大直径超深、超厚嵌岩旋挖灌注桩梅花形成孔施工技术

李耀良 陈益贵 黄 磊 罗云峰

上海市基础工程集团有限公司 上海 200002

随着我国各大城市新建建筑可利用土地面积的不断压缩，超高层建筑快速发展，越来越多要求在狭小区域内开发建设的建筑物拔地而起，随之对单桩承载力的要求也越来越高，大直径、超深、超厚嵌岩桩随处可见。

这类桩的施工，除依靠配套的大型旋挖机来保证所需的扭矩和嵌岩能力外，还需从力学角度进行施工技术优化。在大直径超深、超厚嵌岩桩施工中，如何确保将大型旋挖机产生的机械能最大限度转化为成孔进尺，减少无用功的出现，以期提高施工成孔效率，是值得深入研究和探讨的技术难题。

1 工程概况

金地中心桩基础工程项目位于深圳市南山区高新技术产业园南区，项目周长约562 m，规划设计为超高层写字楼、企业总部、特色商业及服务式公寓，基地占地面积44 370 m2，规划地上总建筑面积208 800 m2，建筑高度300 m，采用巨撑-核心筒结构。

1.1 工程地质情况

区域内地层自上而下可分为第四系地层、未分统的残积层、上白垩统地层、侏罗系地层、三叠系地层、石炭系地层、泥盆系地层等。除上述地层外，区内中生界岩浆活动极为强烈，花岗岩类的侵入岩及酸性-中酸性火山岩广布全区，此外，还常见有酸性、中性、基性岩脉。根据勘察结果，区域内分布的主要地层有：人工填土层、第四系海陆交互相沉积层、冲洪积层和残积层。下伏基岩为燕山晚期花岗岩，受区域构造运动影响，局部呈碎裂岩化，部分区域揭露辉绿岩脉。岩层从上至下依次为：⑤4中风化花岗岩，属较软岩，岩体较破碎～较完整，层厚0.50～21.30 m；⑤5微风化花岗岩，属较硬岩，岩体较完整，层厚0.70～9.60 m；⑥4中风化辉绿岩，属较软岩，岩体较破碎，层厚0.50～7.80 m；⑥5微风化辉绿岩，属较硬岩，岩体较完整，层厚2.46～8.36 m。

1.2 工程桩设计概况

工程桩设计主要有南、北2座塔楼桩以及裙房桩，其中，南、北2座塔楼钻孔灌注桩桩径为2 200、2 400、2 600、2 800 mm共4种，设计要求桩端持力层在微风化花岗岩或微风化辉绿岩脉，入岩深度0.5～2.0 m不等，桩基础设计等级甲级。

工程桩施工阶段基坑已局部进行土方开挖，其中北塔地面标高为-7.0 m，南塔地面标高为+2.0 m，成孔深度最深的为南塔ATZ6#桩，设计桩径为2.6 m，成孔深度达81.47 m；穿透中风化岩层最厚的为北塔BTZ34#桩，设计桩径为2.4 m，需要穿透中风化岩层厚度达17.3 m，另设计要求须嵌入微风化岩层1.5 m。南座塔楼平均成孔深度达68.4 m，嵌岩深度达6.0 m，其中还不包含强风化二代花岗岩以及中风化碎裂岩化花岗岩；北座塔楼平均嵌岩深度达7.0 m以上，将大直径超深、超厚嵌岩特性有效合一，对成孔技术和效率要求极高。

1.3 旋挖机设备

项目施工阶段同时投入了多种当前在国内使用的比较多的大型旋挖机，在先天条件上保证了大直径超深、超厚嵌岩旋挖灌注桩施工需要的超大动力和扭矩，以便于在常规工艺的基础上，能够对大直径超深、超厚嵌岩旋挖灌注桩的施工技术进行更深入的研究和优化，在提高成孔工效的同时，也为将来类似超高层建筑桩基设计和施工提供可靠的经验。

2 关键施工技术

2.1 常规大直径超深、超厚嵌岩桩施工技术

常规大直径超深、超厚嵌岩旋挖灌注桩的施工技术主要为“三刀切”[1-2]。基本工序（以2.6 m桩径为例）为：土层中使用φ2.6 m的捞渣斗进行进尺，直到进尺至效率变慢，一般成孔深度为50 m，到强风化夹中风化层时更换φ1.5 m捞渣斗继续进尺。在中风化夹层、中风化岩以及微风化岩中先使用φ1.0 m牙轮进尺、钻进至设计桩底标高；然后换φ2.2 m捞渣斗进尺至设计桩底标高（进尺较难时用φ2.2 m牙轮、筒钻）；最后使用φ2.6 m捞渣斗扩孔钻进至设计桩底标高（进尺至较难时用牙轮、筒钻）。通过变换不同规格直径的钻头，形成类似于“三刀切”的逐级扩孔、逐级钻进成孔的施工技术。

此技术为当前应对大直径超深、超厚嵌岩旋挖灌注桩的主流施工方法，利用常规的逐级扩孔原理，将原有的大直径旋挖灌注桩施工转化为小直径成孔施工，以期在应对超深、超厚嵌岩时，旋挖设备能够保证足够的动力和扭矩，实现大直径超深、超厚嵌岩旋挖灌注桩成孔的目的。

