深基坑支护中冲孔灌注桩施工技术的应用

何毅伟

(福建路港(集团)有限公司，福建 泉州 362000)

1 工程概况

同安进出岛通道同安端先导工程(同集路-滨海西大道段)，主线设计段起讫桩号为K18+785～K19+215，线路长430 m，其中K18+785～K18+975属暗埋段，K18+975～K19+215属敞口段。HA和HB连接主线与滨海西大道，HA匝道起终点HAK0+340～HAK0+954，HB匝道起终点HBK0+106～HBK0+750，FA匝道起于HA匝道，衔接地面辅道及美山路，起终点FAK0+105～FAK0+350。主线采用一级公路兼城市快速路标准设计，双向六车道，设计速度80 km/h，路基标准横断面宽60 m；HA、HB匝道为单出入口双车道匝道，设计速度60 km/h，FA匝道为单车道匝道，设计速度40 km/h。该通道工程主线下穿滨海西大道，其中190 m长度为暗埋段，其余段均为U形槽敞口段。主体采用抗渗等级至少为P8的C40防水性混凝土材料，而基坑围护结构则采用C35钻孔灌注桩和φ609钢管内支撑体系，并在桩顶增设1 200 mm宽、800 mm高的C35钢筋混凝土，内支撑体系中的支护桩设计桩径包括φ1 200 mm和φ1 000 mm两种，桩长平均取值在11～20 m之间。总之，该公路工程基坑支护思路为钻孔灌注桩、内支撑、基坑外φ600 mm高压旋喷桩止水帷幕、基坑底φ700 mm水泥搅拌桩封底、基坑外降水。

2 水文地质条件

2.1 工程地质条件

结合对该工程下穿通道地质勘测资料，场地内主要分布海相沉积，其最初的海漫滩地貌经过人工回填后形成目前地面标高1.420～3.984 m的陆域，淤泥质土厚度较大，并且包含粒径在100～500 mm范围内的不规则抛石，构造呈基本稳定状态。区域内存在的特殊岩土如下：(1)场地表层所分布的人工填土，根据组分，①0层为局部松散性的建筑垃圾和生活垃圾，①1层为松散～稍密状态且土质极不均匀的花岗岩残积土、花岗岩风化碎石块，①2层为松散～稍密状态且粒径大小不一、掺杂砾质粘性土的花岗岩微风化、中风化岩块，①3层为厚度变化大、孔隙比及性质差异大、承载力低且压缩性较高的包含微量植物根茎、粉细砂及角砾的粘性土，其土体强度经水浸泡后显著降低，①4层为平均厚度3.1 m、夹杂少量粘性土且存在液化现象的粉细砂冲填土。(2)道路区所分布的淤泥以及以透镜体形式存在的淤泥混砂等软土层，该岩土层厚度在0.49～35.81 m之间，在整个工程区内软土层天然含水量高，厚度变化大，强度低，压缩性高且主要呈流塑、触变特性，渗透性差，抗剪强度不高，很容易引发土体失稳和沉降。(3)该施工区域内还分布有砾质残积土和强风化花岗岩层，两类岩土均会在受水饱和扰动后出现软化，结构承载力和强度迅速降低，必须在施工方案设计及施工中予以重视。

2.2 工程水文条件

该工程区内赋存于①层岩土中的潜水具有较弱的富水性，主要补给渠道为大气降水，对工程施工存在一定程度的影响。结合勘察报告，工程区内地下水水位在0.68～2.31 m范围内变动，所对应的绝对标高为1.57～2.94 m。地下水水位主要受到季节、气候、降水等的影响较大。结合《岩土工程勘察规范》(GB50021-2009)，该工程区场地环境属于Ⅱ类等级，一般情况下，地下水对钢筋混凝土等材料结构存在弱腐蚀性，但在干湿交替环境下，地下水对钢筋混凝土材料结构等的影响为中等腐蚀性[1]。

