复杂地质条件下小直径钻孔桩施工实践

2022-06-09李立军

安徽建筑 2022年5期

李立军

（安徽岩土工程有限责任公司，安徽合肥 230011）

1 工程概况

天长恒大湖山半岛住宅项目位于安徽天长市，由13幢7F中高端住宅楼、51幢16F～17F高层住宅楼、2幢21F～22F层住宅楼及配套用房组成。拟建高层建筑基础多采用PHC管桩基础形式，多层建筑采用浅基础形式。其中62#～64#楼部位因地质条件复杂，基础采用钻孔灌注桩桩基础形式，3栋楼桩基共设计227根灌注桩，桩径600mm，有效桩长为 10.5m～16.5m，工程桩桩身C35，试桩桩身C40，设计单桩承载力特征值为2900kN，桩端持力层为⑧3层中风化花岗岩，桩端进入持力层不小于0.5m。桩长和入岩深度双控。

2 施工场地工程地质情况

62#～64#楼位置为山前坡地，地层分布自上而下依次：①层填土、②层粉质粘土、③层含砾粉质粘土、⑧1层全风化花岗闪长岩、⑧2层强风化花岗闪长岩、⑧3层中风化花岗闪长岩。全、强风化花岗岩含较多石英砂砾，由于花岗岩全风化中风化不均，常夹有中～强风化岩块，基础稳定性不易满足规范要求且采用PHC管桩难以穿越，设计拟采用钻孔灌注桩基础。⑧3层中风化花岗闪长岩（J）：灰白色夹灰绿色，粗粒结构，块状构造，岩性坚硬，小刀难刻划，节理裂隙不甚发育，岩石较完整，岩芯呈柱状，岩石基本质量等级为Ⅲ类，饱和抗压强度frc最大值48.4MPa、平均值38.38MPa、标准值30MPa，该基岩起伏大，且坡度大于10%，部分基岩埋藏较浅，桩长不易控制。钻孔灌注桩典型地层剖面图见图1、典型勘探孔岩芯全景图见图2。

图1 钻孔灌注桩典型地层剖面图

图2 典型勘探孔岩芯全景图

场地地下水可分为二层：上部为上层滞水，主要赋存于第①层填土，含水量不均，总体较小；第②层粉质粘土为相对隔水层，含水量微弱，下部为孔隙潜水及基岩裂隙水，孔隙潜水主要赋存于第④层粉质粘土层（含粉细砂及风化岩碎屑）、第⑧1全风化花岗闪长岩中、基岩裂隙水主要赋存第⑧2强风化花岗闪长岩中，水量较丰富，略具承压性。

3 钻孔桩施工技术方法选择

根据本工程工勘资料揭示的复杂地层特点和已有的施工设备，试桩之前考虑了3种可选的成孔工艺方法，即冲击钻机成孔工艺、旋挖钻机成孔工艺、旋挖钻机加冲击钻机组合成孔工艺。

3.1 冲击钻成孔工艺

成孔技术简单，对地层适应能力强，无论是对本工程存在的花岗岩全风化中风化不均、常夹有中～强风化岩块的地层、还是岩性坚硬的中风化花岗闪长岩层（基岩），都可以顺利成孔。但该工艺存在的缺点是成孔效率低、影响工程进度；桩孔极易扩径、充盈系数大、导致混凝土超灌（φ600小直径桩更为明显）、增加了材料成本。全程采用正循环泥浆护壁，需专门外运废浆、增加文明施工措施费和管理难度。

3.2 旋挖钻机成孔工艺

施工土层和强风化土层成孔速度快、移位快、可以满足本工程工期紧的要求，自带的平衡系统可以很好地控制和检查成孔垂直度，相对于冲击钻成孔工艺、旋挖钻机可采用静态泥浆护壁成孔、对现场产生的泥浆污染少、无需专门外运废浆。缺点是松散地层、淤泥质地层、粉砂层和砂层裸孔钻进易塌孔、缩径，在硬岩层、较致密的卵砾石、孤石层时，钻进变得比较困难，不更换钻头，易发生事故。

