灌注桩机械组合接力成孔施工应用研究

李飞 刘进 尹正贵

摘 要：现代城市建筑桩基础施工过程中，因部分钢筋混凝土灌注桩桩身较长，同时穿越多个不同的地质土层，单一的施工机械无法有效地保证成孔质量，因此需要多种机械施工方案组合接力成孔。文中以河南郑州新时代商务中心项目桩基分部工程为例，灌注桩成孔过程中穿越多个地层，地质条件复杂多变，对比分析了机械成孔方案和组合施工方案。通过对比研究，本工程最终选用组合施工方案中的回转钻机+旋挖机组合方案。

关键词：接力施工;灌注成孔;旋挖机

中图分类号：TU753.3 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）19-0088-03

Abstract： In the process of modern urban construction pile foundation construction， due to the long pile body of some reinforced concrete cast-in-place piles， and through multiple different geological soil layers， a single construction machinery can not effectively ensure the quality of the hole， so it is necessary to combine a variety of mechanical construction schemes. Taking the pile foundation branch project of Zhengzhou New Era Business Center as an example，In the pile foundation division project of Zhengzhou New Era Business Center， the bored pile passes through multiple strata during the drilling process，and the geological conditions are complex and changeable. The construction process has explored a variety of construction schemes through practice. Through comparative analysis， it is proved that the introduction of two kinds of mechanical combination relay construction methods in engineering geological conditions has good performance in hole quality and work efficiency， which can be popularized.

Keywords： relay construction;perfusion into holes;rotary drilling machine

近年來，随着大中城市的快速发展，我国高层与超高层建筑的数量逐渐增多。为了满足上部结构的需要，深基础工程也不断向纵深发展，其中钢筋混凝土灌注桩是常用的一种深基础形式。为满足承载力的需求，灌注桩经常要穿越多个不同土层，直到承载力较高的土层或岩层。因此，灌注桩机械成孔过程中如何在保证安全和成孔质量的前提下解决施工效率的问题是需要关注的重点。本文以郑州新时代商务中心桩基项目灌注桩施工为例，总结出反循环钻机+冲击锤组合接力施工工法、回转钻机+旋挖钻机组合接力施工工法，并与其他机械施工工法进行经济效益、社会效益等方面的对比分析，以证明以上两种工法的优越性和合理性[1-2]。

1 工程概况

郑州新时代商务中心3#楼项目位于河南郑州东站东广场，地上150 m，地下17 m，常年地下水位位于桩基施工作业面以下3 m，基础结构形式为直径800 mm、桩长45 m的后注浆钢筋混凝土灌注桩，成孔过程穿越土层。

第（7）层：细砂（Q4-1al+pl），灰色～灰黄色，饱和，密实。主要成分为石英、长石，颗粒级配不良。

第（8）层：粉土夹粉质黏土（Q4-1a1），黄褐色，湿，密实。无光泽反应，干强度低，摇振反应中等，韧性低。该层成分不均，局部黏性较强，夹薄层黄褐色可塑状粉质黏土。

第（9）层：细砂（Q4-1al+pl），黄褐色，饱和，密实。主要成分为石英、长石，颗粒级配不良。

第（10）层：粉质黏土（Q3al），灰黄色～黄褐色，可塑～硬塑，无摇振反应，稍有光泽，干强度高，韧性高。含灰色条纹，姜石含量在5%左右，姜石粒径为0.2～4.0 cm。

第（10）-1层：细砂（Q3al），黄褐色，保护、密实。主要成分为石英、长石，颗粒级配不良。

第（11）层：粉质黏土（Q3al），黄褐色～棕黄色，硬塑，无摇振反应，有光泽，干强度高，韧性高。含黑色铁锰质浸染，姜石含量在10%左右，姜石粒径为0.2～4.0 cm。该层底部局部轻微胶结。

第（11）-1层：细砂（Q3al），黄褐色，饱和，密实。主要成分为石英、长石，颗粒级配不良。

第（11）-2层：细砂（Q3al），灰黄色～灰白色。成岩较差，呈碎块状，夹少量粉质黏土。该层不连续，呈透镜体分布，位置及深度变化比较大。

第（12）层：粉质黏土（Q3al），褐黄色～棕黄色，硬塑～坚硬，无摇振反应，有光泽，干强度高，韧性高。含蓝灰色及黑色斑块、条纹。该层姜石含量比较高，局部姜石富集，呈不连续状胶结。

