富水砂卵石地层旋挖钻施工关键技术与管理研究

郭文娟

（中交路桥北方工程有限公司,北京 101100）

0 引言

富水砂卵石地质的含水量、含砂率较高，土层的承载力、稳定性不高，流动性较强。传统钻孔灌注桩施工技术成孔困难，有坍塌风险，实际施工效率较低，施工质量无法得到保障，经济性和环保性也相对较差。在成都平原羊安高架2号特大桥工程项目中，针对富水砂卵石地质特点，用旋挖钻施工技术施工，该文着重分析该工艺的操作要点和关键技术，为同类施工提供指导，达到提高施工质量和效率的目的。

1 项目概况

该文以成都平原羊安高架2号特大桥工程项目为例，针对桩基旋挖钻成孔工艺的运用展开研究和探讨。案例工程所处区域为富水砂卵石地层，河床表面为卵石层，桥梁桩基础所在土层砂粒含量高达30%，内部孔隙较大，含水量较高，流动性强，土层自身承载力、稳定性不佳，容易出现沉降、土体位移等情况。传统插打钢护筒效果不佳，易形成暗流，泥浆会随着水流从卵石缝隙当中流出，出现坍塌情况，无法形成护壁。经过对施工现场实际情况的研究和探讨分析，最终决定采用旋挖钻施工技术。

2 旋挖钻施工技术

2.1 适用范围

旋挖钻适用于砂土、人工回填土，含有卵石、碎石的地层及强度较低的风化岩等。在实际钻孔过程中结合不同工程项目需求，选择湿钻或干钻。旋挖钻的适用范围广泛，可结合实际需求选择钻直孔或钻斜孔，可选孔径和桩长范围较大。旋挖钻设备对于空间需求小，无需较大的工作面，对于施工场地要求不高[1]。

2.2 旋挖钻技术的主要优势

（1）成孔速度较快，以直径1.5 m，深度30 m的桩基为例，采用传统循环钻机进行施工，完成桩基施工需要2～5天左右的时间，而旋挖钻技术仅需8 h左右，在实际钻孔的过程中，旋挖钻设备的钻进速度高达每分钟50 cm，成孔速度更快。

（2）施工精度更高，在计算机技术的支持下，可对成孔垂直程度以及钻孔情况进行实时监测和控制，有效保障施工精度和质量。

（3）环保性较好，旋挖钻施工过程中，主要声音来源于设备自身的发动机运转，其他部件所产生的振动和噪声较小，不会对周围环境产生不良影响，有着绿色施工特点，适用于居民区。

（4）成本较低，旋挖钻施工技术适应能力强，尤其在工期紧张的工程中，经济效益显著，成孔单价约为220元/m³。

（5）清渣彻底，旋挖钻施工孔内沉渣量少，容易清理，使用高压水进行清渣，效果好，施工方便。

3 旋挖钻工艺在富水砂卵石地层施工中的关键技术

3.1 桩位测定

桩位定位时可设置龙门柱，建立十字测量控制网，桩位中心点位置准确。保护控制点，降低外界影响，预防桩位点偏移。做好放样标高复核工作，保障桩点准确，控制在误差范围内。

3.2 钻机就位

在安置钻机前，对确定好的桩位进行复核，并检查钻孔机性能状态，水平、稳固安置钻机，钻机导杆、回旋盘与护筒中心线处于同一水平线，控制钻头中心与桩位中心偏差小于10 mm。

3.3 护筒施工

护筒的主要功能为固定桩位、控制钻头方向、隔离地表水等，是旋挖钻施工中的重要流程。桩径应比护筒直径小20 cm，以免钻头钻孔对护筒造成不良影响。护筒埋设之后，护筒顶超过地面至少30 cm或水面1～2 m。护筒定位应高于桩孔内承压水位至少2.0 m，底脚紧密，不漏水。案例工程中，选用直径2.2 m，壁厚17 mm，长度11 m的护筒，避开易坍塌的松散卵石层。

护筒埋设中心与桩位中心偏差在5 cm内[2]。护筒定位后，测量护筒各位置与垂线的距离，复核护筒的竖直情况，斜度在1%以下。

钢护筒施工简图如图1所示。

图1 钢护筒施工简图（单位：mm）

3.4 泥浆制备

富水砂卵石地层易坍孔，存在孔内水位骤降、钻机负荷提升等情况。控制泥浆质量能够有效降低坍孔概率。泥浆比重小，会引起坍孔；比重大，泥皮较厚，影响钻进速度，增加后续清孔的难度。结合案例项目富水砂卵石地质特点，泥浆制备施工要点包括以下三个方面。

