复杂填海地层旋挖挤扩支盘桩施工质量控制研究

廖 杰

（中铁南方投资集团有限公司，广东 深圳 518052）

0 引言

挤扩支盘桩是一种模仿树根抗压抗拔原理，结合变截面形式的钻孔灌注桩而研发出的异型桩结构。与常规的钻孔灌注桩相比，挤扩支盘桩既在桩身结构和造型上进行创新，又使得桩身受力机理发生了变化[1-3]。支盘结构的挤扩过程中，挤扩设备使桩周土产生挤密压硬效果，增强了桩周土的承载能力；成桩后，支盘结构亦能通过在各土层中发挥端承力的作用，进而极大提高单桩的抗压拔承载力。挤扩支盘桩也正依托其独特的挤扩压硬作用和支盘结构提供的更大端阻力，与常规灌注桩相比大幅缩短了桩身设计长度，有效避免了常规灌注桩施工过程中桩基往往需要钻入岩体的困难，同时大幅节省了工程支护桩结构的整体造价，因而在各类复杂地层中均有广泛应用前景。

旋挖工艺因其成孔速度快、施工效率高，在桩基工程量较大时得以广泛应用。但在填海地层条件下，采用旋挖工艺成孔时，在砂土层常发生塌孔、卡钻、埋钻等现象，致使桩孔清理不彻底，孔底沉渣过厚[4]；在淤泥质地层旋挖过程中常发生桩孔缩颈；在遇水软化的黏土层或全风化花岗岩地层中，泥浆护壁过程中常发生孔壁泥皮过厚现象。因此如何采取有效手段，保证填海地层中旋挖工艺成孔时桩孔的稳定性是一项亟待解决的难题。

旋挖挤扩支盘桩将普通钻孔灌注桩的旋挖成孔工艺与新型承载能力高、适应性强的挤扩支盘桩进行有机结合，在近海域填海地层采用此工法进行地基加固，利用了旋挖成孔施工速度快的优点，而且通过埋设长护筒、配置优质泥浆[5]、调节钻进速率等手段，并结合挤扩支盘桩的挤扩压硬理论与受力机理克服了填海地层中旋挖工艺成孔困难、成桩质量难以保证的缺点。

1 工程概况

1.1 工程简介

滨海大道是深圳市新一轮干线路网规划中重要的东向西快速干道之一。滨海大道交通综合改造工程，将现状双向十车道拓展至双向十四车道。改造范围地处深圳市南山区和福田区，西起沙河东路立交，东至广深高速公路，全长约5.95 km，涉及基坑总长约1.5 km，基坑最宽位置近百米，最大开挖深度35 m，距海岸线最近55 m，是典型的近海超大复杂深基坑工程。

1.2 水文地质情况

依据区域水文地质条件资料及现场勘察结果，拟建工程场区地下水可分为上层滞水、红色碎屑岩类裂隙溶隙水、松散岩类孔隙水3 种类型。场地南侧邻近深圳湾，西侧为大沙河，欢乐海岸段北侧有华侨城人工湖，地下水主要为孔隙潜水和基岩裂隙水。路线所在地段原始为滨海滩涂地貌，后经填方改建成为市政快速干道，现场地势平坦，地下水较丰富，下伏基岩为岩浆岩，中上部为填土、填砂、填石、淤泥等岩土体覆盖，厚度较大，上覆地层整体性状较差，受构造因素影响，场地尚存在风化深槽、岩面起伏及岩石差异风化明显。

场区各地层依次编号为人工填土层（Qml）①1压实填土、①2素填土、①3填石、①4填砂，第四系全新统海陆交互相沉积层（Q4mc）②1细砂、②2淤泥，第四系全新统冲洪积沉积层（Q4al+pl）③1黏土、③2砾砂，第四系上更新统冲洪积沉积层（Q3al+pl）④1粉质黏土、④2含黏性土砾砂、④3含有机质黏土，第四系残积层（Qel）⑤砾质黏性土，早白垩系燕山四期粗粒花岗岩⑥1全风化粗粒花岗岩、⑥2土状强风化粗粒花岗岩、⑥3块状强风化粗粒花岗岩、⑥4中风化粗粒花岗岩、⑥5微风化粗粒花岗岩。

1.3 支盘桩设置方案

工程根据场地地质条件划分为3 个开挖区域，各开挖区域分别设置支盘径不同的3类旋挖挤扩支盘桩49根、245根、67根以取代原设计钻孔灌注桩。设计支盘桩桩径Ø1 000～1 800 mm，桩长30～40 m。各型支盘桩的桩径、盘径、桩长等设计参数和原设计桩参数如表1 所示，各类型桩支盘结构所处典型地层如表2所示。

