硅藻土复杂地质条件下钻孔灌注桩施工研究——以纳米比亚某港口工程灌注桩施工为例

杨铁梁

（中国港湾工程有限责任公司，北京100027）

1 引言

高桩码头钻孔灌注桩施工检验工序众多、各施工环节衔接紧密、等待时间不能过长，并且施工质量直接影响码头整体结构的安全性和耐久性。由于硅藻土特殊的工程性质，在硅藻土区域施工钻孔灌注桩极易出现扩孔、缩颈、桩基混凝土保护层缺陷等缺陷，因此，如何保证硅藻土复杂地质条件下钻孔灌注桩的施工质量对硅藻土区域高桩码头项目有关键作用。

2 案例项目概况

案例工程包括600m 泊位、后方堆场及配套设施等。码头结构为高桩梁板式码头，采用英国标准设计与施工。泊位基桩采用524 根直径1 300mm 的钻孔灌注桩。施工过程中，施工方采用筑岛施工工艺，然后清除桩间土并理坡护坡。

整个码头位于硅藻土地质层上方，桩基区域下主要分布2 层硅藻土层，第一层分布在-17～-22m（CD 海图水平面）；第二层分布在-26～-47m。硅藻土化学性质稳定，轻质多孔，土质似粉土，局部夹薄层粉细砂，天然饱和密度为1.13～1.28g/cm3，干密度为0.3～0.5g/cm3，孔隙率达80%～90%，能吸收其本身质量1.5～4 倍的水，塑限38%～87%[1]，硅藻土具有特殊的工程性质和力学性质，硅藻土区域钻孔灌注桩施工是该工程的重难点。

3 硅藻土地质条件下钻孔灌注桩施工工艺研究

依据地质勘察资料和桩基设计文件，为验证并规避硅藻土复杂的工程力学性能对灌注桩施工的影响，本工程通过典型桩施工的方法探索了硅藻土地质条件下的灌注桩施工工艺。

3.1 钻孔定位与准备工作

根据设计坐标放样出桩的中心位置，周围设置4 个控制桩。用导向架对钢护筒进行定位，并用振动锤施打安装，控制护筒中心竖直线，水平允许误差50mm，倾斜误差不大于1%。为减少硅藻土附着在孔壁侵占桩基混凝土保护层空间，加大了钢护筒直径，桩基设计直径1 300mm，钢护筒直径为1 500mm。

3.2 泥浆制备

钻孔过程需采用泥浆护壁，开孔泥浆各项指标需满足规范要求。试验室试拌泥浆的配合比和性能参数如表1 和表2 所示。另外，泥浆制备过程中应控制泥浆池、沉淀池、废浆池容积满足本项目《钻孔灌注桩施工管理若干规定》的要求。

表1 泥浆配合比 g

表2 泥浆性能指标参数

3.3 钻孔工艺流程

钻孔设备的选择应综合考虑设计桩长和地质情况，典型桩桩底设计标高-56m，勘探资料显示-17～-47m 存在2 层硅藻土层，-47.78～-56.14m 为密实砂层和强胶结砂层。为了减少钻机钻进过程中对硅藻土层的扰动，并适当加快穿越硅藻土层的钻进速度，施工方选择利用回旋钻钻进至-47m，之后换冲击钻继续钻至桩底设计标高。

3.3.1 回旋钻安装

回旋钻设备就位后，需保证底座平稳，不产生位移和沉陷；钻杆安装完成后需对钻杆进行垂直度测量调整，钻杆中心与护筒中心在同一铅垂线上，倾斜度偏差不超过1%。

3.3.2 回旋钻钻进

回旋钻选取钻头直径1 440mm，钻孔速率控制在1.5m/h以内，其中在砂层钻进过程中使用滤砂机滤砂，降低泥浆含砂率。当钻进至硅藻土层后，应每间隔2h 打捞渣样检查硅藻土块上浮情况，以验证硅藻土层钻进速度和硅藻土块状大小的关系，若发现大块硅藻土浮出，应立即适当降低进尺速率。经施工实践验证，硅藻土块的大小与钻进速度成正比关系，钻进过程中钻头切碎原状硅藻土层，一部分硅藻土融进泥浆；另一部分形成小型硅藻土块（直径≤2cm）随泥浆排除。

3.3.3 泥浆稀释与置换

钻孔穿越硅藻土层后，需在孔底注入淡水稀释孔中混有大量硅藻土的泥浆，保持泥浆的相对密度约在1.05g/cm3。待泥浆稀释完成，利用比重差把新造的比重较大的膨润土泥浆注入孔底，置换比重较轻的硅藻土泥浆。通过置换后的泥浆颜色和测量孔底、孔口、孔中处的泥浆比重判定是否完成置换。

