富水砂卵石地層旋挖鉆施工關鍵技術與管理研究

郭文娟

（中交路橋北方工程有限公司,北京 101100）

0 引言

富水砂卵石地質的含水量、含砂率較高，土層的承載力、穩定性不高，流動性較強。傳統鉆孔灌注樁施工技術成孔困難，有坍塌風險，實際施工效率較低，施工質量無法得到保障，經濟性和環保性也相對較差。在成都平原羊安高架2號特大橋工程項目中，針對富水砂卵石地質特點，用旋挖鉆施工技術施工，該文著重分析該工藝的操作要點和關鍵技術，為同類施工提供指導，達到提高施工質量和效率的目的。

1 項目概況

該文以成都平原羊安高架2號特大橋工程項目為例，針對樁基旋挖鉆成孔工藝的運用展開研究和探討。案例工程所處區域為富水砂卵石地層，河床表面為卵石層，橋梁樁基礎所在土層砂粒含量高達30%，內部孔隙較大，含水量較高，流動性強，土層自身承載力、穩定性不佳，容易出現沉降、土體位移等情況。傳統插打鋼護筒效果不佳，易形成暗流，泥漿會隨著水流從卵石縫隙當中流出，出現坍塌情況，無法形成護壁。經過對施工現場實際情況的研究和探討分析，最終決定采用旋挖鉆施工技術。

2 旋挖鉆施工技術

2.1 適用范圍

旋挖鉆適用于砂土、人工回填土，含有卵石、碎石的地層及強度較低的風化巖等。在實際鉆孔過程中結合不同工程項目需求，選擇濕鉆或干鉆。旋挖鉆的適用范圍廣泛，可結合實際需求選擇鉆直孔或鉆斜孔，可選孔徑和樁長范圍較大。旋挖鉆設備對于空間需求小，無需較大的工作面，對于施工場地要求不高[1]。

2.2 旋挖鉆技術的主要優勢

（1）成孔速度較快，以直徑1.5 m，深度30 m的樁基為例，采用傳統循環鉆機進行施工，完成樁基施工需要2～5天左右的時間，而旋挖鉆技術僅需8 h左右，在實際鉆孔的過程中，旋挖鉆設備的鉆進速度高達每分鐘50 cm，成孔速度更快。

（2）施工精度更高，在計算機技術的支持下，可對成孔垂直程度以及鉆孔情況進行實時監測和控制，有效保障施工精度和質量。

（3）環保性較好，旋挖鉆施工過程中，主要聲音來源于設備自身的發動機運轉，其他部件所產生的振動和噪聲較小，不會對周圍環境產生不良影響，有著綠色施工特點，適用于居民區。

（4）成本較低，旋挖鉆施工技術適應能力強，尤其在工期緊張的工程中，經濟效益顯著，成孔單價約為220元/m3。

（5）清渣徹底，旋挖鉆施工孔內沉渣量少，容易清理，使用高壓水進行清渣，效果好，施工方便。

3 旋挖鉆工藝在富水砂卵石地層施工中的關鍵技術

3.1 樁位測定

樁位定位時可設置龍門柱，建立十字測量控制網，樁位中心點位置準確。保護控制點，降低外界影響，預防樁位點偏移。做好放樣標高復核工作，保障樁點準確，控制在誤差范圍內。

3.2 鉆機就位

在安置鉆機前，對確定好的樁位進行復核，并檢查鉆孔機性能狀態，水平、穩固安置鉆機，鉆機導桿、回旋盤與護筒中心線處于同一水平線，控制鉆頭中心與樁位中心偏差小于10 mm。

3.3 護筒施工

護筒的主要功能為固定樁位、控制鉆頭方向、隔離地表水等，是旋挖鉆施工中的重要流程。樁徑應比護筒直徑小20 cm，以免鉆頭鉆孔對護筒造成不良影響。護筒埋設之后，護筒頂超過地面至少30 cm或水面1～2 m。護筒定位應高于樁孔內承壓水位至少2.0 m，底腳緊密，不漏水。案例工程中，選用直徑2.2 m，壁厚17 mm，長度11 m的護筒，避開易坍塌的松散卵石層。

護筒埋設中心與樁位中心偏差在5 cm內[2]。護筒定位后，測量護筒各位置與垂線的距離，復核護筒的豎直情況，斜度在1%以下。

鋼護筒施工簡圖如圖1所示。

圖1 鋼護筒施工簡圖（單位：mm）

3.4 泥漿制備

富水砂卵石地層易坍孔，存在孔內水位驟降、鉆機負荷提升等情況。控制泥漿質量能夠有效降低坍孔概率。泥漿比重小，會引起坍孔；比重大，泥皮較厚，影響鉆進速度，增加后續清孔的難度。結合案例項目富水砂卵石地質特點，泥漿制備施工要點包括以下三個方面。

