长螺旋成孔法在卵石地区基坑支护工程中的应用

张开传

(中国煤炭地质总局一七三勘探队，河北 涿州 072750)

0 引言

城市高层建筑物的建设、地下空间的开发，使得基坑开挖深度越来越深，开挖深度超20m的基坑越来越多。面对如此深的基坑开挖，要保证基坑自身的边坡安全，以及减少对周边已有建筑物、地下管线的影响，必须进行基坑支护，而在基坑支护工程中护坡桩应用十分普及。

由于基坑开挖深度大，在很多护坡桩支护工程施工中经常会遇到卵石，给施工护坡桩增大了难度。卵石地区成桩方式大致有：冲击法(工效低)，反循环法(适应小粒径卵石)，人工挖孔法(无水、风险大)，长螺旋法，旋挖法(需泥浆护壁或全套管、成本高)。

本文针对北京某地区的基坑工程卵石的特性以及地下水位深的条件，利用长螺旋通过现场工艺实验、钻具改进，成功进行了卵石的护坡桩施工，获得了一种实用的粘性土改良孔壁干成孔施工工艺。

1 工程背景

该工程位于北京市丰台区卢沟桥乡丽泽金融商务区某地块，西距丽泽桥约300m，场地北侧为丽泽路并与地铁14#线东管头车站紧邻(结构完成)，场地其它侧面均为市政道路。

建设规模：建设场地占地面积约21 103.2m2，地上建筑面积约155 000m2，地下建筑面积约80 000m2，本工程由两座塔楼(A座：45层；B座：32层)、裙房(C座：4层；D座：4层)及纯地下室等组成。其中西侧A座塔楼规划控制规划高度为200m，东侧B座规划控制高度150m。拟建工程建筑基结构设计条件详见表1。

表1 拟建工程基本设计条件

基坑规模：基坑面积约17 000m2，土方量约390 000m3，基坑开挖深度约22.45m，局部约24.45m，采用复合土钉墙+桩锚支护结构体系。

1.1 地质条件

根据岩土工程勘察报告，场地内地层按其成因类型、沉积年代划分为人工填土层、第四纪沉积层和新近系泥岩、砾岩层。按其工程性质，将钻探深度内的地层分为15个主层13个亚层(本区最大勘探深度100.00m)，其自上而下第1层层为人工填土层，2～9层为第四纪沉积层，10层以下为新近系泥岩、砾岩层。主要土层的物理力学参数见表2：

1.2 地下水

外业钻探期间，没有发现上层滞水，测得地下水位埋深为28.62～29.00m。水位在护坡桩底以下，这为护坡桩干法施工提供了有利条件。

2 基坑支护方案设计

2.1 非基坑支护设计主要参数

场地±0.00=45.00m。支护形式：复合土钉墙+护坡桩+预应力锚杆；护坡桩：桩径ф800mm，桩间距1 600mm；桩顶标高为-7.00m，桩底标高-26.95m，有效桩长19.95m。桩顶连梁断面尺寸800mm×600mm。护坡桩及连梁混凝土强度为C25。(图1a)

表2 土层主要物理力学参数

2.2 地铁侧基坑支护设计主要参数

场地±0.00=45.00m。支护形式：土钉墙+护坡桩+预应力锚杆；护坡桩：桩径ф1 000mm，桩间距1 600mm；桩顶标高为-12.20m，桩底标高-28.60m，有效桩长16.40m；桩顶连梁断面尺寸1 000mm×1 000mm。护坡桩及连梁混凝土强度为C25。(图1b)

3 基坑护坡桩施工

3.1 卵石成孔工艺试验

经资料分析：由于本工程地下水位埋深大，无外来水补给(老旧管线全部截断)，各地层渗透性好。因此本工程施工完全可以实施干法作业。根据设计方案首先要进行上部复合土钉墙施工(-7.00m)，然后进行护坡桩施工，从地层情况看整个护坡桩完全落在砂卵石层里。经对各种成桩孔工法及成本分析对比，决定护坡桩采用长螺旋成孔施工。为此，在上部(-7.00m)复合土钉墙施工前，首先在场地中部位置开挖了20m×30m深度6.50m的基坑进行下部护坡桩成桩工艺试验。

3.1.1 钻机参数

钻机是履带式双动力系统钻机：螺旋钻具旋转采用双电机动力头(110kW)提供动力；钻机行走，钻具提升，挺杆升降等为柴油动力。螺旋钻具芯管内径ф273mm、壁厚20mm，标准节每节4 500mm，法兰加摩擦块连接。动力头转速17r/m。

3.1.2 成孔工艺试验

钻机组装，调试完成后，试验开始：钻机轻松钻至6m，提升钻具。观察钻孔：钻孔完好，孔口细砂稍有坍塌，孔深5m。继续下钻具钻进，钻至10m后提升钻具，测量孔深7.0m，观察发现不是整个钻孔出现坍塌，而是在5.5m位置处有1.5m左右高、大半个孔出现塌孔现象，孔口砂层出现直径1.2m、高0.8m的漏斗型坍塌。

