超大桩径旋挖桩施工技术的应用研究

夏建云，赵德鹏

（华润（深圳）有限公司，广东 深圳 518000）

随着超高层建筑在我国的逐步涌现，超大直径旋挖桩因其极高的入岩能力、高效的成桩效率以及超高的承载能力，被越来越广泛地应用于各类建筑工程中。超大直径旋挖桩一般指直径＞2000mm的桩，由于成孔困难、清孔工艺复杂、混凝土浇筑量大，其施工工艺较常规旋挖桩，难度增加很多。文章以实际工程为例，通过对超前钻探调查、套管制作与埋设、泥浆护壁、钻孔施工、钢筋笼制作与安装、底部沉渣清理、混凝土浇筑等施工环节的研究，为今后大直径旋挖桩的施工提供一定的参考。

1 工程概况

万象汇广场项目桩基础设计为钻孔灌注桩，总桩数共111根，桩径分别为1200mm、1500mm、1800mm、2000mm、2200mm、2400mm、2600mm，其中Φ1200mm桩32根、Φ2400mm桩17根。

根据地质勘察报告，场地自上而下地层为杂填土、粉质黏土、砾质黏土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩。钻孔桩设计要求：桩端进入中风化花岗岩≥2m，当中风化花岗岩厚度＜2m时，则入微风化花岗岩≥50cm。微风化花岗岩抗压强度可达120MPa。钻孔灌注桩均采用旋挖钻机施工，平均钻孔深度为40m，最大钻孔深度为42.9m。

2 研究对象及研究内容

以旋挖桩标准施工工艺流程（见图1）为依据，以2400mm直径和1200mm直径旋挖桩为研究对象，对两种桩直径旋挖桩施工工艺的关键环节进行了分析比较。结合超大直径旋挖桩施工的重难点，重点关注以下环节：工程地质及水文地质条件；钻孔及护壁技术；二次孔清理技术；钢筋笼制造、安装；大方量混凝土浇筑的导管、料斗的选择；检测试验；桩孔坍塌、缩颈和断桩等质量事故的预防和处理。

3 超大桩径旋挖桩关键工序施工技术

3.1 大直径钢护筒的制作与埋设

对于灌注桩而言，桩顶护筒的设置意义重大，直接影响桩位控制，起到防止上部填土坍塌、减少孔底沉渣的作用。所以，钢护筒的制作及埋设，是灌注桩施工质量控制的首要环节。

图1 旋挖桩施工工艺流程图

普通直径旋挖桩护筒（1200mm桩径）：采用6mm厚钢板制作，无须设置加劲肋；自重0.6～0.8t，溢流口在护筒顶部200mm处开设1个；利用普通挖机挖坑埋设及拔出，无须加固。

大直径旋挖桩护筒（2400mm桩径）：该实例工程采用厚度＞10mm的钢板制作。焊接了2个“U”形吊环，护筒直径比设计桩径大100～200mm。护筒单段长度为3m，采用多段焊接加长的方法，保证顺利通过松散土层，最大护筒长度为6m。钢护筒采用钻孔埋设法，保证了钢护筒埋设的稳定性。对于直径为2400mm的桩基，钢护筒最大直径为2600mm。待钻具与中心对中准确后，用Φ2400mm钻头与桩位对中，先钻进3m，再用铰刀在上部2m范围内将孔径扩大至2600mm，然后放置钢护筒，预留1m土在下部分层固定和调整套管。

3.2 超大直径旋挖桩泥浆护壁工艺

泥浆护壁是将一定比例和稠度的泥浆灌入桩孔，在旋转钻头的离心作用下，泥浆中的一部分胶体渗入孔壁周围的土壤和岩体之间的间隙，形成凝胶，固定土壤颗粒；同时，泥浆中的另一部分胶体将在孔壁周围形成一层泥皮，对孔壁土体起到一定的支撑作用，并阻止孔内自由水向孔外渗流。当钻孔内泥浆液面高度大于孔外地下水位高度时，形成由孔内向孔外的压差，能有效约束孔壁土体，阻止孔壁土体向孔内应力扩散，防止孔壁坍塌。

普通直径旋挖桩的浆体制备通常是由场地中的黏性土和水混合而成，就经济性而言，一般不使用化学泥浆。由于桩径大、截面大，超大直径旋挖桩在钻孔阶段对土体扰动较大，大直径孔壁环拱效应弱，自稳性差，更容易引起缩孔、坍塌事故。因此，对泥浆的比重、稠度等组分要求特别高。

普通直径旋挖桩所需泥浆较少，在施工过程中，只需在桩位旁开挖一个10m3以上的小泥浆池即可满足需要，而且普通直径旋挖桩易造浆，成本低，泥浆回收利用率低，一般不设泥浆回收净化系统。

