中风化岩层地质条件下的旋挖扩底钻孔灌注桩施工技术

陈冬泉

中亿丰建设集团股份有限公司 江苏 苏州 215131

当下，人工挖孔灌注桩以及传统钻孔灌注桩施工机械已不能满足现场施工要求，而旋挖成孔作为新的成桩工艺，近年来凭借自身的优势在桩基施工中广泛应用。旋挖成孔优先采用干作业施工，但遇到复杂土层时，由于成孔较困难，故容易产生机械和质量问题[1-6]。为保证施工工期以及成孔质量，对旋挖成孔灌注桩（扩底）干作业施工在中风化砂岩土层中的技术可行性进行分析，并通过具体实例证实旋挖干作业成孔技术能够在中风化砂岩土层的灌注桩施工中成功应用。

1 案例概况

1.1 工程简述

新建南京航空航天大学留学生与外国专家楼项目建筑面积55 413.1 m2，桩基采用φ800 mm钻孔灌注桩，桩端持力层为④2层中风化粉砂岩，桩深进入持力层2.4 m。桩端持力层部位采取扩底，扩大头直径为1.4 m。

1.2 地质概况

根据勘察报告中岩土体岩性、结构、成因类型、埋藏分布特征及其物理力学性质指标，将勘探钻孔深度范围内涉及的土层划分为4个地质层（杂填土层、素填土层、粉质黏土层、泥质砂岩层）。泥质砂岩为中等风化岩层，岩石饱和单轴抗压强度为12.99 MPa。

2 旋挖钻机选用可行性分析

2.1 旋挖钻机适用范围

旋挖钻机采用多层伸缩式钻杆结构，配备旋挖钻头进行干挖作业，并配备扩大头钻具，可在孔底进行扩孔作业，也可以配备回转钻头进行湿作业。旋挖钻机适合黏性土、强风化砂岩等各种地质土层的灌注桩成孔施工。本工程桩深范围内涉及中风化泥质砂岩土层，需选配合适的岩石钻头进行分级钻进施工。

2.2 土层地质性能分析

1）桩身上层土体为杂填土层、素填土层。该部分土体比较松散，密实度比较差，成孔后的孔壁容易坍塌，采用干作业施工时需采取技术措施，如在钻孔前先将松散的土体压实、换填黏性土或者采用埋设护筒的方式，防止孔壁坍塌。

2）中间部分的土层为粉质黏土层。该部分土体塑性指数高，成孔后的孔壁稳定性好，无需护筒或者泥浆护壁，适合采用旋挖钻机施工。

3）桩身下层土体为强风化岩层和中风化岩层。随深度加深，该部分岩层强度逐渐增大，钻进难度也会增大，因此需要选择合适的岩石钻头。该岩层的孔壁土体稳定性尚可，在几种钻头配合使用下可以采用旋挖钻机施工。

根据项目工期及设计要求，在深入了解工地现场的土层地质条件及地下水文情况后，一致认为旋挖钻机是最满足本工程灌注桩施工条件的施工机械。

3 钻头选用可行性分析

经过对案例工程地质情况的分析以及常用旋挖钻机钻头的对比分析，认为在杂填土、素填土、粉质黏土及强风化岩层中应配备体开式岩石钻头，在中风化岩层中应配备截齿筒钻，而遇到钻进困难时则更换成嵌岩筒钻配合进行分级钻进，桩底扩孔则选用锥形螺旋钻头[7-11]。

3.1 体开式岩石钻头

体开式岩石钻头为开口型钻头，钻进时两瓣筒体闭合，提钻后通过反转，两瓣筒体打开，筒体和底板连为一体，切削具为铲式斗齿。该钻头钻进速度快、施工方便、效率高，适用于填土层、粉质黏土层及黏性土层，可用于本工程强风化岩层以上的土层钻孔施工。

3.2 截齿筒钻

截齿筒钻底板上带截齿，属于岩钻（岩石钻头），用于坚硬基岩和大漂石层，适用于本工程强风化及中风化岩层的钻孔施工。

3.3 嵌岩筒钻

嵌岩筒钻亦属于岩钻，主要作用是对桩孔内较硬的岩石层进行松动，只能切、削和松动岩体，没有底板环状筒体，也没有取土功能，适用于较硬的岩石土层，可用于本工程中风化岩层的钻孔施工。

3.4 锥形螺旋钻头（扩底使用）

锥形螺旋钻头分上开式和下开式2种形式，用于土层、强风化岩层、中风化岩层及坚硬基岩土层，扩底结束后再用清渣桶清渣。该钻头可用于本工程灌注桩桩底中风化岩层的扩大头扩孔施工。

4 旋挖干作业条件分析

4.1 成孔方式

旋挖钻孔灌注桩成孔方式分为干作业旋挖成孔和湿作业（泥浆护壁）旋挖成孔。旋挖成孔若采用干作业施工，则不需要配制泥浆护壁，不仅减少了施工工序，节约了机械和人力，降低了施工成本，而且场地不用设置泥浆池及其循环系统，有利于环境保护和现场安全文明施工。套管成孔、机动洛阳铲成孔及爆破成孔虽然也是干作业，但属于非常规的成孔方式，考虑环保因素，城市内的建筑工程不适用，因此本文不作分析。

4.2 土层地质性能适用性分析

本工程杂填土层、素填土层的厚度为0.7～6.3 m；勘探揭示的粉质黏土层和强风化、中风化岩层最大厚度为26.4 m，其中勘探揭示的中风化岩层最大厚度为15.0 m。