3.3.4 冲击钻钻进

密实砂层和强胶结砂层使用冲击钻钻进工艺，冲锤直径选取1 440mm，平均钻孔速率控制在0.145～0.155m/h。砂层钻进过程中，需全程施用滤砂机滤砂，并定期抽检泥浆密度。钻进过程中，保持泥浆面高于孔外水位1m 以上，并距护筒顶部0.5m，严防塌孔。做好钻进记录，并监控地质与设计资料的一致性。

3.3.5 终孔检测

严格重视对孔径和孔深的测量，终孔高程达标后方可停止钻进。终孔完成后需继续进行泥浆正循环滤砂，以控制泥浆的含砂率和泥浆的相对密度满足规范要求。然后对桩孔进行超声波孔径测量，重点检测硅藻土层是否出现明显孔径异常。 超声波检测完成后进行探笼测孔，探笼上下移动通畅无阻表明孔径符合要求。完成探笼孔径测量后，再次进行超声波孔径测量以保证桩径设计要求。

施工验证，在钻进硅藻土层过程中，孔内泥浆的性能会显著降低，滤失量加大，泥皮厚度增长加快，硅藻土会吸水膨胀并在孔壁上吸附形成块状附着物。说明开孔泥浆在钻进硅藻土层的过程中护壁有效性降低，需在施工过程中重点防控。

3.3.6 第一次清孔

通过第一次清孔，将沉渣厚度、含砂率、泥浆相对密度和黏度等指标控制在规范和设计允许范围内，为提高清孔效率并保护护壁泥皮，清孔可采用气举反循环法。清孔时，应保持孔内足够的水头压力，防止塌孔。

3.3.7 钢筋笼安装

钢筋笼在钢筋加工场采用长线法分节加工，钢筋笼加工与安装过程中，需重点加强钢筋笼整体刚度并做好混凝土保护层厚度保证措施。按设计间距设置加劲箍，并设置“△”形内撑，做好穿心圆饼垫块的布设。在钢筋笼下放过程中应避免碰撞孔壁，如果下放困难则不能强行插入，而需查明原因后做相应处置。钢筋笼就位后的顶面和底面标高需符合设计要求，误差控制在5mm 以内。

3.3.8 第二次清孔

在安装钢筋笼后需要检测孔内沉渣厚度，进行第二次清孔。利用导管输入相对密度为1.05g/cm3的干净泥浆正循环清孔，使孔内沉渣厚度与泥浆比重满足要求。

3.4 混凝土浇筑

水下混凝土灌注采用直升导管法，导管在使用前要检查导管的气密性。浇筑前导管放至距离孔底约0.5m，首灌混凝土量（初灌量）需通过计算确定，初灌量应确保混凝土浇筑后导管埋入混凝土中的深度为1～2m，并能填充管底与孔底的间隙。初灌量计算式如下：

式中，V 为初灌注量，m3；D 为钻孔直径，取 1.5m；H1为桩孔底至导管底端间距，一般为0.5m；H2为导管初次埋置深度，H2≥1.0m；d 为导管内径，取0.28m；h 为孔内混凝土达埋深H2时，管内混凝土柱平衡管外泥浆压力所需的高度，m。

浇筑过程中，技术员需做好混凝土深度与混凝土面上升高度的监测，及时调整导管埋深在2～6m。导管提升时应保持轴线竖直和位置居中，控制拔管速度，以防止桩顶沉淀的泥浆挤入导管下形成泥芯。为了确保桩顶混凝土质量，超灌的高度不少于1m。为确保桩基质量满足规范要求，浇筑充盈系数不应小于1.05。

在浇筑过程中，要注意监控反出的泥浆中是否夹杂硅藻土块，从典型桩混凝土浇筑过程分析，在整个成孔、扫孔过程中还是有些成小块状的硅藻不能随泥浆排出，但是经过换浆和气举反循环等措施后，残留的硅藻土数量很少，不足以影响桩的质量。因此，控制钻进速度、及时置换泥浆、加强气举反循环清孔等措施是保证桩基质量的关键。

3.5 桩基完整性检测

桩施工完成后，凿除桩头到设计标高。在混凝土浇筑完7～20d 内通知检测单位进行小应变和超声波检测，24h 后提交初步检测报告给咨工。本案例典型桩桩基超声波检测，采用φ48m×2.5mm 声测管，声测管的底管，顶口采用专业橡胶封头套密封，管顶口宜高于桩顶设计高度约30cm。

鉴于硅藻土地质的特殊性，为了弥补小应变与超声波检测在检测混凝土保护层缺陷方面的局限性，建议考虑使用热异常检测仪检测桩身完整性[2]。

4 结论与展望

硅藻土工程性质和力学性能复杂，硅藻土区域灌注桩施工技术难度大，工艺要求高，在世界范围内缺乏成功的案例经验和完善的施工工艺。本文以案例验证了通过提高钻孔泥浆性能要求、控制钻进速度、穿越硅藻土层后进行泥浆置换、气举反循环法清孔等措施，可有效保证桩基质量，总结了硅藻土地质条件下钻孔灌注桩施工工艺流程。