福建沿海某电厂灌注桩成桩工艺研究

张法智，尹爱月，施洽殷

(1.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250100；2.华能（福建漳州）能源有限责任公司，福建 漳州 363215)

0 引言

福建沿海地区属花岗岩分布区，受地质构造作用，地层演变极为复杂，岩面埋藏较深，上部有淤泥层存在，砂层较厚，下部碎块状风化岩的硬度大。

近年来福建沿海地区新建了若干火电厂等电力项目，因荷载较大，地层条件较差，多采用灌注桩作为地基处理的主要方式。传统上，福建沿海地区的灌注桩施工多采用冲击钻成孔，使用黏土或膨润土造浆的泥浆护壁，存在易坍孔、单桩竖向承载力偏低、成孔效率低等问题。本文对福建沿海某项目的灌注桩施工进行研究，使用280型旋挖钻机成孔，配嵌岩双底捞砂斗和长护筒，采用奈普顿化学泥浆进行护壁，并使用气举反循环法二次清孔，解决了施工难的问题。

1 工程概况

1.1 工程简介

该发电项目位于福建省漳州市的一个半岛，厂址距海岸线约1.2 km。拟建场地地貌成因类型为海积平原，地貌类型为平地。场地地形整体较为平坦。

1.2 工程地质条件

工程场地上覆地层为第四系全新统人工填土(Q4ml)、风积层(Q4eol)、海陆交互沉积层(Q4m+al)，海积层(Q4m)，第四系下更新统坡洪积层(Q3pl+dl)、残积层(Q3el)；岩性为细砂、中细砂、粗砂、粉质黏土、残积砂质黏性土，下伏地层为燕山期(γ)花岗岩。场地地层表见表1所列。

表1 场地地层表

勘测期间地下水稳定水位埋深为1.00～2.05 m，据调查，拟建场地常年最高地下水位可达地表。

1.3 灌注桩的设计

根据地质勘测资料及厂区拟建建筑物特征，拟采用钢筋混凝土灌注桩进行地基处理的主要建(构)筑物有：主厂房，烟囱，锅炉基础，条形煤场及转运站等荷载较大的建(构)筑物。

灌注桩设计桩径为800 mm，桩端持力层为强风化花岗岩，桩端进入持力层不小于2.0 m。从自然地面算起，地面以下桩长约为30～40 m。

2 灌注桩的施工

2.1 施工工艺

灌注桩施工工艺流程主要包括：施工准备→施工现场整平→放线、测放桩位→开挖泥浆池、泥浆沟→设钢护筒→钻机就位、孔位校正→钻孔至设计深度、泥浆循环、清除废浆、泥渣→清孔换浆→终孔验收→下钢筋笼→下导管→二次清孔→水下浇筑混凝土→成桩养护。

传统上，福建沿海地区的灌注桩施工多采用冲击钻成孔，使用黏土或膨润土造浆作为泥浆护壁[1]。

该施工工艺的优点：①设备简单，操作方便，钻进参数容易掌握；②设备移动方便，机械故障少；③对坚硬花岗岩的冲击破碎效果较好；④膨润土造浆成本较低，护壁效果较好[1]。

该施工工艺的缺点：①利用钻杆或钢丝绳牵引冲击头进行冲击钻进时，大部分作业时间消耗在提放钻头和掏渣土上，钻进速度较低、随桩孔加深，掏渣时间和孔底清渣时间相对较长；②容易出现桩孔不圆的情况，扩孔率较高；③遇地层不均匀时容易出现斜孔、卡锤和掉钻等事故；④容易造成泥皮过厚，降低桩的侧摩阻力[1]。

为了解决上述问题，根据本发电项目的灌注桩设计方案和地质条件，对当地传统的施工工艺进行了改进，提出了新的施工工艺。新的施工工艺为使用280型旋挖钻机成孔，配嵌岩双底捞砂斗和长护筒，采用奈普顿化学泥浆进行护壁，并使用反循环法二次清孔。

2.2 成孔设备的选择

旋挖钻机是大功率、全液压、机电一体化、操作舒适的产物，是现代高科技的结晶，体现了人性化、智能化和效率化的集中统一，其自动化程度高、劳动强度低、工作环境舒适。旋挖钻机可以靠轨道自行行走，钻前定位准确方便。

从成孔速度分析，旋挖钻机比冲击钻机快。旋挖钻机可以配备不同的钻头，常用的旋转钻头有螺旋钻和旋转吊桶。此外，还有针对不同地质条件的筒芯钻、扩孔钻、冲击钻和冲击抓斗钻，可用于砂层、土层、岩层等不同地层的钻进。

