流砂地层双钢护筒旋挖桩成孔工艺开发与研究

袁 况 王 欢 陈志伟 刘振寰 唐 超 刘 雨

中建五局第三建设有限公司 湖南 长沙 410004

1 流砂地层旋挖桩桩基成孔研究现状

1.1 研究背景

我国河道纵横，流域广阔，是多水之国，河流总长度超40万 km，而我国建筑有依山而建、伴水而居的居住、生活习惯和特点。在重庆这座两江交汇的城市，建筑工程临水建设或布置于旧河道区域的现象尤为普遍。

在旧河道区域以及临水区域的流域冲积平原，通常地下水位高、地层活动频繁，造成影响建筑施工的不良流砂地层。在此种地质条件下，重庆区域的建筑工程多采用旋挖成孔灌注桩作为基础形式，其具有成孔速度快、安全系数高、自动化程度高等优点。

1.2 研究现状

在面对流砂地层时，传统处理方案多为低强度等级混凝土反压再成孔或者钢护筒辅助成孔施工工艺，在大量工程实践过程中，研究人员发现以上2种工艺现场处理较为复杂，面对突发问题的应对能力不足，容易造成工期、成本的浪费，且无法保证桩基施工质量。而新兴的自带跟进式护筒护壁旋挖钻孔施工技术又受到施工成本、设备紧缺等影响，现场难以推广应用。为解决流砂地层给旋挖桩施工带来的不良影响，王树民[1]通过分析流砂地层土应力传播特点来对施工工艺进行优化，以解决旋挖桩施工问题，崔元龙[2]、王卫平[3]、李文生[4]将旋挖桩成孔施工环节进行拆分，针对性研究、解决各环节的常见问题，提高旋挖桩成形质量。流砂地层成因复杂[5]，影响因素繁多[6]，对旋挖桩基础施工危害极大，若不及时采取针对性措施，将对旋挖桩基安全质量造成无法挽回的损失。同时，旋挖桩作为建筑根基，受到业主、监理及质监站各方关注，质量要求越来越高。在建筑市场如此严峻形式下，传统及新型工艺均无法满足现在所需的质量及经济要求。

2 项目流砂地层旋挖桩桩基成孔研究分析

2.1 工程概况以及流砂地层旋挖桩成孔问题

中建·瑜和城（二期）Ⅰ05-1/01地块项目位于重庆市巴南区李家沱王家坝路，靠近长江流域，是集住宅、商业、幼儿园于一体的综合性房建项目，住宅最大高度为98.3 m，基础形式多为旋挖桩基础。经地质勘探，项目地质条件良好，无明显地下水位及其他不良地质影响。

起初，项目基础工程采用传统机械旋挖成孔灌注桩工艺进行施工，并在施工过程中，发现有桩孔坍塌、高地下水位、泥砂反涌等现象，经参建单位研讨，采用传统处理方式（即低强度等级混凝土反压再成孔或者钢护筒辅助成孔施工工艺）进行处理。由于前期工程量小，现场反应迅速，并未发生重大的质量事故。

随着工程基础施工大面积铺开，15#楼栋第1批次桩基出现大量Ⅳ类桩基，经现场勘察，原因为流砂地层导致桩身成形质量完整性不合格。

2.2 流砂地层旋挖桩施工问题损失测算

针对本次废桩（Ⅳ类桩不满足桩基质量要求，即为废桩）现象，项目从经济方面对废桩问题成本进行测算，主要从人工机具成本、材料成本等方面进行测算，其中还未包括工期、管理及其他方面的损失。

2.2.1 人工机具成本测算

在发生废桩事故以后，首先需采用履带式旋挖机在原桩位进行破桩钻进，直至基底标高，随后按照旋挖桩基础施工工艺，重新进行桩基混凝土浇筑。上述过程中，根据破桩钻进（即二次成孔）深度、二次混凝土浇筑时间，以及旋挖桩成孔单价、工人每天的工资，可以得到废桩造成的人工机具损失。经计算，人工机具成本损失合计为55 225元。

