超大超深灌注桩施工关键技术研究与应用

刘金森，高慧广，朱神松，吴小勇

(中煤江南建设发展集团有限公司，广州 510000)

0 引言

近年来随着我国建筑工程的不断发展，超高层建筑出现井喷式增长。为保证建筑物和构筑物的整体稳定性，越来越多的超大超深灌注桩在施工中得到应用。本文所涉及的区域为深圳地区，作为中国改革开放的龙头城市，城市建设正如火如荼的进行中，土地的利用率也不断提高，超大超深灌注桩施工在该区域得到应用与推广。考虑到深圳地区为花岗岩地层，入岩施工难度大，施工要求高，因此在深圳地区开展相关的超大超深钻孔灌注桩的研究是十分必要的。

1 工程区地质条件

项目位于深圳市南山区，整个场地周边环境较为复杂，处于南山区市中心地带。该项目共两栋超100m的超高层商业楼，桩基础为旋挖灌注端承桩，要求全断面入中微风化花岗岩1～4m，桩径分别为φ1 600、φ1 800、φ2 000、φ3 000mm，成孔深度60～105m。单桩竖向抗压承载力特征值为24 000、29 400、37 000 kN。

工程区地层由上至下依次为：①人工填土层。褐红、褐黄、褐灰色，主要由黏性土组成，混10%～25%的石英颗粒及少量的碎石，碎石粒径2～5cm，稍湿-湿，松散-稍密，厚度0.40～5.90m，岩心采取率80%～85%。②砾质黏性土。褐黄、灰白、褐红色，湿，可塑-硬塑，含石英砾。③全风化粗中粒花岗岩。褐黄、灰褐色，岩石风化完全，原岩结构尚可辨认，具微弱的残余结构强度，岩心呈坚硬土柱状，属极软岩，极为破碎，岩体质量等级为Ⅴ级。④强风化粗中粒花岗岩。褐黄、褐灰色，风化裂隙发育，裂隙面铁染严重，钾长石晶形完整，岩心呈土状、底部碎块状，碎块可用手折断，遇水易软化。⑤中风化粗中粒花岗岩。浅红色、黄褐色，裂隙发育，裂面铁染较重，岩心呈碎块状、块状，少数短柱状，岩石强度为20～35 MPa。⑥微风化粗中粒花岗岩。浅红色、灰白色，裂隙较发育，裂隙呈闭合状，岩质坚硬，岩心局部较破碎，多呈短柱状-柱状，少数块状或长柱状，岩石强度为50～80 MPa。

2 钻进技术难点与解决办法

该项目存在直径3 000mm和孔深超过100m的超大超深灌注桩，花岗岩强度高，入岩施工难度大，垂直度的控制和孔壁的稳定性是施工的重点，桩底沉渣厚度控制是难点，对施工设备和施工技术都有很高的要求。

2.1 成孔设备选择

通过比对最终选择了三一SR485R旋挖机、宝峨BG40旋挖机和徐工XR550D旋挖机进行超大超深桩施工，这三种型号的旋挖机动力头输出扭矩大，入岩能力强，设备大，底盘重，有利于控制垂直度。

2.2 提高入岩效率

该项目入岩深度大，且为微风化花岗岩，施工难度大，入岩效率低，如何提高入岩效率是整个项目的关键点所在。

经过摸索实践，项目采用“先抽心，后扩孔，分级成孔”的施工方法进行施工，取得显著效果。即首先采用1 200mm牙轮钻头抽心，再分别用1 600、2 000、2 400、2 800、3 000mm的牙轮钻头进行扩孔，最后使用相应尺寸的捞砂钻头进行修孔与清底捞渣，具体分级次数，根据岩层强度及桩径大小进行相应调整，此方法用在花岗岩孤石层施工中也取得较好的效果，其取得的完整岩心如图1所示。

图1 旋挖钻机成孔钻取的岩心Figure 1 Rotary drilling cored rock cores

2.3 孔壁稳定性

在超大超深钻孔灌注桩施工过程中，由于入岩较深，成孔时间较长，对于孔壁稳定性有着较大的影响，因此如何克服该技术难点，避免塌孔、缩径等质量问题的出现是保证成孔质量的关键技术点。

钻井液护壁是钻孔灌注桩成孔中保证孔壁稳定性常用的手段。因此在进行超大超深钻孔灌注桩施工过程中，对钻井液指标的控制至关重要。护壁钻井液是否合格直接关系到成孔和清孔的质量。因此在施工过程中对钻井液进行了严格的控制。通过建造钢筋混凝土标准化泥浆池，采用优质膨润土进行造浆，回浆时经泥浆分离器处理循环使用。此外，在试桩阶段，根据地层情况，确定适合本地层的钻井液指标，灌注混凝土前的钻井液指标控制参数为：密度1.05～1.08g/cm3，黏度20～22s，含砂率小于4%。正式开工后，施工技术员每班进行多次钻井液指标测试，一旦发现指标有偏差，立即进行调整。

