粉砂层地质条件下钻孔灌注桩的成桩工艺选择及质量控制*

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1 工程概况

昆山市中环快速化改造工程位于江苏省昆山市，工程范围包含黄浦江路（东线）、G312（南线）、江浦路（西线）、S339（北线）合围的四边道路，总长44.21 km。昆山中环主线高架全长39.77 km，地面道路4.43 km，双向6 车道，宽度25.5 m， 设计速度80 km/h。

工程桩全部采用钻孔灌注桩，设计桩径分为1.2 m、1.5 m及1.8 m，最大桩长约80 m，共计14 896 根。该处的桩基均为独立承台桩，对桩基的质量要求非常严格。

昆山地区地层中砂层（包括细砂及粉砂）分布较厚，不易清除，容易造成沉渣，以至于原土造浆已经不能满足泥浆指标的要求，故在该地质条件下如何选择一套比较合适的钻孔灌注桩成桩工艺成为了本次施工的一个重要课题。

2 首次试桩施工[1,2]

2.1 试桩概况

首次钻孔灌注桩试桩位置为陆家互通立交C匝道8#墩的2#桩。桩径1 200 mm、桩底标高为-68.6 m、地面标高+3.00 m，钻孔深度为71.65 m。

2.2 施工工艺介绍

采用GPS-15型钻机正循环钻孔施工工艺。C8-2桩成孔施工时间为39.3 h，第1次清孔时间2 h，提钻2 h。

泥浆循环池总容积10 m3，废浆池、储浆池未采用。施工过程中均为自然造浆，未使用新浆置换，无泥浆外运。采用正循环成孔、清孔工艺。

2.3 成孔检测结果

根据检测结果，从孔口向下12～61 m处孔径最小为1 080 mm，位于粉土层及粉砂层内普遍为1 120 mm，达不到设计孔径1 200 mm，桩底沉渣厚度约为10 m。

2.4 原因分析

粉土层及粉砂层中钻进速度过快，扫孔不足；粉砂层较多，现场无有效的除砂措施，泥浆含砂量过大；使用机型为GPS-15，扭矩及桩机自重存在不足，钻头晃动扰动桩体。

3 成桩工艺的选择[3,4]

根据首次试桩失败的经验教训及原因的分析，对昆山当地的地质情况和钻孔灌注桩的施工工艺进行了认真的研究，最后结合本工程的特点和难点，提出以下2 个钻孔灌注桩成孔施工工艺。

3.1 回旋法钻孔桩施工工艺

回旋法钻孔桩施工即采用GPS-20型号的桩机正循环成孔、正循环清孔，配备1 台大功率的除砂机，同时采取人工造浆。

3.1.1 GPS-20型钻机相比GPS-15型钻机的优点

首次试桩钻孔采用的是GPS-15型钻机，其扭矩是17.65 kN·m，而GPS-20钻机扭矩是30 kN·m，可以减少对泥浆护壁的影响，GPS-20下钻时采用中挡转速40 r/min，且相对GPS-15钻机可以更加有效地控制成孔速度，配合合理的扫孔工艺，能够更好地增加泥浆护壁的效果。

3.1.2 大功率除砂机的作用

由于昆山地质中粉砂分布较厚，且多为细砂和粉砂，一般的循环和沉降措施不能够将其清除，容易造成沉渣，从而影响桩基的质量。根据首次试桩的结果显示，在没有使用除砂机的前提下，刚提钻完成后的沉渣深度达到10 m，约11.3 m3的粉砂，可见昆山地质中粉砂含量之大。

3.1.3 人工造浆

由于上部黏土层不是很厚，原土造浆已经不能满足要求，根据首次试桩的经验，钻机在黏土层中钻进时采用原土造浆，当钻机钻进其它土层中时采用人工造浆对泥浆的指标进行控制，同时加强过程中泥浆指标的监测，确保过程中的泥浆密度为1.03～1.10 g/cm3，黏度为18～22 s，含砂率＜4%。

综上，GPS-20型号钻机回旋法钻孔桩施工工艺可以很好的解决桩机扭矩及自重不足的问题，大大减少了对桩体的扰动；黑旋风除砂机也可以有效地控制泥浆的含砂率，确保在规定的范围之内。

3.2 旋挖法钻孔桩施工工艺

旋挖法钻孔桩施工即采用不小于280型号的旋挖机，同时配备合理的人工造浆。旋挖法成孔工艺与其他桩基不同，采用静态泥浆护壁钻斗取土的工艺，是一种无冲洗介质循环的钻进方法，非常适用于砂土层的施工。

旋挖钻机工作时能原地作整体回转运动。旋挖钻机钻孔取土时，依靠钻杆和钻头自重切入土层，斜向斗齿在钻斗回转时切下土块向斗内推进而完成钻取土；遇硬土时，自重力不足以使斗齿切入土层，此时可通过加压油缸对钻杆加压，强行将斗齿切入土中，完成钻孔取土。钻斗内装满土后，由起重机提升钻杆及钻斗至地面，拉动钻斗上的开关即打开底门，钻斗内的土依靠自重作用自动排出。钻杆向下放关好斗门，再回转到孔内进行下一斗的挖掘。旋挖钻机行走机动、灵活，终孔后能快速的移位或至下一桩位施工。

