深厚软弱地层长螺旋跟管、旋挖钻成孔灌注桩施工工法

在深厚人工填土、淤泥等软弱地层中施工灌注桩时，经常出现塌孔、缩径、灌注混凝土充盈系数过大等一系列问题。为了安全、快速、有效地在软弱地层中进行灌注桩施工，通常情况下会采用埋设深长护筒护壁的方法。但对于软弱地层厚度超过20m及以上时，一次性下入超长钢护筒难度大，往往需要在孔口连接钢护筒，护筒下沉和起拔也较为困难，从而造成施工效率低、综合成本高。近年来，我司陆续承接了“深圳国际会展中心（一期）基坑支护与桩基础工程（三标段）”“深圳机场飞行区扩建工程-T4航站区（含卫星厅及站坪设施）软基处理工程5标天虹商场股份有限公司总部大厦基坑支护、土石方及桩基工程”等项目，在实际施工过程中，由于这些项目均位于滨海填土区，地层中存在较厚的淤泥、淤泥质砂层等软弱地层，导致旋挖钻机成孔难、施工效率低、施工成本高。针对施工现场深厚软弱地质条件，结合以往的工程实践经验，我司技术研究小组开展了“深厚软弱地层长螺旋根管、旋挖钻机成孔灌注桩施工技术”项目研究，通过先采用长螺旋钻机跟管钻进穿透软弱地层，再利用旋挖钻机继续钻进成孔，实现了钻进效率高、成桩质量好的效果，并形成了新工法。该研究成果已获得“深厚软弱地层长螺旋根管、旋挖钻成孔灌注桩施工方法”发明专利授权。2.0.1成桩质量可靠本工法在上部软弱地层采用长螺旋根管钻进，长套管穿越软弱地层进入稳定地层内，有效防止了地层塌孔；后续旋挖钻进过程中，通过旋挖桩机钻进，垂直度可自动调节，质量控制有保证。2.0.2施工效率高长螺旋钻机钻进过程即排土过程，后续采用旋挖钻机成孔速度快；同时，钻进采取了长套管护壁，孔壁稳定性高，可以避免各种孔内事故的发生，确保了钻进效率。2.0.3节省成本采用本工法可以避免大范围的塌孔与大量的漏浆现象，有利于控制混凝土灌注充盈系数和护壁泥浆的使用量，从而有效节省了材料成本。2.0.4环保效果好本工法采用长螺旋、旋挖钻进取土，钻进过程使用静态泥浆护壁，泥浆使用量大大减少，有利于施工现场的环保工作与场地布置。本工法长螺旋钻机最大钻进与根管深度L约为30m，成桩直径d最大为1.2m，可用于深厚软弱地层中的支护桩和工程桩施工。对于地层中存在较大块石或卵石地层可配合冲孔桩机施工。本工法的关键技术主要由长螺旋根管钻进和旋挖钻进、成桩两部分内容组成，形成全新的在深厚软弱地层灌注桩施工综合技术。4.1长螺旋根管钻进本工法采用专用的长螺旋钻机，实施钻进过程中的同步跟管，直至穿透软弱地层，起到对软弱地层的护壁保护，保证钻孔的稳定。4.2旋挖钻进、成桩本工法在完成软弱地层护筒护壁后，采用旋挖钻机在护筒中钻进，充分发挥旋挖钻机钻进效率高、垂直度控制好的特性，提高工效和钻孔质量；钻进至设计的终孔位置，按要求进行一次清孔、安放钢筋笼、下灌注导管、灌注水下混凝土成桩。本工法操作原理图见图4.2。1长螺旋钻机跟管钻进2长螺旋钻机提升钻具并移机图4.2深厚软弱地层长螺旋跟管、旋挖钻成孔灌注桩施工工艺操作原理图5.1施工工艺流程深厚软弱地层长螺旋跟管、旋挖钻成孔灌注桩施工工序流程图见下图5.1。长螺旋钻机跟管钻进↓长螺旋钻机提升钻具旋挖钻机就位钻至设计桩底标高↓安放钢筋笼与灌注导管↓ 二次清孔↓ 灌注桩身混凝土长螺旋钻机起拔套管成桩结束图5.1深厚软弱地层长螺旋跟管、旋挖钻成孔灌注桩施工工序流程图5.2操作要点5.2.1长螺旋钻机跟管钻进1长螺旋钻机采用上海金泰生产的型号SZ80长螺旋钻机，长螺旋根管钻机见图5.2.1-1示，长螺旋钻机技术参数见表5.2.1-1示。图5.2.1-1SZ80长螺旋根管钻机mmt2长螺旋钻机套管1）长螺旋钻机配置的套管采用16mm厚钢板卷制而成，套管内径可根据不同灌注桩设计桩径制作。当需要多节护筒则采用专用节头和螺栓连接固定。2）为便于套管沉入，在套管底部设有专门的管靴，管靴上镶嵌的合金刀块在套管回转时切削地层有助于下沉。为了防止起拔套管时钢筋笼被管靴挂住一起上浮，通常管靴只攘外刃或中刃，禁止镶嵌内刃。护壁长套管见图5.2.1-2，套管节头连接见图5.2.1-3。