多种钻孔工艺在基坑支护桩中的应用

张威 曹汝义

(中冶集团武汉勘察研究院有限公司，湖北 武汉 430080)

1 工程概况

航天首府一期深基坑工程位于湖北武汉，该基坑紧邻“万里长江第一隧”武汉长江隧道。场地地貌属长江南岸一级阶地，地下水丰富。地下室为2层，基坑开挖深度8.9 m～11.2 m，形状呈不规则矩形，长约226 m，宽约165 m，开挖面积约为28500 m2。

该基坑支护设计采用钻孔灌注桩+双圆环内支撑+桩间搅拌桩止水的支护方案，其中支护桩576根，立柱桩134根，桩径有1000 mm和1200 mm两种，桩心间距1500 mm，桩长20 m～24 m不等。

2 成桩设备及工艺选型

基坑支护桩设计采用钻孔灌注桩，并未明确采取何种成孔工艺。进场前工程桩正在同时施工(8台GPS-15回转钻机，2台静压桩机)，场内网电容量600 kVA，已无富余。基坑周边较平整，鉴于工期紧，柴油发电成本又过高，综合考虑采用2台SR250型旋挖钻机施工支护桩。施工到近一半时，随着雨季的到来，场地泥泞不堪，虽多次铺填砖渣硬化道路，但收效甚微。加上工程桩施工完后遗留的泥浆坑未清理彻底，立柱桩桩位较分散，旋挖钻机施工需要大面积修建临时道路，势必使成本增加，不得已将旋挖钻机退场换成5台GPS-15型回转钻机继续施工，克服了场地陷机和交叉施工的影响。

工程所在地以前是一所学校，拆迁时未对建筑物基础进行清理。施工中回转钻和旋挖钻都碰到了埋深较深的不明障碍物，尝试用反铲开挖清除无法奏效，只能采用CK1500型冲击钻强行往下砸穿透地障到达设计孔深成孔(事后开挖基坑揭示不明地障是成片的老建筑物的钢筋混凝土桩基础，埋深在－5 m以下)。

通过三种成孔工艺的组合圆满完成了支护桩和立柱桩的施工，其中旋挖钻施工379根桩，回转钻施工267根桩，冲击钻施工64根桩。

3 各成孔工艺的特点

旋挖钻、回转钻、冲击钻这三种钻孔灌注桩除成孔工艺不同外，其他工艺如钻孔定位、护筒埋设、泥浆制作、清孔、钢筋笼制作安装、混凝土灌注基本完全相同。

3.1 旋挖钻施工特点

3.1.1 优点

1)工效高。旋挖桩机靠带有活门的筒式钻头回转破碎岩土，将其装入钻斗内提升运至地面，无需将岩土搅碎靠泥浆返出孔外，施工效率在适合的地层同比钻、冲孔桩机可提高5倍～6倍甚至更高。2)自动化程度高。采用履带式底盘，可自行行走，移机方便。通过机身电脑控制桩位、深度、垂直度、钻压，不需要人工进行钻杆的拆除和组装，可降低工人的劳动强度，提高作业精度。3)噪声小。旋挖桩机施工的噪声主要来自机身发动机的声音和钻筒倒渣时的活门撞击声。4)排浆少，环保效果明显。旋挖桩机施工泥浆用量比较少，施工过程中泥浆的主要作用在于增加孔壁的稳定性，大大减少了泥浆的排放，同时节省了泥浆外运的成本。5)无需提供动力电源。旋挖桩机大部分都采用机身柴油发动机提供动力，在野外线路和市政工程等不适合铺设电缆的现场尤其适用。6)人员配置少，易于管理。同比钻、冲孔桩施工过程中所需机械和人员大大减少，易于管理。

3.1.2 缺点

1)设备昂贵。国产旋挖桩机的售价都在400万元以上，一次性投入比较大，且运营、维修保养等费用较高。2)自重大，对场地要求比较严格。特别在填土地区，如果地表没有进行硬化或换填处理，旋挖桩机移机就位非常困难，容易发生孔斜超标的质量问题，严重的甚至导致钻机倾覆的安全事故。3)孔壁护壁差。特别在填土和软土地层，容易发生塌孔和缩径，要合理控制转速，尽量多转少钻，达到护壁的要求，进尺不宜太大。4)软土地层充盈系数大。旋挖桩机钻筒与土体接触面比较大，钻斗提升过程容易产生负压，产生“活塞效应”，增大旋挖桩机体上拔负重的同时易形成孔壁缩径，下一个钻进取土回次中又对缩径处的土进行切割，如此往复造成扩孔率增大，灌注时浪费混凝土。

