長護筒旋挖鉆干作業成孔灌注樁施工質量問題分析與控制

吳 輝

（湖南星海項目管理有限公司，湖南 株洲 412000）

0 引言

目前，旋挖鉆孔灌注樁施工工藝已廣泛應用于建筑工程樁基施工，其中采用長護筒旋挖灌注樁干作業成孔施工具有低噪音、低振動、扭矩大、成孔速度快、不易塌孔、縮孔、工期短、成本低、無泥漿循環、有利于環境保護等優點，尤其適用于城區作業環境及覆土層較厚的樁基礎施工。但干作業旋挖鉆法成孔在潮濕多雨季節和地下水發育等環境施工時往往容易出現孔底沉渣厚度難以控制、樁身夾泥等質量問題，需在施工過程中嚴格控制。本文結合實際案例，對其適用性及施工控制要點進行分析。

1 工程概況

該項目位于西南地區、地處湘江流域，屬季風氣候的中、北亞熱帶濕潤氣候，雨量較豐沛，年平均降水量1361.6mm，雨季大部分集中于4～9月份。擬建場地地貌為低矮山丘夾山間洼地，東南地勢較高，北西地勢低洼，場地標高70.00～72.00m，周邊為工業廠房及市政道路。場地地層按成份、結構、物理力學性質及成因自上而下劃分為第四系素填土、硬塑狀粉質黏土和白堊系強風化泥質粉砂巖與中風化泥質粉砂巖。場地主要由開挖平整堆填而成，回填覆土層厚度達5～11m，呈紅褐、黃褐色、松散-稍密，以黏性土、泥質粉砂巖塊石為主，伴有少量建筑垃圾，堆填時間小于5年，未完成自重固結。基礎形式設計采用旋挖灌注樁基礎，樁徑（800～900mm），施工樁長(10～25m)，以中風化泥質粉砂巖作為樁持力層，樁端阻力特征值qpa為2800kPa，要求混凝土澆筑前孔底沉渣厚度不超過50～100mm。

2 施工機具

鉆機采用中聯重科B-280 型旋挖鉆機1 臺、山河智能B-300H型旋挖鉆機1臺、挖機4臺、20t汽車吊車1臺、25t履帶伸縮臂吊車一臺、泵車一臺、鋼筋加工機械1套，電焊機5臺等。護筒用12mm厚的鋼板制作，筒內徑比孔徑大200mm，頂端焊兩個吊環便于吊放，護筒頂端同時正交刻四道槽，以便掛十字線，以便矯正樁位、驗孔之用，在其上部開設2個溢漿孔，便于泥漿溢出，進行回收和循環利用。

3 鉆孔施工方法選用

鑒于該項目場地覆土層太厚，未經過夯實碾壓，又正值雨季施工，場地長期積水浸泡潮濕松軟，設備進出、材料轉運都很困難，故采用路基箱鋪設臨時道路和墊于旋挖機下方作為操作平臺。采用路基箱的優點，一是不受場地和天氣限制、雨天、積水不會下沉、施工安全；二是可重復利用、靈活方便，根據現場需要隨時調整。

3.1 試用泥漿護壁法鉆孔

3.1.1 選定樁位

根據設計要求，該項目首先采用泥漿護壁成孔法進行試鉆，以確定該施工方法的可行性。選用護筒長度2m,每臺旋挖鉆機各試鉆一個樁孔，分別按不同覆土層厚度選定孔位（SK2；SK4），其中SK2 樁位覆土層厚度12.8m,SK4覆土層厚度4.8m。由于擬建場地巖層中有軟弱夾層發育，為探明樁端下3倍樁徑且不小于5m范圍內有無軟弱夾層和保證樁端持力層厚度，在中風化泥質粉砂巖作為樁端持力層的部位，分別進行超前鉆巖土工程勘查。

3.1.2 泥漿制備及控制參數

因場地填土為素填土、硬塑狀粉質黏土并含有少量建筑垃圾，不適宜制備泥漿，故外購膨潤土造漿施工，泥漿比重控制在1.05～1.15t/m3之間，泥漿黏度控制在18～22Pa·s,泥漿pH值控制在7～9之間。

3.1.3 施工工藝流程

施工準備—測量放線定樁位—振動錘埋設鋼護筒—鉆機就位—鉆孔—一次清孔—吊放鋼筋籠—安放導管—二次清孔—混凝土灌注—提拔導管—振動錘起拔護筒—成樁保護—樁基檢測，放線定位的同時開挖泥漿池制備泥漿。

