超长大直径旋挖钻孔扩底桩应用技术

魏 珂， 吴 懿， 王胜昌， 吴 锋

(中建交通建设集团有限公司，北京 100082)

20世纪80年代旋挖钻孔技术被引入国内，在最近20年被逐渐认识和应用。其优点是施工效率较高、环境污染少、质量控制好等[1]。扩底桩使传统的单桩承载力和抗拔力大大提高、沉降减小、抗震性能好、成本降低、减少资源浪费，适合于各种复杂地质条件。

扩底钻孔灌注桩是在传统钻孔灌注桩完成成孔后，改用扩底钻头，放入孔底后开始开钻扩孔，通过增大桩断面面积，从而提高了桩的承载力[2]。扩底桩施工工艺主要应用于桩长不超过40 m的桩基础施工中，当桩长超过40 m时使用较少，这种超长钻孔扩底桩可以有效缩短桩长。

1 工程简介

保定市乐凯大街南延工程位于保定市西南部，是保定市规划的加强“一城三星一淀”的四条道路连接线之一。保定市乐凯大街南延工程项目线路跨保定南站主桥13#及14#墩，其桩基为扩底桩。桩身直径1.8 m，桩底直径3.0 m，等高0.75 m，以12 °角扩大，桩间距4.5 m；其中13#桩基础设计桩长84 m，14#桩基础设计桩长71 m(图1)。

图1 桥型布置

目前，该桥转体重量及跨度为世界第一。为解决场地限制、降低承台体积、摩擦桩带来的超长桩长问题，该桥采用扩底桩的施工方法。

该桥的桩基础采用AM工法进行施工，它是一种全液压可视可控旋挖扩底桩施工技术，该施工工艺精准，质量可靠。AM施工技术采用全液压扩底快换魔力铲斗进行切削挖掘，首先用钻机按照传统钻孔灌注桩成孔，当钻到设计的深度后，改用扩底钻头(全液压扩底快换魔力铲斗)下降到孔的底端，打开扩大翼进行扩大切削挖掘，扩底时使桩底端保持水平扩大，采用映像追踪监控技术对切削挖掘控制(桩底端的深度及扩底部位的形状、尺寸等数据和图像通过检测装置显示在操作室内的监控器上)[3]。

AM工法采用的旋挖钻机适应性较强，能适应从黏土层到硬土层、粉沙层、砂层、砂砾层、圆砾层、泥岩、闪长岩、风化岩等各种地质条件。因该系列钻机通过柴油机带动液压系统旋转、切削、挖掘钻进成扩孔，故该钻机在成孔过程中不需电源。在城市施工时，因基础工程施工用电比较集中，在无电源的公路、铁路等桩基施工地方更能体现其优势。该钻机成孔过程是通过钻斗挖掘，然后将土运出装载在自卸车上，从而使成孔过程实现无泥浆排放。在灌注混凝土过程中，将排出的泥浆通过泥土分离装置对废浆进行更新处理，以便循环使用，节约水源，既解决了大批量泥浆运输排放的难题，又满足了施工现场环境清洁，减少城市污染，保证文明施工的要求。

2 扩底桩施工技术

扩底桩施工先利用普通钻头钻至设计深度，然后将普通钻头更换为扩孔钻头，将扩孔钻头下降到设计深度底端。由于扩孔底对钻杆扭力及刚度有较高要求，钻机需配有加强型转杆，采用专用机械式扩孔底钻头，成孔采用泥浆分离器分离泥浆中砂。在成孔过程中，应做好渣样留存工作，通过渣样判断地质地层状况调整成孔的速度，并且根据泥浆性能等指标，确保成孔质量。

2.1 桩基础试成孔施工

根据设计及现场施工条件，对保定市乐凯大街南延工程跨保定南站主桥桩基进行试成孔施工。试桩孔径1 800 mm(扩底段孔径1 800～3 000 mm)，母塔桩长84 m，孔深约90.0 m；子塔桩长71 m，孔深约80.5 m。

通过试成孔确定超长扩底桩成孔工艺、成孔各项参数及AM工法扩底成孔可行性等，复核工程地质状况，同时验证施工部署、资源配置等情况是否能满足施工要求。

2.2 桩基础成孔施工要点

采用AM工法进行试成孔施工的工艺流程图2。

工程开工前，测量放线、护筒埋设、钻机就位等前期准备工作均与普通旋挖钻施工要求相同。

为防止孔壁坍塌，应在成孔作业过程中根据不同地质情况对泥浆比重进行调整，并采用泥浆护壁。同时为保证扩底段孔壁稳定，扩底施工前应调整泥浆比重不低于1∶2；在作业过程中要做好详细的施工记录及相应的检测记录，同时保存好渣样[4]。

