基于泥浆护壁的倾斜钻孔灌注支护桩施工技术

2021-10-15张涛田野,2陈国宋志柳瑶高雨

建筑施工 2021年5期

张涛田野,2 陈国宋志柳瑶高雨

1.中建三局集团有限公司工程总承包公司湖北武汉 430070；2.湖北中建三局建筑工程技术有限责任公司湖北武汉 430070

传统的深基坑开挖，多采用桩（墙）撑、桩（墙）锚的支护方案，但锚杆（索）存在出红线的限制条件，支撑使用完后拆除会造成极大的资源浪费，同时也影响工程进度。悬臂式支护桩具有设计计算简单、节约用地空间和施工费用低、施工方便等优点，然而悬臂式排桩支护结构无支点力作用，往往容易导致桩顶水平位移及桩身弯矩较大，容易引起倾覆、断桩等工程事故[1]。

为了增加支护结构的稳定性，不少学者在直桩的基础上，研究了各种形式的斜桩工作性状[2]，相比于直桩支护技术，倾斜桩支护技术在桩身位移控制和坑外沉降控制方面都有着很好的优势[3]。目前倾斜桩施工在一些工程中得到成功应用，但总体上存在一定的施工困难[4]，导致倾斜桩基坑支护的应用存在一定的阻碍。

究其受阻原因，主要是受施工设备的限制，且倾斜桩数量并不多，施工中主要通过对传统直桩设备的改进来实现倾斜桩成孔，如潘术文[5]提出采用钢管钻孔灌注斜桩的施工方法，彭卫东[6]提出采用冲击钻机与回转钻机在码头工程中进行嵌岩斜桩施工的方法。本文结合工程实例，探讨采用泥浆护壁进行倾斜钻孔灌注桩基坑支护施工，从而减少因套管护壁而带来的成本增加、工效降低的影响。

1 工程概况

工程位于武汉经济技术开发区硃山湖以南，鄂江左线堤上路以北处，工程占地面积约15.6万 m2（图1）。设置2层地下室，基坑距离红线约11 m，红线外为通行道路，基坑开挖深度11.25 m，涉及倾斜桩支护段长度约120 m，设计采用前斜后直倾斜桩基坑支护，钻孔灌注支护桩桩径0.9 m，前排斜桩间距1.1 m、桩长20.5 m、倾斜角度10°，后排直桩间距2.2 m、桩长18.0 m（图2）。

图1 场地平面位置示意

图2 支护典型剖面示意

基坑侧壁的主要土层自上而下依次为：①1层杂填土、①2层素填土、②层黏土、③层粉质黏土、④1层黏土、④2层碎块石土。其中碎块石土，中密，碎、块石成分主要为石英、遂石、砂岩等，多呈棱角-次棱角状，砾径多大于20 mm，可见大于110 mm的大块状及短柱状岩芯，含量一般大于60%，充填物为硬塑状黏性土，碎、块石多被黏性土包裹，碎、块石排列无规律。钻探中在砾石块径较小时取样进行颗粒分析，其黏粒含量20%～90%。层中偶见较纯的黏土夹层。场地北邻硃山湖，地下水主要为上层滞水和局部孔隙承压水。

2 施工难点分析

相比于直桩，倾斜钻孔灌注桩孔壁稳定性更难得到保障，钻机钻进过程中，桩体空间位置及截面尺寸容易发生变化，同时，由于钻头和钻杆的自重作用，成孔可能发生斜向弯曲，并随钻进深度的加大，挠度不断加大，严重影响成孔质量。因桩体发生倾斜，如发生坍孔现象，对地面的影响范围会更大，并可能威胁地面作业人员的安全。泥浆护壁倾斜钻孔灌注桩成孔、成桩过程中产生的难点主要包括以下几个方面：

1）泥浆护壁中需确定膨润土的适用性，根据试成孔情况明确所需的膨润土泥浆配比；制备泥浆性能除满足护壁要求外，还要保证孔壁在倾斜状态施工时的稳定性或安全性。

2）钢筋笼吊装的有效性，确保钢筋笼顺利下放，同时满足保护层厚度要求。

3）确保倾斜桩导管安装及混凝土灌注措施的可靠性，满足混凝土连续灌注的要求，避免发生卡管、挂笼等现象，防止导管松脱或避免造成钢筋笼变形、偏位。

3 关键施工技术方法

3.1 施工工艺流程

泥浆护壁倾斜灌注桩施工流程与普通泥浆护壁灌注桩的施工步骤基本相同，主要在成桩角度控制、倾斜钻进、钢筋笼吊装及导管安装等方面的具体施工方法有比较大的区别。其施工流程为：场地平整及桩位测设→护筒斜向埋设，护筒中心及角度复核→钻机就位，桅杆倾角设定→泥浆护壁取土钻进→钻至桩底，清孔并进行孔深、孔径及倾斜角度等检测→钢筋笼制作验收及吊装入孔→安装导管及二次清孔→混凝土检测及灌注成孔→拔除护筒。