根據上述工藝流程，在兩個樁位鉆進過程中，多次出現塌孔、縮孔，甚至一直將泥漿濃度提高到1.2～1.5t/m3，依然無法控制，多次回填鉆進，仍然難以成孔。分析認為，因場地地處低洼地段，且覆土層較厚，加之正值雨季施工，場地積水難以排出，場地事先未進行強夯振壓密實，就算勉強鉆至設計孔深，一旦拔出鉆頭、鉆桿停止轉動，孔壁周圍含水較大的松軟土體并同時向孔內擠壓，單靠提高泥漿濃度來穩定十多米深的自重固結回填土不塌孔非常困難，故該項目排除了采用泥漿護壁成孔方法施工。

3.2 選定施工方法

該項目為工業廠房，地處城市工業園區，若采用“注漿加固法”或“反壓混凝土法”，一是工期長、二是泥漿的制備和排放運輸會造成環境污染，很不利于項目施工作業和進度推進。根據設計文件說明“鉆孔時根據實際情況對于塌孔采用泥漿護壁、機械干作業成孔、振動錘下鋼護筒護壁等方法處理”。經五方責任主體共同商議，最終決定采取埋設長鋼護筒干作業旋挖鉆法施工。

4 長護筒干作業成孔法鉆孔成樁

長護筒干作業成孔法鉆孔成樁施工工藝流程：場地平整、定位→旋挖鉆孔至孔深1～2m→振動錘下埋長鋼護筒→正常成孔至樁底標高（終孔）→清孔驗孔→（二次清孔）鋼筋籠安裝→灌注混凝土→拆除鋼護筒→回填土體→樁體保護。

4.1 測量定位、場地平整、鉆機就位

測量定位，采用挖機進行場地平整、鋪設路基箱，路基箱要鋪設大致水平，并利用挖機自重在其上面反復行走壓實。旋挖鉆機就位后，調平鉆機，保持鉆機垂直穩固，鉆頭中心與樁位中心誤差控制在10mm內，在回轉半徑內不應有障礙物。開鉆前將鉆頭著地，進尺深度調整為零，鉆進時原地順時針旋轉開孔，然后以鉆斗自重、鉆桿自重加以液壓力作為鉆進壓力，初鉆壓力控制在90k Pa左右，鉆速先慢后快，鉆至1～2mm,停止鉆進，移開鉆桿及鉆頭，埋設長鋼護筒。

4.2 長鋼護筒的制作與埋設

根據前面采用泥漿護壁成孔得出的有關數據，塌孔均出現在回填黏土層和軟弱夾層厚約4～15m 范圍內。鋼護筒長度按最不利地質條件控制，護筒長約5～15m，鋼護筒壁厚δ=12.5mm的鋼板，在廠家用機械集中卷制加工制作，焊縫全部為雙面坡口。實際施工時參照地勘資料和回填土層厚度，先正常旋挖鉆進至孔深1～2m位置處，采用550系列振動錘將鋼護筒打入土層，直至穿過塌孔位置并進入強風化泥質粉砂巖層50～100cm左右，筒口離地面預留30～50cm左右。為保證埋設鋼護筒的垂直度和護筒中心與樁位中心的偏移量，鋼護筒的埋設選擇在白天進行，便于發現問題及時處理和校正。同時現場專人指揮，指揮及作業人員必須遠離振動機械作業范圍，防止出現鉗口松動護筒脫落傾倒的安全事故。

4.3 鉆頭的選用與鉆進成孔

通常不同地質條件要采取不同類別的旋挖鉆機鉆頭進行施工：細砂、中砂、礫砂、角礫土、圓礫土及強風化層可采用筒式鉆頭；對于強度不均勻地質、易偏孔地質以及風化、中風化巖層采用短螺旋嵌巖鉆頭，巖層軟硬不均、存在孤石及抗壓強度較高的巖石地質采用筒式嵌巖鉆頭。

因該項目地質構成主要為素填土、粉質黏土，以及強風化泥質粉砂巖和中風化泥質粉砂巖構成，故施工過程中主要采用短螺旋嵌巖鉆頭進行鉆進，因該鉆頭出渣能力有限，出渣時換用筒式鉆頭。鉆進過程中每進尺5m左右深度對樁位重新校核，并根據地勘超前鉆孔成果，對每根樁進入中風化巖層標高，進入砂巖標高，巖層厚度等指標分別進行了記錄，以指導鉆孔時確定孔底標高，標高均以絕對高程控制。鉆至設計標高后用帶有活門的筒形鉆（平底鉆頭）清理沉渣，即一次清孔。清孔后提出鉆頭，由質量員和工程監理進行孔徑、孔深、垂直度、孔底沉渣檢測驗收，驗收合格后，移走鉆機，蓋好蓋板，進行下道工序施工。

