加纳议会大厦基坑支护桩墙潜孔锤施工工艺技术

李保红，欧阳昊

(1.湖北省地质局 武汉水文地质工程地质大队，湖北 武汉 430051；2.湖北省地质环境总站，湖北 武汉 430034)

2018年1月湖北地质工程有限公司与华陇加纳有限公司(甘肃建投)签订了加纳议会大厦基坑支护桩墙施工项目合同，经实地考察和对各类桩机设备施工特点的比较研究，提出下列问题：场地工程地质条件总体良好，但邻近建筑物基础埋深仅2.5 m，为筏板基础类型，基坑开挖势必对邻近建筑物基础造成影响；施工场地狭窄，大型桩机设备无法抵近作业；冲击桩机设备施钻，入岩效果良好，但其成孔工艺无可避免将对邻近建筑物产生变形影响；回转钻机装备如旋挖桩机成孔效率高，但碎岩能力不强，入岩效果不理想。针对支护桩墙设计方案和场地特殊条件，提出如下合理化建议：①鉴于钢管支护桩墙单桩口径为300 mm,与加纳水文水井机井施钻口径相当(250 mm)，为保证嵌岩桩入岩深度和效果，最大程度提升项目施工效率，潜孔锤施工工艺成为首选；②水文水井钻机+潜孔锤成孔运用到桩基工程虽然没有前人应用和成熟经验可借鉴，但原理相同、路径相似，施工操作驾轻就熟；③现有水文水井施工装备经过改进和加工，完全有能力完成基坑支护桩墙任务。湖北地质工程有限公司在项目正式实施过程中，采用水文水井钻机+空气潜孔锤施工工艺+技术改进创新，提前24天圆满完成了支护桩墙施工任务，为业主单位节省了大量资金投入，为总包单位争取了主体工程施工时间，取得了良好的经济和社会效益。

1 工程概况

1.1 项目概况

加纳议会拟新建一幢12层塔楼，用以缓解议会议员们的住宿难题，塔楼地址位于加纳首都阿克拉市议会大院内，西面毗邻11层议会大厦JOB600，南面与一幢三层休息室相邻，建筑面积785 m2。该塔楼底部拟建两层地下停车场，开挖面积700 m2，深度9 m，开挖红线距离11层议会大厦JOB600只有2 m，距离三层休息室只有1 m，为确保西、南两侧现有建筑物基础安全，须设置钢管桩墙支挡工程，按照项目咨询单位关于基坑支护桩的设计方案，拟在西部毗邻议会大厦和南面休息室分别施工一面U型支护桩墙，如图1所示。其中，西面支护墙体由83根钢管支护桩连接而成，南面墙体由68根同规格钢管桩构成。钢管支护桩设计深度13.5m，要求桩体末端进入中风化—微风化花岗片麻岩2～2.5 m，支护桩所用无缝钢管直径300 mm，内插规格为UKB203-133-30的等长20#工字钢，钢管与工字钢间隙浇筑水泥砂浆成桩，桩体中心间距400 mm,如图2所示。

图1 基坑支护桩墙设计图

图2 基坑支护桩墙剖面图

1.2 地质概况

依据加纳方提供的初勘资料及实钻工作揭露场地地质情况如下：

(1)Qml粘性土，黄褐色，埋藏深度0～5 m，稍湿，可塑状，土体结构较为致密，主要由粘性土夹少量碎石、块石组成，成分以石英岩为主，呈棱角状。碎块石含量约5%，块径2～5 cm。

(2)Q4m粘性土，灰褐色，埋藏深度5～8 m，稍湿，可塑状，土体结构均匀，含少量铁锰质氧化物，局部夹有少量碎石颗粒，干强度中等，韧性中等，刀切面光滑，手搓成条。

(3)Qel海陆交互相沉积粘土，灰褐—黄褐色，埋藏8～10 m，稍湿，硬塑状，土体结构不均匀，母岩成分以花岗片麻岩为主，结构已分解，含少量铁锰质氧化物，局部夹母岩碎块，干强度高，韧性中等。

(4)强风化—中风化片麻岩，深灰色，埋藏10～15 m，中厚层状结构，片麻构造，硅质胶结，主要矿物为石英、长石。

1.3 气象、水文地质条件

场地位于加纳阿克瓦皮丘陵地带，在首都阿克拉中心城区，南面距大西洋海岸线直线距离约400 m。属热带雨林气候，气候干热，分为雨季和旱季，5—10月为雨季，11—4月为旱季。3—4月气温最高，为23～35 ℃，最高可达43 ℃；8—9月较为凉爽，为22～27 ℃，最低气温15 ℃左右。西南部平均年降雨量1 200～1 800 mm，北部地区为600～1 200 mm。

