沙漠腹地深层桩基施工技术

王盛兴，张晓良，王宏刚

（中交二公局第六工程有限公司，陕西 西安 714000）

1 工程概况

1.1 概述

乌玛公路跨迎闫路分离式立交桥地处腾格里沙漠腹地，气候条件恶劣，地质条件差。桥位处地质勘察资料显示，桥梁位置地质情况从上到下分别为细砂（厚38.7m）、粉质黏土（厚1.3m）、强风化泥质砂岩，桩基设计为摩擦桩。细砂层厚度达30m以上，由于砂层无内聚力，其稳定性靠内摩阻力来保持，因此稳定性较差、土质黏结性差，钻孔过程中极易出现塌孔、扩孔、卡钻、沉淀速度快，清孔耗时长，成孔风险高，成桩易形成夹砂等现象，与一般地质条件下的泥浆护壁钻孔灌注桩成孔工艺有很大的不同之处。

1.2 地质情况

根据工程地质调绘成果，该项目A8～A10标段路线依次穿越黄河冲积平原、剥蚀平原、固定沙地、平沙地、流动沙丘、平沙地、山前洪积平原等微地貌平原。

2 工艺原理

通过对桥梁附近风积沙试验数据分析，细砂层最大干密度为1.666g/cm3，颗粒直径小于0.075mm含量占20%，这将会造成泥浆中的细砂不可避免地沉淀至孔底，造成沉淀厚度严重超标（部分可达6～8m）；因该地层含砂量较大，在钻进过程中泥浆裹砂较多，在之后的清孔过程中，砂子很难通过沉淀与浆液分离。本标段地质结构层为细砂层，厚度达几十米。针对沙漠腹地特殊地质构造，采用水夯固结沙层，地表换填黏土形成稳定的平台，使用ZX-100型泥浆分离器，配合自行加工的钢制泥浆箱对孔内泥浆进行循环、分离净化、混合型泥浆壁等方法，以解决沙漠腹地细砂层地质桩基施工中容易出现的塌孔、沉渣清理、泥浆外渗等问题，确保桩基施工质量（见图1）。

图1 水沉法固结沙层

3 施工准备

3.1 现场施工人员组织机构

现场施工人员组织如表1所示。

表1 现场施工人员组织

3.2 主要机械设备

主要机械设备配备如表2所示。

表2 机械设备配备一览表

3.3 钻孔平台

采用水沉固结沙层，在桩顶换填不小于2m黏土层，对桩位进行水沉，使其形成足够的持力层，确保钻孔平台四周稳定。利用装载机、平地机、压路机等机械进行碾压，形成稳定的施工平台，防止钻孔过程中钻机失稳发生安全事故，影响工程质量。

3.4 泥浆池系统设置

在桩位旁就近开挖泥浆池。泥浆池尺寸为13m×5m×2.2m，容积为143m3；沉淀池采用10mm厚钢板焊制而成，尺寸为8m×6m×2.5m，容量120m3。为有效提高泥浆重复使用率，避免资源浪费，防止污染环境，抽出的泥浆通过沉淀池沉淀、淘渣后，可重复使用。

3.5 护筒埋设

护筒材质为10mm厚钢板，其内径比桩径大40cm，长度4m，并插入设计桩顶标高以下50cm，确保桩头完整，成为护筒桩。在孔底及护筒四周回填并夯实不小于50cm黏土后再下放钢护筒，以避免护筒底口处渗漏塌方、防止地面水渗入，保证护筒稳固。护筒顶面高出地面不小于0.3m。

4 钻孔

（1）开钻后直接投入黏土，用冲击锤小冲程反复冲击造浆开孔，使初成孔的孔壁坚实、竖直、圆顺，起到导向作用。待钻进深度超过钻头全高加冲程后，进行正常冲击。在风积沙层冲击时，采用0.8m冲程冲击，到达强风化泥质砂岩层时采用0.5m小冲程冲击。在钻进过程中，保持孔内水位并低于护筒顶面30cm左右，钻进过程中控制泥浆比重在1.2～1.4，黏度22～30Pa·s，钻进过程中，随时测定泥浆性能并及时调整，掏渣后及时补水。钻孔过程中，勤捞泥浆池沉渣，运至弃土场堆放。（2）钻孔施工中，每进尺1～2m时取渣一次，每次取3～4筒，或取至泥浆内含渣量显著减少，无粗颗粒，相对密度恢复正常为止。取渣后应及时向孔内添加泥浆以维护水头高度。掏渣时，检查并保存土层渣样，记录土层变化情况，遇地质情况与设计发生差异及时报设计及监理单位，研究处理措施后继续施工。（3）钻孔作业应连续进行，因故停钻时，必须将钻头提离孔底5m以上以防止坍孔埋钻。在取渣后或因其他原因停钻后再次开钻，应做好钻孔记录，由低冲程逐渐加大到正常冲程以免卡钻。