4.4 鋼筋籠的制作及安放

4.4.1 鋼筋籠制作

該工程鋼筋籠采用現場制作，現場制作垂直運輸距離短，極大地減少了鋼筋籠的變形。由于樁長度較大，采取分節制作，分節長度為鋼筋直條原材料長度9m，接頭處錯開設置，根據各樁的總深度與9m鋼筋籠的整倍數相減后，剩余長度的鋼筋籠單獨制作。鋼筋籠接長采用焊接連接，主筋接頭在同一截面內的鋼筋接頭數按不得多于主筋總數的50%進行控制，相鄰兩個接頭間的距離不小于主筋直徑的35倍，且不小于500mm，主筋點焊綁扎搭接長度根據設計要求不小于主筋直徑的35倍，箍筋的搭接采用綁扎，綁扎長度根據設計要求不小于300mm。

4.4.2 二次清孔安放鋼筋籠

因采用干作業成孔，無泥漿循環，所以在鋼筋籠吊運到位后，再次利用平底鉆頭進行二次清孔并檢測孔底沉渣厚度滿足設計要求后立即下放鋼筋籠。鋼筋籠采用大噸位起重機分節吊裝，吊入孔時應慢慢下放，嚴禁擺動碰撞孔壁。將第一節鋼筋籠臨時支撐于護筒口，再起吊第二節鋼筋籠，使上下兩節骨架位于同直線上進行焊接。焊接完成后經監理工程師或業主現場代表對連接、焊接質量及該段箍筋綁扎情況進行檢查，驗收合格后再將第二節鋼筋籠放入孔內。

4.5 導管安裝

該工程混凝土導管采用直徑250mm無縫鋼管導管，連接方式采用法蘭連接，最下端一節導管底部未設法蘭盤，以鋼板套圈在外圍加固，導管連結處設置“○”型密封橡膠圈，以保證導管密封性良好。導管底部距孔底（孔底沉渣面）高度，以能放出隔水塞及首批混凝土為度，實際控制在300～500mm，導管頂部設置漏斗，漏斗與儲料斗用4～6mm鋼板制作，不漏漿及掛漿，漏泄順暢徹底。儲料斗容量（即初存量）根據樁徑大小確定，初灌量必須保證能將導管一次埋入混凝土內1.0m以上。

4.6 混凝土灌注

4.6.1 混凝土配合比

該工程施工過程中混凝土嚴格按配合比報告進行配料，選用商品混凝土，設計強度等級為C30自密實水下混凝土，為保證施工質量，實際提高一個強度等級按C35進行灌注。設計坍落度為180～220mm，根據現場實測，坍落度均在200～210mm左右，滿足設計和規范要求。

4.6.2 混凝土灌注

確認初灌量，按首批灌注混凝土數量能滿足導管埋入混凝土中至少1.0m 以上備足后，迅速提出料斗口堵板，灌入首批混凝土。首批混凝土灌注正常后，泵車連續供料，連續灌注，中途無長時間間隔停工。每根樁的灌注時間均按初盤混凝土的初凝時間進行控制，混凝土灌注的上升速度不小于2m/h。該工程因采用12.5mm厚鋼護筒成孔，所以延米體積相應增加，考慮鋼護筒拆除過程中對水下灌注樁混凝土的影響，其混凝土充盈系數按1.35倍進行計算。最后一次混凝土灌注量嚴格按超灌高度為0.8～1.0m控制，為減少鑿出浮漿的工作量，在混凝土凝固前安排專人將混凝土上部的浮漿清除，清除浮漿后混凝土的高度高于樁頂標高約50cm左右。

5 樁基檢測結果及質量問題分析

5.1 檢測要求和結果（以17號樁為例）

根據設計要求，樁基工程應進行樁身完整性檢測和豎向承載力檢測，每根樁應進行低應變動測，樁身檢測低應變100%，鉆芯法檢測數不得少于總樁數的10%，且不少于10根，承載力檢測1%，不少于3根。

檢測報告顯示：17 號樁豎向承載力檢測合格，低應變檢測合格，樁身端部局部夾泥，混凝土離析分散，鉆頭穿過樁身呈急速下落15cm左右進入持力層（說明孔底沉渣約15cm厚，不符合設計要求）。根據《建筑樁基檢測技術規范》（JGJ 106-2014）[1]初步判定該樁為Ⅳ類樁。再結合本規范第3.4.4條有關規定：“單孔鉆芯檢測發現樁身混凝土存在質量問題時,宜在同一基樁增加鉆孔驗證,并根據前、后鉆芯結果對受檢樁重新評價?！庇谑菍υ摌读硪徊课恢匦逻M行了二次抽芯檢測，抽芯結果顯示，樁身完整，未出現夾渣現象，說明該樁只存在局部位置夾泥、混凝土離析（見圖1），經檢測單位和設計單位一致認定，重新判定為Ⅲ類樁。