图5.2.1-2护壁长套管结构（左：长套管；中：管靴的合金刀块；右：护筒连接节头）图5.2.1-3跟管套管间连接3长螺旋根管钻进系统主要由长螺旋钻机的螺旋动力头、套管动力头、螺旋钻具和长套管组成。在螺旋动力头驱动螺旋钻具钻进取土的同时，套管动力头驱动长套管根管护壁。长螺旋根管钻进系统见图5.2.1-4。图5.2.1-4长螺旋桨管钻进系统示意图4在软弱地层段施工时，由于长螺旋钻机重量大，为保证旋挖钻机和长螺旋钻机的安全，在施工前需根据现场实际情况酌情填筑一层50cm厚砖渣碎石层或采取其他场地硬化措施以提高地基承载力。场地填筑见图5.2.1-5。图5.2.1-5场地填筑5施工桩位经校核后，长螺旋钻机便可开始钻进施工；施工过程中，为了保证钻孔的垂直度，在两个垂直方向上分别吊垂线控制套管垂直度。6长螺旋钻具向下钻进过程中，孔内的渣土随着长螺旋的螺旋通道向上排出，钻机在孔口位置专门设有专用的排土口，排出的渣土堆积在钻孔附近，由专人用铲车或挖机将堆积的渣土及时清理至指定位置。长螺旋钻机钻进排渣见图5.2.1-6。图5.2.1-6长螺旋钻进排渣7长螺旋钻具钻进取土的同时，套管动力头驱动长套管一边旋转一边下压，完成根管钻进并形成对孔壁的支护；在软弱地层钻进时，钻进过程保持超前套管护壁，通过控制长螺旋钻机螺旋动力头将套管下沉超出螺旋钻头深度S不少于100cm，见图5.2.1-7。图5.2.1-7长套管超前深度示意图5.2.2长螺旋钻具提升1当长螺旋钻孔穿过软弱地层后，将套管与套管动力头分离，使长套管留在孔内继续护壁。2利用螺旋动力头提升长螺旋钻具，将钻具从孔内全部提升出来后，整机移至下一桩位。5.2.3旋挖机钻进1旋挖钻机使用扭矩360kN.m可满足钻进要求。2旋挖钻机对准桩位后，在护壁长套管的保护下继续完成软弱地层以下桩孔地钻进。3旋挖钻机在一般地层中采用双开门截齿钻斗钻进，如需钻进硬岩则采用截齿钻筒钻进；在完成钻孔钻进至桩底标高后，更换捞渣钻头将孔底沉渣捞出，完成第一次清孔。旋挖钻机见图5.2.1-8。图5.2.1-8旋挖机钻进5.2.4钢筋笼制定与导管安放1钢筋笼按设计图纸在加工场制作，经验收合格后直接吊放入孔，并在孔口位置固定，防止其下沉或上浮。2灌注混凝土用的导管安装前，通过计算确定好配管长度，确保导管安放完毕后导管底部距离孔底30～50cm；导管使用前，在地面进行疏水性压力试验；入孔连接时，接口安放密封圈，确保灌注时不渗漏。5.2.5二次清孔1在灌注混凝土前，测量孔底沉渣厚度，如超出设计要求则必须进行二次清孔。2清孔方式可采用正循环或反循环清孔方式，通过优质泥浆循环的方式将孔底沉渣转换清除，直至清孔验收各项指标合格。正循环现场清孔见图5.2.1-9。图5.2.1-9桩孔正循环二次清孔5.2.6灌注桩身混凝土1为了确保初灌质量，灌注混凝土采用压球法开灌，即在灌注前将隔水用的橡胶球胆放入导管内，安装好初灌料斗（斗容量不小于1.5m3）后盖好密封板；然后开始往斗内放混凝土，当料斗即将满时打开封板，同时加快放料速度，确保首灌混凝土质量能够将导管埋深1m以上。2灌注过程中，不断测量混凝土面上升高度，以控制导管埋深在2～6m之间，防止发生堵管或导管底拔出混凝土面。3为了保证桩顶混凝土强度，灌注过程中保持混凝土超灌高度1m左右。桩身混凝土灌注见图5.2.1-10。图5.2.1-10桩身混凝土灌注5.2.7长套管起拔1灌注桩灌注完成后，通常在4～6小时安排长螺旋钻机起拔套管。2起拔过程中依据套管动力头电机电流大小判断套管起拔力大小，当电流过大时应加快起拔速度直至电流恢复到正常值，再以标准速度起拔。3起拔过程中应随时注意观察钢筋笼吊筋情况，当发生钢筋笼上浮时，应立即停止起拔，通过上下活动套管或旋转套管进行处理，避免钢筋笼被套管管靴挂住随套管一起上浮。4待套管全部起拔完成后，长螺旋钻机可以整机移至新桩位开始施工。长套管起拔见图5.2.1-11。图5.2.1-11长套管起拔6.1材料本工法使用的主要材料有：长套管、管靴、套管连接接头、商品混凝土、钢筋等。