深厚碎石回填层旋挖成孔处理工艺研究

黄邦杰

(中煤长江基础建设有限公司， 南京 210046)

0 引言

国家电网恩施高压柔性直流换流站项目位处湖北恩施杉树园村。东南距咸丰县约6km，东北距恩施州城区约55km，西距S248省道约500m。

高压柔性直流换流站项目区域属丘陵地貌，地形较为破碎，植被覆盖良好，丘陵间洼地多为旱地，岩性从上到下分别为素填土、黏土、泥岩和灰岩。项目区域进行平整场地施工时，先对山体坡面植物及土层进行清理，然后用潜孔锤钻机钻孔装药爆破，挖掘机将爆破产生的碎石堆放到标高较低的区域，回填最深处达到30m。施工场地区域在进行场地平整清理时已将全部土层剥离清理，低标高区域回填的全部是高硬度石灰岩块石，且大小不一，块石间存在大量缝隙。

本项目桩基采用钢筋混凝土灌注桩，桩径为800mm，桩端持力层为中风化灰岩层，桩底需进入中风化灰岩3m，图纸设计最短桩长6m，最大桩长38m，设计试桩共计614根桩。项目部原考虑采用冲击式钻机冲击成孔工艺，但在试桩施工的钻进过程中经常严重漏浆、塌孔卡钻，成孔速度非常缓慢[1-3]，混凝土充盈系数甚至高达1.8以上[4]；冲击式钻机冲击成孔工艺从开孔到灌注成桩，时间为4～5d，施工效率较低，再考虑设备维修等不确定因素，要在3个月内完成工程桩的施工任务，则需30余台设备，而现场电力供应无法满足[5-7]；另外，每台设备需挖泥浆池，辅助黏土堆放、水储存等均需要较大的工作面，场地条件不足，平面布置难以进行。因此，为保证方案的科学合理性及进度目标的实现，综合考虑改为旋挖成孔施工工艺。

1 旋挖成孔施工

1.1 试桩孔施工

2017年10月1日徐工XR360型旋挖钻机设备进场，10月3日设备组装调试完毕，10月4日开始，旋挖钻机开始进行试桩钻进成孔。7根试桩全部分布在场地的块石回填区域，旋挖成孔过程中也出现了不同程度的塌孔情况，钻进较为困难。

试桩成孔施工具体情况如下：试桩1钻进深度为3m，提钻后塌孔，坍塌2m；试桩2钻进深度为6.8m，提钻后多处塌孔，局部地段孔壁较完整，部分地段坍塌严重；试桩3钻进深度为3m，提钻后塌孔2m，施工过程中部分区域碎石较松散，导致坍塌严重；试桩4钻进深度为3m，提钻后塌孔1.5m，碎石较松散，导致坍塌严重；试桩5钻进深度为11m，提钻后塌孔，塌孔深度位于4～7m处；试桩6钻进深度为19.2m，提钻后塌孔，塌孔深度位于约7.5m处(图1)。

经过分析，认为塌孔的原因如下：

1)回填料土石比为0.1∶0.97，有少量原状土层主要集中在回填的碎石与原场地覆盖层界面处，上部回填料全为碎石、无黏性土。块石之间没有黏结度，钻进成孔后，孔壁位置块石失去侧向支撑，稍有振动，便造成塌孔。

2)强夯分层厚度太大(为6m)，且只有最上层采用满夯，其余各层采用点夯，存在部分未能夯实的部位，且未夯实部位极易坍塌。

3)轨道、主控楼区域位于边坡边缘，为保证边坡的稳定性与安全性，未采取强夯，只采用普通分层碾压。

图1 试桩孔坍塌情况Figure 1 Testing pile foundation hole collapse status

1.2 试桩现场处理措施

塌孔后立即回填黏土，捣实，经过一段时间沉积后再进行旋挖，成功率大有提高。试桩孔1～4均对塌孔处以黏性土回填进行孔壁保护，经过二次或多次复打成孔施工，效果明显，最终钻进成孔达到设计深度，且入中风化灰岩1.3m。试桩5及试桩6(桩长较长、钻进深度较深)塌孔后，立刻充填高黏性土并用钻头压实，搁置一会后再进行施钻，但仍然在同一位置塌孔，如此反复多次还不能顺利成桩。比如试桩6，钻孔至18.6m深时突然塌孔埋钻，经过长时间处理钻杆被拉出来，虽避免了出现机械埋钻造成质量事故，但长时间的紧急处理措施，也致使钻机流水盘及弹簧损坏，维修钻机、更换流水盘及弹簧导致钻机停工3d。这种情况严重耽误了工期，而且极大的增加了施工成本。

