復雜地層超深鉆孔灌注樁施工技術研究

文／保丞 上海隧道工程有限公司 上海 200000

1.工程概述

本標段施工范圍為新建上海至南通鐵路太倉至四團吳淞口長江隧道越江段及外高橋集裝箱作業站站前工程HTZQ Ⅱ-1 標段，正線迄止里程為DK144+210-DK151+485，線路長度7.275km，位于上海市寶山區、浦東區境內。工程建設概況圖如圖1 所示。

本工程樁基主要為基坑臨時立挑支撐結構的立柱樁（兼抗拔樁）及滿足隧道結構抗浮要求功能的抗拔樁。依據設計圖紙，浦西2#工作井（DK144+210～DK144+288）施工22 根Φ1200mm 鉆孔灌注樁，樁長61m。樁頂標高-38.3m，樁底標高-99.3m，鉆孔深度102.7m，其中10 根鉆孔樁存在格構柱，樁位布置圖如圖2。鉆孔灌注樁采用水下C35 混凝土，鉆孔樁主筋接頭采用機械連接，樁的主筋采用HRB400 鋼筋。主筋接頭應間隔錯開35d 且間距〉500mm 同一連接段上鋼筋接頭面積不得超過鋼總面積的50%。鉆孔灌注樁垂直度為1/200。

圖2 號工作井鉆孔灌注樁平面布置圖

圖3 鉆孔灌注樁施工工藝流程圖

圖4 檢測設備及流程圖

2.本工程重、難點

2.1 地質條件復雜，垂直度控制難度大

本項目樁基設計為大直徑超深鉆孔灌注樁，鉆孔深度達到102.7m,鉆進工程中地層變化明顯，軟硬不均勻，將遇到⑦2 層：粉砂層，以及⑨2 層：粉細砂層，由石英、長石、云母等礦物顆粒組成，俗稱“鐵板砂”土質較均勻致密。隨著鉆孔深度增加，鉆桿易彎曲變形，鉆頭易磨損，成孔效率低，鉆孔垂直度難控制[1]。

2.2 超深鉆孔灌注樁、工藝設備要求高

2#工作井原設計采取基坑底部設置超高壓旋噴樁封底措施，封底深度范圍77-82m，確保封底效果和保證抗突涌安全性，同時封閉基坑底部止水。由于吳淞口地質條件特殊，工作井區域深層土質極為致密（N=93.8-107.1）。經專家咨詢審查后調整原設計方案，采用水下開挖法。本工程樁基主要為基坑臨時立挑支撐結構的立柱樁（兼抗拔樁）及滿足隧道結構抗浮要求功能的抗拔樁。本工程中的10 根鉆孔樁存在格構柱，鋼籠對接、格構柱起吊、標高控制等施工難度大，設備要求高[2]。

2.3 鋼筋籠吊裝及聲測管安裝難度高

2#工作井東面靠近吳淞口位置，12 根抗拔樁孔深均為103m，鋼筋籠長度達到101 米，鋼筋籠吊裝及聲測管安裝難度大，時間久。現場配備1 臺150T 履帶吊和1臺50T 汽車吊全程配合鋼筋籠下放和聲測管安放。另外10 根立柱樁孔深均為103m，施工難度更大，又要下鋼筋籠還得下格構柱，下鋼筋籠拼接時需要穩定性較強從而保證其垂直度，下格構柱的時候更要注意格構柱的垂直度。由于鋼筋籠太長且需要安裝聲測管會導致成孔擱置時間較長，對泥漿性能要求較高，為防止塌孔風險，現場采用較大比重的泥漿護壁。

3.施工工藝與操作要點

3.1 鉆孔灌注樁施工工藝流程

3.2 操作要點

3.2.1 護筒埋設

鉆孔用護筒采用δ=10mm 鋼板制作，護筒直徑大于樁基直徑10cm。埋置時中心位置與樁中心位置偏差不大于3cm。護筒頂面中心應與樁中心線重合，護筒傾斜度不得大于1/200。護筒埋設后周圍要用粘土分層夯填密實。回填土必須對稱進行，以免護筒跑位，保證樁位位置無地下障礙物。若平面位置偏差大于3cm 或豎直度偏差大于1/200，均應重新埋設護筒，護筒埋設宜以壓重，震動，錘擊或輔以筒內除土等方法埋設。護筒頂面高度超出地面50cm，埋置深度為1.5m。要求護筒中心與樁位必須對中，保證天架中心、轉盤中心與樁位中心“三點一線”。

3.2.2 泥漿制備及循環

鉆孔泥漿為原土造漿由水、黏土組成，必要時加入添加劑，采用優質膨潤土，膨潤土要先在攪拌桶內浸水再攪拌。為保證泥漿的供應質量，施工時設置制漿池、貯漿池及沉淀池。泥漿傳送采用泥漿槽和泥漿泵。用于護壁的黏土，其性能指標應符合規范要求。在鉆孔作業中，經常對泥漿質量進行試驗測定，及時調整泥漿性能指標，確保護壁良好不坍孔，鉆進順利。

