軟土地區大直徑超長灌注樁施工關鍵技術探討

胡發憲，胡發虎

（1.云南地質工程勘察設計研究院有限公司，中國云南650041;2.云南地礦地質工程有限公司，云南昆明 650041）

隨著建筑工程建設規模的增大，樁基施工工藝在不斷改善，鉆孔灌注樁因具備優良的技術性能而在建筑工程中十分常見。然而鉆孔灌注樁施工普遍面臨施工工藝復雜、樁基質量控制直觀性差等問題，在施工過程中普遍存在樁身混凝土離析、斷樁、縮徑、樁端沉渣過厚等質量問題。軟土地區大直徑超長灌注樁除面臨上述問題外，還存在成孔難度大、孔斜難控制、孔壁塌陷、鉆進困難等問題。為此，必須結合工程特殊的水文地質條件，采取有效措施應對施工過程中面臨的技術難題。

1 工程背景

某擬建超高層建筑所處地區為軟土地區，項目主副塔基礎均采用鉆孔灌注樁形式，為進行鉆孔灌注樁施工過程及質量控制，必須進行成樁試驗和檢測。鉆孔灌注樁試驗樁樁型為?1000mm，試樁長85m，靜載試驗加載量最大值為25000kN。根據鉆探揭露深度范圍內的地層結構及成因類型，場地地層屬于多層型結構，地表為短期內形成的人工填土層，地表以下則為粘性土、泥炭質土和粉土層為主的第四系湖沼相、沖湖積相地層。根據成因類型、土層分類及工程特性，按地層結構及代號順序從上至下將場內地層分為若干個大層和相應亞層，樁尖持力層為⑥1泥炭質土層，地質條件情況具體如表1所示。為保證大直徑超長灌注樁施工質量，采用樁身預埋鋼筋應力計測試內力，并進行靜載荷試驗，樁身預埋沉降桿測試樁身及樁端沉降、成孔檢測、超聲波及低應變檢測、樁身完整性取芯檢測、樁端取樣注漿效果檢測[1]等。

表1 施工場地內地質條件

勘察期間在所有鉆孔中均見到穩定的地下水，對已完成鉆孔進行觀測，地下水穩定水位0.1～2.0m之間，水位高程介于1884.8～1886.9m之間。地下水類型主要為賦存于表部松散層中的上層滯水，其下粉土及粉砂層中的第四系孔隙型潛水。

2 技術難點

通過分析該項目地勘資料及相關報告，其所揭示的場內水文地質條件十分復雜，樁基成孔深度范圍內大量分布有圓礫、粉砂、粉土等軟弱地層，在成孔施工過程中還面臨地下水及施工擾動所致孔壁塌陷、沉渣層厚度過大、鉆進難度大等困難。為加強軟弱土層處理并減小承壓水對灌注樁施工的不利影響，按照國家高程基準即1889.0m確定樁基施工面標高，造成灌注樁存在較長的空樁段，空樁段長度普遍在18.0～22.5m之間，十分不利于樁基成孔施工精度控制。此外，該超高層建筑項目位于所在主城區核心位置，施工期間環保及工程進度要求較高。

3 樁基試驗

軟土地區大直徑超長灌注樁基較為少見，可供參考的設計及施工經驗也十分有限，為進行樁基參數確定，必須在正式施工前試樁。試樁數共為15根，按照四錨一的形式分為三組，壓漿水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥漿液水灰比0.5～0.6，注漿開始時水灰比可按照0.6～0.7確定，待壓力正常后逐漸調整為0.5～0.55，水泥漿液攪拌時間應至少為2min；單樁水泥漿液壓注量4.9t，壓漿壓力控制在3.0MPa，終壓應為5.0MPa，持荷時間應控制在5min，壓漿流量應不超出75L/min。初步樁基參數取值見表2，其中D為設計樁徑，L為設計樁長。按照表中所列技術參數試樁后檢查灌注樁施工工藝的可行性及施工效果。

