复杂地层超深钻孔灌注桩施工技术研究

文／保丞 上海隧道工程有限公司 上海 200000

1.工程概述

本标段施工范围为新建上海至南通铁路太仓至四团吴淞口长江隧道越江段及外高桥集装箱作业站站前工程HTZQ Ⅱ-1 标段，正线迄止里程为DK144+210-DK151+485，线路长度7.275km，位于上海市宝山区、浦东区境内。工程建设概况图如图1 所示。

本工程桩基主要为基坑临时立挑支撑结构的立柱桩（兼抗拔桩）及满足隧道结构抗浮要求功能的抗拔桩。依据设计图纸，浦西2#工作井（DK144+210～DK144+288）施工22 根Φ1200mm 钻孔灌注桩，桩长61m。桩顶标高-38.3m，桩底标高-99.3m，钻孔深度102.7m，其中10 根钻孔桩存在格构柱，桩位布置图如图2。钻孔灌注桩采用水下C35 混凝土，钻孔桩主筋接头采用机械连接，桩的主筋采用HRB400 钢筋。主筋接头应间隔错开35d 且间距〉500mm 同一连接段上钢筋接头面积不得超过钢总面积的50%。钻孔灌注桩垂直度为1/200。

图2 号工作井钻孔灌注桩平面布置图

图3 钻孔灌注桩施工工艺流程图

图4 检测设备及流程图

2.本工程重、难点

2.1 地质条件复杂，垂直度控制难度大

本项目桩基设计为大直径超深钻孔灌注桩，钻孔深度达到102.7m,钻进工程中地层变化明显，软硬不均匀，将遇到⑦2 层：粉砂层，以及⑨2 层：粉细砂层，由石英、长石、云母等矿物颗粒组成，俗称“铁板砂”土质较均匀致密。随着钻孔深度增加，钻杆易弯曲变形，钻头易磨损，成孔效率低，钻孔垂直度难控制[1]。

2.2 超深钻孔灌注桩、工艺设备要求高

2#工作井原设计采取基坑底部设置超高压旋喷桩封底措施，封底深度范围77-82m，确保封底效果和保证抗突涌安全性，同时封闭基坑底部止水。由于吴淞口地质条件特殊，工作井区域深层土质极为致密（N=93.8-107.1）。经专家咨询审查后调整原设计方案，采用水下开挖法。本工程桩基主要为基坑临时立挑支撑结构的立柱桩（兼抗拔桩）及满足隧道结构抗浮要求功能的抗拔桩。本工程中的10 根钻孔桩存在格构柱，钢笼对接、格构柱起吊、标高控制等施工难度大，设备要求高[2]。

2.3 钢筋笼吊装及声测管安装难度高

2#工作井东面靠近吴淞口位置，12 根抗拔桩孔深均为103m，钢筋笼长度达到101 米，钢筋笼吊装及声测管安装难度大，时间久。现场配备1 台150T 履带吊和1台50T 汽车吊全程配合钢筋笼下放和声测管安放。另外10 根立柱桩孔深均为103m，施工难度更大，又要下钢筋笼还得下格构柱，下钢筋笼拼接时需要稳定性较强从而保证其垂直度，下格构柱的时候更要注意格构柱的垂直度。由于钢筋笼太长且需要安装声测管会导致成孔搁置时间较长，对泥浆性能要求较高，为防止塌孔风险，现场采用较大比重的泥浆护壁。

3.施工工艺与操作要点

3.1 钻孔灌注桩施工工艺流程

3.2 操作要点

3.2.1 护筒埋设

钻孔用护筒采用δ=10mm 钢板制作，护筒直径大于桩基直径10cm。埋置时中心位置与桩中心位置偏差不大于3cm。护筒顶面中心应与桩中心线重合，护筒倾斜度不得大于1/200。护筒埋设后周围要用粘土分层夯填密实。回填土必须对称进行，以免护筒跑位，保证桩位位置无地下障碍物。若平面位置偏差大于3cm 或竖直度偏差大于1/200，均应重新埋设护筒，护筒埋设宜以压重，震动，锤击或辅以筒内除土等方法埋设。护筒顶面高度超出地面50cm，埋置深度为1.5m。要求护筒中心与桩位必须对中，保证天架中心、转盘中心与桩位中心“三点一线”。

3.2.2 泥浆制备及循环

钻孔泥浆为原土造浆由水、黏土组成，必要时加入添加剂，采用优质膨润土，膨润土要先在搅拌桶内浸水再搅拌。为保证泥浆的供应质量，施工时设置制浆池、贮浆池及沉淀池。泥浆传送采用泥浆槽和泥浆泵。用于护壁的黏土，其性能指标应符合规范要求。在钻孔作业中，经常对泥浆质量进行试验测定，及时调整泥浆性能指标，确保护壁良好不坍孔，钻进顺利。