3 施工技术及难点

3.1 施工技术

结合该工程区域地质勘查资料以及实际挖探结果，现场存在粒径大小不一、分布不规则的抛石区，通过钻孔灌注桩机械无法展开成孔施工，为此决定采用冲孔灌注桩施工工艺。借助冲击钻机带动冲击钻头，将钻头提升至设计高度后使其自由下落，充分利用钻头所施加的冲击动能达到冲挤土层、破碎岩层并冲击成孔的目的，此后再通过掏渣筒等措施排出钻渣。在完成冲击后，钻头都会在钢丝绳转向装置的带动下沿一定角度转动，进而得到较为规则的圆形断面[2]。结合类似工程施工经验，冲击成孔桩钻深最大能达到100 m以上，可有效克服回转钻机因受到钻杆刚度影响而只能钻进100 m以下桩基的弊端。在成孔过程中，重量为3～5 t的冲击钻头在冲击钻机的带动下从一定高度自由下落，在岩层破碎的过程中冲击力始终竖直向下，冲击成孔桩垂直度受钻机倾斜、岩层硬度等的影响较小，成孔质量有保证。此外，与干成孔等方式相比，冲击钻孔灌注桩无需降水和止水，前期处理过程大大简化，钻进至持力层后也无需爆破和专家论证审核，危险性系数大大降低。此后的水下灌注混凝土施工工艺较为成熟，通过加强施工质量控制，便能保证桩基础灌注质量。

3.2 技术难点

考虑到该工程地质条件特殊，回填土层在降水、潜水等不利因素的作用下土体中细小颗粒极容易散失，导致土体孔隙率大，填土厚度也无法保证，回填土体结构强度明显降低，在此种地层条件下展开泥浆护壁冲孔灌注桩施工，泥浆性能也会受到较大影响，引发塌孔的可能性较大。

根据对工程区水文地质条件的分析，软土层由淤泥及以透镜体状态存在的淤泥混砂，平均层厚为12.8 m，该土层呈流塑状态，天然含水量及压缩性高，抗剪强度和渗透性差，流变及触变属性十分明显，很容易引发路基失稳沉降、塌孔缩孔。

4 施工技术要点

4.1 定机及埋设护筒

该工程深基坑支护中冲孔灌注桩施工主要使用的冲孔机，该机械嵌岩深度大，性能可靠，单桩承载力高，在上部底层复杂且容易发生塌孔的地区使用时，必须加强冲击成孔过程控制。在施工场地内恰当位置铺设好枕木，便于冲孔灌注桩施工机械顺利进出，并为冲孔机平稳施工提供条件，此后确保冲孔机冲击锤中心线与桩中心定位线对齐。此后，按照设计要求挖泥浆排沟和泥浆沉淀池。

护筒由厚度4～8 mm、高1.5～4.5 m的钢板加工而成，并在护筒上部按照设计要求开设2个溢浆孔。待完成桩位中心校核后，还应将黏土分层回填在钢护筒四周并夯实，护筒埋深控制在1.2～1.5 m。护筒的埋设主要通过冲锤在护筒上口冲击并借助冲击力实现，护筒高度应高出地面1.0～1.5 m。此后在钢护筒口打设引桩线，并通过拉线的方式进行冲锤中心线与桩中心线重合程度的校核。

4.2 冲孔施工

(1)泥浆制备

泥浆在冲孔过程中主要发挥着夹带遭冲锤击碎土石颗粒溢出孔口、连续排渣以及保护孔壁、避免地下水渗入孔壁后引发塌孔等作用。在冲孔前根据地质勘察报告绘制深基坑支护地质剖面图，并加强泥浆浓度控制，对于黏土层土质较好的情况，可采用直接加水冲击的方式制备泥浆，但是对于黏土和岩层连接的部位，考虑到岩石平整性不良，如果冲击锤在直接接触岩体后倾倒，便会引发土体破坏和塌孔；而对于流塑、软塑等粘土层土质较差的情况，理论上必须按照《建筑地基基础工程施工质量验收规范》(GB50202-2018)要求的配合比重新配置泥浆[3]，但对于该工程而言，主要借调工地附近高质量黏土，并按设计掺加水泥进行泥浆制备，配置的泥浆即使在长期停冲孔的情况下也不会产生较多沉积物，可大大减轻钢筋笼下放后的清孔工作量。该工程排渣泥浆密度应控制在1.0～1.2 g/cm3，对于砂土及夹砂层等塌孔风险较大的地层，应增设泥浆泵和循环泥浆池，并将固壁泥浆密度控制在1.0～1.3 g/cm3，待钻进至砂夹卵石层过后，再将泥浆密度提升至1.3～1.6 g/cm3，具体见表1。

(2)冲击成孔

当冲击锤冲入岩石层内后发生漏浆或偏锤，表明地层中出现软弱岩体，此时应当按照设计比例将片石和水泥等材料加入，从而置换出其中的土体，48 h后恢复冲孔。在以上冲击成孔全过程中必须加强冲击深度、锤击数、耗时、地层软硬程度等施工参数的记录，通过换浆法冲孔后还应记录所捞取渣样的情况， 并将其与地质剖面图进行对比， 记录差异。待冲孔至设计深度后应当密切结合地层情况变化决定应当继续冲钻还是停钻。