在開始鉆孔灌注樁施工過程中，由于70-80m 深度左右存在砂層，對置換泥漿檢測中發現含砂率高，部分情況大于15%，護壁泥漿效果較差。為防止塌孔，提高泥漿護壁效果，在后續施工過程中采用除砂機進行除砂，在正循環鉆進過程中，以及后續一清、二清過程中，將循環漿液進行除砂處理，可以有效降低泥漿中的含砂率，提高護壁泥漿質量。

泥漿循環系統設置在施工平臺上，根據現場施工情況，每臺機器設置1 個泥漿箱，泥漿輸送管道為硬質埋地管，泥漿箱及管道的擺放、布設，防雨、防污染及臨時用電布置。

3.2.3 成孔施工

成孔施工本工序是整個鉆孔灌注樁施工中最為關鍵的工序。針對復雜地質情況需優選鉆進設備，由于工期緊任務重，擬采用一臺SQ-18 全液壓鉆機和一臺GPS-20機同時施工。傳統的GSP-20 鉆機轉盤用撥棍傳動主動鉆桿，操作方便，配有泵吸反循環泵組，可根據需要及時專為正循環鉆進，也可配套氣舉反循環鉆具，用于深孔鉆進。但由于鉆進深度深，在鉆進至70-80 米“鐵板砂”層時發現鉆進效率低，且GPS-20 鉆機采用的是法蘭盤連接各節鉆桿，需要接拆鉆桿，勞動強度高，使提鉆時間更加長，施工效率低，增加了塌孔風險。SQ-18 全液壓鉆機采用液壓履帶底盤、潛水動力頭、伸縮式內通漿鉆桿，完全改變了傳統鉆桿裝拆方式，提高施工效率。潛水動力頭裝置由潛水馬達通過減速器將動力傳至輸出軸帶動鉆頭切削巖土，工作時動力裝置潛入孔底，直接驅動鉆頭回轉切削，鉆桿不轉動，只起連接傳遞抗扭和輸送泥水作用，鉆渣排出則可采用正循環或反循環方式完成。鉆進過程中潛水動力頭垂直度好、效率高；工作時動力裝置潛在孔底，耗用動力小，鉆孔時不需要提鉆排渣，鉆孔效率較高、成孔質量好；自動化程度高，施工操作人員少、勞動強度低。對于超深鉆孔灌注樁施工，降低了塌孔風險。為了保證施工質量，經過比選，本工程最終采用SQ18 全液壓鉆機正循環鉆進成孔，反循環清孔，鉆頭直徑按設計及規范要求1200mm。成孔時，嚴格按照操作規程施工，開孔鉆進時要減壓低速鉆進保證開孔的垂直度。

本工序的重點為：由于鉆進深度較深，鉆進過程中將遇到堅硬巖層，普通鉆頭易磨損且易偏孔，結合實際工況，采用截齒合金鉆頭及高速刮刀鉆頭，加寬鉆頭腰帶，鉆進時密切注意樁架的穩定情況，鉆進至“鐵板砂”層時加壓并減慢鉆進速度，隨時檢查護筒、土體是否有下陷情況。

（1）據不同的地質特點，合理控制鉆進參數。一般土層，適當減小鉆壓，加快鉆進速度；砂性土中鉆進時，適當增加鉆壓，減慢鉆進速度。

（2）鉆孔中的鉆進速度的快與慢，護壁泥漿的性能、指標要根據實際地層的土質情況而變化。對于砂性土應加大泥漿比重、粘度，同時鉆進速度也應加快。

（3）鉆孔中泥漿密度控制：一般情況，泥漿比重為1.1～1.3。

（4）在成孔過程中，泥漿池循環溝應經常疏通，泥漿池應定期清理廢漿及時外運。成孔垂直偏差＜1/200，樁位偏差值均不得大于+30mm。抗拔樁沉渣厚度不超過100mm。鉆孔樁應預埋聲波透射管，聲測管采用外徑60mm，壁厚3mm 的鋼管。成孔驗收時使用探籠或者使用檢孔器檢測。

3.2.4 清孔

清孔采用換漿法，分兩次進行。一次在鉆孔完成后，一次在鋼筋籠和導管安裝好，混凝土澆注前。

表1 清孔后泥漿性能指標

第一次清孔：待成孔結束后，略提高鉆桿然后利用鉆桿進行第一次清孔，第一次清孔因利用鉆桿進行，故在時間上（不少于20min）和方式上（上下提動鉆桿）進行嚴格控制，目的是清除成孔時產生的沉渣。

清孔的關鍵在于一清，一清應在鉆至樁基設計底部1～2m 時進行，清孔時上下提動鉆桿，有利于搗碎較大泥塊，從而使較小的泥塊隨泥漿從孔口泛出，因此一清工作成功完成更加能保證底部沉淤符合設計要求。

3.2.5 鋼筋籠吊裝

本工序的重點為：鋼筋籠不得強行下籠，下籠時應緩慢旋轉下放，注意垂直居中下放避免碰撞土壁；吊筋應牢固，以免鋼筋籠墜落：吊筋的長度應根據實測標高計算而定，確保籠頂標高正確。