2.2.2 材料经济损失

废桩后，原钢筋混凝土桩基需全数由机械破除，这些钢筋混凝土无法二次利用，直接导致材料浪费。根据合同单价及信息价，出站的钢筋单价为4 160元/t，C30水下混凝土单价为457元/m³。经计算，钢筋混凝土成本损失合计为37 827元。

2.2.3 其他损失

由于桩基成形质量不达标，导致工期增加，现场为了追回工期，要求劳务单位增加1台260型旋挖机，造成进场费1万元的经济损失；桩基二次成形同样需要进行桩基完整性超声波检测以及桩身钻孔检测，造成检测费用5 000元的经济损失，合计15 000元。

2.3 废桩问题原因分析

2.3.1 地质勘探报告不准确的影响

根据原始地勘报告可知，本项目并无高地下水位、流砂地层等不良地质情况。但在实际施工过程中，却频繁出现流砂地层等，分析其原因，主要有以下两点：

1）进场施工前，建设单位委托地勘单位按20 m×20 m间距进行地质勘察，由于前期地质勘测点分布较稀，地勘报告较为粗略，且未进行超前钻补勘，造成地勘与现场实际情况不符，使作业人员无法对地质情况有准确的认识。

2）项目驻地原为当地住民所承包鱼塘，蓄水深度1.2～2.0 m，时间达到10年，池水抽干后，塘底淤泥堆积，最深处达到1 m，没及人腰部，车辆、人员均无法进入，但业主单位仅采取片石换填方式进行了简单处理，为项目旋挖桩基础施工埋下隐患。

2.3.2 流砂地层旋挖桩施工难度的影响

流砂地层的形成主要与地下水动力和土层自身物理性质有关。在常规的流砂地质中，往往会发生下述情况[5]：当桩孔开挖至一定深度，孔外水高于孔内抽水后的水位，内外水压差大于地层土颗粒的浸水密度，使土粒悬浮失去稳定性而变成留洞状态，土粒随水从坑底或两侧涌入坑内，此时如果施工采取强挖，抽水愈深，土层里的动水压力就愈大，流砂就愈严重。

流砂地层具有水体不稳定、土体流动性强等特点，且常规地勘报告难以准确描述，往往需要现场施工临时进行判断，增加了基础施工的不确定性，给工程质量带来了巨大隐患。

2.3.3 传统处理方案较为落后的影响

针对不良流砂地层情况下的旋挖桩成孔施工作业，国内外常见的处理方法有低强度等级混凝土反压再成孔和钢护筒辅助成孔施工，以及新兴的自带跟进式护筒护壁旋挖钻孔施工技术。研究人员针对上述工艺的优缺点进行了逐项分析。

1）低强度等级混凝土反压再成孔工艺：此工艺通过扩大桩孔直径，利用低强度等级混凝土将桩基周边松软土体固结，旋挖桩基础二次钻进时，再利用周边混凝土形成天然护壁，可以显著减少坍孔等问题。但在面对流砂地层时，由于流砂区域空腔面积无法确定，若采用低强度等级混凝土进行反压，无法有效预估反压混凝土用量，极易使现场混凝土超量，带来巨大成本；同时，巨大的流砂地层将大量低强度等级混凝土吸纳，使得周边软弱土层无法得到充分固结，导致软弱土质仍然存在，无法消除桩基施工过程中的隐患。

2）钢护筒辅助成孔施工工艺：此工艺通过钢护筒护壁阻隔桩基周边流砂及软弱土质，具有成孔快、效果明显等特点。但由于钢护筒护壁与周边地基土体贴合不紧密，存在大量缝隙，流体状态的流砂土体可以持续从缝隙中渗入护壁内部，与桩基混凝土混合后产生大量夹杂、孔洞，导致桩基质量不达标。

3）自带跟进式护筒护壁旋挖钻孔施工技术：此工艺通过改进型自带跟进式护筒旋挖机械进行旋挖桩施工，成孔同时下方由钢护筒护壁，保证护壁与桩基深度基本同步，能够相对有效地解决流砂地层问题。但此方案需要特制的具有钢护筒驱动装置的旋挖机，造价过高，且国内保有量低，故在工程实践中难以推广应用。

