浅析洞内机械成孔灌注桩垂直度控制

＊马 雷

（中化地质矿山总局河北地质勘查院 河北 050031）

1.项目背景情况

某市地铁站施工项目根据整体设计要求以及为了达到减小施工对道路交通造成拥堵和施工对城市环境带来的污染与破坏，该站的施工设计方案决定采用全暗挖双层三跨车站，桩基施工采用“洞桩法”施工。

车站总长为238.1m，标准宽为24.4m，总建筑面积为21093m2。车站在四个象限共设四个出入口，3组风亭及4个紧急疏散口。

该地铁站边桩共计327根，直径1000mm，间距1.6m；中桩共计66根，中桩基础直径1.8m，间距6.0m～7.5m。

2.工程基本情况

(1)项目位置

该地铁站位于西三环北路和北三环西路交汇处西北侧，与规划中地铁XXX号线换乘。交叉路口东侧为北三环西路，南侧为西三环北路，西侧为XXX路，北侧为XXX路。该地铁站所处位置道路交错复杂，日常车流量大，周围有学校、机关单位及商业区分布，人员密集，人流量大。

(2)项目情况

表1 岩土物理力学性质综合统计表（1）

某市地铁站项目为两条地铁线路换乘站，车站全长238.1m，为全暗挖车站，采用洞桩法施工，边桩327根，桩径为1.0m，中桩66根，桩径1.8m。该场地地层岩性复杂，主要岩性为人工填土，粉土，细沙，卵石中粗砂等，卵石粒径不均匀，地层岩性硬度较高，地质条件复杂，成孔成桩难度较高。又因洞内施工场地空间狭小，正常设备无法使用，也为施工带来了难度。

(3)场地工程地质情况概况

根据该场地岩土工程勘察详查报告，该场地施工钻孔最大孔深为56m，根据场地钻孔编录资料和取得的室内土工试验分析结果，根据地层沉积时代以及成因类型等，将此工程项目场地勘察范围内的地层岩（土）性划分为人工堆积层（Qml）；第四纪新近沉积层（Q42+3alp）；第四纪全新世冲洪积层（Q4laltl）；第四纪晚更新世冲洪积层（Q4alpl）四大类。并按地层岩性及其物理力学性质进步分为粉土及杂填土、粉土、粉质粘土层、粉细砂、卵石、粘土、细中砂、中粗砂等10个大层。

本工程边桩及中桩所涉及地层主要为⑤层卵石层、⑥层粉质粘土层、⑦2层粉细砂层、⑦层卵石层、⑧层粉质粘土层、⑨层卵石层。各土层物理性质概述如下表：

表2 岩土物理力学性质综合统计表（2）

(4)水文地质概况

依据勘察单位提供的成果资料，勘察过程中观测到该区岩土工程勘察最大深度之内含有两层地下含水层，其含水层分别为孔隙潜水（二）和孔隙层间水（三）。

孔隙潜水（二）层：其水位理深为18m-18.68m，水位标高为32.12m-33.70m，观测时间为20XX年X月-20XX年X月，其含水岩层为5层卵石层，该层透水性强，下伏隔水层是6层粉质粘层，其水位高出含水层底板约0.2m-0.5m，该含水层主要接受越流补给和侧向径流补给，排泄方式主要为侧向径流、越流方式。

孔隙层间水（三）：其水位理深28.15m-30.4m，水位标高21.9m-23.04m，其含水岩组为0层卵石层，观测时间为20XX年X月，其补给来源主要接受越流补给和侧向径流，排泄方式主要以人工开采方式和侧向径流排泄。

根据勘察报告，车站范围内有两层含水层，为潜水 （二）和层间水（三），潜水（二）水量较小，开挖过程中根据水量情况采取抽排或疏干等措施：层间水（三）大部分位于车站底板以下，局部在底板范围内，施工期间采取抽排措施。同时设置水位观测孔，根据设置的水位观测孔，对地下水位进行观测，如果地下水位上升，应及时通知设计、业主及勘察单位，以便采取有效措施。