3.3 旋挖钻机加冲击钻机组合成孔工艺

施工土层和全、强风化土层时采用旋挖钻机成孔工艺，施工坚硬的中风化花岗闪长岩层（基岩）或风化不均的全强风化岩层（常夹有中～强风化岩块）时采用冲击钻成孔工艺。

综合考虑成孔地质情况、施工工期、成本、环保、文明施工和管理难度等因素，根据以往已有的施工经验，拟首选旋挖钻机成孔工艺，通过试桩验证其总体可行性。

4 旋挖桩设备、机具配备及施工工艺流程

4.1 旋挖桩设备、机具配备

根据桩基设计图中的桩径、桩深尺寸，岩土工程勘察报告中的地层情况及施工现场场地情况选用合适型号的旋挖钻机及配套设备。工程桩基主要

机械设备及机具选用如下：SR-200C型旋挖钻机（见图3）、φ600钻斗（筒式旋挖钻斗、嵌岩双底捞砂钻斗、嵌岩短螺旋钻头及筒式取芯钻头等）、3PNL泥浆泵、导管、挖掘机等。

图3 旋挖钻机

4.2 旋挖桩施工工艺流程

旋挖桩施工工艺流程为平整场地→测量放线→挖埋钢护筒（护筒底部应进入原状土）、复核桩位→旋挖钻机就位、校正→造浆、成孔、保持孔内泥浆液面高度→旋挖至岩层设计标高→终孔、一次清孔→移机→安装钢筋笼、下导管二次清孔→浇筑水下商品混凝土。

5 施工中遇到问题及应对措施

5.1 钻斗卸土困难处理

φ600小直径桩在粉质粘土层成孔时，出现了卸土困难，司操工不得不采用动力头快速正反转撞击钻杆，过多地急停强力甩土、蹾土方式卸土，不仅产生巨大噪声，清渣时间过长，而且可能造成钻杆、动力头及旋挖斗过早疲劳损伤开裂。为减轻这些问题出现，除了采用两瓣开合的钻斗外，改变常规习惯性操作方式：避免一次进尺过深，造成过量的黏土在钻斗内互相挤压，形成整体，增加卸渣难度，同时按进尺20cm～30cm后暂停加压和旋转，使泥浆可以进入黏土和钻体之间起到润滑作用，之后再循环加压钻进。

5.2 全、强风化岩层中孤石处理及中风化花岗闪长岩层钻进

全、强风化花岗岩层成孔，不同程度地钻遇未完全风化的孤（漂）石，多数情况下采用嵌岩双底捞砂钻斗钻进时，因斗齿具受力不均、出现整机振动剧烈、钻杆跳跃和偏摆现象，若继续强行钻进，会造成孔斜、孔壁坍塌、卡钻、钻齿崩落和钻杆损伤等，此时可尝试更换使用嵌岩短螺旋钻头钻进，司操工采用低转速小扭矩、点浮动轻加压操控方式，孤石破碎后再用捞砂斗捞渣，常可捞出大块石（见图4）。施工中少部分桩孔出现孤石尺寸大于孔径φ600的情况，可换用筒式取芯钻头慢慢将孤石切断并取出后，再换回嵌岩双底捞砂钻斗正常钻进。中风化花岗闪长岩层钻进采用筒式取芯钻头钻进，孔内余下的柱状岩心用嵌岩锥形短螺旋钻头进行破碎后，再用捞砂斗捞出。

图4 捞出岩芯和大块石

嵌岩双底捞砂钻斗、嵌岩短螺旋钻头及筒式取芯钻头组合运用处理孤石和中风化花岗闪长岩层钻进时，钻头（斗）要有足够的强度和耐磨性，要在钻头底部加焊硬质合金块，镶嵌的钻齿均为截齿且切削角度一般小于25°，可以保证有足够的强度扰动、破碎孤石和适宜中风化花岗闪长岩层钻进。

