中強性膨脹土層樁柱一體超深旋挖鉆孔灌注樁施工技術分析

陳代久

（中冶建工集團有限公司安裝工程分公司，重慶 400000）

0 引言

旋挖鉆孔灌注樁在橋梁、建筑領域運用廣泛。在實際施工中，旋挖鉆孔灌注樁施工技術較成熟，但橋墩樁柱一體同時施工，超深旋挖鉆孔灌注在中強性膨脹土層中施工時會存在一定難度，施工過程中易出現塌孔、垂直度差、沉渣厚度超限及柱體部分混凝土不密實等問題，需采取有效的技術措施確保樁柱施工質量。本文結合王家西南跨渠公路橋（雙幅橋）主橋橋墩施工，對樁柱一體超深旋挖鉆孔灌注樁的施工技術進行探討。

1 工程概況

王家西南跨渠公路橋為雙幅橋，位于南水北調中線一期工程總干渠陶岔渠首至沙河南干渠工程浙川線2 標段，主橋采用66+120+66 連續梁，引橋采用簡支T梁，橋跨布置為3×30m+（66+120+66）m+2×30m，全橋總長409m。主墩4#、5#墩為樁柱一體、高樁承臺，承臺橫橋向12m，順橋向7.5m，厚度4m，每個承臺下設6 根直徑1.8m樁基及墩柱，樁長均為77m，4#墩及5#墩柱高分別為17m、14m，樁基及墩柱均采用旋挖鉆孔灌注施工，混凝土為C30。該工程鉆孔灌注樁穿過的地層主要為粉質黏土、黏土、鈣質結核，土層具有中膨脹性。

2 施工準備

該項目4#、5#墩為樁柱一體、高樁承臺，墩柱豎直度要求≤H/1000，且不大于20mm。為確保橋墩墩柱豎直度，需穩定的施工工作面作為支承。結合現場實際標高，采取將原地面開挖至樁頂標高以上2m 位置，采用壓路機將原土面碾壓密實，在樁孔四周采用25cm 厚C30 混凝土進行硬化處理，并將硬化面平整度控制在1cm 內，硬化面作為旋挖鉆機施工平臺，以確保鉆機施工時不受地面沉陷造成樁位及垂直度偏移影響。由于單根樁基鋼筋籠、墩柱部分鋼護筒最大重量分別為18.5t、13.4t，故在每個樁孔位置均設置2條斷面30cm×30cm 的混凝土條形基礎，作為鋼筋籠、鋼護筒及澆筑平臺的支承基礎，確保樁基鋼筋籠、鋼護筒標高準確。4#、5#墩樁基施工場地布置方案如圖1所示。

圖1 4#、5#墩樁基施工場地布置方案

3 施工流程及技術要點

3.1 樁位放樣

由建設單位提供的控制點作為基準點，在橋梁施工外圍不受施工影響的區域布設測量加密點，采用導線法進行復測。樁位放樣由專業測量人員使用全站儀進行，并在每根樁的周圍設置十字交叉的4 個護樁，護樁位置選定要便于尋找又要防止施工機械損壞。

3.2 護筒埋設

埋設護筒是旋挖鉆孔灌注樁施工的基礎工作[1]。該項目孔口護筒采用2cm厚鋼板制成，直徑2.2m，長2～4m，護筒上設排漿口。護筒采用挖埋法進行埋設，利用樁周圍已設置的4個護樁對護筒進行校正，埋設時，要注意護筒上的排漿口要對準于地面設置的排漿溝。護筒中心與樁中心偏差在5cm范圍內且垂直度在規范允許偏差內即可固定護筒，采用黏土回填護筒外側空隙。

3.3 泥漿配置

在中強性膨脹土層施工超深樁基，泥漿質量好壞嚴重影響深樁的質量。泥漿相對密度過低，易塌孔；含砂率過大，沉渣厚度易超標；泥漿黏度影響鉆進效率、卸渣、護壁等效果，黏度高，雖護壁能力及卸渣效果好，但泥皮過厚會造成鉆進速度慢，混凝土的灌注困難，泥漿黏度過低，其攜帶鉆屑、護壁能力又差。綜合考慮該工程采用膨潤土進行造漿，泥漿性能指標依據施工規范并結合地層情況及鉆孔方法確定，通常在易坍塌地層和卵石地層泥漿的相對密度和稠度要較一般地層大。

