長螺旋鉆孔壓灌樁在復雜地層中的應用研究

劉利明，司拴牢，禹 寧，劉 波，完麗萍

（1.中國十七冶集團有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2. 蘭州市建設工程安全質量監督站，甘肅 蘭州 730030；3.甘肅省中醫院基建處，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

長螺旋鉆孔灌注樁是基于水泥粉煤灰碎石樁而發展起來的一種新型剛性樁，由于其受地下水位影響較小，單樁承載力高且成樁速度快，以及污染小等優點，近年來得以廣泛應用［1-3］。

倪曉榮等［4］研究了在干性砂卵石地層中，長螺旋鉆孔壓灌混凝土的二次成樁工藝，在實際工程中取得了較好的效果；林志興［5］研究了長螺旋鉆孔灌注樁在飽和砂性土中的施工工藝，獲得了長螺旋鉆孔灌注樁具體的技術參數，為后期研究長螺旋鉆孔樁在飽和砂性土中的施工提供經驗借鑒；滿朝暉等［6］研究了長螺旋鉆孔灌注樁在濕陷性黃土地區的施工工藝，發現長螺旋鉆孔灌注成樁工藝能很好地消除黃土的濕陷性，并且能夠提高地基的承載力，施工方便，就地取材。然而，長螺旋鉆孔灌注樁在復雜地層中的研究鮮見報道。基于上述研究，本文將開展長螺旋鉆孔壓灌樁在復雜地層中的施工工藝研究。

1 項目簡介

蘭州奧體中心項目運動員公寓與體育產業用房工程項目位于蘭州市七里河區，毗鄰黃河，基坑范圍內土方含有大量生活垃圾和建筑垃圾（如混凝土塊），且具有濕陷性黃土，以卵石層為持力層。面對現場復雜的地質情況，通過現場試樁，最終確定了由最初的混凝土灌注樁調整為長螺旋鉆孔壓灌樁的施工方案，經過后期實際工程的驗證，發現此施工方案可有效防止復雜地層中的塌孔現象，以及具有操作簡單等優點。

本文以蘭州奧體中心項目運動員公寓與體育產業用房工程項目為例，進行了長螺旋鉆孔壓灌樁在復雜地層中的應用研究。該工程總建筑面積 265 300 m2，為一類高層建筑，地上建筑面積 145 500 m2，分為 A 棟建筑高度 99.9 m（共計 21 層）、B 棟建筑高度 84 m（共計 17 層），A 樓和 B 樓通過鋼連廊連接，是集住宅、辦公、商業、地下車庫等功能于一體的大型高檔綜合體。運動員公寓及地下車庫開挖土方量共計約 43 萬 m3，且基坑范圍土方含有大量建筑垃圾和生活垃圾，圖 1 所示為基坑開挖及支護。其基礎形式采用樁筏地基，樁頂設置 800 mm 厚的筏板基礎，樁徑 800 mm，樁長 20 m，共計 2 741 根工程樁，其中主樓 1 228 根，純地庫部分 1 513 根，如圖 1（a）所示。

圖1 基坑開挖及支護

2 長螺旋鉆孔壓灌樁設計指標

根據工程地質及周圍環境情況，本工程不適合采用易縮徑、塌孔，質量難以控制的以及噪音特別大的常規鉆孔灌注樁。基于以上基本實際工程概況，本工程選用了長螺旋鉆孔壓灌樁型。

本工程地基基礎形式為樁-筏基，樁端持力層為卵石層，承載力 450 kPa，干作業挖孔樁的極限端阻力標準值為 5 000 kPa，該工程采用了兩種樁型，即抗拔兼抗壓樁和抗壓樁，如圖 2（a）為抗拔兼抗壓樁和抗壓樁的樁身立面圖，圖 2（b）為抗壓樁的樁身剖面詳圖，圖 2（c）為抗拔兼抗壓樁的樁身剖面詳圖。

1）抗拔兼抗壓樁：樁直徑 800 mm，混凝土強度等級 C 35，抗滲等級 P 8，樁端進入卵石層的深度為 10 m，樁抗拔承載力特征值 750 kN，抗壓承載力特征值 3 200 kN，樁頂進入基礎底板 100 mm，樁縱筋深入基礎底板的彎錨長度 40 d，如圖 2（c）所示。

