旋挖桩水下嵌岩成孔施工技术在闸泵工程中的应用

贺志贞 叶 峰

(浙江省正邦水电建设有限公司，浙江 杭州 310051)

大多闸泵工程的基础处理通常采用钻孔灌注桩形式中的端承桩，而端承桩根据其持力层介质的不同多为嵌岩桩。嵌岩灌注桩传统的施工方法一般是采用回旋钻或旋挖钻进行软土层的钻孔，钻孔深度到达硬岩基层时换用冲击钻进行冲击成孔。但随着文明施工和环保要求的不断提高、水利工程施工场地条件的限制等，采用冲击成孔的施工工艺出现了越来越多的局限性。如何提高水下嵌岩桩的钻孔施工技术水平，加快施工进度，确保工程质量和成本控制，是嵌岩桩施工值得探讨的问题。本文通过旋挖钻水下嵌岩桩施工技术在宁波姚江二通道(慈江)工程镇海段Ⅱ标闸泵工程中的应用实例，对水下嵌岩桩成孔的工艺原理、施工流程、技术控制要点、质量检测等问题进行探索总结，为桩基工程水下嵌岩成孔的施工提供借鉴。

1 工程概况

宁波姚江二通道(慈江)工程是浙江省重点工程。该工程的主要功能是将慈江分洪部分姚江干流洪水，经江北、镇海河道直排入海，缓解姚江干流防洪压力。镇海段Ⅱ标是该工程的组成部分，主要建设内容为：岚山一桥—澥浦大闸段5.73km堤防加高与护岸抗冲刷防护处理；新建澥浦大河沿线6座排涝闸泵工程。其中化工区3号闸站位于岚山护塘河出口与澥浦大河交汇处，工程等别为Ⅲ等。闸站工程采用平面并列布置型式，排涝闸与泵站通间布置。水闸设2孔5.0m开敞式水闸，居于主河床左岸，右岸将原河道拓宽布置泵站，泵站设计排涝流量15m3/s。闸站基础采用端承桩，桩径1.0m，设计桩长26～30m，桩底嵌入花岗岩基层2m。

闸站站址浅部地质以软土为主，深部持力层地质为花岗岩。各土层由上到下分布情况为：粉质黏土层厚3.00～8.40m；含砾砂粉质黏土层厚2.40～12.90m；强风化混合花岗岩厚0.60～2.60m；弱风化混合花岗岩层厚3.90～6.40m。

2 嵌岩桩成孔方案比选

嵌岩灌注桩传统的施工方法一般是采用回旋钻或旋挖钻进行软土层的钻孔，钻孔深度到达硬岩基层时换用冲击钻冲击成孔。这样的施工方法往往受实际施工条件的限制而进度较慢，冲击钻施工产生的震动及噪声对周围居民及建筑物影响大，难以满足环保和文明施工要求，强力的冲击还会对桩底岩层整体性造成破坏。由于该工程位于宁波化工园区，闸站周边化工厂对震动要求严格，上述成孔方法显然不适合在本工程中采用。

根据市场调查研究，旋挖钻机应能够满足本工程嵌岩灌注桩一次性成孔的技术要求，且具备如下特点：ⓐ成孔垂直度好：钻机通过自动水平调整功能，有效保证水下钻孔的垂直度；ⓑ入岩效率高：根据岩性特点选用不同形式的钻头以达到高效入岩目的；ⓒ施工成本低：旋挖嵌岩钻进时，通过螺旋钻头和不同大小筒钻的配合应用，能够减少斗齿磨损，加快钻进速度，节约施工成本；ⓓ施工现场文明环保：软土层孔内原土钻挖，弃土成块状，不需特殊处理可直接外运，施工场地整洁环保；ⓔ钻机履带行走，移位灵活方便；ⓕ旋挖钻机的地层适应能力强：旋挖钻机可以适用于不同地质地层，旋挖钻进时在孔壁上形成较明显的螺旋线，有助于提高桩的摩阻力。

