软土地质超大超深钻孔桩成孔施工技术研究

2023-03-12熊炜

城市道桥与防洪 2023年2期

熊炜

（上海市基础工程集团有限公司，上海市 200433）

0 引言

东部沿海地区一直是国内经济发展的重点，随着城市建设的推进，受土地资源的限制，很多沿海城市从20 世纪90 年代起开始围垦填海，增加城市建设发展的区域。随之而来，围垦软土地质的基础设施建设一直延续至今。高速公路桥梁建设尤为重要，施工质量也是围垦区发展的前置条件。桥梁工程中，钻孔灌注桩作为常用的基础结构形式，更是关键部位。

本文依托的是温州地区高速公路“十三五”规划建设（见图1）中的金丽温高速公路东延线工程TJ03 标机场枢纽段实体工程项目。金丽温高速公路东延线工程起点位于金丽温高速公路南白象枢纽温瑞大道西侧，起点里程桩号K0+000，顺接金丽温高速公路，一路沿着通海大道设置高架往东至前街。在八甲变电站附近设置机场西（永中）互通衔接瓯江口大道，并通过连接线衔接滨海大道，路线经前街后一路往东高架桥跨越，跨过规划轨道S2 线、滨海大道，终点设机场枢纽与甬台温高速复线衔接，终点位于通海大道交叉口，终点桩号K22+084.528，路线全长22.046 km。本项目的建设可为形成温州“田”字型高速公路网络格局奠定基础，项目总投资1 101 751 万元。

图1 温州市高速公路“十三五”规划建设示意图

在金丽温高速公路东延线工程TJ03 标机场枢纽段实体工程施工过程中，采用旋挖钻机、GPS 反循环钻机、GF 正循环汽车钻，针对孔径1.5 m 以上，孔深80 m 以上的钻孔桩成孔施工，从成孔能耗、成孔工效、成孔质量以及不同成孔工艺的控制方式这几个方面进行对比分析，论证在软土地层的施工可行性及设备的优化配置。

1 概况

1.1 结构形式

金丽温高速公路东延线工程TJ03 标机场枢纽段位于温州市龙湾经济开发区，为金丽温高速公路接甬莞高速互通新建桥梁。桥梁下部结构主要为桩柱式结构，钻孔灌注桩径为1 m、1.2 m、1.3 m、1.5 m、1.8 m、2 m、2.2 m 共7 种桩径，其中桩径1.5～2.2 m 占90%以上，桩长范围集中在80～90 m，且均为摩擦桩[1]。

1.2 地质情况

桥址区上部为全新统冲海积、海积软土，局部为海积软塑黏土，整体厚度约20～30 cm。软土层多为海积黏性土，软塑-软可塑状，性质较差-一般，厚度较大。局部夹冲湖积粉质黏土、冲海积粉细砂，均不连续分布；中下部以冲湖积、海积黏性土为主，灰色、灰绿色，可塑状，厚度大，性质一般-较好，局部分布厚层的冲级粉细砂，灰色，中密-密实状，不连续分布。

枢纽区中下部⑥4层粉质黏土和⑥7层圆砾层力学性质较好，分布较稳定，为桥的主要桩基持力层，⑥1层粉质黏土和⑥3粉砂层力学性质较好。机场枢纽主线桥位于广阔的海积平原，上部软土层厚度20.0～35.0 m，下伏以海积地层为主，间夹冲湖积地层，下部冲湖积地层相对偏厚。第四系下部为圆砾、卵石层，埋深92.6～94.6 m，见图2[2]。

图2 典型地质柱状分布图

2 成孔施工

2.1 设备选型

根据钻机成孔方式的不同（见表1），并结合地层分布及桩长桩径设计结构，选取GPS-20 反循环钻机、GF-400 汽车钻以及SR360 旋挖钻机进行成孔质量、效率以及功耗的对比分析。因冲击钻在软土地层成孔效率低且扩孔率大，多用于坚硬岩层或卵石层地区，故本项目冲击钻仅作清障使用，不进行桩基施工的成孔施工对比分析。

表1 成孔方式适用范围[3-4]

2.2 成孔过程质量控制措施[5]

在本项目桩基施工过程中，采用GPS-20 反循环钻机、GF-400 汽车钻以及SR360 旋挖钻机进行成孔施工。在施工过程中主要采取以下措施来控制施工质量：

（1）场地平整及换填。对施工便道及施工平台进行换填压实处理，表层地基承载力达到80 kPa 以上，满足设备进出的需求。根据现场实际情况换填深度在0.5～2 m。GPS 桩架处采用型钢和方木对架体进行限位，防止成孔过程中架体摇晃。部分区域铺设钢板或硬化处理，保障旋挖钻进出及施工安全。

（2）泥浆护壁。GPS-20 反循环钻机及GF-400汽车钻主要采用原土造浆+辅助人工造浆的护壁措施，SR360 旋挖钻借助其他2 种钻机成孔造浆进行护壁。成孔过程泥浆的相对密度在1.3～1.4，并采用旋流除砂器进行除砂。