在开始钻孔灌注桩施工过程中，由于70-80m 深度左右存在砂层，对置换泥浆检测中发现含砂率高，部分情况大于15%，护壁泥浆效果较差。为防止塌孔，提高泥浆护壁效果，在后续施工过程中采用除砂机进行除砂，在正循环钻进过程中，以及后续一清、二清过程中，将循环浆液进行除砂处理，可以有效降低泥浆中的含砂率，提高护壁泥浆质量。

泥浆循环系统设置在施工平台上，根据现场施工情况，每台机器设置1 个泥浆箱，泥浆输送管道为硬质埋地管，泥浆箱及管道的摆放、布设，防雨、防污染及临时用电布置。

3.2.3 成孔施工

成孔施工本工序是整个钻孔灌注桩施工中最为关键的工序。针对复杂地质情况需优选钻进设备，由于工期紧任务重，拟采用一台SQ-18 全液压钻机和一台GPS-20机同时施工。传统的GSP-20 钻机转盘用拨棍传动主动钻杆，操作方便，配有泵吸反循环泵组，可根据需要及时专为正循环钻进，也可配套气举反循环钻具，用于深孔钻进。但由于钻进深度深，在钻进至70-80 米“铁板砂”层时发现钻进效率低，且GPS-20 钻机采用的是法兰盘连接各节钻杆，需要接拆钻杆，劳动强度高，使提钻时间更加长，施工效率低，增加了塌孔风险。SQ-18 全液压钻机采用液压履带底盘、潜水动力头、伸缩式内通浆钻杆，完全改变了传统钻杆装拆方式，提高施工效率。潜水动力头装置由潜水马达通过减速器将动力传至输出轴带动钻头切削岩土，工作时动力装置潜入孔底，直接驱动钻头回转切削，钻杆不转动，只起连接传递抗扭和输送泥水作用，钻渣排出则可采用正循环或反循环方式完成。钻进过程中潜水动力头垂直度好、效率高；工作时动力装置潜在孔底，耗用动力小，钻孔时不需要提钻排渣，钻孔效率较高、成孔质量好；自动化程度高，施工操作人员少、劳动强度低。对于超深钻孔灌注桩施工，降低了塌孔风险。为了保证施工质量，经过比选，本工程最终采用SQ18 全液压钻机正循环钻进成孔，反循环清孔，钻头直径按设计及规范要求1200mm。成孔时，严格按照操作规程施工，开孔钻进时要减压低速钻进保证开孔的垂直度。

本工序的重点为：由于钻进深度较深，钻进过程中将遇到坚硬岩层，普通钻头易磨损且易偏孔，结合实际工况，采用截齿合金钻头及高速刮刀钻头，加宽钻头腰带，钻进时密切注意桩架的稳定情况，钻进至“铁板砂”层时加压并减慢钻进速度，随时检查护筒、土体是否有下陷情况。

（1）据不同的地质特点，合理控制钻进参数。一般土层，适当减小钻压，加快钻进速度；砂性土中钻进时，适当增加钻压，减慢钻进速度。

（2）钻孔中的钻进速度的快与慢，护壁泥浆的性能、指标要根据实际地层的土质情况而变化。对于砂性土应加大泥浆比重、粘度，同时钻进速度也应加快。

（3）钻孔中泥浆密度控制：一般情况，泥浆比重为1.1～1.3。

（4）在成孔过程中，泥浆池循环沟应经常疏通，泥浆池应定期清理废浆及时外运。成孔垂直偏差＜1/200，桩位偏差值均不得大于+30mm。抗拔桩沉渣厚度不超过100mm。钻孔桩应预埋声波透射管，声测管采用外径60mm，壁厚3mm 的钢管。成孔验收时使用探笼或者使用检孔器检测。

3.2.4 清孔

清孔采用换浆法，分两次进行。一次在钻孔完成后，一次在钢筋笼和导管安装好，混凝土浇注前。

表1 清孔后泥浆性能指标

第一次清孔：待成孔结束后，略提高钻杆然后利用钻杆进行第一次清孔，第一次清孔因利用钻杆进行，故在时间上（不少于20min）和方式上（上下提动钻杆）进行严格控制，目的是清除成孔时产生的沉渣。

清孔的关键在于一清，一清应在钻至桩基设计底部1～2m 时进行，清孔时上下提动钻杆，有利于捣碎较大泥块，从而使较小的泥块随泥浆从孔口泛出，因此一清工作成功完成更加能保证底部沉淤符合设计要求。

3.2.5 钢筋笼吊装

本工序的重点为：钢筋笼不得强行下笼，下笼时应缓慢旋转下放，注意垂直居中下放避免碰撞土壁；吊筋应牢固，以免钢筋笼坠落：吊筋的长度应根据实测标高计算而定，确保笼顶标高正确。

