粉細砂層小直徑超長鉆孔樁施工技術研究

白曉紅 ，張代富 （中鐵二局集團有限公司，四川 成都 610000）

0 前言

近年來，隨著橋梁建設的高速發展，高速鐵路四通八達，涉及的范圍極廣，對于不同地質條件下的樁基施工，采用施工方法與工藝有所不同。

關于樁基所在地質條件下的粉土、粉砂、細砂和中砂的施工，過去有很多研究。文獻[1]對可液化粉細砂層大直徑樁基技術進行了全面論述，文獻[2]主要介紹了砂土地基中鉆孔灌注樁施工技術。

本文在以往研究的基礎上，對樁基在八級地震斷裂帶地區粉砂、細砂、中砂層地質下鉆孔灌注樁施工過程中受砂土地震液化、地面沉降等不利施工條件影響，易出現縮孔、塌孔、垂直度控制難、孔底沉渣控制難等問題進行了深入研究且樁基施工質量控制效果明顯。對類似工程提供可靠工程實踐經驗。

1 工程概況

京唐鐵路跨京哈高速公路特大橋橋址區位于八級地震斷裂帶地區，主要地層為第四系新近沉積層（Q43Nd）、全新統沖積層（Q4al）、第四系上更新沖洪積層（Q3al+pl）的粉土、粉細砂及砂層。橋梁鉆孔樁基礎大部分屬小直徑超深鉆孔樁，最長樁110m，樁直徑有（1.0 m、1.25 m、1.5 m、2.0 m）,樁基數量多，全部為摩擦樁。粉土、粉細砂及砂層樁基鉆孔施工時易發生縮孔、坍孔。

2 總體施工方案

八級地震斷裂帶地區粉砂、細砂、中砂層小直徑長樁基技術是通過反循環回旋鉆機三翼空心單尖帶雙外環鉆頭成孔，鉆進過程采用泥漿護壁，采用JL-IUDS(C)智能超聲成孔檢測儀及JL-DST(A)鉆孔孔底沉渣檢測儀進行孔深孔徑、沉渣質量檢測、控制，利用鉆機反循環系統進行一次清孔；鋼筋籠由工廠全自動滾焊機制作，平板汽車運輸至施工現場，采用50噸吊車吊裝，專用安裝平臺準確定位、固定；“氣舉反循環”方式二次清孔，混凝土灌注前采用“測針測餅法”精確控制沉渣厚度；采用專用罐車上坡平臺的使用實現了水下混凝土快速灌注，通過測繩和撈渣斗雙控樁頭混凝土高度。

3 樁基施工關鍵技術

3.1 成孔

3.1.1 鉆機選擇

根據鉆孔樁直徑、長度，尤其要根據地層土質特點選擇合適的鉆孔機械，本橋區樁基主要以粉、細砂層為主，鉆孔過程中易縮頸與坍孔。因此選功率較大而振動較小的CF-350反循環回旋鉆機進行鉆進成孔,并對部分位置進行改良，如在單環鉆頭上增加一個外環，能夠起到對孔壁二次加固塑型的效果，并將鉆機三翼空心單尖帶單外環鉆頭改進為三翼空心單尖帶雙外環鉆頭。

3.1.2 護筒

本工程土層主要為粉土、粉細砂及砂層，地下水位埋深較淺，介于0.6 m～3.0 m間，為防止地表土層由于鉆孔施工振動而坍孔，采用護筒隔離地面水和保持孔內水位高出施工水位，護筒采用厚度為10mm厚的鋼板，護筒內徑比鉆頭直徑大20 cm。將護筒周圍4 m范圍內的砂性土挖除，夯填粘性土至護筒底0.5 m以下，護筒埋設深度不小于2 m，為加強護筒的剛度，防止在吊裝、轉移過程中引起過大變形，護筒頂部用10 mm厚鋼圈焊接在護筒的頂部。

3.1.3 鉆孔

在粉細砂層中快速鉆孔易造成坍孔，一般采用低、中檔速度均速連續鉆進，保持循環液鉆碴含量穩定適量。鉆孔時孔內水位應保持在地下水位線2m以上不低于護筒底1.5m。鉆機鉆頭升降平穩避免碰撞孔壁，鉆桿拆裝要迅速減少停鉆時間。