经过经济技术比较，本工程嵌岩桩采用旋挖钻机单独一次性成孔的施工方案。

3 旋挖桩施工流程

旋挖桩施工流程图如图1所示。

图1 旋挖桩施工流程

4 嵌岩成孔工艺原理

钻机按设计桩位正确就位后，按照常规的旋挖钻进方法，对上部的粉质黏土层和含砾砂质土层进行钻孔和取渣。旋挖钻进至持力岩层后，换用专用的嵌岩钻头(钻筒)进行嵌岩钻进和成孔。嵌岩成孔分四步完成(四步法)，钻进过程中根据不同的效用阶段分别采用不同的钻具。施工工艺原理如下：

ⓐ松动岩芯[采用小直径嵌岩筒钻，见图2(a)]→ⓑ破碎岩芯[换成螺旋钻头，见图2(b)]→ⓒ扩孔钻进[换成大直径嵌岩筒钻，见图2(c)]→ⓓ捞取岩渣[换成旋挖钻斗如，见图2(d)]。重复ⓐ～ⓓ的钻进与捞渣循环，直至达到嵌岩成孔深度。

图2 嵌岩成孔工艺

5 嵌岩钻具

在嵌岩成孔过程中，通常要根据钻孔效用的不同，采用不同的钻具(见图3)。常用的钻具及作用如下：

a.钻杆。钻杆常用摩擦钻杆[见图3(a)]，其主要作用是连接钻机和钻头，要求具有一定的强度。最大钻孔深度可达 100m左右。

b.钻头。常用的钻头有螺旋钻头[见图3(d)]、牙轮钻筒[见图3(e)]和筒钻[见图3(f)]。螺旋钻头主要用于软弱岩层或者强风化岩层的岩芯破碎；筒钻根据直径的大小，有多种规格，小直径筒钻一般直径为30～80cm，大直径筒钻最大直径可达150cm。其主要用于硬岩层或者弱风化岩层的嵌岩钻孔。有时与牙轮钻筒互相交替使用，当采用螺旋钻头把岩芯破碎后，采用牙轮钻筒或大直径的筒钻进行孔壁岩体的破碎和扩孔。

c.捞渣斗。常用的捞渣斗有单底土斗[见图3(b)]和双底捞砂斗[见图3(c)]两种，其主要作用是把被破碎的岩渣取出孔外。

图3 旋挖钻嵌岩钻具

6 嵌岩成孔施工控制要点

6.1 施工准备

a.施工前要全面复核设计单位提供的工程水文和地质条件，确定强风化层、弱风化层及硬岩层的埋深厚度，以便选择不同岩层地质情况下的旋挖钻进方式和嵌岩钻具，制定钻进参数和质量控制措施。

b.施工前要严格复核测量控制基线和基准点，按照设计要求精确测设桩位控制点，并按照桩位控制中心点就位钻机。

c.旋挖钻机的自重比较大，就位时对地基承载力的要求较高，一般要求不小于100kPa，且履盘坐落的位置平整，坡度应不大于30°，桩机定位要准确、水平、垂直、稳固，钻机导杆中心线、回旋盘中心线、护筒中心线应保持在同一直线。

d.钻机就位后准确调整钻杆垂直度，并确保钻机就位平正稳定，以免旋挖钻进时造成钻孔的偏斜(一般旋挖钻机都具有自动调节控制装置)。

e.软土层钻进时须埋设护筒，护筒采用钢板制成，护筒直径一般大于桩径200mm，护筒长度应视软土层厚度和地质情况确定，一般长度为2m。护筒埋设时高出地面300mm。

6.2 软土层旋挖钻进

a.软土层旋挖钻进须制备泥浆，并且要合理地控制泥浆的比重指标。在钻孔过程中，为了防止坍孔、稳定孔内水位及便于挟带钻渣，通常采用黏土制备成泥浆进行护壁。泥浆护壁利用泥浆与地下水之间的压力差来控制水压力，以确保孔壁的稳定，所以泥浆的比重起到保持这种压力差的关键作用。如果钻孔中的泥浆比重过小，泥浆护壁就容易失去阻挡土体坍塌的作用；如果泥浆的比重过大，则容易使泥浆泵产生堵塞甚至使混凝土的置换产生困难，使成桩质量难以得到保证。

