欠固结土条件下桩基成孔措施

2022-01-19王永

建材与装饰 2022年3期

王永

（中铁二十四局集团西南建设有限公司，四川成都 610066）

欠固结土是指在现有自重压力作用下尚未完全固结的土，多为新近沉积黏土或人工填土。在欠固结土条件下进行钻孔灌注桩施工时在钻进过程中孔壁极易坍塌，从而造成工期延误和经济上的重大损失。本文针对欠固结土条件下的钻孔桩施工措施进行分析，希望通过本文的分析能够为类似条件下的钻孔桩施工提供有效的借鉴。

1 工程概况

1.1 项目概况

朝阳溪暗涵（十三中~二十八中）改造工程改造暗涵上游起点为二十八中，下游至现况十三中暗涵出口闸，属于朝阳溪河道整治中的上下游河段，全长约3km。该工程沿现况双孔暗涵新增一孔暗涵，暗涵尺寸为6.0m×4.3m，全长3000m。按照防洪排涝标准进行暗涵扩建，使防洪标准由原来的20 年一遇（P=5%）的标准提高到50 年一遇（P=2%）的标准。

本工程暗涵、管线及相关附属设施主要采用钢筋混凝土排桩加内支撑进行支护。桩径800mm（A 型桩）、1000mm（B 型桩）、1200mm（C 型桩），桩间距1500mm，桩底嵌固深度5.0m~6.0m（以A 型桩为主，跨市政道路等少量区域布置有B 型桩和C 型桩）。因施工范围内地下水丰富，在远离既有暗涵一侧的支护桩的桩间或桩后设置高压旋喷桩，桩与桩之间咬合在平面上形成闭合的帷幕。隔水帷幕伸入坑底以下相对不透水层，旋喷桩桩径1000mm。靠近既有现况暗涵一侧的支护桩外侧设计则利用既有现况暗涵进行阻水。

1.2 工程地质条件和水文地质情况

根据《朝阳溪暗涵（十三中～二十八中）改造工程项目岩土工程详细勘察报告》，场地内的岩土层主要为填土、淤泥、第四系冲、洪积相的黏性土、碎石土以及古近系泥岩等，其中填土、淤泥及具胀缩性的黏性土、泥岩为特殊性岩土。

在勘察深度范围内，场地内有三层地下水，即上层滞水、孔隙潜水、孔隙承压水。

1.3 工程基坑特点

（1）基坑深度范围内杂填土和软土不均匀，压缩性较强，抗剪强度低，地基承载力弱。

（2）勘察报告的提供的地下水位变化幅度较大，为5～8m。

（3）基坑两侧有不明基础形式的建筑物，且分布较密集。

（4）基坑一侧为既有双孔方涵，顶部覆土较浅，基坑开挖双孔方涵不满足抗滑移要求，需要提供反力来平衡。

（5）沿线基坑深度为6.8～9.7m。

2 现场施工难点及原因分析

2.1 施工难点

按该工程项目部的工期计划本应在2019 年12 月31 日前完成已有工作面的所有钻孔灌注桩施工，但现场实际进度有所滞后，主要是因为既有暗涵侧的钻孔灌注桩钻孔过程中极易塌孔、成孔困难，导致支护桩施工的节点工期滞后较严重。

2.2 原因分析

该工程暗涵工程支护桩既有现况暗涵一侧位置的地质基本为原旧涵回填的杂填土，厚0.8～9.0m，主要成分为泥岩弃土及黏性土，混填砖渣、建筑垃圾和有机质等，回填压实度明显不满足。且回填时间10～20 年，未完成自重固结，属于欠固结土，具有高压缩性及湿陷性，孔隙多且较大，本身结构不稳定，受扰动易坍塌。另外杂填土内上层滞水较丰富，主要来自3 个方面：大气降水、周边密集居民生活废水入渗、旧暗涵沉降缝处的渗水。

所以靠既有现况暗涵侧杂因填土固结差、渗水丰富，造成塌孔严重，使钻孔桩成孔困难，如图1、图2 所示。

图1 既有暗涵侧均为松散的杂填土、极易坍塌

图2 孔内地下水丰富

3 解决措施

在考虑解决措施时，在少量基坑周边无建筑物的开阔地带，项目部将钻孔灌注桩变更为拉森钢板桩，加快了工期也降低了施工费用。但大部分区域因房屋紧邻基坑或基坑深度过深，拉森钢板桩支护无法通过安全系数验算，所以必须采用钻孔灌注桩进行支护。