表1 各设计支盘桩参数

表2 各类型桩支盘结构所处典型地层

2 施工工艺

该工程项目中，支盘桩均主要采用旋挖钻施工成孔、泥浆护壁、支盘成型、混凝土灌注成桩等施工工艺，具体工艺流程如图1所示。

图1 支盘桩施工工艺流程图

3 施工质量控制

3.1 管理措施

（1）桩基按坐标施工放样必须在认真核对设计图表，确认两者无误后进行。

（2）相邻钻孔不得同时进行钻孔或混凝土浇筑作业，以避免孔壁受搅动影响出现串孔或断桩，造成不良后果。

（3）在桩基挤扩施工前，必须详细核查进场设备、预定的施工工艺及相关技术要求是否与工程的需要相匹配；施工过程中，支盘桩最小盘间距应大于等于8倍盘环宽，且盘支间距不得小于6倍支长，支盘标高可以依据地层纵向位置变化作相应调整。对于六星支结构，其间距应小于4倍支长。

（4）在施工过程中，挤扩工艺可实现对土层力学参数的校验，若在此过程中发现现场地质情况与地质勘察报告不符或有异常情况，应及时由支盘工程师会同设计人员、监理人员对桩承载力做出判断并提出相应的承载力调控措施。调控措施包括：调整支盘在地层中设置的位置、更改支结构为承载力更强的盘结构、增加支盘结构数量、支结构增加结构分支数量、增大盘结构直径等。

（5）支盘作业过程中，应随时关注挤扩支盘设备是否处于正常运行状态，若发现设备存在异常状况应立即停机待命，由支盘技师做出判断。

（6）支盘挤扩施工后，应立即对支盘腔标高、完整性和稳定性进行校验，并对支盘承载性能进行校核。

3.2 护筒埋设

（1）护筒埋设前使用旋挖钻机预先开孔，开孔时选用泥浆护壁。旋挖深度超过2.0～3.0 m 后，使用机械振动锤将护筒夹持至预开孔内。

（2）钢护筒由人工配合振动锤单节一次放入。振动锤需要设置双夹持器，并使用吊车完成起吊作业，以确保振动锤激振力符合要求。

（3）在护筒沉入埋设的全过程中，应设置专门人员进行现场指挥工作，以保证护筒沉入作业的安全、准确完成。

（4）护筒安装作业完成后，需由人工回填黏土并进行插捣作业，务必确保护筒四周土体密实、无空隙。

（5）护筒埋设作业完成后，现场工程技术人员应立即测量并记录护筒标高，记录相关数据作为后续钻进作业的控制依据。

3.3 泥浆配置

（1）成孔护壁泥浆选用比重控制在1.05～1.25间的优质泥浆；桩孔钻深至易发生塌孔现象的土层时，泥浆比重可以适当增大至1.2～1.35；主桩终孔时，一般土层中的泥浆比重须大于等于1.2，易塌孔土层中的泥浆比重须大于1.25以保证施工安全；混凝土灌注前的泥浆比重需要控制在1.1～1.15 之间，且泥浆胶体率不应低于98%，含砂率应低于2%，黏度控制在18～22 s间，具体影响泥浆指标宜经工艺试桩确定。

（2）使用水、膨润土、外加剂进行泥浆制拌，制浆时将膨润土与外加剂尽量打碎。

（3）添加羧甲基纤维素钠盐（CNC），增强泥浆黏性。

（4）添加碱类（Na2CO3）和木质素族分解剂，以对泥浆变质进行控制，同时对已变质的泥浆进行性质改善。

（5）泥浆各项材料配比经配比实验确定，满足性能指标要求。

（6）现场需在适当位置设置泥浆回收池用以回收CNC护壁泥浆，回收泥浆经沉淀净化后转置于储浆池中，在进行进一步处理且测试符合相关标准后方可循环使用。

（7）废弃泥浆经过泥浆处理系统压缩成泥饼后外运。

3.4 钻进成孔

（1）开始钻进时，应适当控制进尺速度，为使刃脚处有坚固的泥皮护壁，须在护筒刃脚处采用低档慢速钻进。钻进至刃脚下1 m 后，方可根据地质条件调整为正常速度继续钻进。