3.2 正循环回转钻施工特点

3.2.1 优点

1)适应性广，既可在陆地，又可在水域进行。对场地条件要求不高，既可在旷野山地，又可在城市建筑密集区。成孔直径0.3 m ～4.0 m，桩长30 m ～70 m。

2)回转钻打软土和砂层较快。正循环回转用高压泥浆通过钻机的空心钻杆，从钻杆底部射出，同时钻头钻进，将土层搅松成为钻渣，被泥浆包裹浮悬，随着泥浆上升而溢出流到井外的泥浆溜槽，经过沉淀池净化，泥浆再循环使用。钻进与排渣同时连续进行，成孔速度较快。

3)造价低。设备一次性投入较少，工艺简单成熟，人工和机械费用折合成单方造价和旋挖钻、冲击钻相比一般最低。

4)泥浆指标可控度高，沉渣清理干净，孔壁圆滑，充盈系数较好控制，节省混凝土材料。3.2.2 缺点

1)泥浆量较大，不利环保。施工现场围护不当造成浆液四处满溢，场内泥泞影响吊车等机械配合作业，同时泥浆倾倒场占用大量土地，环保性差。

2)对深度较大的钻孔垂直度控制不好。地表土长期浸泡在泥浆中逐渐沉降下陷，枕木如不及时纠正，极易引起钻机底座歪斜，钻杆长久的偏心旋转易造成断裂，机械停机维修误工费时。

3)操作人员劳动强度高，危险系数大。回转钻的钻杆通常3 m左右一节，钻杆的拆除和组装都要人工进行，稍有不慎就会发生伤人事故，劳动强度和危险都较大。

3.3 冲击钻施工特点

3.3.1 优点

1)冲击钻嵌岩尤其是破碎有裂隙的坚硬卵砾石功效好。

2)设备简单，钻机参数易掌握，操作方便，不受场地条件限制，移动灵活，机械故障较少。

3)钻进时孔内泥浆由于悬浮作用，钻渣循环至地表泥浆坑中及时排除，保持了孔壁稳定，泥浆用量少。

4)噪声比回转钻略小，无振动影响。

3.3.2 缺点

1)冲进速度较低。冲击钻掏渣土置换泥浆和提升钻头冲击不可同步进行，停钻掏渣时间相对较长，功效损失大。

2)由于冲锤上下往复运动，随着钢丝绳的旋转带动冲锤摆动容易造成桩孔不圆，扩孔率较高，带来混凝土充盈系数增大，材料浪费多。

3)遇地层不均匀，特别是岩溶地区容易出现卡锤、掉锤、斜孔等事故。

4)孔深和孔径受冲击能限制均比回转钻施工的适应性小。

4 效果检验

施工完成后对所有支护桩均进行了小应变检测，从结果来看三种成孔工艺均能使桩身质量合格，满足设计要求。区别更多在于外观上，填土较厚区段尤为明显。旋挖钻和冲击钻施工的桩型很不规则，特别在护筒底部“鼓肚”现象最明显，混凝土扩散比较大，局部桩为满足地下室外墙施工用风镐进行了多余混凝土凿除。回转钻施工的桩身圆滑规整，比较美观。旋挖、回转、冲击三种成孔工艺的混凝土充盈系数经统计分别为1.14，1.09，1.25。

5 经验和体会

在本基坑工程支护桩施工前期场地硬化条件好，无网电情况下，旋挖桩机还是发挥出了工效高，移动方便，无需动力电源的优势，但是在软土地区施工会有充盈系数比较大，混凝土浪费较多的弊端。回转钻虽作为传统钻孔工艺产生泥浆多，不利环保，但是也有适应性广，各类地层均发挥稳定，充盈系数最容易控制的优点。冲击钻成孔虽然慢，但是其善于攻坚，啃“硬骨头”，对嵌岩深或回填区障碍物多的地层可以发挥用武之地，其他桩型无法比拟。所以实际应用当中，应该就桩的性质、地层特点经过仔细比对，科学的取舍寻求最适合的成桩方式，才能既满足质量要求，又达到较好的工期和经济效益。

［1］JGJ 94-2008，建筑桩基技术规范［S］.

［2］刘俊岩.深基坑工程［M］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［3］赵金祥.浅析旋挖桩机施工的优缺点［J］.西部探矿工程，2010(4):104-105.