首都阿克拉一带，年平均降雨量为731 mm，降雨量最多为6月(180 mm)和10月(66 mm)；11—2月和7月中旬—9月为两个旱季。日平均气温在24.2～27.9 ℃，月平均气温最高为3月(32 ℃)，月平均气温最低为8月(21.3 ℃)。

项目施工期间正值加纳旱季，地下水补给条件差，埋藏水位深，加之场地在构造单元上划分属于泛非活动带，以片麻岩和上地壳岩石为主，地下水以全—中风化裂隙水为主，水量普遍不大，为桩墙施工创造了有利条件。

2 钻进施工工艺

2.1 施工工艺的选择

原基坑支护桩设计拟采用800 mm钻孔灌注桩，但受到施工场地和设备能力的限制，无法实现。拟施工西面支护桩轴线距议会大厦基础仅1 800 mm，南面支护桩轴线距休息室基础仅1 500 mm，桩基施工设备无法贴近施工；另外，设计要求支护桩桩体末端进入中风化—微风化花岗片麻岩2～2.5 m，首选采用冲击钻进工艺，但该钻进方法会对邻近建筑物产生破坏性影响，可能造成无可估量的损失。经参考国内类似工程施工案例[1-3]，并与业主单位、项目总包和设计单位充分商榷后，拟采用车载水文水井钻机，利用气动潜孔锤工艺进行施工，该工艺以压缩空气为动力，产生冲击功可以直接传递给钻头，再通过钻机和钻杆的回转驱动，形成对孔底岩石的脉动破碎能力，同时利用潜孔锤排出的压缩空气，将破碎后的岩石颗粒以气举悬浮形式排出钻孔，清除孔底沉渣。该方法能克服场地条件的限制，钻机搬迁方便，对原建筑物不会产生破坏性影响，与冲击钻进工艺相比，能极大提升碎岩功效，显著提高成孔效率。

2.2 主要机械设备

空气潜孔锤钻孔灌注桩施工选用SPC-300D型车载式水文水井回旋钻机，配备30 m3英格索兰空压机作为空气循环动力，采用英格索兰DHD360和DHD380型气动潜孔锤分2-3级冲钻成孔。采用的主要机械设备如表1所示。

表1 基坑支护桩墙施工设备

2.3 空气潜孔锤钻孔灌注桩施工工艺

空气潜孔锤钻孔灌注桩施工工艺流程包括：场地平整→桩位放线→钻机就位→孔位校正→下入工作套管→一级造孔→二级造孔→终孔验收→下入钢管→下入风管→气举清除孔底沉渣和积水→下入工字钢梁→灌注水泥砂浆→振动捣实→成品养护。

(1)钻机就位并进行孔位校正。启动空气压缩机，当气压达到3 MPa压力时，开动钻机下入临时工作套管，进行空气潜孔锤第一级开孔钻进。为保证垂直度防止偏孔，开孔时应采取慢速回转低频冲击，防止设备跑偏移位。

(2)冲钻过程中采用匀速慢进，遇回转阻力增大时潜孔锤向上提升，提升距离约0.30～0.50 m，再次旋转振动冲击进尺，孔深钻至5～8 m，提升钻杆排除钻渣一次，孔深钻至10 m进行第二次减压排渣，以此类推，直到钻进孔深达到设计要求(13.5 m)。

(3)钻进过程中禁止移动钻机，保持机架的稳定性和成孔的垂直度。发现偏斜应立即停止钻进，采取措施进行纠偏。对于变层和易发生偏斜的层位，应采用低锤轻击的办法通过，以保持孔壁完整良好。

(4)二级潜孔锤扩孔钻进达到预定深度后，起拔钻具，吊放钢套管至孔底，下入风管至套管底部，开启空压机，利用高压气举方式将孔底沉渣和积水排出套管，确保孔底干净。如遇钻孔承压水位较高，可预先投入1.0～1.5 m混凝土进行孔底渗水封堵，随即下入工字钢梁，必要时配置合适比例的扶正器以确保钢梁居中。工字钢梁下入并检查无误后，立即进行水泥砂浆灌注，灌注过程中采用振动棒振动钢管和工字钢，以振动传导方式便于砂浆灌入和捣实，如照片1所示。

照片1 支护钢管桩墙钻孔施工和浇筑

(5)刚浇筑完的水泥砂浆灌注桩，不宜立即在其附近冲击相邻桩孔，宜采取间隔施工，间隔距离应在1～2 m，防止因潜孔锤钻进震动或主体侧向挤压而造成桩体变形或内部砂浆强度降低，影响桩体质量。