3.1.4 泥漿

泥漿在樁孔施工中的主要作用是護壁防塌、平衡地層壓力、潤滑和冷卻鉆頭[3]，清洗孔底、攜帶鉆渣等。本工程鉆孔樁最長為110m,穿過的地層主要為粉、細砂、砂層為主,鉆孔過程中易坍塌，因此對泥漿的要求高，最終得到的泥漿性能指標為：相對密度 1.05 g/cm3～1.15g/cm3，粘度 18s～28s，含砂率≤4%，膠體率≥95%，PH值8～10，泥皮厚≤3mm/30min；可以有效避免出現塌孔、縮孔等發生，對清孔、浮渣效果明顯。

3.2 鋼筋籠精確定位

第一節鋼筋籠吊放至孔內后，采用安裝平臺穿杠將鋼筋籠定位至平臺上，進行鋼筋籠中心位置復核，確定鋼筋籠安裝中心位置并校正鋼筋籠中心后，起吊第二節骨架，使上下兩節骨架位于同直線上進行孔口連接，連接時必須保證鋼筋籠的連接質量。樁基鋼筋籠連接完成后，在最上一節骨架上安裝循環活動吊筋，吊筋應牢固固定在操作平臺孔口的吊杠上，防止鋼筋籠上浮或下沉。

為確保鋼筋籠居中，同時保證樁身保護層的厚度，采取在護筒內安裝定位卡具限制鋼筋籠的位置。鋼筋籠護筒內定位卡具如圖1所示。

圖1 鋼筋籠護筒內定位卡具

3.3 二次清孔

待鋼筋籠安裝及導管安裝完成后，進行孔深測量，確定樁底沉渣厚度及泥漿指標，采用氣舉反循環方法進行二次清孔，氣舉法清除沉渣速度快，但對于砂粒漂浮于孔內難以全部清除，需根據空壓機的功率計算清孔時間，確保孔內泥漿被更換3次，為防止砂粒再次沉淀，需要縮短二次清孔與水下混凝土灌注的時間，且首次灌注混凝土方量不小于5 m3，導管下放深度至孔底30 cm～50c m,確保孔底沉渣被全部翻滾到混凝土頂面。

3.4 沉渣厚度控制

為了更能準確地控制沉渣厚度，采用“測針測餅法”，它主要由測繩、測餅、測針構成，沉渣厚度測量示意見圖2所示，在二次清孔結束后，先用測餅測一深度L1，再旋進測針，測一深度L2，測針凈測長度為 S，則樁底沉渣為L=L2+S-L1。

圖2 沉渣厚度測量示意圖

3.5 水下混凝土灌注

對于超長樁基混凝土灌注，樁基混凝土采用拌和站集中拌制，混凝土運輸車運輸至現場，在澆筑前對孔深及沉渣厚度進行檢測，滿足設計要求時申報混凝土，每樁混凝土連續到達現場兩車后，即進行混凝土卸料，前兩車每車混凝土不少于15m3，封底混凝土澆筑方量不小于5m3，封底料斗放滿后第一車罐車退出去，讓第二車開到孔口，當首批混凝土進行卸放時，應同時卸放罐車內混凝土，保證混凝土卸放連續，并觀察孔內水位變化情況。

3.6 樁頭超灌混凝土控制

對于超長樁基混凝土灌注，混凝土灌注過程中導管拆卸次數多，上下提升導管，樁頂混凝土石子容易下沉，造成樁頭浮漿過厚，為了確保樁頭混凝土質量，樁頂標高一般按照超灌1m～2m控制，并在澆筑完成后采用撈渣斗進行撈渣復查樁頂混凝土能否撈取出粗骨料，如不能應繼續灌注混凝土直到滿足要求再停止灌注水下混凝土。

4 鉆進過程存在的問題及控制措施

由于樁基工程屬于地下隱蔽工程，施工工序較多，工藝流程相互銜接緊密，環環相扣，影響施工正常和施工質量的因素很多，難以全部預見[3]；在粉砂層小直徑長樁鉆孔施工過程中，應重點防止坍孔、縮徑、孔身偏斜、彎曲、鋼筋籠上浮、偏位、斷樁與聲測管防堵等情況發生。

