高边坡上大直径嵌岩钻孔灌注桩施工技术

缪绍勇

上海市基础工程集团有限公司 上海 200002

旋挖钻孔工艺是一种先进的钻孔灌注桩施工技术，具有施工速度快、适用范围大、设备操作灵活等优点。近年来，采用旋挖工艺进行钻孔灌注桩的施工被广泛应用于全国各地。随着工程装备制造技术的进步，旋挖钻孔桩机的施工能力得到了极大的提高，向着大直径、超深、嵌岩的方向发展，可施工的桩径已超过3 m，桩深超过100 m，其适用的土层也从各类软土扩展到微风化硬岩。

在中山大学深圳校区建设工程项目中，综合服务大楼基坑采用直径2.5 m的大直径嵌岩桩作为支护桩。由于施工作业面位于山体高边坡的一处台阶平台上，一面是30 m高的山体，另一面距离现状地面有21 m的高差，最小宽度仅10 m，场地条件复杂，与常规地面施工相比，施工难度大。

1 工程概况

1.1 设计概况

支护桩设计桩径为2 500 mm，间距3 500 mm，桩底进入中风化花岗岩不小于6 m或者嵌固深度30 m（总长度约46 m），桩顶标高＋52.0 m，数量44根，采用水下C30混凝土浇筑，支护桩纵向主筋采用60φ32 mm，加强箍筋采用φ20 mm@2 000 mm，加强筋（三角筋）采用φ20 mm@2 000 mm，螺旋筋（箍筋）采用φ12 mm@120 mm，保护层厚度为70 mm（图1）。

图1 设计概况示意

1.2 地质、水文概况

由于是在山体上施工，支护桩施工主要涉及的土层为全风化混合花岗岩、强风化混合花岗岩（土状）、强风化混合花岗岩（块状）、中风化混合花岗岩。典型地质剖面见图2。涉及主要地下水为基岩裂隙水，主要赋存于强风化带及基岩裂隙中，其含水量、透水性、渗流主要受地层风化裂隙的发育情况控制。地下水主要受上层孔隙水、上游裂隙水侧向径流补给，基岩出露处则直接接受大气降水补给；通过蒸发、向低洼处渗流等方式排泄。地下水位在38.73～44.93 m。

1.3 场地概况

场地北侧为三级边坡，支护形式为格构梁＋锚杆（索），东、西两侧分别为二级、一级边坡（图3）。施工自上而下进行，先施工三级边坡，范围为标高52～82 m，然后再约52 m的标高处进行φ2.5 m支护桩施工，而后向下施工至场平平台标高36.3 m，而后进行基坑围护桩施工，最后进行基坑支护和开挖至标高20.5 m。

图3 场地概况平面示意

φ2.5 m支护桩桩顶标高约52 m，山脚下路面标高约31 m，施工平台处原状山体边线至支护桩侧最小距离近10 m。

2 施工方案比选

根据常规做法和当地施工经验，可以采用全回转钻机成孔、泥浆护壁旋挖机成孔、钢套筒旋挖钻机成孔和人工挖孔的方法进行成孔。对几种施工方案进行梳理，其对比情况如下（表1）：

经过对比，结合工程实际情况，最终确定支护桩采用泥浆护壁旋挖工艺成孔。

3 施工难点及应对措施

3.1 桩径大，成孔深，入岩厚

3.1.1 特点、难点分析

支护桩桩径为2.5 m，属于大直径桩。设计深度为入坑底中风化6 m或者嵌固30 m。根据桩顶标高52 m和基坑底标高20.5 m，推算支护桩底标高为－14.5～－9.5 m，成孔深度最大超过60 m。根据超前钻勘察报告，施工区域东侧揭示岩面标高为30.4 m，因此其最大入岩深度16 m。桩径大、成孔深、入岩厚，且不排除涉及微风化岩层施工，这样的旋挖钻孔灌注桩施工难度大，成孔周期长，对旋挖设备的性能要求非常高。

表1 施工方案对比

3.1.2 应对措施

1）为适应桩径大、成孔深和入岩厚的特点，使用先进的大型旋挖桩机宝峨BG46F型及中车550型旋挖机进行成孔施工。

2）为确保良好的护壁效果，在施工前进行护壁泥浆材料的试配及室内性能试验，施工过程中动态监控泥浆护壁情况，实时调控泥浆配比，保证孔壁的稳定性。

3）考虑到土层中粉砂含量较高，采取改变振动筛筛网结构、除砂机、增设旋流器分离等措施，提高较大颗粒泥沙、垃圾和细微砂粒的分离效率，以确保泥浆质量。

3.2 场地狭小、高差大

3.2.1 特点、难点分析

支护桩作业平台标高约52 m，地面标高约31 m，高差较大，大型旋挖机、吊机等设备就位需要爬坡，存在较大的困难；作业平台原状山体土最窄处宽度仅10 m，难以满足设备作业和布置泥浆循环系统的场地要求；大型旋挖桩机自重大，在高边坡上作业和行走存在极大的安全风险。