旋挖钻机特别适用于冲积层较厚的平原及沿海地区的灌注桩钻进。本项目的地层有淤泥层和深厚砂层的存在，桩端持力层为花岗岩，综合考虑设计因素、地层因素以及旋挖钻机的动力头额定输出扭矩、液压系统额定工作压力、主卷扬安全系数等参数，选用了280型旋挖钻机，搭配嵌岩双底捞砂斗作为本次灌注桩施工的成孔设备，设备参数见表2所列。

表2280型旋挖钻机参数表

嵌岩双底捞砂斗适用于卵、碎石层和中等风化的类土质软岩以及风化程度较高的较硬岩，如全、强风化花岗岩等。嵌岩双底捞砂斗如 图1所示。

图1 嵌岩双底捞砂斗

2.3 护筒的选择

本项目场地的地层，②中砂为松散—稍密状态，施工时有坍孔的风险；④-1淤泥质黏土为软塑状态，施工时容易造成桩孔的缩径，并且②中砂、④-1淤泥质黏土在厂区内普遍存在。

为了解决上部的坍孔和桩孔缩径等问题，经多次试验，采用了长度为8 m、内径870 mm的钢护筒，护筒上部预留1个溢浆孔。

因护筒长度较大，护筒的埋设和浇筑后拔出均比较困难，本项目采用了EC480型振动打拔机来完成埋设和拔出。护筒埋设时采用GPS和钢尺定位，确保护筒中心和桩位中心的偏差不大于50 mm。

2.4 泥浆的选择

泥浆主要起护壁作用，防渗、防水帷幕。以孔内高于地下水位的泥浆的侧压力平衡孔壁土压力和孔周围水压力，抵抗孔周围水渗入孔内，维持孔壁稳定。

泥浆是在桩基施工中的一个重要环节。若泥浆的比重较小时，不能够平衡地层压力，易造成钻孔缩径，更为严重时，会造成坍孔或者断桩，直接影响桩基的质量和工程的施工进度，造成经济损失；若泥浆的比重较大时，不利于桩基的施工，孔位较近时，易串孔，对于灌注也不利。

传统上多采用黏土或者膨润土造浆，泥浆 的 指 标 为 比 重1.10～1.20 g/cm3，粘 度20～24 Pa·s，含水率4%～8%[2]。对本项目的地层，因较厚的砂层存在，泥浆比重为1.10左右时，泥浆护壁效果不够，易坍孔；泥浆比重为1.20左右时，易在桩侧形成较厚的泥皮，导致侧摩阻力的降低。传统泥浆的另一个缺点在于钻渣沉淀速度慢，清孔时钻渣很难全部沉淀，往往首次清孔与二次清孔之间的沉渣厚度超过1 m，水下混凝土浇筑过程中，仍有大量沉渣，影响桩身质量。

因砂层较厚，工程地质条件复杂，护壁要求泥浆的黏度大，并且钻渣沉淀快，经反复对比，确定使用化学聚合物泥浆[3]。本次使用的化学泥浆为奈普顿旋挖钻机专用聚合物泥浆。造浆时采用空压机造浆法，具体如下。

1)施工准备：挖一个泥浆池，根据用量确定泥浆池的大小，并在池边安装好泥浆泵和空气压缩机，周边做好防护。

2)将清水注入泥浆池后，用20%氢氧化纳溶液调节水的pH值在8～10之间，用空气压缩机搅拌均匀，搅拌时间为10～20 min。

3)将循环泵打开，进行自循环后，通过泵出水管口加入本产品，要求缓慢均匀加入，首次使用时一般采用最大量使用，加量为0.05%，即：100 m3水中加入化学泥浆50 kg，后用空气压缩机搅拌10 min，用工程漏斗测定溶液的黏度到22 s左右，一般情况下手感稍有黏度，起线丝状即可[4]。

4)若黏度≥22 s，可直接加水稀释；若黏度＜22 s，可能是由于搅拌时间不够，需延长搅拌时间；如果仍达不到黏度，可打开循环泵自循环后通过出水口补充本产品，并再用空气压缩机继续搅拌，直至满足条件[5]。

5)在钻进过程中，如果含砂层较多，要提前准备好足量的泥浆，并在钻进过程中不断补充泥浆，保持钻进液面，确保地层压力平衡。

6)钻进完成后，静置60 min，用钻机打捞沉降的钻渣等杂质。

7)浇筑完成后，返回的泥浆黏度需符合要求，如果黏度＜20 s，可以打开循环泵自循环后通过出水口补充本产品，并用空气压缩机不停搅拌，直至满足条件。同时，在另外一个泥浆池中配制新的泥浆，以满足下回所用。