5.3 旋挖钻机配置的摩阻式钻杆传递钻压不足问题处理

工程试桩阶段，旋挖钻机采用的钻杆是原配套的摩阻式钻杆，在钻遇未完全风化的孤（漂）石和中风化花岗闪长岩层（基岩）过程中，出现了钻杆抖动、钻压加不上去现象，钻进效率降低非常明显，甚至4小时形成不了1根桩，这主要是由于摩阻式钻杆的各层杆之间是通过键间摩擦力来传递轴压力，若在回转阻力矩不大的情况下加压，将由于内外钻杆键条接触面上的正压力及由此而产生的轴向摩擦力过小，而使钻杆柱向上收缩达不到加压效果。经与设备厂家沟通，另配一套机锁式钻杆，虽操作相对复杂，但各层杆之间是通过承压锁块传递压力，可以通过加压点传递较大的压力，有效地解决了孤（漂）石和中风化花岗闪长岩层钻压加不上去的技术难题，成孔工效明显提高，平均单孔仅需2h～3.5h。

5.4 全、强风化地层孔壁坍塌处理

钻孔灌注桩施工过程中钻遇到较厚的全、强风化花岗闪长岩层，因岩石风化强烈，原岩结构完全被破坏，岩芯呈砂土状、遇水扰动成流砂，这是成孔时出现塌孔问题的地层原因。其次，旋挖钻斗外壁和孔壁之间的环状间隙偏小，提升钻斗速度过快，钻斗下部泥浆来不及补充而产生较大负压作用，导致提升阻力增大及孔壁抽吸坍塌，这是引起孔壁坍塌问题的钻斗结构和操作原因。对前者现场则采用优质静态泥浆护壁措施，造浆选用优质膨润土，并掺入适量的纯碱及纤维素，严格控制泥浆的密度、粘度、含砂率等，施工中保持孔内水头高度并及时调整泥浆性能。对后者现场则对原有钻斗结构进行改进，适当增大钻头径向出刃并加装侧刀，用于保径。在钻斗底部径向对称地焊接一定厚度的铁块，加大钻斗上下直径差，以增大过水面积。优化旋挖钻机操作方式，在全、强风化层孔深段采用缓慢的起下钻速度，尽可能减轻在钻斗下部产生负压抽吸区和孔壁冲刷区，通过3～4孔的摸索，基本上掌握了不超过0.5m/s的缓慢升降速度，可减轻孔内活塞效应所引起的塌孔现象。

5.5 孔内沉渣厚度过大处理

本工程灌注桩为端承桩，设计要求控制孔底沉渣厚度不大于50mm。旋挖钻终孔后换用平底双门清渣钻头进行反复清查（一次清孔），确保孔底无大块碎石和泥团。钢筋笼安装后，采用导管正循环优质泥浆进行二次清孔，循环泥浆携带渣土进入现场泥浆沉淀池沉淀后，进一步处理可重复使用，二次清孔过程中常用测绳量测沉渣厚度，直到小于50mm方可停止。清孔完毕后立即采用隔水塞和不少于1.5m3混凝土大初灌量开盘，利用混凝土巨大的冲击力溅除孔底残余沉渣。

5.6 成孔、成桩工序施工组织

一根桩基从成孔到灌注完毕，需要钢筋工班、混凝土工班、运输车辆、灌注工班等多方面的组织与配合。旋挖钻机成孔速度快，如因钢筋笼加工、混凝土供应不及时、组织不力及机械故障等因素造成已成孔的桩基不能及时灌注而长时间搁置，就容易引发塌孔等事故。成孔深度到达设计要求后，应尽快进行钻机移位、终孔验收工作，尽可能缩短清孔停止至混凝土开始浇灌间隔时间，否则应重新清孔。