超前钻注浆的钻孔灌注桩在珊瑚礁岩中的应用

陈吉卫

(湖北省第四地质大队，湖北咸宁 437100)

超前钻注浆的钻孔灌注桩在珊瑚礁岩中的应用

陈吉卫

(湖北省第四地质大队，湖北咸宁 437100)

巴哈马国家体育场工程基础建在珊瑚礁岩上。针对珊瑚岩的特殊地质成因，为满足体育场对地基承载力的要求，采用了超前钻探注浆及水下混凝土钻孔灌注桩施工工艺处理。检测结果表明，注浆后的桩基础满足设计要求。

珊瑚岩;水下混凝土钻孔灌注桩;超前钻探;注浆;地基处理;施工工艺

1 概述

中国商务部援建的巴哈马体育场项目工程位于加勒比海岛国巴哈马国拿骚市的伊丽莎白女王体育中心内，为国际标准比赛场地。工程性质为体育建筑，主建筑为固定座15 000座的看台。拟建体育场总占地面积36 456.96 m2，总建筑面积17 906.86 m2，建筑高度:西看台混凝土结构23.90 m，罩棚(约)29 m;东看台混凝土结构11.60 m，罩棚16.50 m。设计基础类型为水下混凝土钻孔灌注桩桩基，桩径600 mm，桩端进入②－1持力层3 m以上，桩基持力层珊瑚礁岩由于其成因的特殊性，具有多孔性或局部结构缺陷性，且分布具随机性，对位于其上的桩基构成隐患。施工方案采用先施工超前钻，并逐桩对桩底持力层进行注浆补强处理，然后进行水下混凝土灌注桩施工。

2 工程地质条件

场区地貌类型为珊瑚礁岛，原始地形为礁盘沟槽洼地，后经填平，地势平坦开阔，下卧地层属海浪带珊瑚礁。场区无活动断裂构造分布，区域地质构造稳定，基本地震烈度为6度以下。场地区土层的物理力学指标见表1。桩端持力层进入②-1层3 m以上，②-1层为珊瑚石灰石，该层总体呈较均匀的多孔块状构造，局部发育蜂窝状、枝杈状孔洞，孔洞0.1～0.2 m，为砂质充填。岩石饱和单轴极限抗压强度 Raj=10.5～13.4 MPa，平均 Raj=11.5 MPa，承载力特征值 fa=700 kPa。

表1 地基土物理力学性质指标Table 1 Physico-mechanical properties indexes of foundation soil

3 体育场地基处理方案

体育场地基①层为人工素填沙砾，结构复杂，不能满足主体工程建筑天然地基使用要求;②-1层上层珊瑚石灰石强度较高，总体呈较均匀的多孔状构造，层位较稳定，经过处理后可作为拟建物桩基础使用;②-2层珊瑚石灰石强度高，层位稳定，是拟建物较好的桩基础持力层，但该层埋深较大。

设计考虑了四个桩基方案进行技术和经济比较:

方案一 钢桩方案，优点是材料强度高，穿透硬土层能力强，可灵活调整桩长，装卸方便;缺点是造价高，抗腐蚀能力差，进入②-1层困难。

方案二 预制钢筋混凝土方桩方案，优点是承载力高，桩身质量易保证，制作方便，桩身砼密度大，抗腐蚀能力强，成桩速度快;缺点是成本较灌注桩高，采用锤击沉桩时噪音大，不易穿透坚硬土层，不能满足穿入②-1层3 m之上的深度要求。

方案三 人工挖孔桩，优点是避免大型设备运输，缩短工期，节约成本;缺点是该场地地下水丰富，且与海水相通，地层透水性强，降水难度大，施工极为困难。

方案四 灌注桩方案，优点是可适合各种地层，桩长、桩径可灵活调整，造价较钢桩、预制桩低;缺点是成桩质量不易控制，容易形成断桩、缩颈、沉渣过厚等问题，但采取严格的工艺质量控制措施可满足设计要求。

经过综合比较，方案四因其投资省、防腐蚀效果好以及能较好地进入②-1层珊瑚岩等优点而被选为推荐方案。

4 成桩试验［1－2］

试验的目的是了解施工区域的地质条件对钻孔灌注桩施工的影响程度，并确定注浆的水泥浆的配合比、注浆压力、钻孔灌注桩在珊瑚岩中的施工参数。

4.1 超前钻及注浆施工

4.1.1 超前钻施工

(1)超前钻施工机具及配套机械 共采用2台XY-1型工程地质钻机同时施工，每台钻机配置泥浆搅拌机、泥浆泵、合金钻头、金刚石钻头、电气控制柜、套管及其他辅助设备。

(2)施工工艺 ①钻孔定位:按照钻孔灌注桩桩位中心定位。②泥浆制备:根据地层制备一定量泥浆。③成孔钻进:开孔直径110 mm，钻至预定孔深，下置套管，更换钻具变径为91 mm，钻至设计孔深。④钻孔深度:保证钻孔桩桩底进入持力层为珊瑚礁岩②-1层3 m;孔深钻至钻孔灌注桩桩底下5 m，且保证桩端5 m为稳定岩层。⑤注浆管具安装，提钻，下置注浆管具，开始下道注浆工艺施工。⑥注浆完毕后，提出注浆管具，拔出套管。