第（12）-1层：钙质胶结（Q3al），灰黄色～灰白色，成岩较差，呈碎块状，短柱状，局部夹坚硬狀泥质胶结，含少量粉质黏土。该层不连续，呈透镜体分布，位置及深度变化比较大。

第（13）层：细砂（Q3al），黄褐色，饱和，密实。主要成分为石英、长石，颗粒级配不良。该层局部夹少量粗砂。

第（13）-1层：粉质黏土（Q3al），褐黄色～棕黄色，硬塑～坚硬，无摇振反应，有光泽，干强度高，韧性高。含灰斑。该层姜石含量较高，局部姜石富集。

第（14）层：粉质黏土（Q2al），褐黄色～棕黄色，硬塑～坚硬，无摇振反应，有光泽，干强度高，韧性高。含灰斑。该层姜石含量较高，局部姜石富集，夹少量泥质胶结。

第（14）-1层：钙质胶结（Q2al），灰黄色～灰白色，成岩较差，呈短柱状，局部夹坚硬状泥质胶结，含少量粉质黏土。该层不连续，呈透镜体分布，位置及深度变化不大。

本场地地下水水位量测在勘探钻孔过程中进行。外业施工期间量测的地下水水位在地面以下14.60～16.10 m，绝对标高约为68.50 m。勘察期间量测的地下水位较深，且未量测到承压水，主要是受相邻场地基坑降水的影响，水位下降较深。根据邻近场地经验，勘探深度内含水层分为两层，即上层的潜水和下层的承压水。潜水主要赋存于8.50～12.00 m（绝对标高为72.29～74.57 m）以上Q4-3、Q4-2的粉土、粉质黏土、粉砂中，属弱透水层;承压水主要赋存于8.50～12.00 m（绝对标高为72.29～74.57 m）以下的粉砂、细砂中，该层富水性好，属强透水层，具有微承压性，与上部潜水有一定水力联系。桩基工程施工期间，水位位于作业面以下约4 m，以承压水为主。

从上述内容可知，成孔穿过14个土层。在现场实际施工过程中，施工作业面以下，7～10 m主要为细砂层，土体自立性极差，特别是地面以下4 m，无泥浆护壁，开孔即塌，旋挖成孔效率低;10～40 m为粉质黏土掺杂不均匀钙质结层，回转钻机、反循环钻机效率低下，钻进困难;40～45 m土层接近中、微风化岩石[3-4]。

2 常用钻机成孔工艺关键

回转钻机成孔工艺：测量放样后钻机就位开始钻机，钻井速度应适当控制，在护筒刃脚处应低档缓慢钻进，使刃脚处有较好的泥浆护壁。钻到刃脚下1 m后可根据地质情况调整至正常速度。钻进过程中注意往孔内及时补充浆液量，维持护筒内的水头高度，保证孔壁稳定。提升钻具时应平稳，当钻头处于护筒底口位置时，必须防止钻头钩挂护筒。钻进过程中应实时检查钻孔直径和竖直度。钻孔完成后要检测孔深、倾斜度、直径及清孔情况。

旋挖钻机成孔工艺：测量放样后钻机成孔埋护筒，护筒直径略大于桩直径以便于施工，护筒高出施工作业面不小于300 mm，周边应填密实。干作业成孔过程中根据地质情况考虑是否需要护壁措施，湿作业成孔时，因地下水压力作用为保持孔壁稳定不塌孔，应采用泥浆护壁措施，成孔后要清孔保证孔底沉渣符合规范要求，检测孔深、直径、倾斜度。

冲击反循环钻机成孔工艺：测量放样后钻机成孔埋护筒，护筒直径略大于桩直径以便于施工，护筒高出施工作业面不小于300 mm，周边应填密实。冲击反循环钻机作业环境常为湿作业，因此护壁效果好、不易塌孔，但是应根据地质情况调整进尺速度，为粉砂土时应适当降低钻进速度，黏性土或岩性土可适当加快速度。提钻、下钻时要平稳，至孔口要减速，防止钻头碰护筒导致护筒移位。施工过程中注意泥浆配制比重，成孔后要清孔、洗孔，确保沉渣不能过量。

3 机械成孔方案分析

新时代商务中心3#楼的总桩数为246根，工程总工期为46 d，场地狭小、工期紧、任务重。为保证如期完工，前期方案计划使用旋挖桩机进行施工。施工发现，作业面以下7～10 m砂层部分因泥浆护壁效果差、经常塌孔、不能有效作业等问题造成工期无法保证，因此对多种湿作业施工方案进行分析、比选，主要施工方案如表1所示。