2.4 废桩问题解决

为提高桩基成形质量，确保工程结构安全，有效减少废桩问题带来的经济损失，研究人员在要求地勘单位对现场地质进行详细补勘的同时，研讨并开发一项新型的施工工艺来解决上述各种问题，即双钢护筒辅助成孔旋挖施工工艺。

2.4.1 双钢护筒辅助成孔旋挖施工工艺原理

本工艺的作业原理为：在常规钢护筒护壁辅助成孔施工工艺的基础上，增加1道可周转钢护筒，利用内外护壁及其中间的隔绝区，大大提高对流砂地层的防护能力。

以直径较大的周转钢护筒设置于岩层之上，对流砂地层进行第1次隔绝，再由直径较小的一次性钢护筒从外筒内嵌至桩基底部，与基底持力层紧密结合，进行二次隔绝，2层钢护筒之间形成流砂隔绝区，进一步提高阻隔效果，如图1所示。

图1 双钢护筒辅助成孔旋挖桩示意

2.4.2 双钢护筒辅助成孔旋挖施工工艺施工流程

双钢护筒辅助成孔旋挖施工工艺流程大体为：定位放线→一次成孔，周转钢护筒随钻随下→旋挖机继续成孔→提钻→一次性钢护筒设置→清孔→钢筋笼制安→混凝土浇筑。

以1.0 m直径桩基施工为例：

1）使用时，先以周转钢护筒进行常规旋挖桩成孔施工，采用1.4 m直径的周转钢护筒辅助成孔，护筒随挖随进，直到岩层部位，钢护筒受岩层阻挡，无法继续下落。

2）旋挖机保持作业状态继续钻进，直至桩孔深度满足设计及规范要求。

3）提起钻斗，由履带式起重机吊运1.2 m直径的永久钢护筒至桩孔位置，人工配合坐标定位、垂直校正，将钢护筒准确下放至周转钢护筒内。

4）此时桩孔内会有部分流砂，但在钢护筒自重作用下能够自然下落至基底，若遇阻，可采用振动锤辅助下落。

5）永久性钢护筒设置完成后，旋挖机替换清孔钻头对桩基进行清孔，确保孔内无沉渣、淤泥。

采用周转钢护筒加永久钢护筒2道阻隔屏障，解决了流砂渗入桩内引起的混凝土浇筑不连续问题，减少因桩身完整性检测不合格引起的返工，缩短工期，也能有效地控制混凝土用量。

2.5 双钢护筒旋挖成孔工艺实施效果

中建·瑜和城（二期）Ⅰ05-1/01地块项目就流砂不良地质情况，针对性地提出双钢护筒旋挖成孔施工工艺，就前后桩基础的超声波投射法检测及桩身钻孔检测结果来看，本工艺对流砂不良地质情况下的桩基成孔合格率从传统工艺的63%提高到100%，成桩质量有显著提高。

3 结语

本文通过与工程实例进行结合，分析本项目废桩产生的原因，并根据原因提出问题的解决和预防措施，创造性地提出双钢护筒辅助成孔旋挖桩施工工艺，减少项目部分不必要的损失。该工艺具有以下几方面的优势：

1）准备工作简单：本工艺施工准备工作较传统钢护筒护壁旋挖成孔灌注桩并无差异，仅需要一些常规的施工机具、材料即可，且此工艺操作简单，方便。

2）泛用性强：本工艺不仅针对流砂地层。

3）施工质量高：项目采用此工艺进行施工后，旋挖桩成形质量经检测达到100%，较第1批成孔有了显著提高。

4）施工成本低：本工艺无特殊设备投入，且有效规避了低强度等级混凝土反压成本不可控的缺点，同时兼具钢护筒护壁成孔工艺施工设备及人员投入少、施工周期短、质量控制简单等优点，在确保质量、安全的前提下，最大化节约成本与工期。

流砂地层旋挖桩施工质量控制是重庆地区一个常见且棘手的问题，很多建设者都会采用传统的低强度等级混凝土反压及钢护筒护壁施工进行处理，却往往达不到预想的结果。由于流砂地层的复杂性、不确定性，导致出现废桩的原因也复杂与不确定，因此还需要在以后工作中进行分析、总结、优化、实践，最终求得解决之法。