干孔作业在旋挖钻孔灌注桩施工上的应用

方波 黄安 延伟

武汉地质勘察基础工程有限公司 湖北 武汉 434000

引言

近年来，随着中国房地产市场的突飞猛进，建筑行业向更快更高的目标飞速发展。桩基工程也迎来了高速发展的机遇。旋挖钻机因为通用性广，效率高，成桩质量好等优势在桩基工程中得到大力推广和应用。干孔作业成孔灌注桩是指不用泥浆或套管护壁措施而直接将钻渣排出钻孔而成孔的灌注桩，适用于在地下水不发育或者高地下水位地区的一般黏性土、粉土、黄土及密实的黏性土、砂土层中使用[1]。

1 工程概况及地质条件

1.1 项目概况

某桩基项目位于黄石市大冶市金山开发区。设计工程桩314根，其中16#楼700mm工程桩78根，有效桩长19.5m，入持力层6.5m，竖向承载力特征值2800kN；17#酒店800mm工程桩93根，有效桩长29m，入持力层9.5m，竖向承载力特征值4300kN；18-20#商业700mm工程桩143根，有效桩长27m，入持力层7m，竖向承载力特征值3300kN；桩端持力层为（4）-2层中风化泥质砂岩层，桩端全截面进入持力层不小于2～9.5m且桩端全部通过第（4）-1层强风化泥质砂岩层。

1.2 场区地质条件

该项目交通便利，场区地面高程在16～20m之间，场区略有起伏，局部高差大于4m。本场区地貌单元属剥蚀垄岗地貌。场区原有多个水塘分布，设备进场前已进行回填整平。

根据地勘报告将场地内地层按其成因、结构特征及强度自上而下共分为4层组8层，各岩土层的地质时代及成因类型、顶板埋深、顶板标高、厚度、空间分布、岩土特征、工程性质分述如下：

①杂填土0.0～7.9m，杂色，松散状态，压缩性高，土体结构松散饱和，主要由黏性土夹少量碎石及植物根系组成，为新近回填堆积，全场分布。②-1淤泥质粉质黏土，1～3.8m，灰黑色，流塑状态，压缩性高，土质较均，饱和，含少量黑色腐殖质，具腥臭味，干强度低，韧性低，局部分布。③-3粉质黏土，1～6.4m，灰褐色，可塑，压塑性中等，土质较均，含少量铁锰质氧化物，干强度中等，韧性中等。刀切面光滑，手搓成条，局部分布。④-1强风化泥质砂岩K-E，6.5～21.6m，红褐色，强风化，压塑性低，粉砂质结构、中厚层状构造，泥质胶结，节理裂隙发育，岩体破碎，手掰易碎，属极软岩，岩体基本质量分级划为Ⅴ级。该层局部偶含10%～15%石英砂岩角砾，粒径1～4cm，分布不均，岩层性质不均匀，全场分布。⑤-2中风化泥质砂岩K-E，9.5～28.4m，未揭穿红褐色，中风化，不可压缩，粉砂质结构，中厚层状构造，泥质胶结，岩体较破碎，属极软岩，岩体基本质量分级划为Ⅴ级。基岩的强度存在一定程度的不均匀性。该层局部偶含约10%～15%石英砂岩角砾，粒径1～4cm，分布不均，岩层性质总体不均匀，全场分布。

1.3 场区水文地质条件

场区内地表水不发育，主要为水塘及局部低洼地积水，水量不大，主要受大气降水的影响，水塘现多已被回填整平。场区地下水类型主要为上层滞水和基岩裂隙水两种。上层滞水主要赋存于第①层杂填土中，接受大气降水和地表积水垂直及侧向的渗透补给，多以蒸发方式排泄。无统一自由水面，水位及水量随大气降水的影响而波动；基岩裂隙水主要赋存于白垩-下第三系泥质砂岩风化裂隙中，水量较小，主要靠径流补给和上覆含水层的越流补给，径流缓慢；排泄以补给相邻含水层为主[2]。

2 工程特点及施工难点

工期紧、任务重，本工程共314根钻孔灌注桩，合同工期仅30d。

嵌岩深度大，设计最大入持力层深度9.5m。

场地条件差，楼栋工区全部为鱼塘回填基础，且回填不到位工区长期泡在水中。

楼栋工区分布在不同的位置，附属设施后台无法共享，需要远距离转场施工。

16-17#楼场地狭小，且低于场平标高3m，不利于正常作业；18-20#楼场地面积过大，桩间距大，平均桩间距5m，需要投入大量人力物力平整机场。

3 施工工艺

3.1 设备的选择

根据本工程特点和以往类似工程施工经验，拟投入两台（250型以上）旋挖设备进场施工，为确保施工质量，提高施工效率，满足安全文明施工需要，采用干孔作业成孔施工工艺，选用机锁杆钻杆，配备单底体开式钻头和双底截齿钻头[3]。（钻孔灌注桩施工工艺流程详见图1所示）

图1 施工工艺流程图

3.2 工艺的确定

在地下水不发育或者高地下水位地区施工时，黏性土可利用土层自身的较好的塑性和完整性保持孔壁稳定，故可选择干孔作业成孔施工工艺施工，具体针对不同的地层选择不同的工艺（见表1）。