经过对试桩5及试桩6施工遇到的情况进行讨论和分析，得到如下结论：桩位所处位置位于碎石回填深度较大区域，高黏性土充填护壁只能在一定的时间内保证孔壁稳定，而桩长较长的桩钻进时间也同时加长，另外钻进过程中钻杆带动钻头往复钻进时肯定会产生有振动，于是造成孔壁失稳坍塌。经过协商后汇报并征得业主监理同意，决定对填土不起效果的部位以及较深的塌孔部位采用灌水泥浆或早强水泥砂浆等特殊处理措施，即对于深度较大的桩孔，出现坍塌及时提钻灌注水泥砂浆掺早强剂，待水泥浆终凝后再复打挖孔(相当于人挖桩水泥砂浆护壁原理)。如此往复循环，挖孔至满足设计孔深要求及入岩深度要求。

1.3 特殊处理措施

全回填碎石区域钻孔孔坍塌率大于90%，且经常发生塌孔埋钻等孔内事故[8]，徐工XR360旋挖机因塌孔埋钻，经过长时间硬拉钻杆处理，虽然成功将钻具全部拽出孔内，但钻杆发热造成主钻杆弹簧及流水盘损坏而无奈停工进行机械维修[9-10]，严重的影响了工期，还产生了安全和质量隐患。为保证施工的顺利推进，同时最大限度的节省施工成本，项目部将采取以下施工措施。

1)充填高黏性土。对于短桩(桩长10m以内的桩)，旋挖机施工遇坍塌导致无法钻进时，立即提钻，采用高黏性土回填，并用旋挖钻头捣实，填充至接近孔口后，再次复打成孔，直至满足设计深度要求时终孔。

2)灌水泥砂浆。旋挖施工长桩(一般大于10m)过程中，坍塌区深度较大且位置不一，填土措施保证孔壁稳定效果不佳，不能保证深孔施工要求，采取灌注水泥砂浆的措施(经数次试验调整，确定水灰比为0.5时水泥砂浆效果最佳)，灌注浆液面至坍塌处上部1m时停灌，待砂浆终凝后二次复打钻孔施工，如遇再次坍塌，则提钻重复灌浆继续复打钻孔施工，直至终孔。短桩如塌孔严重也采取该措施进行处理。回填区全为碎石，如遇间隙比较大导致水泥砂浆流失严重，水泥砂浆液面始终不能高出坍塌处，则需加大水泥砂浆的浓度，降低水灰比，以保证灌浆效果[11-13]。

3)埋设钢护筒。在钻进的最初段，是钻具最容易磕碰孔壁的部位，也是最容易塌孔的部位。为避孔口碎石坍塌，在碎石坠落过程中撞击孔壁导致撞击部位坍塌，因此在开孔孔位预先埋设2m的钢护筒。为保证每台旋挖机组的流水施工，为每台机组配备5付钢护筒。旋挖钻机在钻进过程中，遇到塌孔便立即提钻并灌注早强水泥砂浆，在等待水泥砂浆终凝的时间，旋挖机移机至另一桩位继续施工，减少设备及人员的等待时间。

4)根据旋挖钻机试成孔的情况，通过与业主、监理、设计和地勘单位的协商，计划桩深12m以下的孔，采用对塌孔处以黏性土回填进行孔壁保护，二次或多次复打成孔施工，加快施工进度；计划桩深12m以上的孔，为防埋钻，在挖孔发现塌孔时就提钻继续灌早强水泥砂浆，待水泥砂浆终凝后继续复打挖孔，如此循环，确保施工安全及进度。

2 技术经济比较分析

2.1 塌孔处理措施比较

1)一般情况下，灌注桩施工普遍使用泥浆护壁。旋挖施工时，利用泥浆与地下水之间的压力差来控制来稳固孔壁和防止坍塌，同时冷却和润滑钻头，但块石间孔隙较多，泥浆漏失严重，无法达到护壁效果。

