人工岛上全套管旋挖钻孔灌注桩施工

黄 磊

1. 上海市基础工程集团有限公司 上海 200002；2. 上海非开挖建造工程技术研究中心 上海 200002

1 工程概况

港珠澳大桥珠海口岸基础工程，是港珠澳大桥的重要组成部分，拟建项目位于港珠澳大桥口岸人工岛北区。场地为人工海岛，其原始地貌单元为海相地貌，后经抛石护岸，堆砂推填整平，原始地形业已改变（图1）。现已完成推覆填土整平及软基处理施工，地形相对较平坦，绝对高程为4.8 m左右。

图1 工程位置示意

本工程轻轨预留区为坑中坑，支护桩采用全套管钻孔灌注桩，桩径800 mm，成孔深度19.2 m。其中：WZ1型桩442根，实桩长14.20 m，空桩长5 m；WZ2型桩488根，实桩长13.75 m，空桩长5.75 m。

2 施工难点及应对措施

本工程位于人工岛上，与常规陆域施工有较大的不同。对于钻孔灌注桩来说：首先，地质条件较差，围护桩成孔主要位于人工填砂层和淤泥层中，成孔施工时容易发生坍孔、颈缩等质量问题；其次，人工岛与陆地不相连，常规灌注桩施工所需大量的淡水和泥浆制作材料（黄土或膨润土等）运输及废浆排放均存在一定的困难。

针对人工岛特殊的地理位置和存在的不利地质情况，结合支护桩是固定统一桩长的特点，制订了全套管护壁旋挖钻孔施工方法。其思路为：加工制作长20 m、厚15 mm钢制长护筒，用液压振动锤将长护筒振动下沉至设计桩底标高，长护筒作为套管，可以保护旋挖钻机在管内进行干作业旋挖取土，直至设计桩底标高，不需要泥浆护壁。安装钢筋笼并浇筑水下混凝土后，再用液压振动锤将长护筒缓慢拔出。

此方法的难点在于需要解决打设和拔出钢制套管、控制混凝土的超灌量、拔管引起钢筋笼上浮等问题，同时优化施工流程的安排，提高工效。为解决以上问题，经研究后采取了长短钢套管结合、用长臂挖机配备振动锤改装的插板机分级安装套管、浇筑混凝土时边浇筑边测量、适量缩小钢筋笼直径和在钢筋笼底部焊接钢筋网片等措施。

3 施工过程中遇到的具体问题及解决方法

3.1 施工工艺流程

平整场地→测量放桩位→埋设长护筒到设计桩底→钻机就位→干作业取土成孔→检查孔底，清除虚土→吊放钢筋笼→安设导管→浇筑桩身水下混凝土→拔除护筒→混凝土养护

3.2 套管的打设和拔出工艺

本工程采用长、短钢套管结合，用长臂挖机配备振动锤改装的插板机打设和拔出套管。具体如下：钻孔前准备好2种规格的钢套管，一种套管长20 m，壁厚10 mm，外径与设计桩径相同，为800 mm（以下称长套管），另一种套管长6 m，壁厚10 mm，外径1 000 mm（以下称短套管）。选用长臂挖机配备振动锤改装的插板机，而不用大型履带吊配振动锤，主要是考虑长臂挖机的灵活性和打设套管时可以自身控制垂直度而不需要另外的机械配合，降低了机械使用成本，施工效率也较高。插板机有一个明显弊端，就是臂长不足以一次性打设长20 m的套管，只能打设10 m左右的套管。因此，我们增加了长10 m的短套管，采用长、短套管结合、分级安装的方法。此方法虽然增加了打设和拔出短套管的工序，但是因为套管短并且插板机调整垂直度方便，所以打设和拔出的速度都很快。再通过优化施工流程，合理配置长、短套管的数量，完全消除了这一缺点对施工的不利影响。通过对施工的进度和资源的投入进行综合比较，长臂挖机配备振动锤改装的插板机都优于大型履带吊机配振动锤。

沉放套管前先开挖一个浅坑，坑底应整平，然后通过定位的控制桩放样，把孔位中心位置标于坑底，再用插板机上的振动锤夹住短套管上口，把短套管夹起放进坑内。找出短套管的圆心位置，用十字线定在短套管顶部或底部，然后移动短套管使其中心与钻孔中心位置重合，同时用水平尺或铅锤线检查，使短套管保持垂直。插板机开始振动下沉短套管，直至管口露出地面30 cm。然后旋挖机就位，在短套管内旋挖钻孔取土，钻到短套管底暂停钻孔。接着用汽车吊机把长套管吊起放进短套管里，对准中心调整垂直度后，用插板机夹住其上口振动下沉，沉放时要防止套管偏斜。把长套管打设到位后，可拔出短套管继续下一根桩的短套管打设，旋挖钻机在长套管内旋挖成孔直至设计桩底标高。

支护桩水下混凝土浇筑完成后，为防止土体对未凝固的灌注桩混凝土的挤压而引起颈缩，灌注好混凝土后需要等待混凝土凝固到一定程度后再拔长套管。经过数次试验，要确保不发生颈缩的情况，至少在混凝土浇灌1 h后，才可以用振动锤缓慢拔除长护筒。

