河漫滩区砂卵层大直径深桩基施工控制分析

王 浩 李建勇 王少兵 解鑫鹏 谢文韬

(中建三局基础设施建设投资有限公司 武汉 430040)

桩基位于近水区砂卵石地层时，易发生塌孔、缩径等现象，影响成孔质量。因此施工中常采用加长钢护筒、加大泥浆密度等方法保证施工安全和施工质量，但施工过程控制较难。李伟权[1]分析了超长钻孔灌注桩气举反循环清孔工艺。赵春风等[2]通过静载试验分析了钻孔灌注桩桩基承载特性及荷载传递机制；任毅等[3]介绍了冲击钻与旋挖钻配合成孔的施工工艺。某跨河大桥工程在主墩桩基施工时发生小范围塌孔，其中1号桩基在钻进至11 m时发生塌孔，钢护筒总长6 m。本文从桩基施工工艺、施工措施入手，分析塌孔原因，提出应对措施，分析河漫滩区砂卵层大直径深桩基施工控制要点。

1 工程概况

某跨河大桥主墩基础采用群桩，纵向3排，每排横向3根，共9根直径2.0 m钻孔桩基础，桩间距5.2 m，设计桩长72 m，所有桩均为摩擦桩，4座主墩共计36根桩基础，主要基础地层见表1。桩顶位于主程5.3 m处，桩底位于5-2地层中。

表1 工程地质分层表

2 施工工艺

桥梁深桩基成孔工艺主要有旋挖钻施工、冲击钻施工2种。

旋挖钻施工是使用旋挖钻机在桩孔中心垂直向下破碎开挖，通过钻头带出破碎岩土至地面，并循环作业的桩基开挖方式，特点是工期较短、噪声较低、泥浆用量较小，对周边环境污染小，声噪范围可控。冲击钻机施工进度慢、成本高、噪声较大、对环境污染较大，但对地层的适应性较强，冲击摩擦过程对孔壁四周起到挤压和密实作用，能有效防止塌孔、缩径，对成孔质量有积极影响。2种工艺工期及经济效益对比见表2。

表2 2种施工工艺工期、经济性对比

由表2可见，旋挖钻施工工期短、工程费用高，相比冲击钻更具优势。尽管旋挖钻施工在砂卵石层发生塌孔概率较大，但可通过调整泥浆密度、加长钢护筒、控制钻进速度等方式保证安全性，相比于冲击钻施工更适合于本工程施工，下文将对旋挖钻施工控制措施进行分析研究。

3 施工措施

3.1 成孔施工措施

1号桩临近河漫滩区，砂卵石层渗水率极高，钻孔施工时河流水极易渗透到孔内，增加土层流动性，是诱发塌孔的间接原因；根据该桩位旋挖钻钻进记录，桩孔内泥浆相对密度为1.11，马氏漏斗黏度23 s，钻进速度20 m/h，根据工程经验可知旋挖钻孔时泥浆相对密度过小、黏度过低，钻进速度过快，是诱发塌孔的直接原因。根据以上分析结果和环境特点，工程中采取以下措施来保证成孔阶段施工安全和施工质量。

1) 加长钢护筒。建议钢护筒长度取值采用比较法，分别计算钢护筒深入河床底2 m及深入砂卵石地层顶2 m所需长度，两者比较取较大值。首先，地下水高流动性易造成护筒偏移，进而造成桩基偏位，故应将钢护筒底部深入河床底，保证钢护筒稳定；其次，工程上部软弱土承载力较低，应保证钢护筒底部深入卵石层，保证钢护筒护壁效果。经计算，本工程钢护筒长度取值为9 m。其中有3.7 m为永久钢护筒，后期不拔出。钢护筒内径2.3 m、外径2.332 m、壁厚16 mm。

2) 钢护筒快速对中。实施方法：采用空间3点定圆计算方法，计算方法示意见图1。

图1 空间三点定圆法示意图

根据现场所测钢护筒顶面圆周任意3点坐标，利用已编制好的通用计算软件实时转换为圆心坐标，即准确的护筒中心坐标。根据所得数据与设计偏差调整钢护筒定位，并在施工过程中实时监控测量钢护筒垂直度，从而达到提高桩基定位控制精度及垂直度的目的，且后续复核时无需在护筒上方操作，减少作业危险源。