6.2设备本工法所采用的主要设备有：长螺旋钻机、旋挖机、吊车、泥浆泵、电焊机等，详见下表6.2。表6.2工法施工主要设备表123457.1质量控制依据1合同文件；2设计图纸及技术要求；3《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008、《深圳市基坑支护技术规范》SJG05-20114《建筑地基基础工程施工质量验收规范》GB50202-20025《建筑地基处理技术规范》DBJ15-38-2005、《建筑地基基础工程施工规范》GB51004-20157.2灌注桩质量控制标准灌注桩质量控制标准见下表7.2。表7.2灌注桩质量控制标准表123451%2345677.3质量控制措施1严格控制孔位的测量放线精度，每个孔位均需经过校核后方可施工。2在施工过程中为了保证钻孔的垂直度，应随时注意观察长螺旋钻机的水平仪，出现偏差时及时调整钻机平整度；同时在两个垂直方向上分别吊垂线控制套管垂直度。3长螺旋钻机在软弱地层中跟管钻进时，为了防止沙子、淤泥等流进套管，应将套管下沉深度超出螺旋钻头不少于1米。4在长螺旋钻机钻至稳定地层后，应多次上下活动套管以便灌注混凝土后起拔，然后再整体移机至下一孔位。5旋挖钻机在稳定地层钻至设计终孔深度后，应采用捞渣钻头将孔底沉渣捞出，完成第一次清孔。6在钢筋笼和灌注导管安放完毕后，测量孔底沉渣厚度，如超出设计要求则进行二次清孔，通过优质泥浆循环的方式将孔底沉渣转换清出，直至清孔验收各项指标合格。7灌注混凝土过程中，严格控制砼坍落度在180～220mm范围内，同时确保导管埋深在2～6m之间，防止发生堵管或导管底拔出混凝土面。8为了确保桩顶混凝土强度，控制混凝土超灌高度在1m左右。9灌注桩完成灌注后，通常在4～6小时内安排长螺旋钻机在混凝土终凝前起拔套管，起拔套管时可根据起拔力大小控制起拔速度。8.1安全管理依据1《建筑施工安全检查标准》（JGJ59－2011）2《建筑机械使用安全技术规程》（JGJ33－2012）3《施工现场临时用电安全技术规范》（JGJ46－2005）4项目所在地政府建设主管部门的安全相关的管理规章制度8.2安全管理要点1在软弱地层上施工时，为了确保大型设备的安全，在施工前需根据现场实际情况酌情填筑一层50cm厚砖渣碎石层或采取其他场地硬化措施以提高地基承载力。部分坑洞或淤泥地带需做换填、压实处理。2施工现场各类人员必须正确佩戴安全帽和各类安全防护用具。特种作业人员配备专门的防护用品。3现场各类机械设备操作人员必须经过专业培训，熟悉机械性能，经专业管理部门考核取得操作证后方可上机操作。4吊车在进行起重作业时，现场需专业的司索工指挥吊装作业，闲杂人员撤至安全地带。5施工现场内临时用电的安装和维修必须由专业电工负责完成，非电工不准拆装电气设备。6施工现场焊接作业时，必须使用直流电焊机并由专业的电焊工操作。禁止使用交流电焊机，严禁无证人员上岗操作。7夜间施工时需有充足的照明，同时严格控制夜间施工时的噪声防止扰民。8遇到暴雨、台风等恶劣天气时应停工，并做好各项安全防护措施，9现场氧气、乙炔瓶的存放要符合规范要求，切割作业必须由持证的专业人员进行。10机械设备发生故障后应及时检查、修理，严禁设备带故障运行，杜绝机械事故。11施工现场的所有机械设备、安全防护设施、临时用电设施及个人安全防护用品须经常巡视和检查，确保完好和正常使用。9.1环保原则施工现场的环境保护应符合国家、地方政府的环保政策与环保标准以及各项管理规定。9.2环保管理要点1在城市临近居民区施工时，施工场地噪音控制标准按《建筑施工场界噪声限值》（GB12423—90）要求执行，确保离开施工作业区边界30m处噪声小于55dB，撞击噪声最大不超过80dB。2施工前做好施工场地范围内的市政管道调查，需要迁移的管线按相关规定办理报批手续后迁移，无法迁移的应在施工过程中做好防护防止破坏，并建立应急救援小组一旦发生管线破坏及时响应。