3.2 机具选择与改进及护筒埋设

该工程倾斜支护桩钻孔设备优先采用旋挖钻机，同时为了加快钻进成孔速度，减少孔壁土体在倾斜状态下因应力释放而产生的向内收缩，选用型号较大的280型钻机。因开口钻斗在倾斜钻孔时容易产生一定幅度的开启或晃动，将对孔壁造成扰动，造成充盈系数变大，而且会增大坍孔风险，因此确定在倾斜支护桩施工时采用1.8 m捞砂钻斗。为更好地传递轴压，提高在碎块石土层的钻进效率，选用机锁钻杆，通过钻杆上的凹形键条互扣，形成硬性连接，可更有效地传递轴压，避免因采用摩阻杆，依靠钻斗负载传递轴压，在钻进取土时可能增加的对孔壁的扰动。

为进一步提高成孔稳定性，同时防止坍孔对地面人员的安全影响，倾斜支护桩埋设4～6 m护筒，通过长护筒可加强钻进导向作用以及保障倾斜角度。

为防止钻杆钻进过程中出现过度摩擦，对钻头进行适当改进，旋挖钻头添加圆状凸起，使之在孔内钻进取土时可支撑于孔壁上，形成支点，解决斜桩施工时钻杆钻头向下弯曲的问题，减少钻头对孔壁的扰动。该文实例采用2.8～3.0 m定制长钻头，进一步减小倾斜支护桩施工时钻头自重造成的成孔弯曲的问题，避免成桩中心线为曲线。

3.3 钻机就位

施工前需要对场地进行平整，保证钻机施工处地基不产生沉陷，以免钻机倾斜影响成孔的角度；在钻机就位时，先将地面整平压实，钻机对桅杆进行定位设置，满足设计倾斜角度的要求。

钻机就位时，检查护筒埋设后桩中心与钻头中心是否重合，如果偏差较大应适当调整钻机位置，确保钻孔的中心符合设计要求。

3.4 泥浆护壁

1）泥浆制备。钻孔泥浆采用膨润土造浆，泥浆制作采用机械搅拌的方式，泥浆经高速搅拌不少于4 min，并经1 d时间达到完全溶胀后方可使用。泥浆采用非机械净化法，即通过泥浆池进行循环沉淀净化泥浆。

2）泥浆配比。该文工程实例旋挖取土钻进至5 m左右，突遇渗流地下水，孔壁不断有土块掉入孔内，渗流进入孔内，地下水在孔中形成自由水面，严重影响成孔施工。随成孔深度的增加，孔壁持续产生垮土现象，将孔内水位引排至孔外后，孔内水位很快得到补给，并加快坍孔的发生。为防止发生埋钻，同时为避免超灌过大，基于渗流对孔壁稳定的不利影响，需采取泥浆护壁成孔作业。为确定合理的泥浆配比，选取3根直桩、2根斜桩进行成孔试验，泥浆护壁试成孔参数见表1。根据直桩施工形成的泥浆参数，斜桩施工时护壁泥浆的掺料配比为水∶膨润土∶纯碱＝100∶14∶0.6，其中膨润土和纯碱的比例根据地层情况相应有所增加，目的是为了进一步增加新制泥浆的黏度，更有效地形成泥皮，达到护壁的效果。

表1 泥浆护壁试成孔参数

3）泥浆性能。根据试桩结果，确定倾斜灌注桩护壁泥浆的主要性能要求：相对密度1.20～1.25，黏度25～30 s，含砂率≤4%；针对成孔时的地层情况，若需进一步增加泥浆相对密度，可在泥浆中掺入一定比例的重晶石粉，保证倾斜桩施工时泥浆对孔壁具有足够的护壁能力。若需进一步增加泥浆的黏度和相对密度等关键指标，可采用比普通膨润土黏度更高的OCMA膨润土进行造浆，该膨润土为综合配比的膨润土，配置泥浆时，无需再掺入纤维素等材料，在黏度小于25 s时，加入0.6%质量比的纯碱，可进一步减小泥浆的滤失量，增加泥浆的黏度，利于孔壁泥皮的形成和加强护壁效果。

3.5 斜向钻孔

开钻前对泥浆性能、钻头尺寸、钻机对位偏差以及钻机桅杆倾斜角度检查验收合格后方可开钻。

钻孔时，经常观测泥浆液面标高，保持孔内泥浆压力，孔内水位必须高于护筒底脚0.5 m以上或地下水位以上1.5～2.0 m。钻孔时，起、落钻头的速度应均匀，不得过猛或骤然变速。

倾斜钻进成孔时，应避免坍孔埋钻的发生。旋挖钻机操作手应对每一次钻进的下斗、取土及提斗过程进行记录，明确存在缩径、坍孔等突发情况所处地层及其标高，在后续施工时对泥浆指标和钻孔进尺速度进行针对性的调整。同时施工人员旁站观察钻斗顶部是否有土块堆积等情况，判断是否存在坍孔或缩径的风险，以便及时将钻头提出孔外，防止埋钻。

由于采用的是旋挖倾斜成孔施工，保证倾斜角度的关键是钻机桅杆的角度，因此，在钻孔作业前，需要对桅杆进行定位设置，满足设计倾斜角度的要求。钻孔过程中，钻机操作手应通过显示器的桅杆工作界面实时监测桅杆的位置状态，确保成孔的倾斜角度符合要求，成孔倾斜角度与设计角度的偏差不大于1°。