沿海吹填区倾斜岩层桩基方案选型与施工技术

赵利杰

【摘要】本文通过位于山边沿海滩涂吹填区域的温州市平阳县纬九路一号桥梁桩基工程为例，对深孔桩基施工方案的选型以及倾斜岩面处桩基偏位质量问题出现的原因进行了研究解析，并采取在倾斜岩层位置分时间段回填高强度石块和灌注混凝土等措施进行处理，并将回填石块和灌注混凝土施工进行对比，灌注混凝土处理措施成功解决了桩基倾斜岩层桩基施工技术问题，为以后该地质倾斜岩层桩基施工提供了参考和借鉴。

【关键词】滩涂区；吹填区；特殊地质；深桩基施工技术；应用

1、工程概况

纬九路一号桥采用钻孔灌注桩基础，桥台采用重力式U型台桥台桩采用双排桩，直径为1米；桥墩桩采用单排桩，直径1.2为m，桥墩为柱式墩。根据地质勘探报告显示，该桥所处地层从上至下为：含沙淤泥层5～10m、淤泥层30～35m、淤泥质粘土层10～12m、粘土层20～23m、圆砾层3～5m，强风化凝灰岩1～2m，以下为中风化凝灰岩层，桩基设计底标高平均为-68.0m，设计桩基受力类型为摩擦端承桩。

2、采用的施工设备的适应性选择与施工方案比选论证

2.1施工设备的适应性选择

根据地质勘察报告、施工设备的适用性以及以往的施工经验，本工程适用正循环回转钻钻机、冲击钻钻机、旋挖钻钻机三个施工设备。

2.2施工方案选型

2.2.1施工方案初选

方案一、采用旋挖钻机钻孔作业。

旋挖钻机优点：最突出方面当属其施工土层速度快，移位快，可以满足工期要求较高的工程；自带的平衡系统可以很好地控制、检查成孔垂直度。

缺点：自身没有安置钢筋笼和浇筑混凝土的装置，需要配备挖掘机、吊车，一般旋挖钻机仅局限于挖取土层和强风化土层成桩，遇中风化岩层、地下障碍，桩孔较深即效率降低甚至无法成桩作业。

方案二、采用冲击钻机钻孔作业。

优点：最大的优点是适应性强，无论是土层、还是质坚的岩层，都可以顺利成桩，还可以自下钢筋笼、下导管灌注混凝土。缺点：整体成孔效率低，移机速度慢，影响进度。在土层中施工极易出现倾斜、扩孔的状况，导致混凝土超灌，增加了材料成本，全程采用造浆护璧，增加文明施工措施费。

方案三、采用正循環钻机钻孔作业。

回转钻机是一种在我国应用时间最长、范围最广、市场保有量最大的成孔机具，在各种常见地层均有良好的适用性。回转钻机的钻孔直径可达2～5m，深度可达百米、护壁效果好、成孔质量高，施工无震动、无噪音、机具操作方便、造价较低等特点。但同时其在复杂地层成孔效率较低，施工现场用水量大、泥浆排放量大，扩孔率较难控制，又很难在卵石、漂石、基岩上施工，特别是在坚硬地层中进度缓慢，施工成本直线上升。

2.2.2施工方案选型确定

根据以上三种初选施工方案，并根据各个施工方案的优缺点以及施工速度、施工成本，并结合本工程的地质勘察报告，最终确定“正循环钻机钻孔作业+冲击钻机钻孔作业”的桩基施工方案：

在“含沙淤泥层5～10m、淤泥层30～35m、淤泥质粘土层10～12m、粘土层20～23m、圆砾层3～5m”采用正循環钻机钻孔作业，并且正循环钻机钻孔至圆砾层，在钻进过程中保持泥浆密度在1.2-1.3cm3/g之间，使孔壁形成较厚的护壁层，钻进圆砾层后保持泥浆液面高度维持孔内压力，进行更换钻机，将正循环钻机更换为冲击钻机，在更换钻机过程中，泥浆池中备足泥浆防止更换钻机过程中孔内泥浆流失造成塌孔，换成钻机更换后用冲击钻机完成强风化凝灰岩和中风化凝灰岩层钻孔作业。