4.1.2 注浆施工

(1)注浆施工机具及配套机械 采用1台SNS150/3.5型注浆泵施工，配置水泥浆搅拌机、电气控制柜、注浆管、阻塞器、压浆器及其他辅助设备。

(2)施工工艺 ①注浆用美国Ⅰ型水泥(相当于中国 P.O32.5)纯水泥浆液，水灰比为 0.5∶1;②注浆泵采用多缸柱塞式注浆泵，保证其容许工作压力大于最大注浆压力的1.5倍;③配制浆液的搅拌机的配制能力与注浆泵注浆量相适应，保证浆液连续、均匀地注入;④注浆管路应浆液流动畅通，并能承受2倍的最大注浆压力;⑤注浆泵出口安装压力表，使用过程中应经常检查校核，已损坏的压力表严禁使用;⑥注浆塞采用膨胀性和耐压性良好的圆形胶塞，以保证在最大压力能可靠地封闭注浆孔段，并易于安装和卸除;⑦注浆孔以6 m长度为一个注浆段，密封装置设置在钻孔灌注桩桩底以上0.5 m处，以防漏灌;⑧根据实验注浆压力控制在0.1～0.15 MPa;⑨注浆结束标准:在一定注浆压力下，当注浆流量≤0.4 L/min，继续灌注60 min，或≤1 L/min时，继续灌注90 min，或灌注压力＞0.3 MPa时，灌注即可结束;⑩注完一根桩后，应立即清洗浆液输送管路，防止剩余浆液堵塞管路，然后转入下一根桩的注浆。

4.2 钻孔灌注桩施工

4.2.1 钻孔灌注桩施工机具及配套机械

采用3台XY-4A型工程钻机施工，配置笼式钻头、牙轮钻头、泥浆搅拌机、3PNL泥浆泵、电焊机、电气控制柜及其他辅助设备。

4.2.2 施工工艺

(1)测量:由专业测量员采用全站仪进行定点，桩位误差控制在1 cm内。

(2)护筒埋设:采用Φ 800～900 mm长1 200 mm钢护筒，护筒中心偏差≤2 cm。

(3)泥浆制备:用好泥浆是保障成孔顺利，保持桩孔不坍、不缩，保证混凝土灌注质量的重要环节。本场地①-2层属易坍地层，且需泥浆悬浮钻渣，利于清孔，必须保证泥浆的优异性能，本施工场地内地层不能自造浆，因此成孔时拟采用钠基膨润土人工现场配制优质泥浆。泥浆配制参数为制造1 m3规定比重的泥浆，所需膨润土用量:

式中:x=配制1 m3泥浆需要膨润土量(t);γ1=膨润土比重(2.2 ～2.7);γW= 水的比重(淡水 1.0，海水1.03);γ2=所需配制泥浆比重(见表2、表3)。

表2 配1 m3泥浆所需粘土量和水量计算表Table 2 Calculation table of clay amount and water quantity

表3 实际施工泥浆性能指标控制Table 3 Control of performance index

(4)成孔钻进:①选用XY-4型钻机，进行正循环成孔钻进。

②钻头选择。上部填土选用三翼笼式钻头或牙轮钻头，下部岩层采用牙轮钻头。三翼钻头具有强度高、排渣导流性好、切削量大、导向度高等特点，牙轮钻头具有强度高、导向性好，直径600 mm。钻头设保径装置，施工中要经常核验钻头尺寸，发现磨损过大应及时修复、更换。

③钻进技术参数的选择。采用分层钻进技术确保成孔质量，开钻时轻压慢转以保持钻具的导向性和稳定性，泵量的调整可安装回水装置，进尺后针对不同地层，适时调整各钻进技术参数，在坚硬岩层一般要加压1～3 MPa。

④成孔检验。钻进成孔中保证桩孔中心无偏差，全钻仪复测孔位，测量主动钻杆垂直度，终孔用钢尺丈量确保钻孔深度达到设计桩深。

⑤一次清孔。钻至孔深，将钻具提离孔底0.2 m左右，上、下活动，低速回转，全泵量冲孔，充分研磨孔底较大颗粒，待孔内排出浆液中无较大颗粒可视为一次清孔完毕，实现“一次清孔为主，二次清孔为辅”的清孔排渣原则，时间一般≥20 min，用测锤测得孔深符合设计要求为止。

⑥钢筋笼的制作安放与技术要求。进场的钢筋规格和质量应符合设计要求;钢筋笼采用环形模制作;钢筋笼制作允许偏差:主筋间距±10 mm，箍筋间距±20 mm，钢笼直径±10 mm，钢笼长度±50 mm，保护层偏差控制在20 mm以内。