(5)抗浮及抗渗设防水位

通过对其进行场地的岩土工程勘查工作，报告建议：该场地的抗浮验算的设防水位应按不低于水位标高41m考虑。

(6)该场地地下水对混凝土及钢筋的腐蚀性评价

依据勘察报告，本场地的地下水对混凝土结构具有微腐蚀性，对工程中钢筋混凝土结构具有微腐蚀性，对钢筋长期浸水环境条件下通过干湿交替的影响下具有微腐蚀性。

(7)结构所处环境类别及其作用分级

①一般环境。根据水位观测资料以及结构埋深和水位关系，本车站结构环境条件为干湿交替环境，环境作用等级为I-C。②冻融环境。根据北京地区1971年至2000年统计的最冷月平均气温为-3.7℃，主体结构位于冻融线（地面下0.8m）以下，不属于冻融环境。出入口等地上部分冻融环境作用等级为11-D。③海洋氯化物环境。本工程不属于海洋氯化物环境。④除冰盐等其他氯化物环境。本工程结构位于地下水中，属于地下水中构件。地下水环境氯离子浓度为24.6mg/L-59.1mg/L（氯离子浓度＜500mg/L），环境作用等级为IV-C。⑤化学腐蚀环境。根据本站水、土腐蚀性分析结果，本工程化学腐蚀环境为v-C级。

(8)场地与地基地震效应评价

①抗震设计参数。根据该场地岩土工程勘察报告，项目拟建场区的地震抗震设防烈度为8度，其设计地震分组应为第一组，其设计基本地震加速度值为0.20g。②场地类别。根据勘察报告，本场地场地类别为11类。

(9)液化判别

根据勘察报告，当地震烈度为8度时，本场地自地面下20m深度范围内的饱和粉1及砂类上：不液化。

(10)不良地质作用和特殊地质现象

本场地无其他不良地质作用和特殊地质现象。

综上所述，根据项目设计要求、现场地层情况、场地空间情况以及施工现场对文明施工的要求条件，我们为该项目改进了反循环钻机，用来施工该项目的洞桩成孔、成桩灌注工作。

因洞内机械成孔灌注桩施工工艺在城市地铁施工中尚属首次，无以往类似项目施工经验，同时因地层条件复杂，施工空间狭小，为此次施工增加不少难度。在初期施工阶段，虽经过周密安排部署，但施工成桩、成孔速度较慢，而且成桩质量与相应技术要求有所差距，最严重的为桩身垂直度不易控制，难以达到规范要求，出现超差现象。

3.施工质量偏差原因分析

通过对各个垂直度出现偏差，不合格施工钻孔的钻机、钻杆、钻头、操作人员、操作方式等方面进行综合检查分析，其总结分析原因如下：

（1）施工钻机设备底盘基础部位欠牢固稳定，在长期施工中，受震动影响出现不均匀沉降，未能及时发现问题。施工过程中对监测钻机水平工作，未能按要求进行；（2）钻机动力头上方的出渣水龙头及排浆管较重，施工作业时，出渣水龙头及排浆管的重力造成钻杆在孔内进尺倾斜；（3）钻头结构不够合理，垂直导向性存在一定欠缺，其稳定程度较差，当遇到软硬不均的地层时未曾及时更换调整钻头，以致成孔后钻孔出现孔斜现象；（4）钻机工人操作方式不当，盲目追求钻进速度，回转转速较高，钻进速度过快，钻头压力过大，钻进中未能进行合理减压钻进，导致在施工过程中，遇到软硬地层换层或者地层不均匀时出现孔斜。（5）成孔完成后，对钢筋笼的安装定位出现偏差，未严格执行技术操作要求。