（1）泥漿制備材料選擇。為保障護壁效果，選擇優質、不分散、低固相、黏度較高的膨潤土作為泥漿制備材料，膨潤土泥漿自身密度較小，泥皮較薄，有著較強的黏度和固壁能力，相較于傳統黏土泥漿，膨潤土泥漿的造漿率高、回轉阻力小、穩定性強，能夠有效保障護壁效果，提升鉆進效率，是泥漿制備的良好材料。

（2）膨潤土用量確定。為保障泥漿制備質量，提前一天配置泥漿，保障膨潤土溶解充分。膨潤土用量計算公式為：

式中，m——每立方米泥漿的膨潤土用量（kg/m3）；ρ1——膨潤土的密度（kg/m3）；ρ2——所需泥漿的密度（kg/m3）；ρ3——水的密度（kg/m3）。

（3）泥漿性能試驗。不同土層的特點存在差異，對于泥漿的性能要求也不同，為保障泥漿護壁效果以及成孔質量，對泥漿的性能進行試驗。對于黏土層而言，要求泥漿密度在1.02～1.10 g/cm3，黏度要求為18～22 Pa·s；對于穩定性較差，易坍塌的砂層，適當提高泥漿濃度，或采取添加纖維素等其他措施，可通過現場調配制備泥漿的膨潤土、燒堿及纖維素，將泥漿濃度控制在1.05～1.10之間，保證孔壁穩定性，強化護壁效果，此時泥漿黏度為20～24 Pa·s，呈弱堿性。

3.5 成孔施工

（1）對鉆頭設備進行檢查，鉆頭安裝牢固，直徑符合鉆孔要求，并保障鉆機平穩、牢固。對樁位進行復核，保障鉆頭對準樁孔中心位置之后，方可進行鉆進施工。

（2）鉆桿垂直度控制，保障成孔傾斜度。

（3）加強孔內水頭高度的監測，護筒頂部與地下水位差為2 m，保障孔壁穩固。水位過低，容易出現塌孔情況；水位過高，會影響鉆進效率。

（4）加強土層變化的觀測，結合實際情況，合理調整鉆進速度，尤其是在砂層進行鉆進時，土層流動性較強、強度較低，鉆進速度過快，十分容易造成塌孔。其中黏土層、砂層的鉆進速度分別控制在5 m/h和3 m/h以下，并在進入砂層時，為保障孔壁穩定，避免坍孔，還應增加泥漿比重和黏度。

（5）在鉆進距離不足1 m時，降低鉆機功率，避免功率過大鉆機擺動幅度過大。當鉆進距離超過1 m之后，對鉆機狀態進行觀察，鉆機運行穩定后，可逐漸加大鉆機功率[3]。

3.6 清孔

清孔前進行承壓試驗，在試驗合格之后，進行清孔。清孔時加強對于以下技術要點的重視。

（1）清孔時孔內水頭高度以及泥漿指標符合相關要求，防止出現塌孔情況。

（2）先對孔內泥漿指標以及沉渣厚度進行檢查，二者達標后，進行混凝土灌注施工，泥漿厚度不符合施工要求時，進行二次清孔。

（3）清孔后泥漿密度控制在1.03～1.1 g/cm3之間，黏度控制在17～20 Pa·s之間，含砂率小于2%，膠體率大于98%。

3.7 下放鋼筋籠

在該工程中，鋼筋籠采用現場制作方式，按照設計要求制作成型后，將其下放到鉆孔當中。在鋼筋籠下放的過程中，注意以下操作要點。

（1）鋼筋籠下放過程中，嚴禁強行塞入，以免對孔壁造成破壞。

（2）嚴格控制鋼筋籠下放垂直度，偏差控制在小于5%。

（3）主筋位置焊接倒刺，以此保障鋼筋籠位置穩定，避免澆筑時上浮。

3.8 混凝土灌注

（1）樁基混凝土灌注屬于水下灌注，保持灌注的連續性，強化灌注時間控制。

（2）水下灌注對于混凝土的和易性和流動性有著較高的要求，對此嚴格按照標準要求，將坍落度控制在180～220 mm之間，在施工前進行坍落度檢測[4]。

（3）混凝土灌注前，導管底部與孔底相距40 cm左右，在完成首批混凝土的灌注后，檢測導管內部混凝土液面高度。

（4）混凝土連續灌注，導管埋深在2～6 m之間。

（5）強化混凝土灌注速度控制，灌注速度會對鋼筋籠狀態產生影響，導致鋼筋籠上浮。

（6）灌注高度達標高時，為保障樁頂混凝土質量，超灌50～100 cm。

（7）在混凝土灌注施工過程中，為保障首次灌注的連續性和質量，計算首盤混凝土數量，計算公式為：

式中，V——首批混凝土量；D——樁徑（m）；H1——樁孔底部至導管底端之間的距離（m）；H2——導管埋置深度（m）；d——導管內徑（m）；h1——樁孔內混凝土達到埋置深度H2時，導管內混凝土柱平衡導管外壓力所的高度（m）。導管埋深情況如圖2所示。

