复杂地质成桩工艺探究旋挖钻与长螺旋钻机接力成孔

2022-03-05潘博文张胜斌杨昆昆

中国建筑金属结构 2022年1期

潘博文张胜斌杨昆昆

0 引言

桩基础是建筑地基处理中较为常见的一种处理方式，针对复杂的地质情况采用合适的成孔钻机显得尤为重要。河北省第四届园林博览会建设项目山水邯郸主场馆主要由杂填土、建筑垃圾、砾石、粉质黏土等组成，选用合适的施工钻机成孔关系到场馆乃至整个项目的工期。

经过试桩，采用长螺旋钻机无法穿透钢渣层以及粉质黏土层；采用旋挖钻机，穿过杂填土层进入第二层砾石层时，出现砾石持续塌孔，旋挖钻在该孔深处始终无法进尺。项目部最终决定采用旋挖钻机+长螺旋钻机接力成孔的方式进行施工，成桩效率大大提高，保证了整个项目的顺利完工。

1 工程概况

山水邯郸主场馆位于邯郸市复兴区齐村南侧，该区域原为沁河老河道，邯钢十几年前开始在此地排放钢渣等炼钢废弃物，下面埋有旧厂房旧混凝土路等。山水邯郸主场馆范围内为 CFG地基处理，CFG 桩径 700mm，桩长 20m。山水邯郸周边金属网架基础为钢筋混凝土灌注桩，桩径 700mm，桩长 15m、20m、25m。

2 工程地质和水文地质条件

经地勘报告显示，山水邯郸主场馆基底标高-3.200m 以下，第一层为杂填土，主要有钢渣及其板结层、建筑垃圾、旧基础、砼路面并含有少量生活垃圾，堆积时间 5 年，成分不均匀，层厚 3.60～9.60m；如图1 所示。第二层砾石，母岩成分为中风化砂岩，颗粒多呈亚圆形，粒径 2～50mm，卵石含量较少，级配一般，充填物为中砂，夹淤泥，层厚 0.50～4.00m；如图2 所示。第三层粉质粘土，棕黄色，夹灰绿色条带，硬塑～坚硬，切面稍光滑，稍有光泽，干强度和韧性中等，摇振无反应，含钙质结核及褐色团块，局部见胶结，夹粘土及砂薄层，层厚23.10～27.70m。

图1

地下水位埋深 0.00～8.20m，稳定水位高程 78.05～78.81m，历史最高水位高程约 81.50m。场地内含水层主要为第一层填土，属潜水，水位升降主要受大气降水及河流渗透补给。

图2

3 成桩工艺的探索

自 2019 年 11 月 4 日开始，按照设计图纸要求进行试桩，探索成桩工艺。

方案一采用两台 480 功率的长螺旋钻机进行成孔试验，在钢渣板结的孔位上，钻头无法磨碎板结层而继续钻进；在无坚硬地层的孔位上，当钻杆穿透第二层砾石层进入第三层粉质黏层后，由于粉质粘土抱钻产生的巨大摩阻力，此小功率钻机无法克服摩阻力继续成孔。

方案二采用 SR280C 旋挖钻机，在泥浆护壁的情况下进行成孔。由于第二层为砾石层，在砾石层完成护壁，需要调大泥浆比重，因此采用 1 ∶4 比重的泥浆进行成孔试验。在旋挖钻穿过杂填土层进入第二层砾石层时，出现砾石持续塌孔，旋挖钻在该孔深处始终无法进尺。后将泥浆比重调整至 1.5 后，该情况并未得到解决，成孔失败。

为解决此难题，项目部技术团队提出两种方法，分别是：旋挖钻全护筒跟进、旋挖钻和长螺旋钻机接力成孔，项目部对两种方法进行了评估：（1）旋挖钻全护筒跟进施工速度慢，机械费高，成桩质量易保证；（2）旋挖钻和长螺旋钻机接力成孔施工速度快，费用低，对钻机操作工技术要求较高。

配备 10 台旋挖钻全护筒跟进的方案下，施工成本为6 841 854 元，平均每天成桩 40 根（包括机械故障、原材料供应不足等因素），工期为 1 804/40=46 天。配备 3 台旋挖钻+10台 680 长螺旋钻机接力成孔的方案下，施工成本为4 038 498 元，平均每天成桩 80 根（包括机械故障、原材料供应不足等因素），工期为 1 804/80=23 天。

经分析，旋挖钻和长螺旋钻机接力成孔经济合理，能够满足工期要求。然而还需要解决一个难题，长螺旋钻机进入第三层粉质黏土后，由于粘性大，黏土将钻头和螺旋钻杆紧紧包住，附着了黏土的钻头失去切削土体的能力，钻杆出现空钻不进尺的情况。

项目部经过研究和探索，找到了如下方法：在每台长螺旋钻机上加装空压机，导气管从空压机出来后通过钻杆通到钻头处，钻杆上焊接角钢对导气管进行保护。在钻进过程中，空压机将高压气体通过导气管传到钻头处，钻头处的出气口将附着在钻头的黏土吹落，使得钻头始终保持良好的切削土体的能力，如图3、图4 所示。

图3

图 4

4 方案介绍

4.1 CFG 施工方法

（1）埋设护筒：采用直径 1.0m 的钢护筒埋深 1.5m，护筒中心轴线对正测定的桩位中心，严格控制护筒的垂直度，稳定孔口土壤和保护孔壁不坍塌。

（2）旋挖钻机成孔：钻机就位，精准调平，确保施工中不发生倾斜移位。采用十字交叉法对中孔位。启动钻机慢速运转研磨板结层，不可进尺太快，钻机过程中用检测尺随时观察检测，调整和控制钻杆垂直度。在穿过杂填土层后（约在操作面以下7～8m 的位置）进入砾石层之前，提起钻杆移开旋挖钻。

（3）长螺旋钻机接力成孔：长螺旋钻机就位，调整钻杆垂直度变差小于 1%，桩位偏差控制在 0.4 倍桩径以内。钻杆下达砾石层位置，启动动力头，启动空压机，钻进速度控制在1.5～2.5m/min 以内。达到设计深度后，空转 30s 停钻。

（4）灌注混凝土成桩：成孔达到设计深度后，用高压泵将混凝土通过导管和钻杆送至孔底，提钻速度必须与混凝土泵送速度一致，匀速提钻并保证钻头始终埋在混凝土内，在穿过砾石层时（约 2～3m）特别注意提钻要慢，防止砾石坍塌造成桩身缩颈。钻杆提升出孔位后，保护好桩头，就此成桩完成。

4.2 钢筋混凝土灌注桩施工方法

钢筋混凝土灌注桩成桩工艺在完成（1）～（4）后，采用后插筋工艺进行钢筋笼的下插。

将钢筋笼按照设计图纸要求绑扎成型，特别注意在端头1m 范围内加工成圆锥状。将振动锤连接振动管，振动管穿过钢筋笼，吊装就位调整好钢筋笼垂直度和桩位偏差后，先靠自重将钢筋笼压入未初凝的混凝土中，至无法压入时再启动振动锤将钢筋笼振入设计标高。这样能防止振动锤振动导致钢筋笼偏移。下插至设计标高后上提振动锤，提升过程中每提3m开启振动锤一次，以保证混凝土的密实性，如图5 所示。