AM工法：桩的定位、钻孔、挖掘、扩底和下钢筋笼、清孔，混凝土灌注后生成完整的扩底桩。成桩中具体采用下述步骤：

(1)进行桩孔的中心定位，引导钻机进行准确定位。

(2)钻机挖孔，其孔径大于预设桩径，然后埋设护筒。

(3)钻孔：将稳定液加入孔中，并且钻机钻孔的同时加入稳定液，孔中钻下的土被装到钻机中，每钻入一定深度，需要提升到地面清理钻机铲斗内的泥土，再次钻孔提伸，如此反复，至设计标高为止。

(4)扩底：采用魔力扩底铲斗对桩孔底部进行扩底，铲斗被分成2份或4份进行旋转切削挖掘；挖掘下的泥土沙砾被放入铲斗，铲斗闭合时将其带至地面运走。

(5)检测桩孔的深度、桩孔中的沉渣，并且对扩底部分进行伸缩扩张检测，将隔离管绑在钢筋笼上，然后再放进桩孔中，用清渣泵清渣。

(6)下导管，浇混凝土，形成完整的扩底桩。

成孔过程见图3～图6。直径长度相同，扩底桩竖向承载力比传统等径单桩提高36 %～50 %以上,承载能力大小相同，扩底桩比等径桩少用混凝土27 %～36 %以上，特殊地方的地质承载力能达到提高100 %,将扩底桩应用于较好地质层作为持力层效果会更好。扩底桩的优点是传统摩擦桩无法与之相比的[5-7]。

图3 等径成孔

图4 泥浆制备

图5 扩底钻头检

图6 扩底成孔

3 扩底桩施工质量控制

钻孔扩底桩具有单桩承载力高、沉降量小、抗震性能好，费用低等优点[8]，但由于扩底部分隐蔽性强，检测较为困难，因此施工过程中质量控制有一定的难度。

(1)在成孔开始前应做好充分的准备工作，需对钻头进行检查确认。混凝土浇筑应一次性完成，为防止孔壁周围的土质发生物理变化，应做好记录；同时应做好渣样留存工作。

(2)钻进过程中设专人记录泥浆比重、黏度、含砂率、钻进速度、进尺速度及地质特征等参数，同时应对各地层钻进异常情况进行描述，终孔时记录泥浆性能参数、孔深、提钻时间等，记录应及时、准确、清晰。

(3)扩底成孔时，应分两次成孔。第一次用等径钻头钻至桩底设计标高，将钻头提出孔外，换上扩底直径能收缩的魔力铲斗，通过钻杆将扩底钻头下送到孔底，进行第二次扩底成孔，直至满足桩底设计要求[9]。随着钻进深度增加，钻斗的升降速度应适度减小。

(4)地面测量魔力铲斗行程时一定要仔细准确。施工中扩底桩径、扩底及清孔时间、泥浆指标、沉淀、孔深等参数由质量员全程监控，检查验收；并上报监理等单位进行复查[10]。

(5)当发生钻进困难，每次进尺深度太小，斗内钻渣太少时，可采用切削角较大的钻头，或先采用直径较小的筒形齿状钻斗钻一小孔，然后再用正常直径钻斗扩孔钻进。

(6)混凝土灌注时，应重点控制扩底段的灌注速度，防止因灌注速度过快，混凝土对护壁扰动过大而坍塌。

4 施工质量结果验证

通过对施工成孔质量，混凝土灌注后桩基础完整性检测来复核工程施工质量，检测结果满足预期目标。检测过程见图7、图8。

图7 成孔超声检测

图8 成孔检测结果

5 结论

(1)旋挖钻机施工具有的优点是成孔速度快，环境污染小，施工方便快捷，通常情况下仅需几个小时便可成孔，是传统钻孔机械施工速率的几倍以上。

(2)尽管旋挖钻机施工前期需要更高的投资成本，但是在某些地质状况下考虑到其他因素的成本，最终总的经济效益具有较大的优势。

(3)对于工程桥梁地质情况，采用旋挖钻机钻孔施工技术，不仅能保证施工的质量，而且能够缩短施工时间，扩孔率小，有效地控制了混凝土的超方现象。通过成孔孔形检测及桩基础超声检测，孔形及桩身质量均达到预期要求，其中桩身完整性检测中，达到I类桩为100 %，从施工进度、成本控制、质量保证及环境控制等方面得到监理、建设单位及社会的一致好评。