2.4 注意事项

(1)钻进过程中应尽量做到不停顿(加钻杆及更换钻头除外)，如必须停顿时，应及时将钻头提离孔底(至少高于孔底1.5 m)，以免钻渣沉淀而埋钻。

(2)钻进过程中，当发现塌孔、偏孔、斜孔时，应及时处理。

(3)灌注过程中如发生堵管或砂浆灌注量明显小于理论方量，应及时分析原因，采取具体措施(如采用振管法)及时恢复灌注，如确实不能续灌应立即拔出钢管内工字钢梁，清除已灌砂浆，然后再按规范要求进行灌注。

(4)不宜在刚浇筑完混凝土的灌注桩附近立即施工桩孔，而应间隔距离1～2 m外施工，以防止潜孔锤钻进震动或主体侧向挤压而造成桩体变形或内部水泥砂浆强度降低，影响桩体质量。如照片2所示，通过间隔跳钻方式完成的基坑支护钢管桩墙。

照片2 完成的基坑支护钢管桩墙

3 施工中遇到的突出问题及处理措施

潜孔锤钻进施工过程中，遇到孔斜超标、钢管下入困难、钻屑上返困难及局部地区孔壁失稳等问题，项目部人员查阅了相关文献[4-7]，结合现场条件，创新性地提出了对应的处理措施，有效解决了这些问题。

3.1 潜孔锤扩孔钻进产生孔斜，导致钢管下入困难

钻孔施工完成后，在钢管下入过程中，孔斜问题凸显，个别钻孔钢管以螺旋旋转方式能够勉强下入到设计孔深，大部分钻孔钢管下入不到位，甚至高出地面2～3 m，需提拔钢管，待钻机重新就位后扩孔，既浪费了大量人力和时间成本，又严重影响了施工进度和效率。

在钻孔施工过程中，采用Φ165 mm潜孔锤开孔，然后分别用Φ250 mm和Φ315 mm潜孔锤进行两次扩孔，这两种扩孔方式实际上是一种无导向性的叠加扩孔，水平方向能够满足甚至>Φ315 mm口径，而垂直方向上因同心度无法满足要求，甚至达不到Φ300 mm口径，造成钻孔垂直度有较大偏差，钢管无法正常嵌入。

为保证两次扩孔钻进的同心度，在Φ250 mm和Φ315 mm锤头底部分别加工了Φ165 mm和Φ250 mm同心导向管，确保了潜孔锤扩孔钻进的同心度和垂直度，解决了扩孔造成的孔斜问题。在施工过程中发现，焊接加工的Φ165 mm和Φ250 mm导向管易被锤击打扁或脱落，在孔内造成次生事故。针对此类情况，采取了优化处置，利用气割对锤头进行了环形切槽，导向管采用内镶方式焊接加固，同时对导向管材料进行了优选，采用了废弃的载重汽车大梁后桥弹簧钢板，经烘炉弯曲加工而成，有效提高了导向管的强度，可靠性大大增强。

采用经改进的同心导向管施工后的钻孔，其垂直度明显改善，钢管一次下入成功率显著提升，有效解决了钢管下入困难的问题。

3.2 孔内钻屑上返困难，孔底沉渣过厚

在潜孔锤分级扩孔过程中，随着钻孔孔径增大、深度增加，钻杆与孔壁之间的环状间隙空间逐级增大，作为循环介质的空气在单位体积内压力逐级变小，孔内上返风速不足，岩屑携带能力明显减弱，存在岩屑重复破碎，上返粒径变小，孔底沉渣过厚，钻探进尺严重缓慢的现象。

项目部针对现场情况和既有条件，利用现有的Φ165 mm(内径150 mm)高强度PVC井管穿过Φ89 mm钻杆，在钻杆上下部分别加工焊接两个托盘夹持固定PVC井管，并保证其同心度和垂直度，如照片3所示。使用经过改造后的钻杆，增大了钻杆直径，减小了环状间隙，有效提升了岩屑携带能力，同时钻杆重量变化不大，对工人起下钻的劳动强度不造成影响。同时，对原钻杆未造成变形、破坏，加工、拆卸和恢复钻杆原貌简单方便。

照片3 改造后的钻杆

3.3 局部欠稳定地层孔内支护问题

场地地质条件基本良好，上部开挖1.8～2.0 m后，土体结构依然坚硬致密，大部分钻孔仅在孔口安置孔口管，无需套管支护。但西部毗邻JOB600议会大厦场地情况特殊，施工过程中发现场地曾被人工开挖建造过一个8 m×4 m×3 m的地下混凝土储水池，周边均为人工回填的建筑垃圾和杂填土，潜孔锤钻进过程中，0～5 m深度土层稳定性差，掉渣掉块严重，无完整孔壁，甚至出现孔内无返风返渣现象。