3.2.2 应对措施

1）施工道路爬坡段宽不小于8 m，道路采用厚30 cm的C30混凝土进行硬化，坡度不大于1∶6，确保满足施工设备交通需求；在52 m平台四周填土，形成宽约30 m的平台，确保满足设备站位和泥浆箱放置空间的要求。利用边坡计算软件进行边坡稳定性分析、验算，确保边坡在施工荷载满荷情况下的安全、稳定（图4）。

图4 临时道路及作业平台布置剖面示意

2）在回填区域打设2排直径32 mm的锚杆，打入角度45°，锚杆长度为12 m，间距4 m，增加回填区域的抗滑移能力。

3）对平台处临时道路区域采用厚30 cm的C30钢筋混凝土硬化，配置φ18 mm@300 mm双向钢筋，提高施工平台的地基承载力。

4）由于回填后土方地基承载力较低，而施工机械荷载达到230 t，为避免局部地面沉陷，在支护桩施工设备的施工范围内铺设路基箱分散压力。

5）加强现场施工管理，避免旋挖机等大型超重设备停留在填方区域。

6）对临时边坡采取挂网喷射混凝土进行坡面封闭处理，同时设置挡水墙、排水沟，确保施工期间雨水不渗透至填方区。

7）加强施工监测，在临时边坡周边按20～30 m的间距布置1个水平、竖向位移监测点，同时加强边坡监测和日常巡检。

4 施工方案

4.1 施工工艺流程

清理场地→测量放样→埋设护筒→钻机就位→钻孔→检孔→清孔→钢筋笼吊装→安放导管→检查孔底沉淀（二次清孔）→灌注水下混凝土→覆盖护筒→打下一个桩

4.2 施工质量控制要点

4.2.1 泥浆制备与控制

因钻机施工中泥浆有防止孔壁坍塌、抑制地下水、悬浮钻渣等作用，为此，泥浆是保证孔壁稳定的重要因素。根据现场试验数据结合地区经验，泥浆主要指标见表2。

表2 泥浆主要指标

为满足成孔要求，如部分区域施工，自然造浆无法满足施工需要时，可选用优质膨润土人工造浆，新造泥浆需静置膨胀24 h以上方可使用。施工过程中需根据实测泥浆指标及时抽除废浆，补充新浆。

施工过程中随时检测清孔后灌注混凝土时泥浆的各项性能指标，确保泥浆对孔壁的撑护作用，避免发生坍孔现象。同时，考虑到护壁泥浆有可能在土层中向边坡滑动面渗漏，导致边坡的抗滑力减小而产生安全隐患。在成孔过程中额外采用地质雷达探测仪对边坡滑动面进行扫描，探测地下水位是否存在非正常上升的情况，提前预判风险。

4.2.2 成孔控制

1）在钢护筒埋设以及钻头对中复核后，旋挖钻机开始钻进。

2）根据地质柱状图掌握钻进标高判断，当钻进松软粉细砂层时钻头应坚持“三慢”原则，即转速慢、提钻慢、放钻慢。通过上述措施为孔壁泥皮形成创造有利条件，当钻进砾岩层出现打滑不进齿的情况时，应及时更换钻头或改变操作方式，应放慢钻进速度，且密切关注泥浆液位。

3）钻孔过程中随时注意地层变化，在土层变化处捞取钻渣，判断土层，记录成孔过程并与地质柱状图进行核对。操作人员必须认真贯彻执行岗位责任制，随时填写成孔施工记录，交接班时应详细交代本班钻进情况及下一班需注意的事项。

4）当钻孔进至岩层时，由于桩直径较大，采取更换钻头分次进行套钻的方式，并根据岩层强度分3次进行成孔（图5）。

图5 岩层更换钻头示意

4.2.3 水下混凝土浇筑

1）灌注桩应采用预制混凝土，灌注前做好混凝土质量验收及坍落度测试等相关工作。

2）混凝土采用导管法水下浇灌，采用内径为32.5 cm的导管，中间节等长，每节2～3 m，配2～3节1.0～1.5 m的短管，底节长度4 m。钢导管内壁光滑、圆顺，内径一致，接口严密。导管长度按孔深和工作平台高度决定。导管接头采用螺旋丝扣型接头，设防松装置，导管使用前必须进行水密性试验，检验导管密封性能。导管安装后底口距离孔底0.5～0.8 m为宜。

3）初灌注时，先在导管中安放球胆隔水栓，隔水栓置于导管内泥浆面，初灌斗与导管连接处用锥形隔水盘封闭，混凝土倒入初灌斗后，拿出隔水盘，保证导管埋入混凝土面超过0.8 m，孔口大量返出泥浆，说明初灌成功，初灌量应达到埋管1.5 m深度，以后工序进行连续灌注作业，经计算本工程初灌量不少于10 m3。