圖2 長螺旋鉆孔壓灌樁（單位：mm）

2）抗壓樁：樁直徑 800 mm，鉆孔灌注樁，混凝土強度等級 C 40，抗滲等級 P 8，采用樁端后注漿工藝，樁端進入卵石層的深度為 10 m，樁抗壓承載力特征值5 500 kN，樁頂進入基礎底板 100 mm，樁縱筋深入基礎底板的彎錨長度 35 d，如圖 2（b）所示。

表 1 所示則為長螺旋鉆孔樁的具體設計指標［7-11］：

表1 設計指標

3 施工流程

長螺旋鉆孔壓灌樁的具體施工工藝流程［12］如圖 3 所示。

圖3 施工工藝流程

4 長螺旋鉆孔樁在復雜地層施工中的常見問題及相應對策

1）復雜地層下打樁困難。樁基進入持力層深度為10 m 以上，持力層為黃河河床沖擊形成的卵石層，且含有大量漂石，砂類土填充，密實度較大，樁機下鉆成孔困難，對鉆頭磨損較大。鉆桿螺旋葉片變形、磨耗及卷邊，鉆桿連接處高強螺栓剪切斷裂導致鉆桿掉落等。為了防止卷邊及磨耗，通過在葉片邊緣焊接 HRB 400 級鋼筋，確保樁徑大小滿足設計要求，如圖 4 所示。高程為 1 521.22～1 511.0 m，存在大量混凝土塊，以及其他建筑垃圾。卵石層粒徑極不均勻，最大粒徑超過 35 cm，造成卡鉆、夾鉆、不易成孔，碰見大塊混凝土或者建筑垃圾迫使鉆桿移位導致樁位偏移。

圖4 樁葉邊處理

對上述問題所采取的技術措施：①對于初期選擇的施工方法——干作業旋挖樁和泥漿護壁鉆孔灌注樁，均未取得良好的效果，不能滿足復雜地層的施工工藝要求，因此本工程引進了《十項新技術應用》中的長螺旋壓孔灌注樁施工工藝，有效地解決了成樁質量與效率問題。②對成樁過程中遇到分布不均勻的混凝土塊及較大粒徑的卵石層無法成樁時，利用潛孔錘一次成孔，然后用長螺旋鉆機二次引孔后澆筑混凝土。

2）地下水位極高。由于靠近黃河，地下水位極高，距樁頂標高僅 30 cm 左右，樁機下鉆成孔過程中，地下水壓較大且攜帶粉砂進入鉆桿內腔底部，導致無法順利澆筑混凝土。

解決措施：采用兩次或多次下鉆成孔方式進行樁基混凝土澆筑，且在鉆頭混凝土澆筑閥門處用海綿封堵地下水。

3）持力層標高差別較大。根據地勘報告顯示，場區內建筑垃圾深度分布為 6～28 m，造成持力層標高差別較大。設計圖紙中僅要求樁基進入持力層長度，未給定確定的樁長，地勘報告中的 564 個地勘點無法準確判定每根樁基部位持力層深度，且長螺旋鉆機施工過程中也無法準確判斷是否進入持力層。

解決措施：經與設計單位、地勘單位協調溝通，由地勘單位在全場范圍內補勘 500 個左右勘測點，用于明確各單體不同部位的持力層深度，項目部根據補勘結果進行樁基鋼筋籠加工與成孔、成樁施工。

4）成孔困難。因場區內建筑垃圾回填不密實、黏聚性差、混凝土塊含量較多、密度不均、進入卵石層較深等原因，造成樁基成孔困難、效率較低，如圖 5 所示。

圖5 成孔困難

對上述問題所采取的技術措施：現場均改用 300 kW 功率以上的長螺旋鉆機，增加鉆機鉆孔能力；根據土質分布不均勻，采用二次以上的成孔工藝；鉆孔過程中遇到混凝土塊時，深度較淺時通過挖機挖除，埋深較大時與設計單位溝通修改樁位，保證順利成孔。

5）混凝土澆筑受阻。因地下水位較高，卵石縫隙間填充物為粉砂，地下水因壓力進入鉆桿內部，并攜帶大量粉砂沉積在鉆桿底部，導致樁基混凝土澆筑時，鉆頭部位閥門打不開，無法順利澆筑混凝土，如圖 6 所示。