表1 不同地层工艺参数的确定

3.3 工艺的特点

3.3.1 泥浆护壁工艺的特点。泥浆护壁能快速形成稳定的护壁层防止孔壁坍孔、能有效地携带排出钻渣、能为孔内提供水压支撑平衡土压力。但是泥浆的副作用也不可小觑。

（1）泥浆制造过程复杂，技术要求高。需要有固定的泥浆池、回收池、供回浆管路等，占用场地面积大。泥浆有各种指标要求，比重、黏度、含砂率、胶体率等。如果浆液指标不达标，容易引发质量事故。

（2）投入成本高。泥浆主要制备原材料是膨润土和烧碱及其他外加剂，一般泥浆护壁使用量较大，提高了工程造价。

（3）排放困难、污染环境。泥浆排放一直是建筑行业难题，随意排放会造成河（管）道堵塞、污染，泥浆回收又很难达到要求，泥浆在使用一段时间后性能指标达不到要求就是废浆，废浆的产生量较大，一般现场没有足够的设备设施储存，随意排放容易引起管道堵塞，污染地下水，经常面临环卫城管部门处罚。利用泥浆处理设备脱水处理工艺麻烦，处理成本高昂。

3.3.2 干成孔作业的特点。干成孔工艺简单、施工成本低，可以有效提升旋挖剪切破碎效率。但是要注意钻头润滑、降温、磨损过快和钻杆振动问题。

（1）干孔作业无须配制泥浆，占用场地小地，完全省去泥浆系统，减少了泥浆材料和水资源的消耗，降低了施工成本。

（2）干孔作业简化了施工程序，降低了技术要求。干孔作业减少了对孔壁的扰动，提高了成孔质量。

（3）干孔作业减少了环境污染，施工现场干净整洁，降低了安全隐患，减少了对周边环境的污染，有利于安全文明施工工作的开展。

（4）干孔作业减少了设备设施费的投入，干孔作业产生的钻渣（特别是岩层钻渣）是铺填现场的好材料，钻渣直接在施工现场消耗掉省去了外运的麻烦，提高了施工效率，节约了成本[4]。

4 实际施工情况

4.1 单底体开式钻头干孔钻进施工情况

4.1.1 16#楼工区全部为鱼塘回填基础，且回填不到位工区长期泡在水中。针对此种情况先对场内积水进行抽排，对局部稀泥进行换填，用挖机进行碾压以增强土体的承载力，确保旋挖设备能够正常行走。为防止上部杂填土及淤泥垮孔，避免混凝土充盈系数过大，故上部杂填土及淤泥质黏土层选用4m长钢护筒护壁，下部黏土层及强风化基岩层采用单底体开式钻头干孔钻进。

4.1.2 在钻进过程中，钻孔无跨孔缩径情况发生，由于黏性土塑性高、胶结性好，经过钻头挤压后密实度高，在无水情况下粘附在斗腔内，一般钻头很难通过甩土或蹾土将钻渣排出钻头外，选用单底体开式钻头，当钻头提出钻孔打开钻头两瓣筒体，钻头内钻渣自动掉出斗腔，快速又干净，避免了不断的蹾土甩土造成的机械损伤和噪音污染，加快了卸渣的速度，进一步提高了施工效率。

4.2 双底截齿钻头干孔钻进施工情况

在基岩层施工过程中，由于部分钻孔中风化泥质砂岩原始状态下强度高，硬度大，吸水性、黏结性强，施工过程中容易打滑，干孔钻进使用单底体开式钻头负载较大，切削效率慢，截齿消耗快，通过不断地摸索反复试验，选用双底截齿钻头切削式钻进，通过在钻进中控制钻压和回次进尺深度，避免钻头在底部空转打滑，提钻后及时清理截齿与底板间的钻屑等手段，解决了钻进打滑进尺缓慢的难题，提高了钻进效率[5]。

5 应用效果

5.1 施工功效情况

通过16#楼整体施工情况看，干孔施工钻进效率较高，26m桩从开孔到终孔施工时间仅为1.5h，日平均工作量8根；成孔质量良好，钻孔无发生垮孔缩径情况，钻孔静置2h内孔底成渣不超过50mm；移机清场转场辅助时间大大缩短，钻孔排出的钻渣直接铺填在现场，提高了渣土利用率，减少了外运成本；安全文明施工井然有序，施工现场干净整洁，无安全事故发生。

5.2 取得的实际效果

该项目按照干孔工艺施工，在预定的工期内提前完成了施工任务，桩基在开挖过程中全部桩头超灌合格，桩基检测数据满足设计及规范要求，全部判为一类桩。一次通过验收评审，施工质量得到监理甲方及监管单位的一致好评[6]。

6 结束语

钻孔灌注桩施工工艺多种多样，且还在不断更新开发中。在地下水不发育或者高地下水位地区采用旋挖干孔作业施工钻孔灌注桩，不仅成孔质量好、施工效率高、环境污染小，更符合当下环保和低碳的施工理念。本文通过干孔作业钻孔灌注桩在该项目的实际应用，并针对施工中遇到的实际问题做出相应处理措施，可为今后类似条件的钻孔灌注桩项目施工提供一定参考和借鉴。随着社会的进步和科技的发展，相信在不久的将来，基础施工领域施工技术会突飞猛进，朝着更加多元化精细化发展。