4）混凝土灌注过程中须连续进行，导管埋入混凝土深度控制在2～6 m，严禁将导管提出混凝土灌注面，最后一次灌注量宜超灌0.8～1.0 m。

4.3 主要质量问题预防措施

4.3.1 孔斜预防措施

1）钻具要保持垂直度、刚度、同心度，钻头须具有保径装置，钻机就位必须准确平稳，确保机座处在稳固的地坪上。开钻前，为防止钻孔倾斜，首先钻机在轨上移行就位后，调整钻机转盘的水平位置，保持钻塔天车转盘中心、桩孔中心在同一铅垂线上。

2）由于钻孔深度较深，开孔时大钩必须吊紧，保持泥浆泵量、轻压慢转，钻头在吊紧状态下钻进，确保开孔垂直度。

3）桩基成孔深度较大，施工过程中，定期利用水平管或水准仪校核转盘、钻机水平，发现钻机倾斜时及时采取纠正措施。

4.3.2 防止坍孔措施

桩基施工过程中一旦发生坍孔，轻则影响成孔进度，严重时直接影响工程质量和整个工程的进度，给工程带来巨大的经济损失。施工时采取如下措施防止坍孔：

1）为防止相邻孔施工过程中的泥浆串孔，需合理安排施工顺序，采用跳打施工，跳孔间距按2根桩控制，确保相邻桩施工间距4倍桩径以上或间隔36 h以上。

2）按照既定的泥浆参数，配置浆液，同时施工过程中做好泥浆比重测试和记录，对数据进行对比和分析，确保不坍孔。

3）在不同的地层采用合理的转速和转压，进入岩层时，适当减小钻速，减少由此对孔壁稳定性产生的影响。

4）为防止因水头压力不足而导致的孔壁失稳坍塌，施工过程中应控制筒内水头不低于地表。

4.3.3 颈缩和糊钻的预防措施

在钻进时，易发生颈缩、糊钻现象，为保证钻头的有效直径满足设计要求，采取以下预防措施：

1）改进钻头结构：调整刀具的角度、高度，提高钻头的切削、排渣能力，从而提高钻进效率，缩短成孔周期。

2）根据现场施工总结经验，在保证孔壁稳定的前提下，在易糊钻的地层钻进时，调整泥浆性能、钻进参数等以减少糊钻。

3）改进钻进操作方法，可以采取每钻完一根钻杆，上下串拉和重新扫孔的方式防止缩径。

4）在易颈缩的地层中钻进时，可适当提高水头高度以及增大泥浆的黏度和相对密度的方法来增加泥浆对孔壁的压力，减少颈缩。

5 施工效果

施工期间为雨季（6～8月份），是高边坡施工的高风险期，通过对临时平台采取面层硬化封闭、砌临时挡水墙、设置排水沟等有效的截排水措施，除了对临时平台周边进行常规的沉降、水平位移监测，还采用地质雷达探测仪对平台内部地下水位情况进行探测。监测数据显示：边坡区域最大累计水平位移3.0 mm，最大累计竖向位移1.7 mm，采用大型设备泥浆护壁成孔工艺施工对边坡安全未产生影响。

大直径支护桩采用大型设备和旋挖钻孔工艺，平均工效达到1.5根/d。支护桩成孔过程中需穿越全风化土状、强风化、中风化花岗岩等多类地层，过程中严格控制护壁泥浆的比重、黏度等指标，在确保孔壁安全的同时，亦保证避免泥浆离析，使泥浆水分通过护壁渗透至临时施工平台内而产生安全隐患，采用成熟的泥浆成孔、水下混凝土灌注工艺，桩身检测质量均符合设计、规范要求[1-2]。在基坑开挖后对支护桩进行外观检查，整体桩位偏差、垂直度均满足要求，也未存在坍孔、颈缩等质量缺陷。

通过对支护桩施工安全、质量、工期等方面的综合分析，施工成果达到预期效果，本工程高边坡场地条线下采用大型设备泥浆护壁旋挖成孔工艺为最优方案。

6 结语

大直径嵌岩桩的施工方案，往往需要经过设计、工况、工期、造价等方面综合考虑、对比，最终达到安全可靠，经济合理的目的[3-5]。同时本文结合工程实践，对场地环境复杂、施工条件有限的高边坡，采用泥浆护壁旋挖成孔工艺，成功地应用大型旋挖钻孔桩机施工大直径嵌岩桩，对高边坡场地处理方案、旋挖钻孔工艺质量控制和常见问题预防等方面进行了阐述，进一步拓展了旋挖钻孔工艺的适用范围，为今后类似工程提供了技术手段和参考资料。