3、桩基施工偏位的问题与处置措施

3.1偏位分析与处置措施

3.1.1桩孔偏位分析

0-3#、1-1、桩基在冲击钻在进入岩层钻进作业过程中，连续作业2两天无进尺，钻机锤头吊绳严重偏斜现象，偏位达20cm以上，经监理、设计、地勘单位现场对钻渣检验并结合地层地质勘探报告及以往施工经验分析，认为是进入了倾斜岩层，偏位是的原因是因孔位是由两部分组成，一侧是凝灰岩，一侧是相对凝灰岩层强度较低粘土层，由于重心偏向软弱的土层，并且锤头向土层方向发生偏移，造成孔位偏移，如不及时进行处理，进而还容易导致出现卡钻、塌孔、掉钻等问题连锁发生。

3.1.2钻孔偏位决措施

通过对钻孔桩施工工艺出现问题原因分析，结合地质勘探单位给出的凝灰质量指标（OOD=50%-60%）和抗压强度指标（C20-C30），分别采取以下两种处理措施：

（1）回填石块法

1）该方法是在桩底出现倾斜岩层位置回填与岩层强度等级范围相同的石块，回填石块的目的是利用石块代替倾斜岩层面处的土层，平衡冲击锤对桩底各个部位的冲击力，防止冲击锤出现偏心受力过大而造成的桩孔偏位，为保证回填石块的密实度及质量尽可能与倾斜岩层的强度一致，石块大小以10-30cm为宜。若全部回填大石块，会造成回填的级配差，间隙大，密实度差，凝结力小，石块粘土层的整体强度小，难易平衡冲击锤底部受力平衡，同时石块太小在进行锤头冲击时会大量被挤出孔外面的土层，对冲击锤产生的阻挡作用会大大降低。每次回填石块的厚度根据桩的孔径不同而不同，一般控制在1.5-2.0m，回填后进行冲击钻进，钻进再发生偏位时，停止钻进，再次回填石块，然后再次进行冲击钻进。如此反复回填石块，重复冲击钻进，直至倾斜度控制在规范以内为止。

2）结果分析及偏位量测

桩基在标高-62m开始出现倾斜岩面和偏位现象，开始利用石块回填和冲击复钻，通过5d的时间，反复5次后，在进尺标高为67m时钻孔基本正常，桩位偏斜测定，在测定设计桩孔中心点位置后，由固定的辅助桩进行十字交叉定位，将设计桩孔中心和实际桩孔中心进行对比，护筒埋设中心坐标符合设计及规范要求要求，然后检查钻锤的偏位，将钻锤落到孔底后，用钢尺测出悬吊冲击锤钢丝绳与护筒水平偏位距离，经检测最大偏位约10cm符合设计及规范要求的范围内（规范要求不大于10cm），期间共回填石块约15m³，钻孔结果检测该处理措施基本成功。但这种处理结果在进行清孔是遇到了新的问题，孔底沉渣经多次清孔一直不能满足设计沉渣厚度（设计要求不大于15cm）实测沉渣厚度在45cm（不符合规范要求的不大于30cm）；经过项目技术人员查阅相关文献并经商讨，采用气举反循环法进行清孔。其基本工艺如下：

先将导管下放深度以出浆管底距沉淤面300～400mm为宜，风管下放深度一般以气浆混合器至泥浆面距离与孔深之比的0.55～0.65为宜。机械设备主要参数：空压机的风量6～9m3/min，导管出水管直径>φ200mm，送风管直径（水管）φ25mm，开始送风时应先孔内送浆（补浆），停止清孔时应先关气后断浆。清孔过程中，特别要注意补浆量，严防因补浆不足（水头损失）而造成塌孔。送风量应从小到大，风压应稍大于孔底水头压力，当孔底沉渣较厚、块度较大，或沉淀板结时，可适当加大送风量，并摇动出水管（导管），以利排渣。随着钻渣的排出，孔底沉渣厚度逐渐减小，出水管（导管）应同步跟进下落，以保持管底口与沉淤面的距离。清孔后，孔内泥浆比重应小于1.15，粘度18～20s，孔底沉渣厚度≤15cm。