1）素填土层和杂填土层孔壁稳定性差，易出现坍孔现象，干作业钻孔施工时需配备长度不等的钢护筒。

2）粉质黏土层塑性较好，具备干作业施工条件。

3）泥质砂岩（强风化）土层呈砂土状，且塑性较好，满足干作业施工条件。

4）破碎状泥质砂岩（中等风化）土层岩质偏软，塑性较好，满足干作业施工条件。

5）泥质砂岩（中等风化）岩体呈泥砂质结构，属软岩，且塑性较好，满足干作业施工条件。其抗压强度相对于高强度的岩石层并不高，但进入该土层时钻进速度需要放慢，钻进困难时可更换成嵌岩筒钻配合进行分级钻进。

4.3 地下水文情况分析

1）场地内杂填土层、素填土层中的含水介质为黏性土，但其渗透性差、含水量少，适合采用旋挖钻机干作业成孔施工。

2）粉质黏土层渗透性差、含水量少，适合采用旋挖钻机干作业成孔施工。

3）强风化、中风化岩层裂隙中存有基岩裂隙水，但是富水性和透水性低，连通性差，适合采用旋挖钻机干作业成孔施工。

综上分析，工程现场地下水文情况满足旋挖钻机干作业成孔施工条件。

5 干作业施工工艺

5.1 钻机、钻头选择

根据业主工期要求、工程地质土层情况及设计图纸，本工程灌注桩选择采用旋挖钻机成孔干作业施工工艺。根据工程量及合同工期要求，采用山河智能SWDM25旋挖钻机（该旋挖钻机最大钻孔直径1 800～2 500 mm，输出扭矩201～300 kN，最大钻孔深度75～58 m）及配套的体开式岩石钻头、截齿筒钻和嵌岩筒钻配合施工，桩底扩孔选用锥形螺旋钻头及清渣桶。

5.2 施工工序

场地平整、换填土方、压实→钻机进场安装调试、验收→轴线及桩位测放→桩位复查→钻机就位、旋挖、出土→桩底扩孔→清渣→桩孔验收→桩孔内放入钢筋笼→安装混凝土导管→浇筑灌注桩混凝土→拔出钢护筒→混凝土养护、验收

5.3 钻进成孔

1）钻机就位。旋挖钻机进场、组装完成后，根据桩位进行轴线测放，桩位复查验收合格后使旋挖钻机就位，并调整姿态。

2）垂直度控制。在旋挖钻进施工过程中严格控制桅杆的垂直度，加强监测，一旦出现偏移，应及时予以调整、纠正。

3）护筒埋设。为防止坍孔，保证成孔质量，在回填土深度范围内放置护筒。钢护筒压入土体时需保持垂直。

4）钻进成孔。根据地质情况控制旋挖速度，在容易发生坍孔、颈缩的杂填土层施工时，应适当增加钻头上下钻孔的次数，以固结孔壁土体。在穿越软塑或硬塑土层时，适当加快旋挖钻进的速度，以提高工效。在进入中风化硬质土层时，要减慢钻孔速度，若钻进困难，则需更换成嵌岩筒钻配合施工。

5）岩面判定。根据钻机在钻孔过程中的实际土样，判定是否进入中风化岩层。实际施工过程中可依据地勘报告所揭示的岩土深度高程与实际出土的土样进行比较，作出初步判定。

6）坍孔处理。坍孔时，可以采用换填黏性土并进行压实的方案，也可以采用埋设钢护筒的方案。

7）扩孔、清底。本工程中风化以下的泥岩及黏土层等在负角情况下能够自稳，因此该部分的地层适合采用扩孔施工。在钻进至设计桩底标高后，更换成锥形螺旋扩大头钻头进行钻进施工，并采用清渣桶清除桩底渣土。完成后采用井径仪测量孔径尺寸，成孔数据需满足设计及施工验收标准要求。

6 分析与建议

6.1 选择旋挖钻机施工的理由

1）施工效率高：本工程的施工记录数据显示，旋挖钻机成孔时间大约是传统钻孔桩机的一半，钻进效率高，有利于加快进度，保证工期。

2）有利于降本增效：由于旋挖钻机干作业对土质要求高，一般需要采用换填或者钢护筒的措施，所以坍孔现象控制得好，混凝土充盈系数比非旋挖钻机干作业的灌注桩要低很多，能够节约大量的混凝土，降低了工程成本，为企业增加效益。

3）有利于安全文明施工：南京地区雨季时间较长，下雨后场地较为泥泞，旋挖钻机相比其他方式成孔的灌注桩机械，在场地内移动便利；同时，旋挖钻机施工受天气影响不大，施工过程中没有大量泥浆需要处理，方便现场环境的管理。

6.2 选择旋挖钻机施工的建议

1）中风化砂岩层抗压强度高于强风化砂岩层，进入该土层时需放慢钻进速度，可以更换成岩钻并采用分级钻进的方案。

2）干作业施工要求地下土层含水量少、渗透性差，否则需选择泥浆护壁湿作业施工。

3）遇到较厚的杂填土层、素填土层、粉土层及砂土层等孔壁稳定性较差的土层时，需要采用护筒护壁，遇到成孔困难及较复杂土层时建议慎选。

4）旋挖钻机在施工过程中遇黏土时易糊钻，建议选用体开式钻头，以便于卸土。

5）桩底土层自稳性较差时，不建议采用桩底扩孔施工。

7 结语

旋挖成孔施工工艺复杂，对土层地质条件要求高，因此并不是所有的土层都可以采用旋挖成孔干作业施工。旋挖成孔工艺虽然具有施工效率高、有利于降本增效和安全文明施工等优势，但也有自身的缺陷和不足，需要我们进一步研究和探索，不断加以改进和完善。