圖2 導管埋深示意圖

4 樁基旋挖鉆施工中的問題及處理對策

4.1 孔身傾斜及處理對策

孔身傾斜是旋挖鉆施工過程中的常見問題，引發原因包括：鉆孔時，遇到較大的孤石、探頭石，存在傾斜的軟硬地層交界處等；擴孔較大位置，鉆頭擺動偏向某個方向，鉆機底座出現不均勻沉降、位移情況等。

對此，在實際施工的過程中，加強對于鉆機設備的管理，底座水平、穩固，做好前期準備工作。做好施工過程中的監測和校正工作，根據鉆挖鉆機顯示器以及檢孔器，時刻監測桅桿工作狀態，并根據桅桿的位置，及時校正，使桅桿能夠順利到達指定位置。使用檢孔器監控孔內情況，控制孔身偏斜情況。加強對于孔身偏斜原因的分析，在偏斜位置，高吊鉆錐，多次掃孔，確保孔身豎直。

4.2 坍孔及處理對策

在實際施工過程中，從適用范圍、適用特點、工藝流程、操作要點出發，輔助現場旋挖鉆鉆孔灌注樁施工，保證施工達到設計方案的要求和結構整體的安全，以此形成完整的砂卵石地層旋挖鉆施工工藝流程和旋挖鉆施工的防坍塌措施。在案例工程中，坍孔現象的具體表現為：水位驟降，孔口冒水泡，鉆機負荷增加等。引發孔身坍塌的原因有：孔內水位與地下水位差較大，無法保障靜水壓力；鉆孔時機械振動較強，導致坍孔等。

結合施工現場實際情況，加強對于坍孔風險的分析，采取預防措施，強化施工過程的管理和控制，例如，在施工過程中，隨著鉆進深度的不斷增加，現場工作人員做好泥漿供應工作，并根據不同地層合理調整孔內泥漿稠度，水頭壓力符合施工要求，預防坍孔。及時分析坍孔原因，采取有效措施。靜水壓力不足引起坍孔，加大水頭；周圍設備振動導致坍孔，移開四周重物；坍孔情況并不嚴重，進行有效回填即可；坍孔嚴重時，以小礫石夾黏土回填。

4.3 孔徑擴大及其處理對策

旋挖鉆施工中，造成孔徑擴大的原因有：泥漿質量差、泥漿黏稠度大等，影響護壁效果，出現坍孔，在地下水位高于孔內泥漿高度時，會滲水，使地層出現大范圍坍塌，孔徑持續擴大；施工操作問題，案例工程地層原因，鉆感差，鉆頭壓入并進入地層的過程中，出現泥包鉆頭情況的概率大，提升鉆頭時，激發活塞效應，鉆頭泥土被吸入下部，孔壁周圍泥土逐漸進入下方，孔徑不斷擴大。

針對孔徑擴大問題，應著重從以下兩方面進行預防和控制。一方面，嚴格控制泥漿質量，保障泥漿黏稠度，要求孔內泥漿高度高于地下水；另一方面，嚴格控制鉆進速度，以防泥包鉆頭情況，在鉆進施工過程中，詳細記錄下鉆深度，以免鉆頭對地層產生較大壓力。

5 結束語

綜上所述，經過對羊安高架2號特大橋工程項目的分析，決定采用成孔較快、適能力強，具有一定環保性的旋挖鉆工藝展開樁基施工。該工藝在富水砂卵石地層施工中的關鍵技術主要包括樁位測定、鉆機就位、護筒施工、泥漿制備、成孔施工、清孔、放籠以及混凝土灌注，每個施工環節對于成樁質量效果都有著直接影響。在施工過程中，嚴格按照相關技術措施和標準要求進行操作。由于富水砂卵石地層特點，在進行旋挖鉆施工過程中，還可能會出現孔徑擴大以及堵管等問題，需結合實際情況采取有效處理對策，以保障旋挖鉆工藝應用效果。相信隨著對樁基旋挖鉆施工技術的深入研究和實踐應用，富水砂卵石地層樁基施工質量效果將會得到進一步提升。