因暗涵桩基数量多（总数为4481 根），工期紧，施工场地非常狭小，只有旋挖钻机才能满足施工进度要求，所以不考虑其他钻机类型。

而换填法、预压法、压实法和强夯法等欠固结土常用的处理措施，也因工期不允许、工程量巨大造成费用过高、场地条件限制等因素无法予以实施。

根据现场实际情况考虑，该工程钻孔灌注桩为预防塌孔，采取以下三项措施进行了试验比较：第一种是采用浓泥浆护壁、第二种是采用钢护筒跟进、第三种易塌方土层采用高压旋喷注浆预加固。

该工程项目部在现场先后对这三种施工工艺进行了试验，试验结果如下。

3.1 采用浓泥浆护壁的方式

由于支护灌注桩距既有暗涵只有0.8m，离既有暗涵太近，且是欠固结杂填土，灌注桩采用泥浆护壁成孔时出现严重泥浆流失，该工程项目部在试桩时不断增加泥浆浓度，泥浆浓度最高已接近1.4，但依然发生塌孔，导致灌注桩无法成孔。

另外杂填土下方有粉砂层，在钻孔时粉砂不断流出，导致进尺困难，如果强行钻孔时，可能会导致旧暗涵底部的粉砂层被掏空，对旧暗涵的安全形成危害。

3.2 采用钢护筒跟进施工

在泥浆护壁试验未成功后，为保证施工进度该工程项目部一工区和二工区先后共定制了十余条8~12m 长的钢护筒进场施工，但在钢护筒跟进施工中也发现以下4 点问题。

（1）采用钢护筒全跟进施工时，由于杂填土中有砖渣、建筑垃圾，钢护筒需先引孔才能插打下去，而在引孔的过程中已造成周边的土体挠动，在抽拔护筒时极易出现塌孔，造成已灌好的混凝土面下降，且孔壁坍塌的土方易进入桩身混凝土，会导致灌注桩出现质量缺陷。如果等桩身混凝土达到一定强度再拔出护筒时，因护筒过长，便会导致护筒无法拔出，而且采用震动钳强行拔出时，也会对初凝后的桩身混凝结构土产生破坏，如图3 所示。

图3 采用钢护筒跟进施工时，灌注混凝土时的情况以及拔出钢护筒后混凝土面下降严重且孔壁塌方的情况

（2）钢护筒跟进施工的成桩速度比较慢，因为钢护筒的埋设及拔出均需耗费较多时间，使用几根桩后钢护筒还需整修，严重影响了钻孔灌注桩的施工进度。

该工程项目部二工区两台旋挖钻机采用钢护筒跟进施工每天的成桩数量只有5~6 根，速度太慢，而且砾石层分布在6m 左右，分布较浅，钢护筒压入砾石层非常困难，加大了成孔难度。

（3）钢护筒跟进施工，用钢量大、费用高。因为地层情况不同，需定制不同规格钢护筒，周转使用率低，为保证进度，需定制大量钢护筒，使用时还需租用专门的振动锤进行插拔。另外为了保证钻头顺利钻孔，80cm 直径的钻头需要的护筒直径一般为100cm，这样造成混凝土超方严重。钢护筒长度如果超过10m，打入后一般很难再拔出重复使用。以上因素造成使用钢护筒跟进施工缺乏经济性。

（4）在采用震动钳打进钢护筒时，造成的噪声和震动非常大，对周边环境造成很大影响。因工地紧邻居民区、学校、医院，现场在打进钢护筒时经常接到周边居民的投诉，并有居民以房屋被震坏为由进行索赔。

3.3 对易塌方的欠固结土层采用高压旋喷注浆预加固

因钢护筒跟进施工中的种种缺陷，该工程项目部考虑对易塌方的欠固结土层采取了预加固的措施，因杂填土内混填砖渣、钢筋混凝土块等建筑垃圾、所以无法采用水泥搅拌桩进行加固。而采用双液压浆方式又因为杂填土缝隙太大、漏浆严重，无法保证效果。且现场暗涵另一侧支护桩外侧有高压旋喷桩正在施工，所以该工程项目部决定在采用高压旋喷注浆加固的措施。