（1）钢筋笼分节制作，必须由钢筋工班长自检，安放前由质量员会同监理进行验收，并当场进行隐蔽工程验收签证，未经验收的钢筋笼不得下放。

（2）钢筋笼堆放场地应平整，堆放层数不得超过二层，并分别挂牌做好状态标识。

（3）钢筋笼起吊前应将钢筋笼制作棚顶棚拉开，使用150T 履带吊和50T 汽车吊配合将钢筋笼吊至指定位置，不得将钢筋笼在地面拖行。

（4）钢筋笼吊放：钢筋笼孔口对接采用垂直对中法，上节笼垂直于下节笼，应位于孔的中心位置，做到上、下节笼的中心轴线重合，然后用吊机吊放至孔内设计深度并固定。

3.2.6 混凝土灌注

为了保证混凝土质量，桩身混凝土由我部沪通铁路站前Ⅰ标项目部1 号拌和站提供混凝土供应，专用搅拌运输车运输，其塌落度控制在180～220mm。一般情况下在孔口适当位置让罐车直接对准导管上的小漏斗放料灌注，当罐车无法靠近孔口时，用汽车吊配合灌注。

（1）首批混凝土灌注

钢筋笼下放完，将声测管内注满清水后封口，保证声测管在桩基混凝土施工过程中不会堵塞。首批混凝土的坍落度应控制稍大一点，取施工规范允许范围的高限，即20cm，为确保混凝土的和易性可适当增加水泥的用量。混凝土在拌合站经过试验人员检测合格后，用混凝土罐车运输至工地，现场检测坍落度及肉眼直观判断混凝土的离析程度。首批封底混凝土灌注应使用大料斗，大料斗接于导管上口上，用封口盖盖住大料斗口（必须使封口盖的下缘合进料斗口内），此时导管下口距孔底的高度为250～400mm。经检测合格后的混凝土放入大料斗内，待大料斗混凝土已满，用吊车上的副钩挂住封口盖的挂钩起吊，将封口盖从料斗口处吊起，此时首批封底混凝土灌注入水，混凝土罐车应在首批混凝土灌注中不停顿的放料，直至完毕。首批混凝土灌注完毕后，应立即测探孔内混凝土面高度，计算出导管埋置深度。

（2）混凝土灌注

混凝土灌注开始后，应紧凑、连续地进行，严禁中途停工。灌注过程一律按照水下桩基混凝土灌注方法进行操作，导管埋置深度为1～3m。在灌注过程中，及时用测绳和通过已灌注的混凝土方量计算相结合的方法测算出孔内混凝土面高度，正确指挥导管的提升和拆除。导管提升时应保持轴线竖直和位置居中，逐步提升。如发生导管卡挂钢筋笼现象，可转动导管，使其脱开钢筋骨架后，移到钻孔中心。拆除导管的速度要快，一般不超过15 分钟。要防止螺栓、橡胶垫和工具掉入孔中，要注意安全。已拆下的管节要立即清洗，堆放整齐。为确保桩顶质量，在桩顶设计标高上应加灌0.5～1m，以保证砼强度，基坑开挖后将此段混凝土凿除。混凝土灌注结束后，在拔出最后一节导管。钻孔桩灌注完成且混凝土初凝后，即可拆除护筒。

4.桩身完整性检测

采用ZBL-U5700非金属超声检测仪及跨孔环能器，检测时将发射、接受换能器分别置于两根检测管中，两根换能器按每米4 个测点，同步上升货下降，一次检测各测点的声时、波幅、频率等参数。先用平测法进行普测，如发现数据异常，采用间距加密或斜侧方法进行细测。超声波穿透桩身混凝土时，检测声时、波幅、频率等参数的变化。桩身混凝土的完整性是根据声速、波幅是否小于临界值、PSD～深度是否明显变化来综合判断的。

以PX-KBZ-08 为例，现场所测数据由超声检测仪根据各测点声速、波幅、PSD 值，并绘制声速～深度、波幅～深度、PSD～深度曲线来进行判断。

通过对沪通铁路二期站前Ⅰ标工程2#工作井钻孔灌注桩进行检测共12 根，试验结果和超声波检测显示施工满足设计要求，12 根桩全部为Ⅰ类桩，占测试比例的100%。

结语：

针对复杂软土地层工况下，超深钻孔灌注桩施工中易出现的塌孔、缩孔、钻孔垂直度控制、钻进速度、钢筋笼易上浮等问题，需在施工前制定详细的施工计划，人员劳力、机械设备及材料组织提前筹备，尤其是机械设备选型、泥浆系统设定尤为重要。制定详细的质量保证措施、安全重点管控措施、标化文明施工管理措施，同时在施工过程中加强质量管控，提高成桩质量。