（2）每钻进2～3 m，使用旋挖钻自带感应器检查钻孔直径和竖直度。

（3）钻进过程中，需做好护壁泥浆的维护和管理工作，每30 min 测量一次泥浆稠度和相对密度，根据泥浆性质的变化反推分析孔内及护筒内的钻孔稳定性。

（4）在挤扩成型作业过程中，利用吊机改变支盘机深度位置，在钻孔中挤扩出若干个支盘腔，挤扩时应自下而上进行。应密切注意支盘机升降作业工况、挤扩压力升降情况、油位下降量及孔内是否有油星冒出，出现异常情况时，班长应立即报告项目负责人；作业完成时，应慢提设备以防塌孔。

3.5 二次清孔

（1）二次清孔作业使用气举反循环工艺进行，清孔作业示意及流程如图2 所示。清孔前需测量、记录钻孔孔深，并计算沉渣厚度，检查各种设备是否完好。

图2 气举反循环清孔示意图

（2）下放灌注导管至孔底10 mm处。

（3）从灌注导管内将风管下放至距导管底口200 mm处，并将其另一端与空压机组连接。

（4）将接渣篮置于出渣口下方，为防止出现塌孔现象，还需保证孔内泥浆高度。

（5）开动空压机清孔，正常风量为8 m3∕h，风压为0.4～0.7 MPa。

（6）测量孔内沉渣厚度和泥浆比重，确认达到质量标准后，先关空压机，而后卸下导管帽，拔出风压管。

4 成桩试验检测

4.1 试桩设计

为检测支盘桩施工质量，在工程现场设置抗拔、抗压共3 根非原位试桩。其中抗拔桩桩径为700 mm，抗压桩桩径为1 200 mm，各桩间距为5 000 mm。试桩支结构均为六星支，各支盘结构均匀分布于土体。抗拔桩长23.5 m，设置四支一盘，支盘外径1.6 m；抗压桩长40 m，设置四支两盘，支盘外径为2.5 m。采用锚桩法构建加载系统，利用一根抗压桩和两根抗拔桩的“二锚一”结构组合，使用慢速维持荷载法实现加卸载进行压拔同步的静载试验，试桩平面位置及加载系统如图3所示。

图3 加载系统示意图

上述非原位试验设计为破坏性试验，根据相关规范中挤扩支盘桩承载力的计算方法，确定抗拔桩设计承载力特征值为1 800 kN、极限承载力为3 644 kN、预估最大加载值为6 344 kN，抗压桩设计承载力特征值为3 600 kN、极限承载力为7 928 kN、预估最大加载值为13 328 kN。

4.2 试验结果分析

3根试桩的桩顶位移量与加卸荷载量关系曲线如图4 所示。由图4 可见，各试桩桩顶变形量均随荷载增加而不断增大，曲线整体呈现较为光滑的特征，未见明显陡升陡降，呈缓变型特点。桩顶荷载量达到按照相关规范计算得到的极限承载力时，各桩仍具有相当的承载潜力，且对比普通灌注桩，支盘桩在卸荷时具有相对更高的回弹率。

图4 各试桩桩顶位移曲线

由试桩结果可知，采用旋挖挤扩支盘桩施工质量控制方法，可以有效保证旋挖挤扩支盘桩在复杂填海地层中的成桩质量。

挤扩支盘桩单桩承载力约为摩擦灌注桩的2～3倍，呈现出缓变形安全承载特征，在相同荷载条件下可以缩短桩长、减小桩径、降低入岩深度甚至减少桩数，从而节省大量混凝土、钢筋等工程材料用量，通常同等条件下挤扩支盘桩相较于普通灌注桩可以节约混凝土用量约40%、钢筋用量10%，减少了桩基工程的总施工时间，大大加快施工进度，通常采用挤扩支盘桩时可节约桩基工程工期约25%。同时，这也进一步大量降低了工程材料生产过程中的碳排放量以及施工过程中各项能耗，符合我国新型基础建设的节能减排理念。

此工程案例中，原设计灌注桩桩长以20～40 m为主，采用支盘桩方案后，根据不同地质条件优化桩长至15～22 m，综合节约混凝土用量近50%，具有较高的经济效益和较强的可推广性。

5 结论

（1）相较于传统灌注桩，挤扩支盘桩具有承载力强、用料节约、施工工期短、经济效益强等特点，符合节能环保的设计理念，具有较高的推广价值。

（2）旋挖挤扩支盘桩利用旋挖工艺成孔，可大幅提高成孔速度，在桩基工程数量较大时成孔效率高。配合采用长护筒、调节泥浆配置与钻进速率等手段，解决了填海地层由于覆盖较厚砂土层及软土层导致的桩基成孔困难，桩基承载力不足的难题。

（3）通过试桩结果可知，旋挖挤扩支盘桩承载性能完全达到设计要求，在深圳市及同类近海域填海地层地区具有广泛应用前景。