圖6 地下水位較高及混凝土澆筑困難

對上述問題所采取的技術措施：改變鉆頭材質與形狀、素土包裹螺旋桿鉆頭、鉆桿內腔塞皮球（水封作用）、鉆桿帶混凝土旋挖作業、嚴格控制混凝土粗骨料粒徑不超過 30 mm、鉆頭采用海綿封堵并涂抹黃油，通過上述措施并結合二次鉆孔工藝，基本解決樁基混凝土澆筑問題。

6）鋼筋籠下插不到位。混凝土粗骨料粒徑過大、混凝土進場時間較長導致坍落度損失及流動性變差以及澆筑不當造成混凝土離析，從而導致鋼筋籠與樁體中心不一致。

針對上述問題，所采取的技術措施：嚴格要求商混站控制粗骨料粒徑；控制混凝土從拌合至澆筑時間，超過 2 h 未能及時澆筑的混凝土直接退回商混站；澆筑時混凝土不能出現離析導致石子下沉；保證鋼筋籠與樁體中心一致，防止鋼筋籠碰到樁壁或樁尖插歪；已與設計單位溝通，地下車庫部分的抗浮樁兼抗壓樁鋼筋籠截面改小，保護層厚度由 55 mm 增加至 100 mm，降低碰到樁壁的概率。

5 長螺旋鉆孔樁在復雜地層施工中的技術要點

5.1 技術難點

1）在復雜地層中，為了達到設計承載力，可以使地勘單位補勘點，從而滿足不同部位的持力層深度，即樁端進入持力層的深度不宜小于 1.5 倍的樁徑。

2）由于在復雜地層中易出現塌孔等現象，因此可采取二次及以上的成孔工藝。

3）為了避免斷樁及縮頸等問題出現，混凝土澆筑時應連續進行。

4）鋼筋籠首先利用其自重下放，然后可采用機械作用下放，在整個下放過程中應使鋼筋籠與樁體中心一致。

5.2 技術創新點

1）在具有建筑垃圾及濕陷性黃土等復雜地層中應用長螺旋鉆孔壓灌樁，足以體現長螺旋鉆孔灌注樁的適應性極強。

2）由于混凝土的連續澆筑，避免了樁身縮頸及斷樁等問題，質量較好，從而使得樁基具有較強的承載力、抗拔力、抗水平力、變形小以及穩定性好。

6 長螺旋鉆孔樁在復雜地層施工中的經濟及技術效益

6.1 技術效益

通過對長螺旋壓灌樁在復雜地層中應用研究，攻克了復雜地層下打樁困難的技術難題，和地下水位高以及持力層標高差別較大、成孔困難、混凝土澆筑受阻、鋼筋籠下插不到位等困難。通過運用 BIM 等相關智慧軟件建造，試驗模擬，解決了復雜地層下長螺旋壓灌樁的施工難題。

6.2 經濟效益

1）由于單樁承載力的提高，使得同樣密度的樁可縮小樁徑，并縮小樁連粱及承臺尺寸，從而減少基礎鋼筋混凝土用量。

2）由于長螺旋壓灌樁無泥漿污染，從而為業主節約處理泥漿的費用，以及成樁速度快，可帶來巨大的工期效益。

3）樁身質量好，合格率高，有較大的質量效益；與靜壓預制樁及其它樁型相比，可節約工程造價 10 %～30 %。

4）與其他沉樁方式相比，在復雜地層中應用長螺旋鉆孔壓灌樁，可以減少機械臺班的使用，經濟性較好。

7 結語

本工程的 2 741 根長螺旋鉆孔壓灌樁已經全部施工完畢。長螺旋鉆孔后，插鋼筋籠壓灌混凝土樁在整個施工過程中，嚴格按照施工工藝要求進行了施工，并密切注意常見問題，及時處理出現的各項難題，施工非常順利。經后期樁身完整性檢測，一類樁達到 98 %，二類樁2 %，未出現三四類樁。由此可見，雖然長螺旋鉆孔壓灌樁存在著很多不可預見的因素，但是只要認真按照該施工工藝流程進行施工，在復雜地層地區完全可以充分發揮其優越性。