（1）泥浆制备材料选择。为保障护壁效果，选择优质、不分散、低固相、黏度较高的膨润土作为泥浆制备材料，膨润土泥浆自身密度较小，泥皮较薄，有着较强的黏度和固壁能力，相较于传统黏土泥浆，膨润土泥浆的造浆率高、回转阻力小、稳定性强，能够有效保障护壁效果，提升钻进效率，是泥浆制备的良好材料。

（2）膨润土用量确定。为保障泥浆制备质量，提前一天配置泥浆，保障膨润土溶解充分。膨润土用量计算公式为：

式中，m——每立方米泥浆的膨润土用量（kg/m3）；ρ1——膨润土的密度（kg/m3）；ρ2——所需泥浆的密度（kg/m3）；ρ3——水的密度（kg/m3）。

（3）泥浆性能试验。不同土层的特点存在差异，对于泥浆的性能要求也不同，为保障泥浆护壁效果以及成孔质量，对泥浆的性能进行试验。对于黏土层而言，要求泥浆密度在1.02～1.10 g/cm3，黏度要求为18～22 Pa·s；对于稳定性较差，易坍塌的砂层，适当提高泥浆浓度，或采取添加纤维素等其他措施，可通过现场调配制备泥浆的膨润土、烧碱及纤维素，将泥浆浓度控制在1.05～1.10之间，保证孔壁稳定性，强化护壁效果，此时泥浆黏度为20～24 Pa·s，呈弱碱性。

3.5 成孔施工

（1）对钻头设备进行检查，钻头安装牢固，直径符合钻孔要求，并保障钻机平稳、牢固。对桩位进行复核，保障钻头对准桩孔中心位置之后，方可进行钻进施工。

（2）钻杆垂直度控制，保障成孔倾斜度。

（3）加强孔内水头高度的监测，护筒顶部与地下水位差为2 m，保障孔壁稳固。水位过低，容易出现塌孔情况；水位过高，会影响钻进效率。

（4）加强土层变化的观测，结合实际情况，合理调整钻进速度，尤其是在砂层进行钻进时，土层流动性较强、强度较低，钻进速度过快，十分容易造成塌孔。其中黏土层、砂层的钻进速度分别控制在5 m/h和3 m/h以下，并在进入砂层时，为保障孔壁稳定，避免坍孔，还应增加泥浆比重和黏度。

（5）在钻进距离不足1 m时，降低钻机功率，避免功率过大钻机摆动幅度过大。当钻进距离超过1 m之后，对钻机状态进行观察，钻机运行稳定后，可逐渐加大钻机功率[3]。

3.6 清孔

清孔前进行承压试验，在试验合格之后，进行清孔。清孔时加强对于以下技术要点的重视。

（1）清孔时孔内水头高度以及泥浆指标符合相关要求，防止出现塌孔情况。

（2）先对孔内泥浆指标以及沉渣厚度进行检查，二者达标后，进行混凝土灌注施工，泥浆厚度不符合施工要求时，进行二次清孔。

（3）清孔后泥浆密度控制在1.03～1.1 g/cm3之间，黏度控制在17～20 Pa·s之间，含砂率小于2%，胶体率大于98%。

3.7 下放钢筋笼

在该工程中，钢筋笼采用现场制作方式，按照设计要求制作成型后，将其下放到钻孔当中。在钢筋笼下放的过程中，注意以下操作要点。

（1）钢筋笼下放过程中，严禁强行塞入，以免对孔壁造成破坏。

（2）严格控制钢筋笼下放垂直度，偏差控制在小于5%。

（3）主筋位置焊接倒刺，以此保障钢筋笼位置稳定，避免浇筑时上浮。

3.8 混凝土灌注

（1）桩基混凝土灌注属于水下灌注，保持灌注的连续性，强化灌注时间控制。

（2）水下灌注对于混凝土的和易性和流动性有着较高的要求，对此严格按照标准要求，将坍落度控制在180～220 mm之间，在施工前进行坍落度检测[4]。

（3）混凝土灌注前，导管底部与孔底相距40 cm左右，在完成首批混凝土的灌注后，检测导管内部混凝土液面高度。

（4）混凝土连续灌注，导管埋深在2～6 m之间。

（5）强化混凝土灌注速度控制，灌注速度会对钢筋笼状态产生影响，导致钢筋笼上浮。

（6）灌注高度达标高时，为保障桩顶混凝土质量，超灌50～100 cm。

（7）在混凝土灌注施工过程中，为保障首次灌注的连续性和质量，计算首盘混凝土数量，计算公式为：

式中，V——首批混凝土量；D——桩径（m）；H1——桩孔底部至导管底端之间的距离（m）；H2——导管埋置深度（m）；d——导管内径（m）；h1——桩孔内混凝土达到埋置深度H2时，导管内混凝土柱平衡导管外压力所的高度（m）。导管埋深情况如图2所示。