2.2 梅花形成孔大直径超深、超厚嵌岩施工技术

梅花形成孔大直径超深、超厚嵌岩旋挖灌注桩施工技术的基本工序（以2.6 m桩径为例）为：土层中使用φ2.6 m的捞渣斗进行进尺，直到进尺效率较慢；在中风化夹层、中风化岩以及微风化岩层中先使用φ2.6 m牙轮在孔内进尺1.0 m，即孔周边切断，再使用φ1.0 m筒钻（或岩石硬度大时使用φ0.8 m）梅花孔进尺（图1）。一般为3个孔，三角形状，贴着原牙轮边进行。然后更换φ2.4 m捞渣斗进行扩孔、捞渣，再使用φ2.6 m牙轮收孔，接着继续进尺下一循环，基本每个循环能进尺1.0 m。形成类似于“梅花”形的钻进成孔施工技术。

图1 梅花形成孔示意

此技术除了利用将大直径转小直径的常规思路外，还从应力解除方面分析，使用梅花形成孔方法。大牙轮切断了孔径中岩石与周边岩层的联系，再使用小钻头解除大直径桩内岩石的部分应力，应力分解后，最后进行扩孔施工成孔。施工技术从力学出发，大大提高了施工效率。

3 成孔效率分析

结合项目工程实例，对2种不同施工技术的成孔效率进行对比和分析。所选桩型的设计要求和施工设备相同，桩径相同，成孔深度基本相同，岩层厚度也基本相同，分析比较2种不同技术的效率高低，为同类项目提供经验。选取2根桩进行成孔效率分析，2根桩的桩径均为2.6 m，地质情况和岩层厚度基本相同。

3.1 常规“三刀切”施工工艺效率分析

采用传统“三刀切”施工大直径超深、超厚嵌岩桩时，每进尺1 m，φ1.0 m钻头（第1刀）约需2 h，φ2.2 m钻头（第2刀）约需1.5 h，φ2.6 m钻头（第3刀）约需1 h，在岩层中进尺效率约为4.5 h/m。当遇到特殊情况如2.8 m桩径、岩层硬度大时，可能需要“四刀”甚至“五刀”切，成孔效率将会明显下降。

3.2 采用梅花形成孔施工工艺效率分析

采用梅花形成孔施工大直径、超深、超厚嵌岩桩时，每进尺1 m，φ2.6 m牙轮需1.0～1.5 h，1 m筒钻梅花孔约0.5 h，3个梅花孔共需1.5 h，φ2.4 m捞渣斗约0.25 h，一般捞渣进尺2次，共0.5 h。单个轮回时间总共为3.0～3.5 h。

经分析，在岩石层中采用梅花形成孔施工工艺，每米的效率能提高1 h左右，说明该工艺应用于大直径超深、超厚嵌岩的旋挖灌注桩施工有明显提高工效的作用。

4 成孔质量验证

4.1 混凝土充盈系数

经过对项目的多根大直径桩施工数据记录进行比较、验证发现，采用2种不同技术施工大直径超深、超厚嵌岩灌注桩的混凝土充盈系数存在明显差异：采用“三刀切”施工技术成孔的桩孔混凝土充盈系数为1.17～1.25；而采用梅花形成孔施工技术成孔的桩孔混凝土充盈系数为1.06～1.07。分析数据后，项目部认为主要是梅花形成孔施工技术一开始就先采用φ2.6 m钻头进行切割成孔，加强了桩孔本身的护壁效果，同时减少了后续对孔壁的反复扰动，使超深桩孔孔壁相对稳定，从而产生了优化效果。

4.2 钻芯取样验证

桩基施工全部完成并达到要求龄期后，由建设单位委托第三方对塔楼桩成孔质量情况进行钻芯取样检测，单桩钻孔取芯数量均为3个孔。芯样结果显示：受检桩桩长、桩身混凝土强度、桩底沉渣厚度和桩身完整性均为合格。

5 结语

1）随着城市建设进程的不断推进，社会经济的日趋变化，超高层建筑日新月异，施工时间要求也日益苛刻，故而对施工技术的不断优化、研究显得尤为重要，在硬件达到一定瓶颈的时候，需要我们在软件上充分发挥能动性，提高工效，保证工程建设能保质、保量、按期完成。

2）梅花形成孔施工工艺不仅能有效提高大直径超深、超厚嵌岩旋挖灌注桩的施工效率，而且在成本、质量上同样拥有足够的优势，在深圳金地中心项目的100多根大直径超深、超厚嵌岩旋挖灌注桩施工过程中，梅花形成孔技术对机械设备的维修和损坏率明显更低，同等配件的作业寿命增加。另外，成桩后的混凝土充盈系数也有所保障。

梅花形成孔施工工艺不仅遵从了常规的以小变大的理念，还从力学等方面优化了以小变大的过程，运用应力解除的力学理念，将大直径超深、超厚嵌岩灌注桩的施工效率大幅提高，为日趋主流的同类型大桩的施工提供了可靠的工程实例。