高地下水位干挖法成孔技术的研究与应用

尚宗柱

摘要：以兴梅路（含一号沟）建设工程项目二标为工程背景，从干挖法在高地下水位条件下施工可行性理论分析入手，详细阐述了钻头穿过素土层、黏土层和岩层过程中土（岩）体稳定性和抗渗性计算过程，以及具体应用时作业要领，最后介绍了高地下水位干挖法成孔技术的优势和应用前景。

Abstract： Take Xingmei Road （including No.1 ditch） construction project No.2 bid as the engineering background， the feasibility analysis of dry excavation method in high ground water condition is introduced， the calculation process of the stability and impermeability of soil （rock） body in the process of bit passing through plain soil， clay layer and rock layer is described in detail， as well as the concrete application time work main point， at last， the advantages and application prospects of the technology of hole-forming by dry excavation at high groundwater level are introduced.

关键词：干挖法;高地下水位;抗渗性能;孔壁加固;应用

Key words： dry excavation;high groundwater level;impermeability;wall reinforcement;applications

中图分类号：TU753.3                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）32-0226-04

0  引言

兴梅路（含一号沟）建设工程项目二标桥梁基础设计为钻孔灌注桩，桩尖嵌入中风化岩深度不小于2D（D为钻孔桩直径），桩长范围为25～43m，地勘报告揭示的土层依次为素填土层、粉质黏土层、强风化岩层和中风化岩层，地下水位在桩顶以下约6m处，由于地层以黏土层和岩层为主，抗渗性能好，为干挖成孔创造了实施条件，干挖法成孔相对于泥浆护壁成孔一方面能有效避免泥浆的地面漫流和地下渗入问题，有利于施工现场的环保维护，另一方面能省去现场泥浆池设施、泥浆制备和外运等相关费用，具有突出的经济效益，干挖法成孔多在低地下水位灌注桩施工时采用，在高地下水位灌注桩施工时采用极少，在地質条件允许前提，推广高地下水位干挖法成桩技术，对充分发挥其工艺的经济和社会效益具有极其重要意义。

1  工程地质情况

为定量分析，选取具有代表性0号台钻孔桩地质作为研究对象，钻孔桩桩长42m，桩径1.2m，从桩顶往下揭示地质依次为4.8m厚素填土、25.1m厚粉质黏土、0.9m强风化岩和11.2m弱风化岩，其地层断面见图1。

2  干挖法作业可行性理论分析

2.1 干挖法作业可行性理论分析的几个方向

钻孔桩干挖作业需要经历几个过程：其一，钻头穿过素填土层，在此过程中，素填土松软，又存在地面设备碾压，孔口存在坍塌风险;其二，钻头穿过粉质黏土层，在该范围土体靠自身力学特性无法稳定，需要加固措施来保证继续钻进;其三，钻头穿过岩层，该范围岩层具有很好的稳定性;其四，桩身大半处于地下水以下，孔内渗水量也会影响孔内土体稳定。

据上所述，孔口土体稳定问题、黏土层土体稳定问题和孔内渗水量都是干挖法成孔的可行性的理论分析的几个方向。

2.2 孔口土体稳定性分析

孔口往下为4.8m厚素填土，土体较为松散，在干挖钻进过程中，该土体要承受钻机（旋挖钻）自重及冲击荷载等，以孔口土为对象，计算土体主动土压力，计算如下：

加固方式为埋设钢护筒，钢护筒壁厚1.0cm，长度5.1m（穿透素填土层），为了简便计算，钢护筒自上而下受线性荷载（顶部荷载q1=0kPa，底部荷载q2=22.41kPa），借助Midas Civil软件计算，得出结果见图4。

根据计算，钢护筒最大应力和最大位移值仅为[3.7MPa，0.03mm]，综上所述，干挖法在孔口素填土层内钻孔理论上是可行的。

2.3 黏性土体稳定性分析

根据图1所示，粉质黏土层多位于地下水以下，旋挖钻在地层内干挖钻进存在孔内土压力释放和地下水渗透导致孔内坍塌风险。在没有任何加固措施情况下，黏土要具备很强的抗渗透性和自稳能力才能保证钻头正常钻进，否则孔壁内必须采取护壁、防渗措施。

2.3.1 先计算黏性土内渗流量

钻孔桩钻孔、钢筋笼安装及灌注混凝时间总和一般为7h，单根桩施工周期内总渗流量为Q=3.9×10-4×7=0.003m3，可见，钻孔桩中部黏土层抗渗性能极强，干挖法施工无需对孔内进行抗渗处理。