旋挖桩机方案：旋挖机移动灵活、钻进快、成孔效率高，适用于粉土、黏性土、填土、中风化及微风化岩土层，但泥浆护壁效果较差，特别是在本项目施工作业面以下7～10 m细砂土层中，塌孔率在70%以上，极大地影响了成孔质量，增大了混凝土充盈系数、混凝土用量。同时，旋挖机体型较大，狭小场地无法供多台机械同时作业。

冲击反循环钻机方案：适用于黏性土、粉砂、细砂、中粗砂及软岩土层，项目前期使用冲击反循环钻机进行施工，在作业面以下7～10 m细砂土层中表现良好，成孔效率高且不易塌孔。10～40 m粉质黏土掺杂不均匀钙质结层中钻进效率低，最长单孔时长达28 h，钻头钻杆损坏较大;40～45 m中、微风化岩石土层中无法钻进。体型小，可多台同时作业，本场地最大容量3台同时作业，需要3个泥浆池配合作业，场地污染严重[5]。

回转钻机方案：适用于黏性土、粉砂、细砂、中粗砂土层。回转钻机本场地作业面以下7～10 m细砂土层中表现良好，成孔效率高且不易塌孔;10～40 m粉质黏土掺杂不均匀钙质结层中钻进效率极低，基本无法有效作业。回转钻机体型小，可多台同时作业。

冲击锤机方案：适用于粉土、砂土、碎石土、风化岩层，粉土及砂土中成孔效率低，本场地最长单成孔时长7 d，岩层中成孔效率高。冲击锤机移动不灵活，桩机架设时间较长。

4 组合施工方案对比分析

经分析，正、反循环钻机均无法单独完成成孔作业，旋挖钻机可单独完成作业，针对细砂土层塌孔风险大，冲击锤单独成孔施工效率极低，结合现场实际情况，本项目可采用施工机械组合方案（见表2）。本研究仅对两种经济、合理、效率高的组合施工方案进行对比分析。

第一，3台冲击反循环钻机+1台冲击锤组合方案。该方案较好地完成了泥浆护壁，能有效解决砂土成孔过程中的塌孔问题。冲击反循环钻机体型不大、移动灵活，因此，可多台机械同时作业施工。本场地可同时容纳3台冲击反循环钻机和1台冲击锤施工，机械租赁费用较经济。但该方案泥浆池数量较多，现场泥浆污染严重，泥浆池需要经常清理，对现场机械配合要求较高、容错率低。冲击反循环钻机为轮胎式，对场地要求较高，冲击锤架设、调整时间较长，因此，施工效率一般，每天成桩4～5根。

第二，1台回转钻机+1台旋挖机组合方案。该方案前端采用回转钻机施工，较好地完成了泥浆护壁，能有效解决砂土成孔过程中的塌孔问题，回转钻机和履带式旋挖机移动灵活、架设调整时间短、旋挖机施工效率高、受场地影响小。泥浆池数量较少，现场泥浆污染小，旋挖孔渣可用铲车及时清理，泥浆池不需要经常清理，对现场机械配合要求较低、容错率高。因此，施工效率较高，每天成桩6～8根。但该方案旋挖钻机体型较大，对于狭小场地无法多台同时作业;日租赁费用较高，经济性略差。

根据业主对工期的要求，本工程最终选用组合施工方案中的回转钻机+旋挖机组合方案。

5 结论

郑州新时代商务中心3#楼桩基分部工程，地下水丰富、地质条件复杂多变，施工过程中多工种交叉作业、施工场地狭小，如何选取合理的方案关系到项目成败。本文通过对比分析各种适用机械施工方案及多种组合机械施工方案，并在施工过程中进行实践探索，引入两种机械组合接力施工工法。其中，反循环钻机+冲击锤组合方案较为经济，回转钻机+旋挖机组合方案的效率高，能保证施工进度。同时，两种方案在成孔质量、工作效率等方面均表现良好，可推广使用。

参考文献：

[1]王庆军，武坤伦.旋挖钻机和回转钻机合成孔在钻孔灌注桩中的应用[J].价值工程，2014（2）：129-130.

[2]韩善羽.浅谈深桩钻孔复式接力施工[J].江西建材，2014（19）：52-55.

[3]沈育龙，杨统元，丁恩亮，等.电钻+旋挖接力钻孔灌注桩施工技术应用[J].安装，2017（9）：58-61.

[4]郑刚，焦莹.深基坑工程设计理论与工程应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2010：33.

[5]刘国彬，王卫东.基坑工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2009：68-92.

3907500338235