3根据现场实际条件合理规划布局、优化施工方案，尽量减少施工期间对周围居民生活的影响。4完善施工现场的供排水系统，确保所有污水经三级沉淀后再排入市政管网。5施工时使用的泥浆必须经过净化处理后采用罐车外运，严禁直接排入市政管道。长螺旋钻机施工产生的弃土需在场内经过晾晒后方可外运，防止外运时发生沥水现象。6定期安排人员对施工场地内的临时设施进行维修、清理工作，保持良好的卫生条件，工程完工之后进行清拆、平整工作。通过本项新技术在实际工程项目中的应用，大大提高了施工效率，工程质量与项目成本得到了有效控制，为今后软弱地层中灌注桩的施工，提供了一种高效可靠的施工技术，得到了建设单位和监理的一致好评，取得了显著的社会效益。10.2经济效益本项新技术的经济效益主要体现在与传统旋挖钻机配合长钢护筒下设的比较方面，以“深圳机场飞行区扩建工程-T4航站区（含卫星厅及站坪设施）软基处理工程5标”为例，其软弱地层厚度平均约14米，灌注桩径1.2米，终孔深度平均约40米，共计1125根，与传统旋挖钻机配合长钢护筒下设相比大大降低了施工成本。具体比较分析见下表10.2。表10.2经济效益比较分析表序号工艺类型传统旋挖机本项新技术备注1机械配置挖机、振动锤、旋挖钻机长螺旋钻机、旋挖钻机2成本对比泥浆用量45.2×30=1356元每根桩需13.6m3，单桩成本计：13.6×30=408元每方泥浆按成本30元计算3砼用量平均充盈系数1.15，每根桩需浇筑52m3砼，成本共计：1125×52×450=2632.5万元平均充盈系数1.05，每根桩需浇筑47.5m3砼，成本共计：1125×47.5×450=2404.7万元每方砼按成本450元计算4工效按一天24小时施工，完成每根桩需6小时计算，每天完成4根，总工期需要282日历天按一天24小时施工，完成每根桩需5小时计算，每天完成4.5根，总工期需要251日历天长护筒下设最大深度为15m通过对比分析可以知道，在采用本项新技术后，在泥浆循环利用次数相同的情况下，灌注桩泥浆用量减少约三分之二，按泥浆总用量2000m3计算，传统工艺需6万元，而本工法为18053元，节约成本为41947元，灌注混凝土用量节约成本共计227.8万元，节省工期31天。11.1天虹商场股份有限公司总部大厦基坑支护、土石方及桩基工程工程场地位于南山区东滨路以北、后海滨路以东、中心路以西，总占地面积6212.66m2，基坑周长314m，开挖面积5895m2，开挖深度约20m，合同总造价约4000万。11.1.2设计情况基坑采用排桩+止水帷幕形成围护墙体，设三道角撑+对撑，基坑下部设置锚索的支护方式；工程桩采用混凝土灌注桩。支护桩桩径1.5m，桩间距1.8m，工程桩桩径1000—1900mm，有效桩长14.1-35.194m，桩端持力层为强风化花岗岩，桩端进入持力层的深度为3d。11.1.3项目施工情况工程于2011年3月开工，由于施工场地位于临海滩涂地区，地层中存在深厚松散砾砂层和淤泥层。为了确保工程顺利施工，项目部放弃原定的旋挖钻机成孔方案，改用长螺旋钻机配合旋挖钻机进行施工。通过运用新技术，成功避免了传统施工方法中经常出现的塌孔等现象，为后续基坑的开挖创造了有利条件。11.2深圳国际会展中心（一期）基坑支护与桩基础工程（三标段）工程场地位于深圳市宝安区宝安机场以北，空港新城南部，西侧为沿江高速，东侧基本为堆土区。基坑占地面积约8.4万平方米，开挖深度为10m，基坑支护周长约1420米，基坑支护安全等级为一级。11.2.2基坑设计情况基坑支护采用双排桩+内支撑支护方案，桩基础工程采用灌注桩。前排支护为咬合桩，桩径1.2m共1173根，素桩长约10m，荤桩长约19.5m；后排支护为灌注桩，桩径1.2m共303根，桩长约16.5m；支撑立柱桩88根，桩长约18m。桩基础为灌注桩，共1158根，有效长度约为20～50m，桩径800mm～2500mm，持力层均为中风化混合花岗岩，桩端入持力层不小于一倍桩径。11.2.3项目施工情况2017年3月深