超长入岩灌注桩施工技术

超长入岩灌注桩施工技术

梁伟，廖聪

（中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072）

摘　要：本文结合四川省毗河供水一期工程，简要介绍超长入岩灌注桩施工技术，以及根据现场施工情况，总结的一些施工经验，供类似工程施工借鉴。

关键词：超长入岩；灌注桩；施工技术；工艺对比

1前言

桩基础作为一种常见的建筑基础，早在新石器时代我国就开始应用，直到宋朝趋于成熟，但均为木桩基础。随着现代化社会的发展，上世纪20年代末，逐步出现灌注桩施工技术，但以沉管为主要成孔方式；直到上世纪50年代，由于大型钻孔机械的快速发展，由此开始在建筑领域出现钻孔灌注桩。目前，灌注桩在房建、桥梁、水利、铁路等方面的应用越来越广泛，以往常规的浅入岩端承桩及摩擦桩已无法满足某些大型建筑的承载力要求，超长入岩灌注桩的应用逐渐开始。从定义上讲，该类桩属于端承摩擦桩，以端承力和摩擦力协同提供桩基承载力和抗拉拔力，其特点是桩身较长且嵌入弱风化岩层较深（嵌岩深度≥5m），适用于上部支撑结构及承受荷载较大的简支梁式建筑，如大型桥梁、渡槽等。

2工程概况

四川省毗河供水一期工程是以“再造一个都江堰灌区”为目标的大型民生工程，总干渠全长158公里，共设置7个施工分部同时建设，其中有3个施工分部位于四川省成都市和简阳市境内，地处川中丘陵地貌区，覆盖层主要为坡洪积粘土，呈软塑流塑状，承载能力低、压缩变形大；基岩为侏罗系上统遂宁组地层，岩性以砂岩和粉砂质泥岩为主，部分区域夹钙质胶结砂岩，属软岩～中硬岩。本项目主干渠渡槽最大设计流量为22m³/s,为满足承载力要求，灌注桩设计采用C25W4F50钢筋混凝土结构，桩径1.0～1.5m，有效桩长达22.5m。

3施工方法

3.1工艺流程

超长入岩灌注桩施工工艺如图1所示。

3.2施工准备

3.2.1  场地平整及桩位测放

在初步测放出桩位及所需施工场地后，对场地进行平整且碾压密实，并将土性较差的区域进行换填处理。场地平整符合要求后，依据施工测量控制网，采用高精度测量仪器进行桩位测放，并准确记录地面高程。

3.2.2  护筒埋设

护筒埋设是灌注桩钻孔施工的首道工序，可以起到保护孔口和孔壁的作用，尤其对于黏土含量较少的覆盖层，能有效避免上部覆土落入孔内。若地质条件较好，在保证孔口及孔壁稳定的情况下，也可取消护筒埋设。

3.3灌注桩成孔

3.3.1  钻孔施工

目前，灌注桩成孔方式一般分为机械钻孔和人工挖孔，但由于超长入岩桩的嵌岩深度较大，基岩硬度较高，采用人工挖孔的施工难度大，成孔效率低。因此，我们在不同工程段采用旋挖钻机、冲击钻机和工程回转钻机造孔。

3.3.2  泥浆护壁

由于该项目施工场地紧凑，工作面分散，设置造浆系统难度较大，且覆盖层以粘性土为主，故直接采用原土孔内造浆，并随时测试泥浆性能，使其满足泥浆性能要求（表1）。对于某些回填地层钻进，泥浆性能无法满足要求，采用向孔内添加黏土的方式对泥浆性能进行改良，并配合风动搅浆，使孔内泥浆充分混合。

表1  泥浆性能指标

3.3.3  成孔检查

灌注桩终孔后，应及时对成孔质量进行检查，主要内容有孔径、孔形、孔斜以及孔深检测。孔径、孔形和孔斜检测一般是通过下放井径器来检查，井径器的长度与孔径的比值选择，一般根据钻机的性能及土层的具体情况而定。通常情况下，钻机性能或土层情况较差时，成孔质量较差，井径器长度应取大值。

孔深测量一般采用容易穿透沉渣的测针进行，但是在较软-中硬岩层采用回转取芯钻进时，容易出现岩芯残留的情况，此时的桩孔有效深度应以岩芯断裂面为基准面。测量孔深时，由于测针截面积小，很可能穿过岩芯与孔壁之间的环形间隙到达钻头切削面，导致孔深测量值不准确。如果采用底板较宽的测饼进行测量复核，可以间接判断测针的测量值是否准确。如图2所示。

图2  孔深测量示意图

3.4清孔

清孔的目的是使沉渣厚度、泥浆含渣量符合设计要求，为水下混凝土灌注创造良好的条件。当孔深达到设计深度，经四方成孔检查并确认合格后，即可进行清孔。清孔采用泥浆置换法配合捞渣桶或双底捞砂斗进行，对于沉渣较厚或沉渣粒径较大的孔，先使用捞渣桶或双底捞砂斗将大部分沉渣清除，再依靠泥浆循环系统对泥浆持续循环进行清孔。

一般情况下，第一次清孔完成到混凝土灌注间隔较长时间时，泥浆因长时间静置，孔底会产生新渣，但颗粒较小。在混凝土到位且开始浇筑前，再次使用测针和测饼进行沉渣测量，若发现沉渣厚度大于设计值，立即将风管加上配重下放至孔底，风动搅拌3-5分钟，使沉渣悬浮于泥浆中。待沉渣厚度满足要求后，立即进行水下混凝土灌注。