表1 固壁泥浆性能参数的确定

控制冲击锤钢丝绳和钢护筒中心的偏差，在冲击锤升降过程中锤头应当保持平稳，不能触碰到孔壁，开始冲孔时应先低冲程冲击，此后依次增加冲击速度。冲击施工过程中，必须加强施工参数记录及泥浆实地观测，对于不符合施工要求的泥浆必须及时调整。观测结果显示，该基坑支护冲孔过程中泥浆损失并不大，且水头始终位于护筒开口位置，有效避免了塌孔、埋锤情况的出现，成孔速度和质量均有保证。

(3)成孔检测

冲击成孔过程中及结束后必须进行孔位、倾斜度、标高、孔深、直径、护筒标高等参数值的检测，孔中心位置应控制在±100 mm以内，实际孔径应不小于设计桩径，孔斜不超出1%，孔深必须满足设计要求。

4.3 清孔

在冲击成孔的过程中只要达到一定冲深或者是沉渣厚度超出一定值，必须通过换浆法清孔，即借助污水泵和污水管将沉淀池内的泥浆高压引入孔底，以保证泥浆顺利挟带孔底和边角等部位的钻渣，达到清孔的目的。待冲孔钻进至设计深度后先将孔底钻渣清理干净，待地质勘察结果显示已经钻进至持力层后终孔。结合该工程实际，当泥浆比重达到1.03～1.10 g/cm3、沉淀厚度在30 cm以下时便达到清孔标准。

二次清孔在下放导管后借助导管进行，二次清孔主要使用相对密度1.15～1.20 g/cm3、含砂率不超出8%、粘度不大于28 s的泥浆，清孔后孔底沉渣厚度不得超出50 mm。在清孔操作的同时必须及时补充泥浆，确保孔道内泥浆液面及高度的稳定。

4.4 钢筋笼制安

考虑到钢筋笼安装质量及安装施工效率，在施工现场通过整体胎膜长线法进行钢筋笼制造，将设计厚度钢板垫块保护层按照2.0 m的竖向间距设置在骨架位置，横向设置数量主要根据钢筋笼尺寸决定，一般至少为4块。钢筋笼骨架顶部还应当设置吊环。受到吊装设备的限制，制作完成的钢筋笼在孔口单面焊接，接头应错开1.0 m，并在下放骨架的过程中避免碰撞孔壁，吊放至孔道内设计标高后将其吊环挂在孔口，并与钢护筒口临时焊接。

4.5 水下混凝土灌注

该工程深基坑支护冲孔灌注桩导管采用φ300 mm钢导管，并在使用前通过密封圈的方式连接相邻导管，在吊装过程中必须将导管放置在井孔中央，在混凝土灌注前展开导管升降试验，以确保不存在导管卡挂钢筋骨架的现象。导管底口与孔底之间的距离应控制在25～40 cm，并结合孔口尺寸进行适当调整；在导管上口处增设储料斗和隔水垫圈，并将钢板盖放在储料斗口上。

在储料斗中装满混凝土材料，其他环节准备好后通过桩机将储料斗口上的盖板拉出，并按照设计尺寸将导管下放，确保导管内排出的泥浆能将孔底进一步冲洗干净。为确保混凝土灌注过程的连续进行，还应将导管埋设进混凝土中一定长度，并待混凝土灌注至一定高度后，借助桩机反复升降导管的方式进行振捣，保证混凝土达到密实状态。当将导管提升至其法兰接头露出孔口一定高度后，将首节和第二节导管拆除，此后重新将漏斗插入井口导管中，进行位置及尺寸校核后恢复水下混凝土灌注。导管法灌注水下混凝土施工流程[4]具体见图1。

图1 导管法灌注水下混凝土

水下混凝土灌注是冲孔灌注桩施工质量控制的关键，为保证灌注质量，必须加强施工准备及过程控制，该公路工程深基坑支护中冲孔灌注桩使用的是强度等级C35的商品混凝土，通过搅拌运输车运输至施工现场，并通过导管灌注，混凝土材料和易性良好，塌落度不超出18～22 s，且初凝时间为3～4 h。

5 结 论

综上所述，冲孔灌注桩桩基形式对于各类型复杂地层均较为适用，通过加强从成孔到成桩各个施工环节的控制，并严格遵守操作规程，加强桩基检测，以保证施工质量。该工程区岩土地质条件特殊，在采取了有效的施工质量控制措施后，成功穿越了多层软弱岩层，从成孔到成桩仅耗费了一个月时间。工后超声波检测结果显示，只有极个别灌注桩底存在沉渣较厚的情况，其余桩体质量均满足规范要求。