为解决这一问题，现场采用3 mm薄钢板自制了Φ350 mm卷铁皮工作套管，同时加工了配套的Φ380 mm扩孔钻具，并采取了分段分次开钻扩孔的施工工艺。

上部(0～7 m段)欠稳定地层三次扩孔：

(1)开孔。采用Φ165 mm空气循环潜孔锤钻进，控制风量并自然配重钻进，保证钻进效率和定位效果，确保上部回填土层钻孔垂直度，钻至片麻岩强风化层(7.00 m左右)。

(2)一次扩孔。原采用焊接有165 mm导向管的Φ250 mm空气循环潜孔锤钻进，但因回填建筑垃圾完整性差，内部孔隙发育疏松，钻进过程中受风力干扰性强，出现孔壁垮塌、漏风跑气，最终采用以泥浆循环为主的Φ250 mm/Φ165 mm梯级叶片刮刀钻头钻进。

(3)二次扩孔。采用Φ311 mm牙轮钻头+钻铤组合钻进，目的是为了提高钻孔垂直度，增加对上部杂填土的挤压和破碎效果，提高扩孔钻进效率。

(4)三次扩孔。采用Φ380 mm/Φ310 mm扩孔钻具(如照片4所示)+钻铤组合钻进，保证钻孔同心度、垂直度的同时确保扩孔效果。扩孔钻进至预定强风化层深度5～7 m，提钻下入Φ350 mm卷皮钢套管。

照片4 Φ380 mm扩孔钻具

下部(7～13.5 m段)稳定坚硬地层二次扩孔：

(1)开孔。采用Φ165 mm空气循环潜孔锤钻进，控制风量并自然配重钻进，保证钻进效率和定位效果，钻至片麻岩微风化层(13.5 m左右)。

(2)一次扩孔。采用空气循环潜孔锤扩孔钻进，下入焊接有160 mm导向管的Φ250 mm潜孔锤钻进，直至钻进到预设孔深13.5 m。

(3)二次扩孔。下入焊接有245 mm导向管的Φ315 mm潜孔锤钻进，直到钻进孔深达到设计要求。

该工艺方法存在的不足之处：一是采用的钻探技法较多，提下钻频次较高，劳动强度大；二是杂填土成分复杂，均匀性差，扩孔过程钻机振动剧烈，易导致孔位偏移和垂直度降低；三是杂填土本性疏松，孔隙度大，泥浆漏失严重。针对上述困难和问题，采用定向静锤、吊打吊扩的方式解决了钻孔偏位、振动过大的问题；因地制宜，挖取场地“蚂蚁山”(非洲蚂蚁将地下粘性较好的粘土搬运至地面，形成2～5 m高的栖息地)，解决了泥浆材料短缺和孔内漏失封堵等问题。

4 结论

(1)随着加纳经济社会发展，高层建筑深基坑支护工程和应用技术将逐步普及，针对首都阿克拉地区全—中风化基岩地层埋藏较厚的岩土体结构和特点，以潜孔锤高质效施工为代表的钻探工艺必将成为基坑支护桩成孔钻探技术首选，大口径潜孔锤钻探技术将以其入岩效率高、孔底沉渣少等优势和特点成为镶嵌式钻孔灌注桩主流。

(2)新时代钻探工作需要掌握基础性岩土工程知识和积累大量的现场施工经验，以生产实践中出现的困难和问题为导向，认真研判原因，制订处置措施，优化设计方案，付诸实践检验，善于在生产实践中提炼和总结新工艺、新工法，不断研究施钻条件，改进施钻技艺，达到提高质效的目的。

(3)在非洲基础工业薄弱、物质材料匮乏、交通物流不便的条件下，要充分发挥专业技术优势和发扬地质人“四特别”精神，集思广益创造性地开展岩土工程掘进工作。同时加强与国内探矿机械生产单位和科研院所的密切联系，在广袤的非洲大地上大胆引进国产高精专成套装备和技术，以科技创新引领海外工程的高质量发展。

(4)本项目虽然顺利完成，但还存在一些问题和不足，需要不断引进、消化和吸收。一是国内外先进钻探技术和装备在非洲地区还没有被充分引进，如扩孔潜孔锤应用、双壁钻杆和反循环潜孔锤应用等在非洲大陆水文水井和桩基工程中尚未被广泛推广；二是大口径组合潜孔锤钻具的碎岩功效、成孔技术在国内外地灾防治治理工程中未被充分发挥和应用，大多数滑坡抗滑桩依然采用施工危险性大、风险性高、不确定因素多的人工挖孔桩，不具备高质量发展要求；三是空压机并联重组或大功率空压机的研发是未来潜孔锤施工技艺不断提升的迫切需求。