（3）钻头选取及钻进速度。选取略小于桩径的钻头，开孔阶段采取低进慢出，钻至钢护筒下2 m 以后正常钻进。遇到地层变化带，减缓钻进速度，达到稳定结构层后正常钻进。孔深达到60 m 以下后，适当降低钻进速度，增加测绳检测频次，且测绳多面检测，成孔遇到台阶或孔斜较大时，及时调整进尺，缓慢提钻至问题深度，持续削孔，过程中泥浆正常循环。

（4）钻杆及磨盘监控。在钻进过程中，当回旋钻机及汽车钻每次接长钻杆时，采用水平尺对桩架磨盘水平度及钻杆垂直度进行监测，并及时进行纠偏。定期检查钻杆，对变形严重的钻杆及时更换。

（5）钢护筒加长及护桩埋设。本项目对钢护筒进行加长，护筒长度不小于1.5D 桩径，并埋设护桩。在软土地质条件下，成孔过程对土体扰动较大，护桩仅对钢护筒进行临时纠偏，桩基成孔中心随时进行GPS 复测。

2.3 成孔分析

在施工过程中，通过成孔能耗、成孔效率、成孔质量、施工措施以及节能减排等多方分析，确定适用于软土地质条件下超大、超深钻孔灌注桩成孔施工大范围推广的设备组合及成孔工艺。

2.3.1 成孔工效分析

本项目采用3 种钻机进行钻孔灌注桩施工，每种设备采用不同的成孔工艺各施工100 根桩基，从成孔效率、能耗、成孔质量采集数据进行对比分析（见表2）。

表2 成孔施工工效分析

2.3.2 成孔质量结果分析

（1）GPS-20 钻机（长5.7 m×宽2.4 m×高9.3 m）可采用正循环成孔或气举反循环成孔，正循环成孔主要能耗37 kW 主机+44 kW 泥浆泵；气举反循环成孔主要能耗37 kW 主机+55 kW 空压机+22 kW除砂机。成孔质量基本可控，施工平台要求高，需整平且基本压实，地基无较大沉降。在成孔施工过程中，架体存在细微晃动。在前期施工过程中，成孔垂直度在0.5～0.8，部分孔深在80 m 以上的桩需进行二次扫孔，纠正后成孔垂直度控制在0.50～0.67，浇筑充盈系数1.07～1.10。

（2）GF-400 汽车钻（长11.5 m×宽2.5 m×高3.6 m）可采用正循环成孔或泵吸反循环成孔，正循环成孔主要能耗55 kW 主机+44 kW 泥浆泵；泵吸反循环成孔主要能耗278 kW 主机+22 kW 除砂机。成孔质量较好，进出便道需平顺压实，施工平台平整，地基无较大沉降。在成孔施工过程中，成孔垂直度平均在0.50～0.65，基本无二次扫孔，浇筑充盈系数1.05～1.08。

（3）SR360 旋挖钻成孔主要能耗399 kW 主机+22 kW 泥浆泵。成孔质量一般，施工场地要求非常高，进出场地需平顺压实，因设备自重达到146 t，施工现场原地基多为农田或近海吹填滩涂地，需进行换填处理并铺设钢板。成孔垂直度平均在0.60～0.65，浇筑充盈系数1.08～1.12。

2.3.3 成孔质量影响因素及保证措施[5]

在本工程施工过程中，项目部通过展开QC 活动，总结出影响成孔施工质量的主要因素包括但不限于：钻头选取、钻杆垂直度纠偏、施工平台、钻机本身质量、操作班组人为因素等（见表3）。

表3 成孔质量影响因素及对应措施

2.4 成果分析

GPS-20 回旋钻、GF-400 汽车钻、SR360 旋挖钻正循环成孔，GPS-20 回旋钻、GF-400 汽车钻反循环成孔及其正循环成孔+反循环成孔的成孔能耗图见图3，其成孔质量对比分析表见表4。

表4 成孔质量对比分析表

由图3 可知，从成孔平均能耗对比来看，若不考虑电机有效功效（电机组功率因素）和优劣性，则SR360 旋挖桩＜GF-400 汽车钻＜GPS-20 回旋钻。

图3 成孔能耗图(回旋钻平均34 h 成孔，旋挖钻机平均11 h 成孔)

由上述分析可见，回旋钻机宜采用正循环成孔+反循环清孔的方式施工，施工质量好且能耗相对较低。GF-400 汽车钻更适用于软土地质桩基成孔施工。综合地形地貌特殊区域宜采用GPS-20 回旋钻辅助施工。结合工程量及总体工期，地质较好的区域采用SR360 旋挖钻施工。SR360 旋挖钻不具备自主造浆的能力，因此在本工程施工过程中，采用回旋钻成孔自然造浆+辅助人工造浆提供旋挖钻成孔泥浆护壁。多种成孔设备综合施工既满足了施工质量的需要，合理缩短了工期，又能达到节能减排绿色施工的目的，完成降本增效的经济效益目标。