（1）鋼筋籠分節制作，必須由鋼筋工班長自檢，安放前由質量員會同監理進行驗收，并當場進行隱蔽工程驗收簽證，未經驗收的鋼筋籠不得下放。

（2）鋼筋籠堆放場地應平整，堆放層數不得超過二層，并分別掛牌做好狀態標識。

（3）鋼筋籠起吊前應將鋼筋籠制作棚頂棚拉開，使用150T 履帶吊和50T 汽車吊配合將鋼筋籠吊至指定位置，不得將鋼筋籠在地面拖行。

（4）鋼筋籠吊放：鋼筋籠孔口對接采用垂直對中法，上節籠垂直于下節籠，應位于孔的中心位置，做到上、下節籠的中心軸線重合，然后用吊機吊放至孔內設計深度并固定。

3.2.6 混凝土灌注

為了保證混凝土質量，樁身混凝土由我部滬通鐵路站前Ⅰ標項目部1 號拌和站提供混凝土供應，專用攪拌運輸車運輸，其塌落度控制在180～220mm。一般情況下在孔口適當位置讓罐車直接對準導管上的小漏斗放料灌注，當罐車無法靠近孔口時，用汽車吊配合灌注。

（1）首批混凝土灌注

鋼筋籠下放完，將聲測管內注滿清水后封口，保證聲測管在樁基混凝土施工過程中不會堵塞。首批混凝土的坍落度應控制稍大一點，取施工規范允許范圍的高限，即20cm，為確保混凝土的和易性可適當增加水泥的用量。混凝土在拌合站經過試驗人員檢測合格后，用混凝土罐車運輸至工地，現場檢測坍落度及肉眼直觀判斷混凝土的離析程度。首批封底混凝土灌注應使用大料斗，大料斗接于導管上口上，用封口蓋蓋住大料斗口（必須使封口蓋的下緣合進料斗口內），此時導管下口距孔底的高度為250～400mm。經檢測合格后的混凝土放入大料斗內，待大料斗混凝土已滿，用吊車上的副鉤掛住封口蓋的掛鉤起吊，將封口蓋從料斗口處吊起，此時首批封底混凝土灌注入水，混凝土罐車應在首批混凝土灌注中不停頓的放料，直至完畢。首批混凝土灌注完畢后，應立即測探孔內混凝土面高度，計算出導管埋置深度。

（2）混凝土灌注

混凝土灌注開始后，應緊湊、連續地進行，嚴禁中途停工。灌注過程一律按照水下樁基混凝土灌注方法進行操作，導管埋置深度為1～3m。在灌注過程中，及時用測繩和通過已灌注的混凝土方量計算相結合的方法測算出孔內混凝土面高度，正確指揮導管的提升和拆除。導管提升時應保持軸線豎直和位置居中，逐步提升。如發生導管卡掛鋼筋籠現象，可轉動導管，使其脫開鋼筋骨架后，移到鉆孔中心。拆除導管的速度要快，一般不超過15 分鐘。要防止螺栓、橡膠墊和工具掉入孔中，要注意安全。已拆下的管節要立即清洗，堆放整齊。為確保樁頂質量，在樁頂設計標高上應加灌0.5～1m，以保證砼強度，基坑開挖后將此段混凝土鑿除。混凝土灌注結束后，在拔出最后一節導管。鉆孔樁灌注完成且混凝土初凝后，即可拆除護筒。

4.樁身完整性檢測

采用ZBL-U5700非金屬超聲檢測儀及跨孔環能器，檢測時將發射、接受換能器分別置于兩根檢測管中，兩根換能器按每米4 個測點，同步上升貨下降，一次檢測各測點的聲時、波幅、頻率等參數。先用平測法進行普測，如發現數據異常，采用間距加密或斜側方法進行細測。超聲波穿透樁身混凝土時，檢測聲時、波幅、頻率等參數的變化。樁身混凝土的完整性是根據聲速、波幅是否小于臨界值、PSD～深度是否明顯變化來綜合判斷的。

以PX-KBZ-08 為例，現場所測數據由超聲檢測儀根據各測點聲速、波幅、PSD 值，并繪制聲速～深度、波幅～深度、PSD～深度曲線來進行判斷。

通過對滬通鐵路二期站前Ⅰ標工程2#工作井鉆孔灌注樁進行檢測共12 根，試驗結果和超聲波檢測顯示施工滿足設計要求，12 根樁全部為Ⅰ類樁，占測試比例的100%。

結語：

針對復雜軟土地層工況下，超深鉆孔灌注樁施工中易出現的塌孔、縮孔、鉆孔垂直度控制、鉆進速度、鋼筋籠易上浮等問題，需在施工前制定詳細的施工計劃，人員勞力、機械設備及材料組織提前籌備，尤其是機械設備選型、泥漿系統設定尤為重要。制定詳細的質量保證措施、安全重點管控措施、標化文明施工管理措施，同時在施工過程中加強質量管控，提高成樁質量。