該工程在樁位附近設置1 個容量不小于2 根樁柱體量泥漿池，泥漿池劃分造漿池、沉淀池、凈化處理池。泥漿拌制要摻入一定量的CMC（羧甲基纖維素）和分散劑，通常CMC 的摻量為1%～3%，以增加泥漿的稠度。泥漿拌制后需靜置24h 后再使用，以確保泥漿完全溶脹。重復使用的泥漿必須經過沉淀及凈化處理后且檢測合格后再使用。

3.4 旋挖鉆孔施工

橋梁墩柱垂直度較樁基垂直度要求高，因此采取墩柱部分擴孔+下放鋼護筒方案進行施工，將墩柱部分鉆孔直徑擴大至2m，深度至樁柱結合面以下3m。

鉆機是關鍵設備[2]，該項目選用ZR360L 型旋挖鉆機進行鉆孔施工，該型號鉆機最大鉆孔深100m，最大鉆孔直徑2.5m。采取跳樁施工方法進行施工，鉆機利用地面設置的4 個護樁進行對中設置，當護樁十字中心與鉆頭中心重合時且鉆機轉盤平整度水平、鉆桿完全垂直于水平面時，即可在鉆機系統中鎖定相應數值。

鉆進時，鉆機定位準確，特別是剛開始和墩柱深度范圍內要采用低速鉆進，在墩柱鉆孔范圍內鉆孔采用2臺經緯儀時刻監控鉆機的鉆桿垂直度。達到墩柱底標高時，先對墩柱的平面位置和垂直度進行檢測，利用超聲波檢測儀檢測成孔垂直度、直徑及孔壁質量，檢測合格后更換直徑1.8m的鉆頭進行下部樁基施工，更換鉆頭后鉆機需重新進行對中，確保無誤后方可鉆進。鉆孔過程中，要不斷向孔內注入新鮮泥漿，嚴禁直接加入清水，泥漿的相對密度始終保持在1.1 左右，黏度控制在17～20Pa·s，含砂率＜2%。鉆孔深度根據地面基準標高（如護筒頂標高）和設計樁底標高進行計算，用測繩檢測孔深，達到相應的設計深度后及時進行孔徑、孔深及垂直度驗收，驗收合格后再進行清孔，嚴禁以超挖孔深的方法代替清孔。對于端承樁和設計有入巖要求的樁體，鉆孔過程中還需留存渣樣，用以確定樁體的實際入巖深度。

3.5 清孔施工

采用兩次清孔工藝，清孔方法根據施工設備、地層情況及鉆孔方法確定，無論采取何種方法，均需在確保孔壁穩定的前提下進行。該項目旋挖鉆孔樁最大鉆孔深度96m，成孔至澆筑混凝土需花費大量時間，故第一次清孔尤為重要。該工程采用正循環方式進行泥漿置換清孔，清孔后要求泥漿相對密度、黏度、含砂率及孔底沉渣厚度均滿足規范要求。在導管下放后混凝土灌注前，對泥漿性能指標和孔底沉渣厚度進行再次檢測，若超標則利用導管作為吸泥管[3]進行二次清孔。

3.6 鋼筋籠、鋼護筒的制作與安裝

3.6.1 鋼筋籠、鋼護筒制作

鋼筋籠、墩柱鋼護筒下放工作是該工程控制的重點，下放花費時間過長或鋼筋籠加工質量太差易造成樁孔內沉渣超限、鋼筋籠下放困難等問題。墩柱鋼護筒先于鋼筋籠安裝，墩柱鋼護筒為內徑1.8m 壁厚15mm 的螺旋焊管，長17m、20m，最大重約13.4t，在工廠制作成型，運至現場后進行直徑、豎直度及縱軸線彎曲矢高檢測。為保障墩柱位置準確，在墩柱鋼護筒上豎向間距每2m 對稱設置4 個定位墊板，定位墊板采用5mm 厚鋼板制作成“U”型與鋼護筒焊接。墩柱鋼護筒采用100t 履帶吊進行安裝，設2 吊點。因墩柱鋼護筒長達17/20m，吊裝過程中易發生變形等問題，故采取捆綁式吊裝，并在吊點位設置內撐加強。