图2 导管埋深示意图

4 桩基旋挖钻施工中的问题及处理对策

4.1 孔身倾斜及处理对策

孔身倾斜是旋挖钻施工过程中的常见问题，引发原因包括：钻孔时，遇到较大的孤石、探头石，存在倾斜的软硬地层交界处等；扩孔较大位置，钻头摆动偏向某个方向，钻机底座出现不均匀沉降、位移情况等。

对此，在实际施工的过程中，加强对于钻机设备的管理，底座水平、稳固，做好前期准备工作。做好施工过程中的监测和校正工作，根据钻挖钻机显示器以及检孔器，时刻监测桅杆工作状态，并根据桅杆的位置，及时校正，使桅杆能够顺利到达指定位置。使用检孔器监控孔内情况，控制孔身偏斜情况。加强对于孔身偏斜原因的分析，在偏斜位置，高吊钻锥，多次扫孔，确保孔身竖直。

4.2 坍孔及处理对策

在实际施工过程中，从适用范围、适用特点、工艺流程、操作要点出发，辅助现场旋挖钻钻孔灌注桩施工，保证施工达到设计方案的要求和结构整体的安全，以此形成完整的砂卵石地层旋挖钻施工工艺流程和旋挖钻施工的防坍塌措施。在案例工程中，坍孔现象的具体表现为：水位骤降，孔口冒水泡，钻机负荷增加等。引发孔身坍塌的原因有：孔内水位与地下水位差较大，无法保障静水压力；钻孔时机械振动较强，导致坍孔等。

结合施工现场实际情况，加强对于坍孔风险的分析，采取预防措施，强化施工过程的管理和控制，例如，在施工过程中，随着钻进深度的不断增加，现场工作人员做好泥浆供应工作，并根据不同地层合理调整孔内泥浆稠度，水头压力符合施工要求，预防坍孔。及时分析坍孔原因，采取有效措施。静水压力不足引起坍孔，加大水头；周围设备振动导致坍孔，移开四周重物；坍孔情况并不严重，进行有效回填即可；坍孔严重时，以小砾石夹黏土回填。

4.3 孔径扩大及其处理对策

旋挖钻施工中，造成孔径扩大的原因有：泥浆质量差、泥浆黏稠度大等，影响护壁效果，出现坍孔，在地下水位高于孔内泥浆高度时，会渗水，使地层出现大范围坍塌，孔径持续扩大；施工操作问题，案例工程地层原因，钻感差，钻头压入并进入地层的过程中，出现泥包钻头情况的概率大，提升钻头时，激发活塞效应，钻头泥土被吸入下部，孔壁周围泥土逐渐进入下方，孔径不断扩大。

针对孔径扩大问题，应着重从以下两方面进行预防和控制。一方面，严格控制泥浆质量，保障泥浆黏稠度，要求孔内泥浆高度高于地下水；另一方面，严格控制钻进速度，以防泥包钻头情况，在钻进施工过程中，详细记录下钻深度，以免钻头对地层产生较大压力。

5 结束语

综上所述，经过对羊安高架2号特大桥工程项目的分析，决定采用成孔较快、适能力强，具有一定环保性的旋挖钻工艺展开桩基施工。该工艺在富水砂卵石地层施工中的关键技术主要包括桩位测定、钻机就位、护筒施工、泥浆制备、成孔施工、清孔、放笼以及混凝土灌注，每个施工环节对于成桩质量效果都有着直接影响。在施工过程中，严格按照相关技术措施和标准要求进行操作。由于富水砂卵石地层特点，在进行旋挖钻施工过程中，还可能会出现孔径扩大以及堵管等问题，需结合实际情况采取有效处理对策，以保障旋挖钻工艺应用效果。相信随着对桩基旋挖钻施工技术的深入研究和实践应用，富水砂卵石地层桩基施工质量效果将会得到进一步提升。