分析：出现这种局部塌落可能是在钻进过程中正巧赶上大粒径的卵石处在钻孔周边，钻具把它“惊动”出现局部颗粒失稳引起的。因为钻头切削不动卵石，只能把整个卵石“连根拔起”，而整个卵石是稳定的，这说明这种卵石的直立性很强，只是颗粒间失稳。

在钻进过程中使用了挖掘机配合清理钻出的卵石，发现洒落在地面土上的卵石被挖掘机履带碾压过后，地面坚硬无比。受此启示，决定把钻出的卵石拌合上粘性土回填到孔中，压实，然后进行重新钻进。试验结果显示：复钻至10m，提升钻杆，发现在原来坍塌的孔口旋钻出了一个完好的夹泥卵石质井口台，钻孔坍塌处被修补，呈现出一个完整的钻孔。又进行了几次上下提钻，钻具都未对钻孔造成损坏，试验初步获得成功。继续往深处钻进，提升钻具，测量观察钻孔，遇塌孔处回填拌合好的“人造卵石粘性土材料”，再钻进；如此反复，成功钻出一个孔壁光滑的合格钻孔。

(a)直径800mm桩

(b)直径1000mm桩(地铁侧)图1 基坑支护设计剖面Figure 1 Foundation pit support designed section

随后又进行了多方面的试验，并对其中一个钻孔孔口做了安全警戒防护，进行了长达20d的静置观察(因土方开挖才回填)。观察发现钻孔完好，没出现孔壁损坏塌孔现象。最终决定采用该方法进行基坑下部的护坡桩施工。

3.1.3 工艺总结

①长螺旋在钻进排土过程中对孔壁的挤压力很大，靠这种侧压力把回填的泥质卵石土挤压到坍塌空洞处，形成孔壁支护。

②钻头改进。钻进卵石层不可能把其切削碎，只能把整个卵石层搅动弄松挤到叶片往上输送。因此，钻头钻齿角度加大，形成锋利的犬齿，以翻动整个卵石颗粒。由于磨损严重，应提前备足，便于更换，钻齿可借用当前旋挖斗的斗齿(子弹头)。

③实际施工时回填粘土只需填到超过坍塌位置即可，而且可以直接回填粘性土，无需另添加卵石(因为在重钻时所填粘土首先被钻具旋压进坍塌处，下面钻上的砂卵石会持续挤入其中，进而形成稳定的泥质卵石层)，土质不应太湿太粘。

④上下钻具时一定要边旋转边升、降，避免磕碰孔壁，而且还可以进一步加固孔壁。

⑤当钻进下部粘土夹层时，钻出的土在往上排出过程中又进一步修补了孔壁，使得孔壁光滑。

⑥在上部复合土钉墙施工土方开挖时要提前预留出上部的素填土及粉质粘土，以备下步护坡桩施工护壁需用，每孔可按4m3预留。

3.2 基坑护坡桩施工

工艺试验解决了钻孔护壁问题，基坑上部土钉墙施工完成后，开始基坑护坡桩的施工(图2)。

图2 护坡桩施工工序Figure 2 Slope protection pile construction procedure

考虑钻孔间的相互影响，采用跳开两个桩位施工，由于钻机设有副卷扬提升装置，还可以吊放钢筋笼，进而又可节俭了施工机械；本工程由于北侧临地铁14#线东管头车站(其结构已完工)，按设计要求还进行了ф1 000mm的护坡桩施工。

4 基坑开挖与检测

本工程于2014年初基坑开挖至坑槽底部(深度22.0m预留0.50m)，开挖显示护坡桩桩身平整光滑，说明钻孔没有塌孔现象(图3)。经第三方检测单位长期跟踪监测：地面沉降观测、坡顶及护坡桩顶的水平位移观测、桩身测斜管测斜等，检测数据完全在设计及规范要求范围内，基坑稳定。而且由于客观原因，本基坑至少还要使用到2017年的下半年，这也从另一方面进一步检验了这种护坡桩成桩工艺的可靠性。

图3 基坑开挖效果Figure 3 Foundation pit excavation effect

5 结论

本文通过在北京某地区深基坑护坡桩施工的实践，提出了在无水卵石中利用长螺旋进行干成孔施工的实用工艺：钻孔回填粘性土，利用长螺旋钻具排土过程中对钻孔孔壁的挤压作用，使得钻孔坍塌处以及钻孔不稳定位置重新挤压成一种所谓“人造泥质卵石”护壁层的成孔施工工艺。这种施工工艺具有：

①施工快捷，简单，省时。成孔、吊放钢筋笼、浇注混凝土一机完成，无需另外机械设备。

②成孔质量好。孔径尺寸规范，无缩径、扩径现象。

③桩孔混凝土浇灌方便。成孔和混凝土浇灌互不影响，商砼浇注可以避开城市交通限时的约束，不拖泥带水，施工现场干净，改善了施工环境。

④节俭。所用护壁粘性土可就地取材；桩身混凝土用量接近理论计算用量。

⑤环保。对所在地层不造成任何污染；钻机双动力，且依电力为主，减少废气物排入大气。

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑基坑支护技术规程：JGJ120-2012)[S].北京：中国标准出版社，2012.

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[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.复合土钉墙基坑支护技术规范：GB 50739-2011)[S].北京：中国标准出版社，2012.

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