該工程鋼筋籠長度94.33m，分4 節吊裝，采用數控鋼筋籠滾焊機進行鋼筋籠加工。主筋連接采用機械接頭，同一截面鋼筋接頭按規范要求錯開相應距離。節段間鋼筋籠接長在孔口運用可調節型套筒連接，此方法較傳統孔口焊接方法優勢明顯，將需花費長達十余小時的孔口焊接工作縮短至3～4h，并且還能確保鋼筋軸線一致。鋼筋籠加工要嚴控鋼筋籠主筋間距偏差，偏差過大會造成節段連接套筒無法連接，故需在鋼筋籠加工盤上設置固定的限位裝置。

3.6.2 鋼筋籠、鋼護筒安裝

第一節鋼筋籠安裝可采用25T 履帶吊進行下放，樁柱鋼筋籠接長后最大重量達18.5t，故后續3 節采用100T履帶吊進行鋼筋籠下放施工。每節鋼筋籠吊裝均采用2 點吊，2 臺吊車配合完成，吊點位置及每節鋼筋籠中部位置均在鋼筋籠內部設置臨時三角撐進行加強處理，吊點處不得有焊接不飽滿、咬口等焊接質量問題，避免在吊裝過程中出現鋼筋籠吊裝變形、鋼筋脫落、斷裂等質量問題。

鋼筋籠及墩柱鋼護筒的定位通過孔口護樁十字線和鋼筋籠、墩柱鋼護筒的4 根定位鋼筋十字線進行控制，偏差不大于20mm，定位合格后方可落位。鋼筋籠及鋼護筒吊筋要采用熱軋光圓鋼筋，直徑大小須根據荷載計算確定。吊筋長度要充分考慮搭接焊接長度、孔口支撐鋼梁高度問題，確保樁頂標高的準確性。該工程經計算采用Ф25HPB300 鋼筋作為吊筋，在鋼筋籠和鋼護筒上分別設置2 根吊筋，吊筋采取與鋼筋籠主筋、鋼護筒單面搭接焊接，焊接長度10d，吊筋分別懸吊于孔口鋼梁上，鋼梁選擇需進行承載能力驗算，經計算鋼梁選用4根60鋼軌梁，鋼軌梁擱置于孔口條基上。

3.7 導管下放

鋼筋籠按設計標高、位置固定好后，進行導管安裝。導管采用鋼導管，內徑一般為Ф200～350mm，該工程選用Ф300mm 鋼導管進行施工，根據鉆孔深度和導管下放長度配備導管標準節和調整節長度及數量，宜在孔口或孔底位置采用非標準節導管，其余部位均采用標準節，避免在灌注混凝土時出現誤拆導管長度，導致導管拔出混凝土面的情況。導管使用前，按規范要求進行水壓及接頭抗拉能力檢測，檢測合格后才能使用，并不得采用氣壓試驗代替水密承壓試驗。

根據鉆孔深度及孔口灌注平臺的高度計算導管安裝所需長度，以導管下口距孔底30～50cm 為宜。為避免導管下放過程卡掛鋼筋籠，鋼筋籠內部設置的加強支撐鋼筋在鋼筋籠下放時，必須進行割除，導管的下放位置以靠近樁孔中心為宜。

3.8 混凝土灌注

該項目4#、5#墩樁與柱均采用C30 水下混凝土，為確保深樁混凝土順利灌注，混凝土的和易性尤為重要，坍落度、砂率過小以及粗骨料級配偏大，混凝土灌注較困難，坍落度過大、砂率過大會影響混凝土質量。綜合以上因素，該工程混凝土粗骨料級配選用一級級配，砂率為45%，坍落度控制在180～220mm。

