩径1.8m 沉渣厚度≤30cm，桩径1.6m 沉渣厚度≤20cm；泥浆相对密度：1.03 ～1.10，黏度：17 ～20Pa·s，含砂率：＜ 2%，胶体率：＞98%。

3.6 灌注混凝土

水下混凝土的灌注应该连续灌注，灌注时间不得超过首批混凝土的初凝时间。水下混凝土要具有良好的和易性和流动性，坍落度控制在180 ～220mm。混凝土到达现场检测其塌落度，不符合要求时不得使用。

图1

计算首批混凝土量后，要保证导管埋入混凝土内不少于1 米。首盘砼数量按以下公式计算得出：

V ≥（H1+H2）×3.14×D2/4+h1×3.14×d2/4

V 为首批混凝土数量；D 为桩径；H1为桩孔底至导管底端间距；H2为导管初次埋置深度；d 为导管内径；h1为桩孔内混凝土达到埋置深度H2时，导管内混凝土柱平衡导管外压力所需要的高度（m）。

灌注混凝土前，检查导管离孔底的高度，控制在40cm 左右，待封底混凝土灌注后，及时测量孔内混凝土面的高度。混凝土连续灌注，在浇筑过程中导管埋深控制在2 ～6m 范围内，导管埋深通过测锤测量，并根据灌注的混凝土数量进行校核。混凝土浇筑速度不能太快，会造成钢筋笼上浮。当混凝土灌到设计桩顶标高后，再超灌50 ～100cm，以确保桩顶混凝土质量。

3.7 质量检测

施工过程中，详细地记录每根桩的实际施工详情，将混凝土的试件留置好，做好资料的整理，对桩基的完整性以及桩端的承载力进行检测。

4 结语

综上所述，对于一些黏土、砂层以及砂性土等土质地层桩基施工，应该优先使用旋挖钻。在实际使用的过程中，要做好泥浆制备，控制钻机的钻进速度等情况，提高施工的效果，促进我国建筑行业的发展。