2.3.2 再计算黏性土层自稳情况

2.3.3 采用护壁措施

根据以往经验，行之有效的方法是选用黏土护壁法对孔内土层进行加固，该方法通过压力和孔内土体孔隙水将黏土与孔壁周围土体相粘结，形成泥壁，以保证钻进过程中不出现塌孔。

具体实现方法是旋挖钻机正常钻进一段深度，再回填约1m厚黏土，钻头施压反转，将黏土挤压至孔壁内，形成板结层，以此循环直至钻头穿透黏土层，该护壁结构层厚度大约30cm，有效强度约100kPa，这是抵抗孔内土发生主动滑移的有效抗力层，因此选取直径1.2m，壁厚30cm，高度3m的护壁进行受理分析，计算结果见图5。

采用Midas FEA软件对护壁实体建模计算后，得出护壁有效压应力多数维持在85kPa左右（小于护壁自身强度100kPa），完全能满足护壁自身稳定性要求。

2.4 岩层稳定性分析

该项目钻孔桩基础嵌入的岩体有强风化岩和中风化岩两类，根据地勘报告，强风化巖呈沙土夹碎块状、软质、遇水易散开，相对不稳定，但其厚度仅为0.9m，在该岩层中钻进时仍然采用黏土加固方法施工即可，对于中风化岩，靠岩体自身强度和完整性完全能保持稳定，可不做处理。

综合上述4节论述，高地下水位干挖法成孔技术在理论上是完全可行的，其技术特性见图6。

3  高地下水位干挖法作业实际应用

兴梅路（含一号沟）建设工程项目二标桥梁钻孔桩范围内多为素填土层、黏性土层、强风化岩层和中风化岩层等地质，地下水位虽然较高，但地层抗渗效果好，非常适合干挖法作业。

3.1 干挖法施工工艺

干挖法施工工艺为：场地平整→测定孔位→挖埋护筒→钻机就位→钻进1m→回填1m厚黏土加压反转→重复上述工序，直至穿透强风化岩→成孔检测→安装钢筋笼→安装导管→灌注混凝土。

3.2 施工要点

3.2.1 埋设钢护筒

钢护筒起到顶层素填土孔壁防护作用，护筒底要穿过该层土，长度不小于5.1m，壁厚1.2cm，埋设时，可用旋挖钻干挖3m后将护筒吊入孔内，剩余部分采用挖机静压入孔，为防止孔口杂物掉入孔内，钢护筒顶高于施工地面0.3m。

3.2.2 钻机钻进

场地平整钻机就位并效准后开始钻进，钻进过程中，首先钻机采用正常进尺速度钻进，每钻进1m时，采用机械回填黏土，回填深度与钻进深度保持一致，然后旋挖钻钻头施压反转，将黏土挤压至周边土体中，使之形成有效的护壁后，然后再正向钻进，以此循环直至黏土层底。整个钻进过程中必须及时回填黏土，以便护壁整体板结成型，且有足够的强度抵抗周边土体主动土压力。

3.2.3 混凝土灌注

干挖成孔法钻孔后，孔内没有泥浆，但混凝土灌注仍然需要安装导管，并保证灌注工程中导管的有效埋深，以保证混凝土的密实性。

3.3 干挖法具体应用

兴梅路（含一号沟）建设工程项目二标桥梁钻孔桩自2020年10月份开始施工，直至目前已经采用干挖法施工完成284根，这也验证了高地下水位干挖法施工的可行性，具体施工见图7。

4  结论

①干挖法钻孔常见于低地下水位地质区域，能在高地下水位条件下干挖法施工前提条件是土层的抗渗能力比较强。

②采用干挖法施工，不用设置泥浆池、配置泥浆，也避免泥浆外运等作业，节约了大量成本，经济效益较好。

③干挖法施工不会产生泥浆漫流和渗入现象，能有效改善钻孔桩施工时环境保持难度大的现状。

④干挖法施工在钻孔桩灌注时能有效地避免混凝土卡管和断桩事故，可以从埋入式灌注转换到自由下落浇筑，还可以伸入振捣棒振捣，大大降低了灌注事故风险。

⑤高地下水位干挖法的成功应用可推广至类似工程中，应用前景非常广阔。

参考文献：

[1]东南大学，浙江大学，湖南大学，苏州大学.土力学[M].四版.中国建筑工业出版社.

[2]杨卫平.桩基础干挖作业法经济效益思考[J].建筑科学与工程，2001.

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[5]张辉.黏土护壁旋挖钻干挖成孔法在砂砾地层中的应用[J].北方交通，2018.