3) 钢护筒快拆及重复利用。基于研发的上部护筒装置可达到快速拆除、重复使用、绿色环保等目的，为工程节省材料费用及工期。该装置施工工艺为：钻孔前，采用跟进法打设底层及顶层钢护筒，其中底层钢护筒顶面略高于浮浆顶面，插打过程中严禁向上拔起。各构件位置见图2。

图2 钢护筒快拆及重复利用装置

桩身混凝土强度满足要求后，上部可部分或全部回填，做好标记、安全警示后拔除顶层带卡槽钢护筒，移至其他桩基重复利用。承台施工前，沿切割面环切底层钢护筒，依次取出切割线以上的钢护筒、泡沫板及内侧钢片，移至加工厂重复利用，最后环切破除桩顶浮浆。

本方法可避免桩头部分钢护筒竖向切割施工，施工效率高；重复利用桩头及以上部分的全部钢护筒，节约资源，降低施工成本。

4) 调整泥浆性能。泥浆材料根据施工现场地层粒径选择[4]，制作泥浆时，严格控制泥浆材料的粒径、含砂率、密度及马氏漏斗黏度。在松散易塌孔地层泥浆密度宜取1.2～1.3 g/cm3，马氏漏斗黏度宜取28 s左右，可保证桩孔孔壁迅速形成泥皮，避免漏浆。通过添加剂调节泥浆性能指标，掺入量宜经现场试验确定，本工程密度为1.1 g/cm3的泥浆可通过每30 m3掺入50 kg膨润土调节至密度为1.25 g/cm3，碳酸钠掺入量控制为孔内泥浆土量的0.1%～0.4%。泥浆初次注入时应垂直向桩孔中间注浆，避免泥浆沿护筒冲刷孔壁引起底部松散坍塌。

5) 控制钻进方式。在不同地层中钻进时，旋挖钻选择不同的钻进速度、加压形式、控制方法[5]，钻进方法见表3。

表3 旋挖钻钻进控制

钻进过程中通过控制室实时监控桩孔垂直度，组装钻机时进行校准，每次提、下钻时进行监测，及时纠偏，确保钻头垂直、钻头对准孔位。

3.2 成桩施工措施

河漫滩区土质松软、地下水丰富，加之大直径桩孔壁土压力较大，孔内空孔情况下易发生塌孔，特别是二次清孔后孔壁泥浆稀少，难以承受土的侧压力，极易发生砂卵石流动，进而引起塌孔、缩径。基于此，在以下四阶段采取措施控制空孔时间。

1) 清孔。提前进行清孔准备工作，严格控制等待时间，成孔结束后立即开始一次清孔，钢筋笼下放到位后立即开始二次清孔；清孔时选用2台BW-320大功率泥浆泵同时工作，控制一次清孔时间2 h以内，二次清孔时间3～6 h，且保证沉渣厚度0.1 m以内；清孔中实时监测泥浆性能，保证泥浆相对密度1.15以上，黏度17～22 Pa·s，胶体率大于96%。

2) 钢筋笼安装。钢筋笼宜采用效率较高的机械连接；提前对钢筋笼进行预接长，以加快钢筋笼下放速度，下笼速度控制在9～12 m/h，避免泥浆扰动，引起砂卵石层局部坍塌，下笼时控制垂直度偏差小于0.5%，减少钢筋笼摩擦孔壁所引起的局部坍塌风险。

3) 导管安装。导管水密性试验和接头抗拉试验在二次清孔前完成，以缩短清孔后放置时间，控制清孔后放置时间小于2 h，以免孔内泥浆压力不足、地下水流动导致侧壁塌孔。

4) 混凝土灌注。首灌完毕后立即更换小料斗进行连续灌注，在灌注过程中采取导管提降配合操作，即先将导管向上提升1 m，再向下插入50 cm，防止下部混凝土与导管黏结在一起，灌注速度控制在25～30 m3/h；若遇到堵管情况，宜迅速拆除导管，检查密封圈并及时更换，并保证导管安全埋置深度，处理时间控制在15 min以内。