2.4 垂直度控制

超深桩的成孔垂直度控制至关重要，关系到钢筋笼是否能安装到位，而且这个项目的岩面起伏大，斜岩特别多，同一根桩三个超前钻孔，最大岩面高差达到了30m，如何保证成孔垂直度非常关键。

桩机就位前，场地应先平整压实，并铺设钢板保证成孔过程中平稳作业；对于在斜岩地层成孔，应控制钻进速度，不得强硬加压钻进；一旦发现有偏孔情况，应立即做纠偏处理(如果是分级成孔阶段偏孔，换大钻头扩孔纠偏；如果偏孔严重，先回填高标号混凝土至偏孔以上2m，待混凝土终凝后，继续成孔，达到纠偏目的)；辅以全站仪进行全过程监测，成孔垂直度控制在1%以内。

2.5 桩底持力层控制

端承桩的入岩深度控制是重点，而且施工项目岩面起伏大，斜岩特别多，如何保证桩底按设计要求进入全截面岩，是保证桩基承载力的关键技术点。

在开工前，按照桩径2 000mm以下的工程桩均打2个超前钻孔，桩径2 000mm以上的工程桩均打3个超前钻孔，在终孔验收时按超前钻最深岩面标高作为终孔依据，再根据所取岩样进行判断，从而确保终孔持力层满足设计要求。

2.6 沉渣控制

孔底沉渣的控制是保证成桩质量的关键技术点，也是桩基础施工的难点，对于超大超深桩，采用常规的正循环无法满足其沉渣控制要求，因此采用气举反循环法配合泥浆处理器进行二次清孔。

在终孔验收后，首先进行第一次清孔，用平底钻头紧贴孔底，缓慢旋转，将大颗粒沉渣捞起清除，立即吊装钢筋笼，安装导管；第二次清孔采用导管进行气举反循环清孔，利用压缩空气，把孔底沉渣通过导管排出，输送到泥浆处理器进行分砂处理，再从泥浆池把合格的钻井液输送到孔内，一直循环至孔底沉渣和泥浆指标满足设计规范要求，孔底沉渣厚度不得大于50mm。孔底通过验收后，立即进行水下砼砼浇灌，整个清孔过程应环环相扣，尽量缩短钻孔停放的时间。

2.7 初灌导管封底

在水下混凝土灌注桩灌注混凝土过程中，通常采用隔水球封住灌浆漏斗底部，待混凝土满头时，打开封口，利用混凝土的自重将底部钻井液迅速挤压至上部，以此避免成桩中掺杂泥质的问题。而如何保证超大桩第一斗料能封住导管底是保证成桩混凝土质量的关键控制点。为达到理想效果，通过实际分析，发现初灌混凝土的数量应满足导管首次埋深大于1m，按最大3m桩径计算，1m深度需7m3混凝土封底，采用特制7m3料斗。第一斗混凝土灌注时采用2台搅拌车供料，第1台混凝土车放满料斗后移走，换第2台搅拌车就位，剪球的同时第2台搅拌车(10m3/车)立即快速卸料，使得第一斗混凝土和第二台搅拌车的混凝土连续不断灌注，从而使初灌量达到17m3，满足管底一次性封底和返浆效果。后续混凝土应缓慢灌注，并根据规范要求进行拆管，防止造成浮笼及卡管。

2.8 导管厚度要求

因灌注桩超深超大，一旦导管内空鼓极易被外部压强压扁，导致质量事故发生，所以项目吸取经验，采用特制加厚无缝导管，壁厚5mm，内径300mm，采用快速螺纹接头，导管接头处设2道密封圈，保证接头的密封性能，灌注前进行导管水密性试验，确认水密性良好后再使用；导管安装前应按顺序进行编号，并按顺序装拆管；导管安装完毕后，管底距离孔底不得大于300mm，从而达到混凝土充分扩展和及时埋管的效果。

3 桩基验收

经过上述的施工控制，本项目的桩基础质量得到保证，经过抽心检测全部达到合格标准(图2)。在保证施工质量的情况下缩短了工期，满足了施工进度要求，同时也创造了较好的经济效益。

图2 桩基检测Figure 2 Detection of pile foundation

4 结论

对超大超深钻孔灌注桩施工过程中关键技术点进行了分析并提出了切实可行的解决办法，通过采用稳定性能好，破岩能力强的旋挖钻机，并采用先抽心，后扩孔，分级成孔的方法提高了保证了成孔效率，通过采用及时的纠偏控制和入岩控制措施，保证了成孔质量；通过高质量、标准化泥浆护壁、气举反循环二次清孔、隔水球封堵和通过采用无缝钢管灌注混凝土保证了混凝土灌注和成桩质量。这些关键技术点的控制为类似项目提供了可以参考的技术措施。