b.设置泥浆循环系统，泥浆池单个容积不小于单桩钻孔容积的1.5～2.0倍，要有较好的防渗能力。泥浆池设置在桩基区域附近，所有桩的施工均可用导沟进行泥浆引流，旋挖钻机泥浆可重复利用。施工期间及时清除泥浆池内钻渣。

c.在黏土、粉土、砂土、淤泥质土、人工回填土及含有部分卵石、碎石等软土地层钻进时，旋挖钻机采用摩擦钻杆和回转钻头钻进。护筒内注满泥浆后，开始钻进，钻进过程中随时不断补充泥浆，使孔内始终保持高于地下水位1～1.5m的水头，同时根据土质情况调整泥浆配方和比重。旋挖钻进时通过配备的电子控制系统显示调整钻进时的垂直度，同时辅以人工观察来保证钻杆的垂直度，从而保证成孔的垂直度。

6.3 岩基层嵌岩钻进

a.嵌岩钻孔时，要分别按照松动岩芯、破碎岩芯、扩孔钻进及捞取岩渣的“四步法”顺序进行，钻具分别以短螺旋钻头、牙轮钻筒和筒钻交替更换使用。软弱岩层宜选用短螺旋钻头与捞渣斗组合；硬岩层宜选用筒钻与捞渣斗组合。

b.要控制好地下涌水对钻孔的影响。由于泵站工程基础地下水位较高，土层以下地下含水量大，在钻孔过程中应及时跟进埋设护筒，使地下水隔绝于桩孔外，确保钻机嵌岩作业的条件。

c.为保证钻进质量和进度，要定时检查钻具的磨损程度，磨损部分要及时焊接修补，以保证钻具的直径符合设计桩孔直径的要求。

d.为避免造成嵌岩深度的超欠挖，当钻机自动控制系统显示钻孔深度已达到设计深度要求时，要采用测绳对孔深进行复测，以准确判定嵌岩深度。

e.嵌岩钻进过程中，要随时观察钻机自动控制系统中显示的各种钻进参数，及时掌握和控制钻杆的垂直度，以保证桩孔垂直度符合要求。

f.嵌岩成孔后，要及时量测孔底的沉渣厚度和终孔深度，确保沉渣厚度不大于施工规范值，孔深满足设计要求值。

6.4 水下混凝土灌注

嵌岩桩终孔并清孔后，经过对沉渣厚度、孔深、孔斜、孔径、泥浆比重等钻孔指标严格检查验收后，即可进入钢筋笼安装和水下混凝土灌注工序。水下混凝土灌注一般采用导管直升法，灌注工艺按规范规定的要求进行控制。

水下混凝土灌注是成桩的最后一道关键性的工序，施工质量将严重影响灌注桩的质量，所以在施工中必须注意。灌注前首先检查漏斗、测试仪器、量具、隔水塞等各项器械的完好情况。

7 成桩质量检测

灌注桩成桩后的质量检测一般采用低应变法、高应变法和声波透射法等。本工程的泵站基础灌注桩完成后，全部采用声波透射法进行检测，所有桩均达到Ⅰ类桩标准。

声波透射法检测要点是：在桩孔内预先埋设声测管，在桩基混凝土灌注之前，应在管内注入清水，防止桩基的泥浆或水泥浆进入管内而堵塞声测管及妨碍超声波探头的进入。在声波透射法检测完毕并合格后，应将声测管灌注满水泥浆，水泥浆强度等级不低于桩身的设计强度。

8 结 语

旋挖桩水下嵌岩成孔施工技术的工程实践表明，该项施工技术能够大大提高文明施工与环保施工的水平，与传统的桩基成孔工艺比较，更具有可行性和优越性，更能够提高施工机械化和自动化的程度，能够缩短施工工期并节约施工成本，值得在同类工程桩基施工中推广应用。缺点在于，单台旋挖钻机须配备多个不同规格和形式的钻具，嵌岩施工时不同钻具交替使用，操作比较复杂，有待今后不断地进行设备创新研究和发展提高。꿫