圖1 17號樁第一次抽芯

5.2 質量問題原因分析

5.2.1 氣候、場地、及清孔影響

該項目場地地處低洼地段，覆土層較厚，加之雨季施工，地表積水嚴重，雖然采用長護筒有效防止了塌孔、縮孔及成孔后孔壁砂石泥塊墜落，但未植入長護筒的強風化和中風化泥質粉砂巖孔段，由于大量地表和地下水的滲入沖刷，在清孔完畢下放鋼筋籠、安放導管以及等待混凝土進場的過程中，孔內仍沉積了大量泥漿和細顆粒狀砂石。由于是采用干作業成孔且樁孔直徑較小，下放鋼筋籠之后未再次檢查清孔，直接灌注混凝土。（若要再次采用鉆頭清孔，必須將鋼筋籠拔出，工序相對繁瑣，施工中忽略了這一過程）。

因此，雨季施工場地積水滲漏，孔底沉渣未清理干凈并直接澆灌混凝土是造成沉渣過厚的主要原因之一。

5.2.2 導管內未設置防水塞或滑閥

因地表滲水嚴重，雖然是干作業成孔，實則鉆進和清孔過程中由于鉆頭的反復攪動，孔內已形成了3～4m深的泥漿和孔底沉渣，單靠鉆頭清孔根本不能將泥漿排出，特別是安放導管時只在漏斗口設置了堵板未設置防水塞，導致首盤混凝土澆灌時，孔內泥水直接與混凝土混合，從而導致樁身下部位置出現夾泥、離析、沉渣過厚等質量問題。

5.3 質量問題處理措施

鑒于樁豎向承載力全部合格，樁身局部夾泥，二次抽芯樁身完整，根據《建筑地基基礎工程施工質量驗收標準》（GB50202-2018）[2]第5.1.5條有關規定，“對不滿足要求的工程樁，可采取補強或補樁措施。樁身完整性應至少滿足II類樁的評價要求，II類樁的分類原則為樁身有輕微缺陷，不會影響樁身結構承載力的正常發揮。”經設計、勘查部門現場勘查和五方責任主體一致同意，最終采取注漿加固方案對樁身進行補強、孔底沉渣進行清孔注漿處理。注漿處理后再次抽芯檢測，結果達到了Ⅱ類樁的質量要求，見圖2（注：圖片來源于該工程樁基檢測報告）。

圖2 17號樁注漿加固后抽芯

6 結束語

綜上所述，在覆土層較厚的松軟底層采用長護筒旋挖法施工，能有效防止塌孔、縮孔等施工質量問題，即使在潮濕多雨的季節施工，也能順利成孔。特別是城區房屋建筑工程樁基施工，由于樁位較密，場地有限，環境保護要求高，泥漿制備運輸及易污染施工場地，采用加長護筒施工能很好地提高工作效率、縮短工期、保護環境。但若在雨季和地表水發育的低洼地層施工時，鉆頭攪動孔內地表水形成比重較大的泥漿和孔底沉渣清理仍然是施工中的重點和難點，一旦施工過程控制不嚴、處理不當，極易造成樁身夾泥和孔底沉渣過厚等質量問題。在此，結合本文工程案例，提出如下建議以供參考：

（1）對于覆土層較厚的松軟地層若采用干作業旋挖法施工，采用加長護筒直接穿過覆土層可以有效控制塌孔、縮孔等施工常見質量問題。

（2）在雨季或地下水發育的潮濕地區用干作業法施工，僅靠鉆機自帶的平底鉆頭清孔很難保證達到理想狀態，應采用專用工具進行孔底沉渣清理或采用吸泥泵將泥漿排出，也可根據鉆頭形狀自行加工清渣鉆頭進行清理。

（3）灌注混凝土時，導管內務必設置球形隔水塞或滑閥，可有效防止混凝土進入導管后與導管中的泥水混合，造成樁身夾泥、混凝土離析等質量問題。

（4）吊放鋼筋籠之前和之后應采用專用設備和規范操作檢查孔底沉渣厚度，不能僅依靠重錘觸底人為手感的常見錯誤操作進行判斷。如果發現沉渣厚度大于設計要求，在無專用工具時，必須把鋼筋籠吊裝出樁孔，重新機械清孔至合格為止。在灌注首批混凝土之前最好配制約0.1～0.3m3水泥砂漿放入滑閥（隔水塞）以上的導管和漏斗中，然后再放入混凝土。

（5）對于樁端局部樁身夾泥和孔底沉渣過厚質量問題，可根據二次抽芯結果并結合現場實際采取注漿加固進行處理，以減小補樁帶來的工期延長和經濟損失。

（6）進行樁身完整性檢測時，為確保檢測結果的準確性，應盡量采取兩種以上方法進行驗證。