⑦下导管。本工程选用Φ 219 mm注浆导管灌注混凝土，安装导管前检查联接处密封情况，每节使用“O”型密封圈，保证良好的密封性能，严防泥浆渗入管内。

⑧二次清孔。下好导管即开始二次清孔，采用正循环清孔，首先往孔内注入原浆，将孔内泥块土屑携出孔外，尔后以低比重优质泥浆置换孔内浓浆，清至孔内返出之泥浆比重≤1.2，粘度≤25 s，其沉渣厚度≤50 mm时视清孔符合要求。灌注前使用橡皮球作为隔水塞将混凝土与泥浆隔离。

⑨水下混凝土灌注。施工砼配制与技术质量要求:粗骨料粒径5～20 mm，含砂率≥38%;坍落度18～22 cm，和易性良好。

⑩水下砼灌注。灌注首斗混凝土采用气球隔水，保证封孔质量，导管底部一次埋入砼面＞1.2 m，开灌后要连续施工，灌注过程中保证导管埋深控制在2～6 m范围内，终灌注混凝土面高于设计桩顶标高1 m之上。

5 施工质量控制与检验

5.1 施工质量控制

(1)超前钻:钻入②-1基岩层≥8 m，保证下部5 m为稳定岩层(钻孔灌注桩桩底)，如钻至设计桩底未见完整基岩须续钻。

(2)注浆:①注浆孔长度以6 m采用一次压浆段，孔口采用密封装置密封，密封装置设置在钻孔灌注桩桩底以上1 m处，以防漏灌;②水泥必须符合质量要求，严格按预定配合比配置水泥浆液，并定期抽查;③压浆结束标准，注浆压力应控制在0.15～0.1 MPa左右为宜，当注浆流量≤0.4 L/min，继续灌注60 min，或≤1 L/min时，继续灌注90 min，或灌注压力＞0.3 MPa时，灌注即可结束。

表4 单桩抗压静载荷试验成果汇总表Table 4 Summary table of test results of bearing capacity of static-pressure single pile

表5 单桩抗拔静载荷试验成果汇总表Table 5 Summary table of test results of static pulling test of single pile

(3)灌注桩:①桩位严格按照要求准确定位，护筒埋设要符合要求;②制备泥浆需满足护壁及悬渣要求，比重1.1～1.2，粘度 22 ～25 s，砼灌注前泥浆比重≤1.2，粘度≤25 s，其沉渣厚度≤50 mm;③严格按砼配合比配料搅拌;④灌注过程中保证导管埋深控制在2～6 m范围内，终灌注混凝土面高于设计桩顶标高1 m之上。

5.2 质量检验

5.2.1 抽芯试验

在桩底持力层注浆部分进行了钻孔抽芯取样，共做了6组岩石抗压强度试验，取样试验的珊瑚岩石饱和单轴抗压强度最大值19.2 MPa，最小值14.9 MPa，大于②-1层原状珊瑚岩石的最大岩石饱和单轴抗压强度的最大值13.4 MPa，表明珊瑚岩地基注浆处理强度满足了设计要求。

5.2.2 静载荷试验

检测采用锚桩法，加载采用慢速荷载维持法共做了8组单桩静载荷试验和4组单桩抗拔静载荷试验。试验结果显示:①单桩竖向抗压承载力特征值≥1 250 kN，大于设计要求的1 200 kN;②单桩抗拔承载力特征值≥800 kN，满足设计要求的800 kN(见表4、表5)。

6 结束语

巴哈马体育场水下混凝土钻孔灌注桩与注浆相结合在珊瑚礁岩中施工应用工程，桩基经单桩载荷试验，满足设计要求，可见水下混凝土钻孔灌注桩辅以超前钻注浆的施工工艺在珊瑚礁岩的地基处理方式是合适的、可行的，对多孔洞的珊瑚岩，可通过加强超前钻探，保证注浆质量，合理调整施工机械和有关参数，合理控制泥浆性能，控制砼浇筑，导管埋深等可以确保灌注桩的质量。总之，水下混凝土钻孔灌注桩在巴哈马体育场工程中的成功应用，为今后类似工程提供了借鉴。

［1］ JGJ94—2008，建筑桩基技术规范［S］.

［2］ DLT5148—2001，水工建筑物水泥灌浆施工技术规范［S］.

(责任编辑:于继红)

Application of Cast-in-site Bored Pile in Coral Rock

CHEN Jiwei
(The 4th Geological Brigade of Hubei，Xianning，Hubei437100)

Bahamas National Stadium project built on the basis of coral rock.In order to meet the requirements of the stadium for the foundation bearing capacity，the technical staff use construction technology treatment including advance borehole drilling grouting and underwater concrete cast-in-site bored pile.Test results show pile foundation after grouting pile meet the design requirements.

coral rock;underwater concrete cast-in-site bored pile;advance borehole drilling;grouting;foundation treatment;construction technology

TU473.1+4

B

1671－1211(2013)06－0769－04

2013－01－21;改回日期:2013－02－28

陈吉卫 (1970－)，男，工程师，岩土工程专业，从事工程地质及地质灾害治理工作。E－mail:233762195@qq.com