3.3 混凝土浇筑量的控制

因为是全套管旋挖钻孔灌注桩，套管有管壁厚度，浇筑混凝土时必须考虑到拔出套管后形成的空隙体积，计算出混凝土超灌量，然后换算成混凝土浇筑的施工高度，浇筑时用吊绳测量混凝土标高，以控制混凝土浇筑量，确保套管拔出后桩顶标高满足设计要求。

3.4 解决拔管时带动钢筋笼上浮的措施

全套管旋挖钻孔灌注桩施工的前期，发现拔出长套管后，钢筋笼有上浮的现象。经过分析研究，认为钢筋笼上浮主要是由2个原因引起的：一是钢筋笼和套管之间间隙小，垂直度稍有偏差，二者间就会发生接触甚至卡住，拔起套管时带动钢筋笼上浮；二是套管内没有护壁泥浆，混凝土浇筑速度较快，钢筋笼容易上浮。针对上述原因，采取了以下措施。

1）适当缩小钢筋笼直径：本工程的灌注桩用于支护结构，主要起到抗弯和抗剪的作用，钢筋笼直径在适当范围内调整对抗弯和抗剪效果影响不大，经过设计单位复核，把钢筋笼的直径缩小了5 mm；同时，在施工过程中，加强套管和钢筋笼安装时的垂直度控制。

2）在钢筋笼底部焊接钢筋网片：在制作钢筋笼时，在钢筋笼底部增加焊接了1层钢筋网片，初浇混凝土自重荷载作用在钢筋网片上，有效地抵消了后续混凝土浇筑对钢筋笼的上抬力；同时，还需控制混凝土浇筑速度，不宜过快。

3.5 长、短套管的合理配置和施工流程的优化

通过对施工流程分析可知，影响施工进度的主要因素是钢套管的打设、地质条件、旋挖成孔速度、钢筋笼制作安装、混凝土的供应等。具体情况分析如下：

1）混凝土由人工岛上的混凝土搅拌站供应，运输路程短，随叫随到，基本可以排除其对施工进度的影响。

2）由于人工岛上场地开阔，钢筋笼的制作和吊放没有多大限制，故对施工进度的影响也很小。

3）旋挖灌注桩成孔深度19.2 m，在钢套管的保护下穿透了砂层进入到粉质黏土和淤泥层中，不良地质对旋挖机成孔不造成阻碍。

4）旋挖钻机成孔效率很高，在桩长19.2 m的情况下，单桩成孔不超过1 h即可完成。

排除了上述因素影响，钢套管的配置就成为影响施工进度的关键因素，也直接关系到施工流程是否可以优化。

针对旋挖钻机是在长套管内旋挖作业，短套管在长套管安装完成后即已结束其作用，完全可以拔出，去打设下一个桩位的套管。我们摈弃了一长一短的固定配置，采用1根短套管配置多根长套管的配置方案。根据安装套管各道工序所需的工时，计算出流水作业的最佳配置数量，并在施工实践中验证，根据实际情况作进一步的调整，最终形成了以下配置方案和施工步序。

施工机械为旋挖钻机1台，长臂挖机配备振动锤改装的插板机1台，2根长套管与1根短套管为1个组合，总共投入3套组合，共6长3短，另外配置了1根长套管作为备用。按照以下步序流水作业：插板机于桩位1插入1#短套管→旋挖机于桩位1的1#短套管内旋挖，同时插板机于桩位2插入2#短套管→旋挖机于桩位2的2#短套管内旋挖，同时插板机于桩位3插入3#短套管→插板机于桩位1插入1#长套管，拔出1#短套管，同时旋挖机于桩位3的3#短套管内旋挖→旋挖机于桩位1的1#长套管内旋挖，同时插板机于桩位2插入2#长套管，拔出2#短套管→桩位1安装钢筋笼，旋挖机于桩位2的2#长套管内旋挖，同时插板机于桩位3插入3#长套管，拔出3#短套管→桩位2安装钢筋笼，旋挖机于桩位3的3#长套管内旋挖，同时插板机于桩位4插入1#短套管→桩位3安装钢筋笼，桩位1～3浇筑混凝土，旋挖机于桩位4的1#短套管内旋挖，同时插板机于桩位5插入2#短套管。按此顺序，分别向后施工桩位4～6的旋挖桩，直至旋挖机于桩位6的6#长套管内旋挖时，拔出1#～3#长套管，然后直至所有旋挖桩完成施工。按照以上步序，每天基本能完成12根支护桩，满足进度计划要求。

4 结语

港珠澳大桥珠海口岸基础工程地铁预留区支护桩采用全套管旋挖钻孔灌注桩的施工工艺，克服了人工岛填砂层和淤泥层等不良地层对钻孔造成的困难。从桩身质量检测以及基坑土方开挖后对桩体外观质量进行的检查可知，支护桩的质量满足设计要求，在进度方面也取得了较为理想的效果。全套管旋挖钻孔灌注桩施工技术既可有效避免围护桩施工过程中坍孔、颈缩等质量问题，又不需要使用大量淡水和黄土制作护壁泥浆，施工过程中不产生废弃泥浆，有利于环境保护，特别适用于像本工程人工岛的砂层和淤泥层地质。施工中的技术创新点是长、短套管结合的分级打设和拔出工艺，施工中遇到的一些问题可根据具体情况采取有针对性的措施加以解决。