5 成孔检查

钻孔完成后利用TS-K100超声波成孔检测仪与检孔器检双控的方式，检测孔深、孔径、孔倾斜度、孔壁状况、沉渣厚度等。将检孔器吊入钻孔内上下两次，检查孔是否合格，合格后进行清孔；检孔器下放前，需上下缓慢活动钻头，来回扫射孔壁，并持续注浆循环，确保桩顶范围孔壁密实、稳定。钢丝绳无明显晃动，说明孔形、孔径、倾斜率满足要求，然后再进行清孔（见图2、图3）。

图2 成孔检测

图3 泥浆分离器滤沙

6 一次清孔

当钻孔完成后停止钻进，静置2～3h，使泥浆中的砂子沉淀至孔底，采用淘渣筒淘渣4～5筒，再配合ZX-100型泥浆分离器循环清孔作业，采用该方法后获取的相关技术参数如下：（1）直径1.4m桩基，冲击钻孔用时约3d，一次清孔3～6h；直径1.8m桩基，冲击钻孔用时约5d，一次清孔6～10h；钻进过程泥浆比重为1.2～1.4，清孔后泥浆比重为1.05～1.15，含砂率为0.5～2%。（2）一次清孔尽量将含砂率控制在1%以下，以免悬浮在泥浆内的细砂，在后期下放钢筋笼过程中迅速沉淀至孔底，造成沉淀厚度超标。（3）钢筋笼加工与制作、骨架的运输与钢筋笼安装、浇筑水下混凝土与常规工艺基本一致，建议二次清孔泥浆比重控制在1.05～1.15，能取得较好的护壁效果。

7 质量控制要点

（1）在混凝土灌注接近距桩顶约4m（含1m超灌高度）时，需采用水车插入水管，加压，用水稀释泥浆或冲散泥块，以便减少孔口压力，使混凝土好上翻。（2）混凝土灌注完毕，待混凝土达到初凝状态，方可拔出护筒。（3）混凝土灌注接近桩顶时，确保导管埋深处于2～6m，上下提升导管应遵循“慢提快放”原则，且上下活动导管不得过于频繁。（4）清孔过程中严格控制泥浆比重、黏度及含砂率等指标，确保孔壁稳定。（5）在确保混凝土具有良好的和易性及流动性等前提下，在砼灌注到距离桩顶4～6m（含超灌高度）时，更换大料斗，导管埋深控制在2～3m，按照封底工艺进行大方量一次灌入至桩顶。（6）提卸导管时应小幅振动，以免带出混凝土，导致孔壁脱落，使桩身夹泥，形成包砂现象。（7）当钻孔完成后，停止钻进，静置2～3h，使泥浆中的砂子沉淀至孔底，采用淘渣筒配合ZX-100型泥浆分离器，对孔内泥浆进行分离净化。（8）钻孔施工中，每进尺1～2m时取渣一次，每次取3～4筒（开孔阶段，孔深不足4～5m，不宜淘渣，应尽量使钻渣挤入孔壁），或取至泥浆内含渣量显著减少，无粗颗粒，相对密度恢复正常为止。（9）及时排除废弃泥浆，勤捞沉淀池中的沉渣，不断补充优质泥浆，以此缩短清孔时间。（10）对钻头磨损部分及时进行补焊修复。（11）采用不同直径钻头，分级扩孔，初次小直径钻进时，冲尘宜小不宜大，缓慢穿过，以免扰动孔壁，引起塌孔、扩孔、卡钻等事故。

8 结束语

（1）采用ZX-100型泥浆分离器，配合钢制泥浆箱对孔内泥浆进行分离净化，混合型泥浆护壁等方法，成功解决了沙漠腹地细砂层地质桩基施工中容易出现塌孔、沉淀厚度超标、清孔耗时长、砂率不降反升等难题，有效避免了桩孔坍塌的风险，提高了一次成孔成桩的效率；（2）虽然采用该工艺施工的78根桩基历时150d完成，但与处于相近地质条件下桩基施工质量相比，优势明显，成桩质量优良，I桩比例达98.7%；（3）采用浆护壁冲击钻钻孔灌注桩施工工艺，不仅保证了工程施工质量，同时大大提高了一次性成孔成桩的效率，避免了巨大的经济损失，节省了桩基因返工造成的工期损失，取得了良好的经济效益。