4.1 防止出現坍孔與縮徑

護筒埋設時應采用粘土壓實，防止鉆頭出土時孔內水位沖刷砂層造成護筒懸空，引起孔口坍塌；在鉆孔過程中，控制好鉆孔速度，勤檢查孔內水位，保持孔內水位高出地下水位2m以上高度且在護筒內不少于1.5m；在粉砂層鉆進時，控制鉆進速度4m/h～5m/h，縮短鋼筋骨架及導管下放時間與混凝土澆筑的間隔時間，鋼筋籠焊接安裝時間控制在6 h～7h；清孔時間控制在4h；導管安裝時間控制在2h；樁基混凝土澆筑時間控制在5h～6h；單樁從鉆孔、清孔、下鋼筋籠、混凝土澆筑需用時間控制在45 h～48h。

4.2 防止孔身偏斜、彎曲

由于鉆孔樁樁長較大，應將鉆機置于夯實的地基上，并采用鋼板將鉆機底座墊平、保證鉆機安裝牢固，機架不擺動，確保鉆機的鉆桿始終對準樁基孔心，在鉆進過程之中每鉆進20 m左右對鉆機水平進行一次檢查，發現鉆機傾斜超標及時處理。如出現偏斜，應在偏斜處用鉆錐反復掃孔，使鉆孔正直。偏斜嚴重時回填粘土至偏斜處，待沉淀密實后重鉆[4]。

4.3 防浮籠措施

灌注時應采取措施防止鋼筋籠上浮。混凝土面接近和初進入鋼筋骨架下端時，應減慢澆筑速度，以減小混凝土對骨架的沖擊力，當混凝土進入鋼筋骨架4m～5m以后，應減小導管埋深，以增加骨架在導管口以下的埋置深度，混凝土頂面上升到骨架底部6m以上時，宜提升導管，使其底口高于骨架底部2m以上后再恢復正常灌注速度。

4.4 鋼筋籠中心偏位防治措施

鋼筋籠加工時其四周墊塊沿樁長方向每隔2m布置1圈，每圈4個；孔口承重方木（工字鋼）保持水平，吊環對稱設置；鋼筋籠下放后，利用定位樁，拉十字線，微調鋼筋籠，使鋼筋籠中心與樁中心重合；另外由于鉆孔樁施工中護筒直徑大于樁徑，在樁頂鋼護筒內設計定位卡具，定位卡具設置成可調節式適用于不同樁徑，當最后一節鋼筋籠安裝前，將卡具安裝在護筒內，確保鋼筋籠居中，同時還保證了保護層的厚度，

4.5 防斷樁措施

混凝土坍落度控制在180mm～220 mm之間，首盤封底混凝土坍落度盡量取小值，確保首批混凝土灌注后導管埋深大于1m，首封時控制導管底口距離孔底距離在30cm～50cm范圍內；導管埋深在2m～6m范圍，確保導管接頭不漏水。

4.6 聲測管防埋設

聲測管材質滿足設計要求，加強聲測管接頭連接檢測，加密環向加強筋固定，聲測管埋出地面，孔內注清水，管頂采用管帽封堵，防止聲測管受碰撞變形。

在混凝土灌注完7天后即可提前對樁基質量進行檢測，發現問題及時處理，同時可以在基坑開挖到位樁頭鑿除后不用再檢樁立即可以進行承臺鋼筋綁扎施工，縮短工序時間。

5 結語

①對于粉細砂層地質，采用改進三翼空心單尖帶雙外環鉆頭的反循環鉆機成孔，提高了成孔速度，成孔孔型質量高。

②采用工廠化全自動滾籠機鋼筋籠制作與控制，鋼筋籠定位工裝平臺的應用，不僅確保樁基鋼筋籠的質量穩定可靠，同時提高了施工效率，確保了工期。

③氣舉反循環法二次清孔技術的運用使樁基清理較為徹底，采用“測針測餅法”對沉降厚度準確控制，確保了樁底沉降厚度滿足設計要求，確保了樁底承載力。

④樁頂混凝土灌注高度采用測繩測量和撈渣斗雙重控制，確保了樁頭混凝土質量。