高压旋喷桩分为单重管、二重管、三重管高压旋喷桩。单重管高压旋喷因成桩直径太小（≤0.6m），所以不适用于该工程。二重管、三重管高压旋喷桩成桩效果均能满足现场要求，因三重管高压旋喷桩的费用高于二重管高压旋喷桩，所以该工程项目部采用二重管的高压旋喷钻机进行施工，即采用二重注浆管将水泥浆液和压缩空气注入土体，使水泥浆液和土体混合并固结，如图4 所示。

图4 现场高压旋喷桩预加固区域

高压旋喷注浆加固针对本工程有以下优点。

（1）可以对松散土层进行固结，使之不再塌孔。

（2）原设计既有暗涵侧无高压旋喷桩止水，设计意图是：靠既有暗涵的涵体本身来起到挡水作用，而实际情况是既有暗涵经过近20 年的使用，橡胶止水带已老化失效，沉降缝处已出现漏水。既有暗涵侧采用注浆预加固还可以起到止水的作用，这对加快暗涵施工的施工进度非常有利。

（3）因支护桩距离既有现况暗涵只有0.8m，后续开挖过程中极易造成桩后及桩间的土方流失，这样在基坑内支撑施工时，既有暗涵支护桩因桩后无土方，在桩身受力时就无法提供反力，极大地增加了深基坑施工的危险性，甚至导致旧涵的破坏。采用高压旋喷注浆后使支护桩与既有暗涵之间的土体固结，有效地避免了桩后及桩间的土体流失。

（4）高压旋喷注浆加固不影响工期，注浆加固施工速度快，而且可以先于灌注桩进行施工，工序衔接合理，可保证连续施工。在注浆加固后，旋挖桩施工时可以干孔成桩，省去了泥浆护壁所需的时间和费用，成桩速度也很快，对保证工期极为有利。经统计高压旋喷注浆加固，二工区的两台旋挖钻机每天的成桩数量均不少于10 根，是采取其他措施时的2 倍成桩速度。

（5）经综合测算，高压旋喷桩注浆加固的总体费用明显低于采用钢护筒跟进施工。举例如下：设计桩长15m、桩径0.8m、欠固结土深度为8m。根据上述条件可知。①采用高压旋喷桩增加费用如下：长度为8m，1m 直径的高压旋喷桩价格为150 元/m（投标清单价）。采用高压旋喷桩增加费用为150×8=1200 元。②而采用钢护筒跟进施工增加的费用如下：a.混凝土超出费用（桩径0.8m，护筒直径至少为1m，所以护筒长度内成孔直径也为1m）：0.5×0.5×3.14×8-0.4×0.4×3.14×8=2.26m3采用钢护筒跟进施工后混凝土多使用2.26m3，C30 水下混凝土当时的价格为360 元/m3。2.26×360=813.6 元。b.震动钳整机的租金为150000 元/月，采用钢护筒跟进施工每月不超过200 根桩（二工区数据），震动钳整机的租金摊销到每根桩的费用至少为750 元。c.采用钢护筒跟进施工每根桩至少增加成本：813.6+750=1563.6 元，其中还不含钢护筒本身的摊销费用和整修费用。③采用高压旋喷桩施工比采用钢护筒跟进施工，每根桩至少减少1563.6-1200=363.6 元的措施费用。④采用高压旋喷桩加固后极大地节约了工期、还大幅降低了各项管理费用。

（6）采用高压旋喷桩注浆加固及止水有利于顺利办理变更手续。该项目如果仅以土质易塌方，导致成孔困难的理由办理设计变更，增加钢护筒或者高压旋喷桩预加固的措施费，则较难通过相关各方的审批。但因为设计利用既有现况暗涵进行阻水的意图因既有现况暗涵本身漏水而未能实现，该工程项目部以高压旋喷桩注浆形成止水帷幕进行止水和防止塌孔两个理由同时办理变更，则容易得到相关各方的理解和支持，有利于顺利办理设计变更手续，如图5 所示。