钻孔时，在黏土层或者粉质黏土层中钻斗升降速度为0.8 m/s，提钻前时需反转2 圈合上取土门，并使钻具表面黏土与钻斗外壁脱离，以防钻斗提升时钻斗外壁沾有黏土造成坍孔；砂土层及粉砂层中钻斗升降速度为0.7 m/s，提钻前需反转1 圈，反转幅度不宜过大，仅关闭取土门即可，砂土层内最后提升前，在取土深度范围内，需停留数秒，给予孔壁处泥浆与砂土一定的稳定时间。

4 再次试桩施工

4.1 回旋法成孔施工

4.1.1 概况

本次回旋法试桩位置为陆家互通立交C匝道6#墩的3#桩。桩径1 200 mm、桩底标高为-62.6 m、地面标高+3.528 m，钻孔深度为66.128 m。

4.1.2 施工工艺介绍

本次试桩采用GPS-20型钻机正循环钻孔施工工艺，配备1 台黑旋风ZX-250型号的除砂机，同时采取人工造浆措施。

1）泥浆系统。本次试桩采用膨润土、CMC、纯碱等造浆材料进行人工造浆，同时现场设置了泥浆循环池且为三级沉淀池，高度1.5 m，总方量≥60 m3，每个工点设置储浆池，方量≥100 m3。

2）泥浆指标的检测及控制。桩基的成孔过程中加强对泥浆三大指标的检测和控制，特别是含砂率的控制。在回旋法成孔过程中每隔2 h对泥浆的三大指标进行1 次检测并做好记录，一旦发现泥浆指标不符合要求立刻采取相应的措施进行控制。

3）成孔检测结果。根据检测结果显示，该回旋法桩孔在孔深、孔径、沉淀厚度以及倾斜度方面均满足要求，检测结果均为合格。

4.2 旋挖法成孔施工

4.2.1 概况

本次旋挖法试桩位置为陆家互通立交G312主线23#墩9#桩。桩径1 200 mm、桩底标高为-67.4 m、地面标高2.773 m，钻孔深度为70.173 m。

4.2.2 施工工艺介绍

本次试桩采用YTR280旋挖机施工工艺，同时采取人工造浆措施。

1）泥浆系统。同回旋法泥浆系统。

2）泥浆指标的检测及控制。桩基的成孔过程中加强对泥浆三大指标的检测和控制，特别是含砂率的控制。由于旋挖法成孔时间一般为7 h左右，故在桩基开钻之前、过程中间以及成孔结束后分别进行1 次泥浆指标的测试。如果开钻之间检测不合格绝对不允许开钻。

3）成孔检测结果。根据检测结果显示，该旋挖法桩孔在孔深、孔径、沉淀厚度以及倾斜度方面均满足要求，检测结果均为合格。

综上，针对昆山这边的地质条件，选择上述的2 种成孔工艺是非常合理的，并在实践中取得了成功。

5 成桩质量的控制

结合现场的钻孔桩施工工艺，成桩的质量主要从以下几个方面进行总结。

1）泥浆的制备：使用符合要求的造浆材料进行造浆，同时使用中要定期对泥浆池中的泥浆进行三大指标的检测，若发现有误差，应及时调整以使泥浆符合设计和规范的要求。

2）成孔过程中泥浆的监测：成孔过程中由于穿过粉砂层会使泥浆中的含砂率增大、泥浆相对密度加大，此时需打开除砂机，通过除砂机除砂来降低泥浆的粉砂。

3）混凝土的浇筑：混凝土浇筑是确保成桩质量的关键工序，浇筑前须做好准备工作，确保泥浆密度为1.03～1.10 g/cm3，黏度为17～20 s，含砂率＜2%，孔底沉渣≤250 mm，在混凝土浇筑过程中，在保证初灌量的前提下还须保证能连续紧凑地进行。

4）声测管的注水保护：声测管是用于一定比例的桩基超声波检测的工具，声测管一旦堵塞将影响该桩基的检测质量。为了保证声测管通畅，我们采取在混凝土浇筑的同时对声测管进行注水，保证内外压强平衡，这样就有效地保护了声测管。

6 实施效果

昆山中环共计14 896 根钻孔灌注桩，目前已经累计完成14 760 根，其中完成桩基检测的为14 875 根，一类桩14 866 根，二类桩6 根，无三、四类桩，一类桩比例为99.8%。

7 结语

在昆山地质中粉砂层较厚的情况下，通过对大直径、高深度钻孔灌注桩的施工得出以下几点结论：

1）施工工艺的选择正确与否是桩基施工成败的关键，根据昆山的地质条件以及钻孔灌注桩的直径、深度，不管是选择回旋法还是旋挖法施工，必须保证钻机或者旋挖机的扭矩达到要求。

2）昆山地质中粉砂层较厚，正常的泥浆循环不能够有效的将其清除，必须配备1 台离心式的除砂机方可保证泥浆的含砂率达到规范的要求。

3）由于地质中填土层较薄，沙层较厚，原土造浆已经完全不能够满足泥浆指标的要求，施工过程中必须采取人工造浆的措施。