气举反循环法清孔时所需风压P的计算。

P=γs·h0/1000+ΔP

γs——泥浆比重（kN/m3），一般取1.2

h0——混合器沉没深度（m）

△p——-供气管道压力损失，一般取0.05～0.1MPa

3）成桩检测

在桩身混凝土龄期满足要求后，采用低应变和超声波透射法进行成桩检测，低应变检测结果为Ⅰ类桩，超声波透射法检测结果为Ⅱ桩，均满足设计和施工技术规范要求。

（2）桩底灌注混凝土法

1）該方法是在桩底出现倾斜岩层位置浇筑与岩层强度等级范围相同的早强混凝土，在确认桩底倾斜岩层面位置后，利用钻头先清理岩层面上的土层，使岩层倾斜面完全露出，然后进行清孔，采用与灌注桩基水下混凝土相同的方法灌注孔底混凝土，混凝土采用一次浇筑法，混凝土标高以高出岩面1-1.5米为宜，混凝土灌注完成后，将钻机移到另外的桩基位置处进行处理，为尽可能降低临桩施工对处理桩的影响，防止处理塌孔、缩颈，在等待浇筑混凝土强度期间（一般为5天）要保证孔内泥浆液面高度，泥浆液面降低时要及时补浆，临桩施工与处理桩的距离不宜小于10m，否则应停止临桩施工。浇筑混凝土的目的是利用早强混凝土代替倾斜岩面处的土层，平衡冲击锤对桩底各个部分的冲击力，防止冲击锤偏心受力过大造成的桩孔偏位。混凝土试块抗压强度达到要求后，将冲击钻机移回到孔位进行冲击钻孔施工，当冲击再次进入倾斜岩层面标高处应降低落锤距离和冲击频率，一般落锤距离控在30-40cm，冲击次数15次/min。从倾斜面出现至成孔到设计标高68m的整个施工过程中作业基本正常，成桩后进行桩位偏差测量符合设计要求，采用钻机配套的泥浆循环系统进行清空后，孔底沉渣符合设计要求。

2）成桩检测

在樁身混凝土龄期满足要求后，采用低应变和超声波透射法进行成桩检测，低应变检测结果为Ⅰ类桩，超声波透射法检测结果为Ⅰ桩，均满足设计和施工技术规范要求。

3.2桩孔偏位两种处理方法的比较

（1）填石方法

现场采用填石方法的优点：方法简单、取材容易、适用性强、适合各种强度的岩层处理。缺点需要反复多次填筑、孔位较深时，排渣比较困难，采用常规泥浆循环出渣方法只适用于钻孔深度不超过40米的桩基施工，超过40米时需要单独配备专用排渣设备。

（2）灌注混凝土法

该方法的优点：一次浇筑混凝土，不需要单独配备专用排渣设备。缺点：需要清孔、浇筑混凝土后要等待混凝土强度达到要求后才能施工，并且这期间要加强桩孔保护，不适合岩层强度大于C50的岩层和弱风化岩层。

两种处理方案在使用时有各自的优缺点，具体使用时要结合各方面因素综合考虑。

结语：

通过平阳县吹填区市政工程桥梁的桩基施工实践证明，只有在结合实际、深入研究、总结施工经验的基础上确定施工方案，才能取得良好的效果。针对沿海滩涂地区桩基施工中出现桩基偏位等特殊问题，只要条件允许、措施得力，施工问题就能得到很好的解决，本文的处理方法将为同类地质条件的桩基施工中的类似问题提供参考和经验。