2.5 二次清孔工艺

钻进完成后，静置40～60 min，用钻机打捞沉降的钻渣等杂质，不要控浆，然后下放钢筋笼和混凝土导管，一般情况下都能达到灌注桩要求的含砂量和沉砂量，个别地层可能会出现沉砂量较多的情况，可以在下钢筋笼之前多捞几次，以确保下放钢筋笼和导管后沉渣 达标。

为防止下放钢筋笼和导管时再次产生沉渣，本项目采用气举反循环工艺进行二次清孔，确保浇筑时的沉渣厚度不大于50 mm。

3 新工艺的施工效果

3.1 机械成孔的效果

新工艺的施工机械，使用旋挖钻机代替传统工艺的冲击钻，对比如下。

1)施工难易程度：旋挖钻机配嵌岩双底捞砂斗，适用于本地层灌注桩的施工；冲击钻用卷扬机在冲桩架上挂冲击锤，利用冲击锤自重冲出成孔，也适用于本地层的灌注桩施工。因冲击钻成孔时存在易偏孔、易掉锤孔、冲击振动干扰大等弊端，施工难度大于使用旋挖钻机。

2)施工速度：每根桩的成孔时间，使用冲击钻约为6 h，使用280型旋挖钻机成孔，配嵌岩双底捞砂斗，成孔时间约3 h。每根桩的二次清孔时间，使用化学泥浆约为15 min，沉淀时间为1 h；使用黏土或膨润土造浆时，沉淀和二次清孔时间约为3 h。因此，新工艺的施工速度比传统工艺快，每根桩缩短约4.5 h。

3)成本：旋挖钻机的设备租赁费约为 16万元/月，冲击钻的费用则约为4万元/月，虽然旋挖钻机的施工速度快、效率高，但使用旋挖钻机的成本仍然高于冲击钻。

3.2 泥浆的效果

本次灌注桩施工，采用奈普顿化学泥浆代替传统的黏土或膨润土泥浆，对比如下。

1)适宜性：根据本工程的地质条件，化学泥浆和传统泥浆均适用于本次的灌注桩施工，但化学泥浆不形成厚泥皮，不会造成桩的侧摩阻力降低，有助于提高单桩竖向承载力。

2)环保性：奈普顿化学泥浆易降解、无污染。可用3%的过氧化氢溶液或5%的次氯酸钠溶液在排放前进行处理，同时加上定量的处理剂，用泥浆泵对所有需处理的泥浆进行循环，使其氧化后进行充分排放，这样就不会对环境造成危害。

3)经济性：以100 m3的水配置泥浆为例，计算化学泥浆和膨润土制浆的成本：①化学泥浆：100 m3水，50 kg化学泥浆，奈普顿化学泥浆采购价约550元/箱，每箱25 kg，购置价约1100元；②膨润土泥浆：100 m3水，10 t膨润土，膨润土采购价约500元/t，购置价约5000元。可见，使用化学泥浆的成本低于膨润土泥浆[6]。

3.3 整体施工效果

本次新工艺使用280型旋挖钻机成孔，配嵌岩双底捞砂斗和长护筒，采用奈普顿化学泥浆进行护壁，并使用反循环法二次清孔，没有出现任何坍孔现象，沉渣厚度也全部控制在50 mm之内。通过静载和高应变检测，桩的承载力全部满足设计要求，合格率100%；通过低应变检测，全场1038根桩全部合格，其中I类桩为988根，占95%；Ⅱ类桩50根，占5%；无Ⅲ类桩和Ⅳ类桩。

Ⅱ类桩出现原因主要是从地面起约11.0 m处为④-1粉质黏土，软塑状态，此处容易产生缩径。为防止出现缩径，可采取办法为：钻进成孔时，在深度约11.0 m处进行空转，让此处孔壁地层保持相对稳定的状态；成孔后加快钢筋笼下放、导管下放、浇筑混凝土的工序时间，在孔壁地层产生徐变前完成浇筑。

4 结论

采用280型旋挖钻机成孔，配嵌岩双底捞砂斗和长护筒，采用奈普顿化学泥浆进行护壁，并使用气举反循环法二次清孔，很适合福建沿海地区上部有淤泥层、砂层较厚、下部碎块状风化岩硬度大的地层的灌注桩 施工。

旋挖钻机专用聚合物化学泥浆具有制浆速度快、护壁效果好、沉淀速度快、对环境无污染、沉渣厚度小等优点，造价低于膨润土制浆。

本工程的实践通过应用此施工工艺，灌注桩的承载力满足设计要求，同时施工质量得到有效保证。