4.改进措施

(1)技术及管理措施

①设备进场前，应对设备性能及状况进行检查，确保设备良好运行；开钻前，应对施工场地进行平整，便于设备安装。②开钻前采用经纬仪和水平尺对钻盘和塔架进行调试，严格按照测量结果进行操作，确保转盘水平，塔架垂直。③开钻前对其钻机支腿下方垫木进行加宽加长，增大其与地面的接触面积，开钻前对钻机四个各个支腿的初始值及钻塔的垂直度进行严格测量，同时在钻进过程添加钻杆的时候，需测量每个支腿高度及钻塔垂直度，时时进行监测，确保支腿和钻塔不发生变化。④就位时应保持底座平稳，不发生倾斜移位。钻头中心采用桩定位器对准桩位，误差不大于2cm。为保证钻孔的垂直度，在钻进过程中，设置钻机导向装置，确保钻杆垂直。⑤用副卷扬将出渣水笼头及管路适当的力悬吊起来，保证钻机动力头部分少受力或不受力。⑥对钻机操作手进行专业培训并作好技术交底工作，提高其对施工质量意识，严谨蛮干施工；同时现场技术人员应加强监控和考核，确保施工全过程按设计要求及钻探操作规程钻进。

(2)预制钢筋笼的运输与吊装

①在预制钢筋笼吊装过程中，为了保证其预制钢筋笼的质量，必须注意在运输过程中钢筋笼不得碰撞变形。在导洞内吊装预制钢筋笼时，每节钢筋笼之间采用直螺纹丝扣连接。为了保证其钢筋笼质量满足要求，在运输过程中采取加固措施以保证预制钢筋笼不变形。待预制钢筋笼竖直吊起后，检查其垂直度。骨架进入孔口后，将其扶正慢慢下放，一定严格禁止钢筋笼来回摆动碰撞孔壁，同时慢慢下放，快速拆除内撑并严禁内斜撑掉进成好的桩孔内。当第一节钢骨架下放到最后一节加强筋位置时，立即穿入工字钢，将预制钢筋骨架支撑在孔口的工字钢上，再陆续起吊其他骨架，使它们在同一竖直轴线上采用直螺纹套筒连接好，连接牢固后抽出支撑工字钢并下放骨架。如此反复循环，使钢筋笼下放至设计标高后，定位于孔中心上，完成钢筋笼的安装。待最后一节钢筋笼安装就位后，用圆钢钢筋把组装好的钢筋笼焊接固定于孔口护筒上部；②预制钢筋笼吊放时施工质检人员、值班工长及安全人员必须在场，并由值班工长统一协调指挥；③待整个预制钢筋笼安装完成以后，必须保证钢筋笼轴线与桩轴线吻合，以保证钢筋保护层符合设计要求。

(3)工艺措施

工程开始采用的是单腰带式三翼刮刀钻头。该钻头翼板与钻头芯管的夹角角度较大，且钻头前端顶部钢板厚度较薄，在遇到坚硬地层时容易发生形变及破损。为了使钻头在正常钻进过程中更加平稳安全，对钻头结构及制作材料进行了改进和替换，具体改进如下：

①在原钻头材质基础上，提高其材质厚度及材质强度，使其制作的钻头坚固耐用不易变形；②将单腰带钻头改为双腰带钻头，并加大腰带的高度，增加了其导向性和孔内稳定性；如下图2。③还可以将单腰带钻头改为桶式钻头，使钻头外部、垂直空间方面形成一个统一整体；如下图3。④钻头采用30mm厚钢板制作，遇到大的或者卵石较多的地层时不易变形。

图2

图3

5.应用效果

通过不断试验，调整设备及设备用材、严格执行技术要求和措施方案，经采取上述措施，后续施工完成的桩孔质量经开挖测量后，钻孔垂直度基本都控制在规范要求内，其成桩验收通过率达到99%，保证了工程工期要求及工程质量，确保了洞桩工程保质保时的完成。

6.总结

（1）钻机的转盘和钻塔在出厂和使用一段时间后，不一定都相互垂直，在投入新工程前，一定要再次对转盘和钻塔进行检查和精准调试，尤其是对垂直度要求高的工程，以确保满足工程使用要求。（2）加强对施工钻机操作人员的技术培训和技术交底工作，在地质条件发生变化，易出现孔歪孔斜的软弱不均匀地层加强扫孔及采取相应措施，并保证全过程采用减速、减压钻进，同时吸浆泵可间断性启动或停止工作（已施工实际情况操作人员根据经营把控），以防出现塌孔事故。（3）多采用双护圈钻头和桶式钻头进行施工钻进要比单护圈钻头导正效果要好。（4）在每次添加钻杆过程中都要校正钻塔的垂直度。