表2 初步樁基設計參數

試樁過程中，1#樁成樁時間為2020年12月28日，實測孔徑1070mm，實際入土深76.2m，樁底沉渣厚度實際為5cm，混凝土實際用量68.79m3，充盈系數1.15；6#樁成樁時間為2021年1月3日，實測孔徑1100mm，實際入土深73.4m，樁底沉渣厚度實際為3cm，混凝土實際用量71.35m3，充盈系數1.24；11#樁成樁時間2020年12月25日，實測孔徑1130mm，實際入土深75.5m，樁底沉渣厚度實際為6cm，混凝土實際用量74.68m3，充盈系數1.26。試樁現場測試結果也顯示，樁基在豎向荷載作用下，沉降小，穩定速度快，單樁承載力滿足設計要求；樁底反射清晰，樁長實測值與設計樁長要求相符，樁身混凝土質量及樁身完整性較好，且不存在離析、縮徑。

4 施工關鍵技術

本工程施工工藝同一般灌注樁，結合樁基試驗、工程設計、實際情況及施工質量和工期控制方面的要求，為保證該軟土地區大直徑超長灌注樁施工質量，必須保證施工工序科學合理，并同時加強間隔時間控制，并在軟土壓應力消失前在軟土壓應力影響范圍外新開設樁孔，有效防止軟土壓力對混凝土樁灌注施工產生擠壓，引發縮徑等問題；鄰樁間隔施工時間應按6d控制。與此同時，還應加強成孔垂直度控制，采用聯合成孔技術，加強護壁泥漿循環使用及終漿處理，強化樁端沉渣控制，并做好鋼筋籠轉場及對接處理。

4.1 控制成孔垂直度

施工場地自然標高和樁基施工標高分別為1893.0m和1889.0m，為加強空樁段垂直度控制，保證成孔施工精度，必須確保樁基施工作業面的承載力和平整度。為此，通過250mm厚的單層配筋+C25混凝土地坪的方式進行樁基施工工作面硬化處理。

主塔范圍內鋼護筒長度在20.0～24.0m之間，且主要為⑤2泥炭質土和⑤3粘土，會使鋼護筒沉設阻力增大。若采用常規的使用履帶吊單吊點懸掛振動錘進行鋼護筒沉設，則施工工效低、安全性差，成孔垂直度無法保證。為此，該項目主要采用三軸深層攪拌長螺旋鉆孔樁機樁架+ICE振動錘施工平臺[2]，并在導軌下部安裝鋼質抱箍，以提升對接及轉場速，確保施工安全并加強成孔垂直度控制。通過ICE振動錘施工平臺進行鋼護筒沉放時，應將兩臺經緯儀按照90°角交匯架設，以便實時監測鋼護筒沉放垂直度，出現偏移后隨機糾正。待鋼護筒沉放至設計深度后再改用旋挖成孔設備鉆進至鋼護筒底部2.0m以上，此后再將護壁泥漿加入鋼護筒內，并結合超聲波檢測儀檢測樁孔垂直度。

本工程采用回旋鉆機和旋挖樁機相結合的聯合成孔工藝，60.0m以上的成孔作業通過旋挖樁機進行，并通過控制鉆速、鉆壓等施工參數，保證成孔垂直度；60.0m以下至設計樁端持力層深度范圍內的成孔作業則采用三翼雙腰帶刮刀鉆頭，鉆頭錐尖角120°，直徑1000～1020mm，為增強鉆頭導正效果，其鉆頭按照一字型前導設計，前導段500mm寬，同時將上下腰帶間距及上腰帶寬度分別增加至1.3m和400mm，使鉆頭防傾斜效果增大。成孔后隨即通過超聲波檢測儀檢測成孔垂直度，并通過C15混凝土回填樁孔，待12h后再次成孔。