3.5混凝土灌注

混凝土灌注采用直升导管法。为保证桩体浇筑质量，初灌混凝土必须满足规范要求值，以保证导管下口埋入混凝土一定深度。同时，在导管内提前放入隔水塞，确保首批混凝土在到达孔底时，能将管内泥浆完全排出，且不会与管内泥浆混合、离析。若出料顺利，料斗内混凝土高度会匀速下降且孔口大量出浆，然后可进行连续灌注作业。

4工艺对比

根据日常钻孔情况和相关资料数据，分别对三种工艺在不同地层条件下的钻进工效、钻机性能和经济效益进行统计和对比，得出以下结论。

4.1钻孔工效对比

由于该类桩桩身较长，入弱风化岩层较深，穿过不同地层的强度差异较大，因此不同的钻孔工艺在不同地层的钻孔工效差异较大，如表2所示。

表2  不同钻进工艺在不同地层情况下的钻进工效对比表

从表2中可以看出，在粘土层～较软岩层中，由于地层强度较低，旋挖钻机配合双底捞砂斗利用其快速破土的优点，钻孔工效最高；而冲击钻由于其作用机理以冲击破碎为主，且冲击频率较低，因此钻孔工效最低。在粘土-极软岩等低强度地层中，回转钻无法取芯，只能使用全断面硬质合金钻头对岩石进行切削研磨成孔，但由于其钻速较高，所以钻进工效明显高于冲击钻；在软岩-较软岩层中，回转钻采用硬合金取芯钻头对地层进行切削取芯成孔，其切削作用面仅为整个桩孔断面的四分之一，因此钻进工效仍明显高于冲击钻。

在中硬岩层中，由于设备能力和造孔原理不同，其钻进工效仍有差异。比如冲击钻与回转钻机相比，对中硬岩的冲击破碎效果明显优于回转研磨破碎，其钻孔工效反而更快；旋挖钻机与回转钻机相比，虽然对中硬岩石的破碎机理相同，但旋挖钻机依靠自重大、加压能力大等优点，其钻孔工效也高于回转钻机。

4.2设备性能对比

冲击钻最大的优点是地层适应性强，无论是土层、卵砾石层还是质坚的岩层，都可以顺利成孔，尤其适用于含大孤石、漂石的地层，但由于其作用机理为冲击破碎，因此成孔质量相对较差，扩孔系数一般可达到1.25。目前，就灌注桩而言，其造孔孔径一般在600～3000mm，最大造孔深度可达100m。

旋挖钻机由于其自动化程度高，具有成孔速度快、成孔质量好、扩孔系数小（一般不大于1.05）等优点，能装配多种形式的钻头，可满足不同地层条件中的造孔要求。但是，对于大孤石及漂石地层和坚硬岩地层，虽然可以顺利成孔，但其钻进效率不如冲击钻机。目前，世界上最大的旋挖钻机最大钻孔直径为4.4m，最大钻孔深度达120m，但设备自重达到270t，对场地的承载能力要求较高。

工程回转钻机是在地质钻机的基础上改良而来，具有体积小、重量轻、扭矩大、导向性能好等优点，适用于施工战线长、工作面分散、交通不便和狭窄场地作业。在调整好泥浆性能后，不仅成孔质量较好，扩孔系数较小（一般不大于1.15），而且对周围土体的扰动较小，对于易缩径、塌孔的淤泥质地层效果明显，但是对于含卵石较多的砂土层、大孤石及漂石地层和硬岩地层，其成孔难度大，甚至无法钻进。目前，回转钻机钻孔直径一般为280～2000mm，钻孔深度可达200～60m。

4.3经济性对比

从表2中的数据可以看出，在粘土层～极软岩层中，旋挖钻机的钻进速度极快，其工效是回转钻机的6～6.5倍，是冲击钻机的12倍；在软岩～中硬岩层中，其钻进工效是回转钻机的1.4～2倍，是冲击钻机的1.3～4倍。虽然旋挖钻机的钻进效率均明显高于另外两种钻孔设备，但是从施工成本上来看，旋挖钻机的钻进成本一般是回转钻机的5～6倍，是冲击钻机的4.5～5倍。因此，从施工经济性综合考虑，在粘土层～极软岩层中钻进时，应优先选择旋挖钻机；在软岩～极软岩层中钻进时，应优先选择回转钻机；在中硬及以上岩层中钻进时，应优先选择冲击钻机。

5结语

根据我公司在毗河项目的灌注桩施工情况来看，由于施工战线长、地层变化大，单一使用上述三种工艺并不能充分发挥各自的优势。尽管回转钻机在这种条件下，无论是从设备转场、成孔质量还是经济性来讲，综合优势更为明显，但是也暴露出中硬及以上岩石中钻进的局限性。实践证明，面对实际施工过程中复杂多变的地层情况，工艺选择不仅要结合实际的地层情况考虑，更应综合考虑多种工艺的配合施工，将各自的优势发挥出来。一般情况下，在覆盖层不含大孤石、漂石且基岩为中硬及以下岩层时，可以考虑单一使用旋挖钻机或回转钻机，也可考虑两者结合；若覆盖层情况较差或基岩硬度较高且厚度较大时，可以考虑采用冲击钻与旋挖钻相结合的方式进行。

参考文献：

[1] 黄  强等.建筑桩基技术规范（JGJ 94-2008）［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2] 弓天云等.公路桥涵施工技术规范(JTG/TF50-2011)［S］.北京：人民交通出版社，2011.

[3] 李孟杰等.建筑地基与基础工程［M］. 北京：中国电力出版社，2009.

作者简介：

梁  伟（1985-），男，贵州兴仁人，工程师，从事水利水电工程地基与基础工程施工技术与管理工作.

廖  聪（1992-），男，四川眉山人，工程师，从事水利水电工程地基与基础工程施工技术与管理工作.