2)对塌孔部位采用回填压实高黏性土处理。黏土回填压实后可以解决短时间的塌孔，若停滞时间较长或遇到振动依然会塌孔，所以回填压实黏性土只对浅部塌孔有效果。

3)采用灌注混凝土的办法处理。混凝土虽然有较好的固结度，但其不能流动到孔壁的块石缝隙中去，处理效果不明显，且浪费较大。

4)灌注纯水泥浆的办法处理。水泥浆液有自流动性，可以主动流向孔壁的块石缝隙中去，但又因为其流动性太好，空隙稍大便全部流失殆尽，效果不佳且浪费较大。

5)参考之前的四种办法，考虑到固孔回填料要有一定的流动性可以填补空隙，又不能流动性太强导致全部漏失，因此采用了回灌水泥砂浆的办法。经过多次试验，使用添加早强剂的M10水泥砂浆，对塌孔部位的护壁处理效果最佳。

综上五种处理办法，以处理效果、经济性以及取材的便利性来分析总结，使用水泥砂浆添加早强剂处理塌孔效果最好，为本项目处理钻进塌孔的最佳方式。

2.2 灌浆处理措施与下钢护筒措施比较

在旋挖桩机施工土层灌注桩，遇淤泥质或回填不良土质地层时经常会塌孔。一般的处理方法是先根据孔深的数据，用振动锤埋设穿过不良地层深度的钢护筒，而后在护筒内钻进成孔，待下笼灌注结束后，提出钢护筒重复使用。但使用钢护筒处理这种地层的深度也是有限的，一般不超过12m。

本工程灌注桩桩长最长为38m，旋挖施工时，坍塌位置深浅不一，且在土岩交界面和回填土与原土界面处特别容易坍塌。如果本项目单采用钢护筒护壁的办法存在以下三个问题：一是对于施工超过30m的深桩，在深部遇塌孔处理时，钢护筒的埋设非常困难，几乎无法完成；二是使用钢护筒护壁，在四周回填碎石压实牢固且成孔下笼灌注后，钢护筒极难拔出，损耗较大；三是钢护筒采购价格较高，如不能重复使用，则处理塌孔不经济。

针对本场站特殊地质条件，使用水泥砂浆进行处理旋挖机械钻进塌孔则具有较好的实用性。无论挖孔深浅，遇塌孔时提出钻杆钻头，灌注水泥砂浆进行处理以固结孔壁，停置适当时间后复打钻进继续施工，如再遇塌孔则继续灌浆护壁，如此循环直至成孔灌砼成桩。塌孔时灌注水泥浆进行处理措施，其效果相当于人工挖孔桩的护壁，对旋挖成孔的特殊部位进行护壁，保证旋挖钻机的后续施工。并且灌水泥浆只有发生塌孔时才灌注，不发生塌孔时不灌水泥浆，有利于节约成本。

3 结语

原施工方案是基于桩基施工的常规经验而提出的，包括机械设备的配备、施工的顺序以及进度计划安排等，首选冲孔钻机冲孔施工，旋挖钻机为备选方案。原施工方案根据招标文件及相关经验提出，但现场地质条件与招标文件已出现较大偏差，主要表现在全部是高硬度石灰岩块石，且大小不一，无黏土黏接，块石间存在大量缝隙，回填最深处达到30m，钻进成孔施工非常困难，如果采用冲击钻机成孔的方式施工，每根桩平均的施工时间约4d，施工效率较低，成桩速度非常缓慢，再考虑设备维修等不确定因素，要在3个月内完成工程桩的施工任务，则需30余台设备，而电力供应方面，现场只能提供3台冲击成孔设备的电量；在场地方面，每台设备需泥浆池进行循环，辅助造浆的黏土、水等均需要较大的工作面存放，同时涉及与土建单位交叉施工，施工现场管理难度大，安全文明施工难以实现。所以无论现场的电力供应，还是现场的场地条件都不可能满足如此多台冲击钻机进场施工。

特殊处理方案是根据工程进度及质量要求并综合现场情况而确定的。一方面，增加进场大功率旋挖机械及辅助设备挖机、吊车、发电机的投入,增加施工人员；另一方面，针对旋挖钻进塌孔的问题，采取切实可行的处理措施。从多方面努力，争抢进度，力争实现业主的一级网络计划要求。施工过程中保证能成孔的桩及时工序验收直至成桩，对于塌孔的桩孔则进行回填高黏土或灌浆等处理，达到护壁要求即进行复打施工，深孔若遇多次塌孔，则循环灌浆复打施工，确保塌孔桩施工钻进的米数、成孔深度总量逐渐增大，各桩深度数量的逐步累积加深，从而达到成桩总数增加。在确保机械使用效率的前提下，保证本工程桩基项目的施工进度要求，最终顺利完成工程目标。