4.2 聯合成孔

結合地質勘探情況及試樁效果，對于③泥炭質土、⑤2泥炭質土、⑥1泥炭質土層，易糊鉆，回旋鉆機成孔效率低，為保證施工效率，該項目采用旋挖樁機與氣舉反循環回旋鉆機相結合的聯合成孔技術，以縮短成孔時間，提升施工工效。

4.3 泥漿配置及循環利用

鉆孔過程中所配備的護壁泥漿性能參數具體見表3；循環使用的泥漿將攜帶越來越多的鉆渣，達到一定飽和狀態后泥漿便失去繼續攜帶鉆渣及護壁的性能，必須廢棄，廢棄泥漿比重大于1.2g/cm3，失水量大于0.025L，膠體率大于95%，pH＞10.5。

表3 護壁泥漿性能要求

工程位于所在城市主城區核心位置，對環境保護有較高要求，灌注樁樁基泥漿護壁成孔施工工藝必將產生大量泥漿，為此，必須采取有效措施減少護壁泥漿外排。結合工程水文地質條件及類似工程施工經驗，在所確定出的護壁泥漿配合比基礎上，還應按照以下要求摻加外加劑，即純堿3.0～5.0kg/m3，鈉基膨潤土60.0kg/m3，30%水解度的聚丙烯酰胺0.5kg/m3；此外，還應加強施工過程中循環泥漿的收集與重復利用，即將收集到的循環泥漿沉淀、機械除砂并脫泥，再摻加純堿、纖維素等改良劑，使改良后的泥漿粘稠度不低于20s，比重不大于1.2，含砂量在4%以內[3]。對于多次循環使用的護壁泥漿，應按1.0g/L的量摻加絮凝劑使其固液分離，再將上層清水抽除后摻加10.0g/L的生石灰等固化劑。回收后的清水可用于施工車輛沖洗和施工現場降塵，固化處理后的鉆渣則與現場土方拌和后外運處理，最終實現護壁泥漿零排放。

4.4 樁端成渣控制

采用混凝土澆筑導管接頭清孔后配備?125mm彎管和?50mm鍍鋅風管。風管節段按照6.0m長度控制，并通過螺絲扣連接風管節段；風管與起吊點通過焊接方式連接。在通過氣舉反循環方式二次清孔時，以額定壓力1.2MPa以上、送風量12.0m3/min的空氣壓縮機為主要動力源。氣舉反循環二次清孔工藝能顯著提升樁基清孔工效和質量，且可避免對聲測管及鋼筋籠的不利影響。

為保證灌注樁地基土承載力，有效控制沉降，本工程還采用樁端后注漿工藝，且工程樁基設計承載力較大，樁端后注漿操作方式能顯著改善樁端持力層力學性質，保證樁基沉降控制效果。

4.5 鋼筋籠轉場及對接

工程樁基數量較大，為控制樁基施工對基礎工程工期的不利影響，將其中450根樁施工標高均調整為第二道內支撐底標高1881.1m，從而實現了樁基施工與土方、基坑支護等工序的流水作業。此外，土方工程及基坑支護工程開始后工程施工工作面變得狹窄，施工效率會因此降低，安全生產風險增大。為提升鋼筋籠場內轉運效率以及孔口對接、下放效率，將一臺大型塔吊增設在樁基中心位置，以實現鋼筋籠轉運、對接及下放。

5 結論

綜上，該工程通過設置三軸攪拌長螺旋鉆孔樁機機架液壓振動錘移動施工平臺，使鋼護筒對接速度、轉場速度及工效顯著提升；高性能護壁泥漿的使用能有效提升孔壁穩定性，并方便護壁泥漿回收處理，保證對工程施工環保方面的要求；氣舉反循環清孔技術的應用使清孔質量、設備材料周轉率及施工工效均顯著提升。總之，該軟土地區大直徑超長鉆孔灌注樁施工工藝的改進及優化為百米級樁長的灌注樁施工提供了成功經驗。