超深樁基施工前，要與拌合站建立聯系，制定混凝土供應計劃，要至少有一家備用混凝土生產廠家，確保混凝土及時供應。混凝土灌注時，在料斗內設置隔水栓，首批混凝土灌注采用大料斗，灌注速度要快、連續，灌注至樁柱結合部位時，混凝土灌注速度要慢，防止因速度過快造成墩柱鋼護筒偏位。在灌注混凝土過程中，卸管時需測量混凝土面高度，以控制卸管節數，卸管要勤拔少拔，要保持導管埋入混凝土的長度應為2～6m[4]。最終混凝土灌注的高程比設計頂標高高0.5～1.0m為宜，以保證樁頭混凝土強度。

3.9 超深鉆孔灌注樁施工成果

該工程91m、94m 的超深樁柱各12 根，成孔過程中未出現塌孔、縮孔、斜孔的現象，墩柱及樁基垂直度、平面位置檢測全部為Ⅰ類樁，樁身完整性經超聲波檢測，全部合格。

4 施工技術關鍵控制點

4.1 堅實的施工平臺

樁柱一體施工，墩柱部分的垂直度、平面位置比樁基要求嚴格，樁柱同時施工需以墩柱的規范要求指標進行控制，要控制其平面位置及垂直度，必須要有能夠承受鉆機、車輛和鋼筋籠荷載的施工平臺。

4.2 優質的泥漿進行護壁

在中強性膨脹土地層、鈣質結核地層施工樁柱一體的超深樁基中，必須嚴控泥漿指標，泥漿的比重、黏度、含砂率及膠體率都是影響成孔質量的關鍵因素。

4.3 嚴控鋼筋籠下放時間

超深鉆孔樁鋼筋籠一般是由多節鋼筋籠在孔口接長而成，然而從成孔到鋼筋籠下放完畢、灌注混凝土往往需要大量的時間，鋼筋籠下放時間的長短嚴重影響孔壁及成樁質量。時間過長易造成孔底沉渣超限、清孔困難及孔壁坍塌的情況，故需要采取有效措施縮短鋼筋籠下放時間是超深樁基質量控制的關鍵點。該工程采用嚴控鋼筋籠加工精度及鋼筋籠接長運用可調調節型套筒連接的措施，有效地縮短了鋼筋籠下放時間，為超深樁基施工提供保障。

4.4 清孔是關鍵

清孔是整個鉆孔工程的關鍵環節。首次清孔徹底能有效降低沉渣厚度，然而，也必須進行二次清孔[5]，二次清孔能為混凝土灌注提供良好的基礎條件。

4.5 全鋼護筒保證墩柱觀感質量

對于樁柱一體的墩柱與樁基同時施工，后期墩柱開挖后墩柱的觀感質量一般較差。結合工程實際情況，墩柱部分采用擴孔施工、全長下鋼護筒能有效解決墩柱部分觀感質量差的問題。后期只需將鋼護筒表面進行清理、涂刷防銹防腐漆即可保證觀感質量。

4.6 嚴控混凝土配比及灌注工藝

超深鉆孔樁設計時往往未考慮備用樁，對于超深鉆孔樁的混凝土配合比的設計參數往往較一般鉆孔樁嚴格，良好的混凝土配比參數才能為超深樁基混凝土灌注提供保障。此外，混凝土灌注過程中，也需要嚴控混凝土的灌注速度及導管埋深等工藝參數，避免出現鋼筋籠、鋼護筒上浮及斷樁、夾泥的問題。

5 結束語

在樁柱一體的橋梁結構施工中，超深旋挖鉆孔灌注樁施工中，要嚴格按照規范、規程操作各施工工序，確保樁體、墩柱施工質量。本文結合工程案例的分析，采用地面硬化、擴孔施工及膨潤土泥漿護壁措施，優化鋼筋籠接長及下放鋼護筒工藝，有效保證了樁柱一體、中強性膨脹土層超深旋挖鉆孔灌注樁的施工質量及安全。