3.3 超大桩径旋挖桩钻孔施工

（1）土层段钻进。根据勘察报告，为控制上部土层的孔壁坍塌程度，提高钻进效率，对于2400mm直径的超大桩径灌注桩，采用二次钻进成孔工艺。一次钻进采用Φ1800mm截齿钻斗，二次钻进再采用Φ2400mm截齿钻斗。由于第一次钻进过程中易受扰动的坍塌部分已发生坍塌，在钻进过程中除调整泥浆比重、黏度性能、保持套管内泥浆水位外，第二次按设计桩径钻进时，扰动范围小，不易坍塌，大大缩短了起下钻间隔。土层钻进中，每次起钻土体体积较大，当钻头离开孔时，提升钻头的速度应降低，避免孔内水头压力突然下降，并及时补充泥浆到孔内，保证孔内水头压力。

（2）岩层段钻进。该工程桩基持力层为中、微风化岩层，极为坚硬，为克服大断面的钻进阻力，硬岩钻进采用分级扩孔钻进施工方案：先用较小尺寸的Φ800mm镐筒钻头钻进级进岩芯，使岩石形成一个完整的自由表面；然后逐级更换牙轮筒式钻头Φ1300mm、Φ1500mm、Φ1800mm、Φ2000mm、Φ2200mm分级扩孔直至设计孔径Φ2400mm，并用捞渣斗将孔底石块和岩屑捞出。从岩石的硬度来看，扩孔级差根据岩石硬度确定，且差异稍大；随着孔径的增大，差异仍保持在200mm左右。这种小断面增量钻孔，使各岩屑的摩阻增量相对稳定，充分发挥了大扭矩旋转钻机对硬岩的钻进能力。分级扩孔钻进与大直径斗杆直接钻进相比，效率高，综合成本低。

3.4 孔底沉渣清理

孔底沉渣清理方法有很多，由于大直径桩基施工中单桩所用的泥浆量大，采用了正、负循环与泥砂分离器相结合，也采用了高性能泥浆。正循环清洗大桩径孔底沉渣约1d，工作效率低；反循环清洗约4h，清洗效果好。如果正、反循环清孔后混凝土供应不及时，孔内沉渣会再次超标，需要再次清孔，这有一定的弊端。用膨润土和活性掺料配制高性能泥浆，不仅可以提高钻井过程中井壁的稳定性，而且可以使沉淀物悬浮在絮状泥浆中而不沉淀或少沉淀，达到不二次清孔的目的。钢筋笼入仓后，下料管浇筑，混凝土浇筑前，孔底沉渣可直接灌入混凝土，减少了一道工序和降低劳动强度，提高了施工效率。桩基施工后的桩基抽芯试验结果证明，质量控制效果显著。

3.5 钢筋笼制安、导管安放、混凝土浇筑

由于钢筋笼直径、长度较大，制作、绑扎、焊接应牢固，并加设主筋保护块，保证保护层厚度；吊装过程中应采取临时加固措施，防止变形；2台焊机用于钢筋笼孔口的连接，缩短焊接时间；钢筋笼应垂直轻放，防止孔壁划伤；钢筋笼就位后，应将吊挂钢筋孔口固定，混凝土浇筑时应防止钢筋笼下沉和浮起。

由于该工程桩基孔径大，采用Φ300mm导管灌注混凝土。导管使用前进行泌水压力实验，对其密封性和连接强度进行检查，导管防水加设密封胶垫，灌注前对使用导管的长度和数量进行分配，导管长度适中，入孔前逐根记录，保证底端距孔底30～50cm。

混凝土浇筑前，测量孔底沉渣，厚度符合要求后进行浇筑。预埋管的深度和所需的混凝土体积应提前计算，确保混凝土到达现场后立即开始初浇。初浇前，现场检查混凝土标号、坍落度等，并将球罐置于浇筑导管内，防止底部混凝土离析。初浇后，球罐自动浮在顶面上，实现循环利用。为保证初浇量，初浇时采用4m3料斗，同时2辆混凝土灌车浇筑，保证导管底部埋入混凝土1m以上。

灌注过程中勤测量孔内混凝土上升高度、孔内导管长度、埋管深度、桩顶灌注标高等，控制导管埋深2～6m，防止超灌。混凝土连续浇筑，灌注中注意当混凝土进入钢筋笼一定深度后，适时提动导管，以增加对钢筋笼的埋深，保证钢筋笼不上浮，同时防止导管无法提动而造成事故。混凝土超灌高度至少比设计桩顶标高多50～100cm，浇筑过程中做好记录，并按规定制取混凝土试件。

4 总结

该工程采用超大桩径旋挖桩施工技术，方案设计科学，施工工艺合理，施工管理严格，施工效率高，工程施工质量得到保证。该项技术有广泛的推广和应用价值。