3.3 桩基承载力分析

由于钢护筒长度较长，打入地下后难以拔出，而钢护筒与地层间摩擦力小于混凝土与地层间摩擦力，故造成摩擦型桩基承载力损失。

根据《建筑施工计算手册》(第4版)，大直径(d≥800 mm)单桩竖向极限承载力标准值Quk可按式(1)计算。

Quk=Qsk+Qpk=

U∑ψsiLsiqsik+ψpqpkAp

(1)

式中：Qsk为桩体侧阻力合力标准值;Qpk为桩体端阻力合力标准值；qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；qpk为桩径800 mm下的极限端阻力标准值；ψsi、ψp为大直径桩侧阻、端阻尺寸效应系数；U为桩身周长；Lsi为桩穿越第i层土的厚度；Ap为桩端面积。

钢护筒与土体间摩阻力较小，故计算时将钢护筒段摩阻力取为0，钢护筒埋置深度为地表以下9 m，其中钢护筒永久段为3.7 m(含深入承台10 cm)。计算参数见表4。

表4 计算参数

根据式(3)及参数计算得到，不考虑护筒时Quk0=28 467 kN，考虑护筒时Quk1=26 177 kN，承载力损失值为2 290 kN，承载力损失率为8%。

设计桩基承载力20 280 kN，安全系数Quk1/V=26 177/20 280=1.29，满足承载力要求，故认为加长钢护筒措施可行。

4 应用效果

1) 除1号桩未采取上述措施发生塌孔外，后续35根桩基均未发生塌孔、缩径。同时，在河道水质较为清澈的前提下，通过肉眼观察未发现河道内有泥浆渗出，可知未发生漏浆。

2) 取36根已完成的桩基进行成孔质量检测分析，采用超声波成孔测试仪检测。桩孔二清前沉淀厚度统计结果见图3。

图3 成孔质量检测结果(二清前沉淀厚度)

由图3可见，桩孔二清前沉淀厚度基本维持在0.1 m以下，仅1根桩基沉淀厚度达到0.44 m，由此判断该桩基二清前孔内发生小范围塌孔。另由检测结果，成孔直径合格率达100%，桩孔垂直度0.36%～0.48%，桩位偏差20～40 mm，所测36根桩孔均满足施工质量验收规范要求。

3) 使用钢护筒快拆及重复利用装置，单根桩基节省材料费用2 914元，共计10.5万元；单根桩基节省工期10 h，共计节省工期15 d。

综上所述，采取以上方法可有效避免塌孔、缩径、漏浆，保证钻孔灌注桩施工安全和质量，节省工程费用，缩短工程建设周期。

5 结论

1) 针对河漫滩区砂卵层大直径深桩基施工过程中易塌孔、缩径及漏浆等不利条件，通过对施工工艺要点进行控制，可采用旋挖钻代替传统冲击钻施工，达到节约工期与施工成本、降低施工风险的目的。

2) 在河漫滩区砂卵层采用旋挖钻施工时，可采取以下措施：控制泥浆密度为1.2～1.3 g/cm3；钢护筒宜深入河床底及卵石层2 m，且一定长度永久钢护筒仍能满足桩基承载力要求；通过钢护筒三角点快速对中法提高控制精度、减少危险源；研发的上部护筒新装置可达到快速拆除、重复使用、绿色环保等目的；不同地层中选择不同的钻进方式。

3) 河漫滩区砂卵层大直径桩基成孔后，可采取以下措施：应控制一次清孔在2 h以内，二次清孔3～6 h；钢筋笼下笼速度可控制在9～12 m/h，钢筋笼垂直度偏差应小于0.5%，二次清孔完成应立即灌注混凝土，减少因泥浆扰动和孔壁摩擦所引起的砂卵石层局部坍塌风险。