富水软弱地层下长护筒干作业成孔灌注桩施工应用研究

□赵 裴

广州地铁十号线广钢新城站采用围护桩+旋喷桩止水帷幕+内支撑的支护型式，结构底部设有抗拔桩。车站地质条件较差，砂层平均厚度5.4m，软土层平均厚度10.2m。如何通过合理的施工工艺选择及现场施工管理，在保证成桩质量的同时满足安全文明施工及周边环境保护的要求，实现高质量、高效率、环境友好施工，是富水软弱地层钻孔灌注桩施工的重点与难点[1]。目前广州地区钻孔灌注桩施工基本均采用泥浆护壁成孔，本项目地质条件较差且桩径较大，泥浆护壁效果不佳，易塌孔，同时泥浆护壁不利于现场文明施工及环境保护[2]。鉴于此，长护筒干作业成孔施工技术对富水软弱地层下钻孔灌注桩施工具有借鉴和指导意义[3]。本文以广州地铁十号线广钢新城站为工程背景，综合考虑该项目的工程地质条件、质量施工要求、安全文明施工及环境保护要求，通过对长护筒干作业成孔灌注桩施工工艺的研究与实践，形成了一套安全适用、技术先进、经济合理的钻孔灌注桩施工技术，具有重要的实用和推广价值。

一、工程概况

(一)工程概况。广州地铁十号线广钢新城站位于广州市荔湾区，车站为地下两层双岛四线车站，长392m，宽45.3m，基坑开挖深度20.2m～33.2m。车站主体围护结构采用φ1000钻孔灌注桩+φ600旋喷桩止水帷幕+内支撑的支护方式，车站设抗拔桩(兼抗压)，桩径为1,600mm、2,000mm。

(二)工程地质情况。广钢新城站地形较为平坦，浅表层分布的软土有淤泥<2-1A>、淤泥质粉细砂<2-2>、粉细砂<3-1>、中粗砂<3-2>，局部分布有粉质黏土<2-4>。砂层平均厚度达5.4m，软土层平均厚度达10.2m。车站底板位于强风化、中风化地带，围护桩嵌固深度：强风化4m，中风化2.5m。

本区段浅表层分布的软土有淤泥<2-1A>、淤泥质土<2-1B>、淤泥质粉细砂<2-2>、粉质黏土<2-4>；粉细砂层<3-1>、中粗砂层<3-2>；可塑状粉质黏土<4N-2>，软土地层厚度为9～13m，其中粉细砂层<3-1>平均厚度3.21m，中粗砂层<3-2>平均厚度2.15m。

图1 地质纵剖面图

(三)水文地质情况。广钢新城站场地范围内地表水不发育，地下水位较高，主要分为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水。第四系松散层孔隙水主要赋存于粉细砂层、中粗砂层，富水性中，属承压水。基岩裂隙水主要赋存运移于各风化岩层中，在裂隙发育地段，水量较丰富，多具承压性。

场地范围内地下水初见水位埋深0.30～4.80m(高程3.63～8.37m)，稳定水位埋深0.60～5.10m(高程3.43～8.07m)，地下水位补给主要以降水为主。

二、施工方案选择

(一)试桩情况分析。泥浆护壁成孔施工工艺中，泥浆可以起到护壁、携渣和切土润滑的作用，因此该工艺广泛应用于自稳性较差的软弱地层钻孔灌注桩施工中。现场试桩采用泥浆护壁成孔，钻孔灌注桩钻进过程中发生塌孔，在调整钻进参数及膨润土泥浆配比后，成桩过程仍出现塌孔，根据渣样判断，塌孔出现于砂层。现场砂层较厚且具承压水，地质条件差，同时桩径较大，泥浆无法有效的起到护壁作用，最终导致塌孔。不仅如此，该方案可能污染周边河涌，不利于现场文明施工管理。综合考虑，决定采用干作业成孔施工方案。

(二)施工重难点及控制措施。

1.塌孔。现场软弱地层平均厚度10.2m，其中，粉细砂及中粗砂层厚度约5.4m且具承压水。现场地质条件差，易发生塌孔。

控制措施：使用钢护筒作为刚性护壁，确保孔壁稳定。加长护筒穿越软弱地层，伸入自稳性较好的强风化岩层中，根据详勘资料及试桩地质情况，最终决定护筒长度为12m。

2.孔底沉渣。孔底沉渣厚度很大程度上决定了钻孔灌注桩施工质量，干作业成孔无泥浆携渣，孔底沉渣控制难度较大。

3.富水地层下干作业成孔施工。现场地下水埋深约4m，水量较大，且为承压水。干作业成孔施工时地下水无法抽排干净。

控制措施：选用干作业成孔，水下混凝土灌注施工工艺。采用导管法施工，先对导管做水密承压试验，禁止用气压试验替代。导管间使用螺栓连接同时用密封圈密封，导管距桩底30～50cm并根据灌注进度逐节拆卸。水下混凝土灌注过程中应严格控制施工参数，确保成桩质量。

控制措施：钻进至设计标高后，立即采用钻头进行扫孔，如封孔前沉渣仍不满足要求，则采用捞渣筒钻进行二次清孔，确保成桩质量。

(三)干作业成孔施工方案优点。本项目中，干作业成孔具有以下优点。

1.质量控制。护筒伸入风化岩层中，孔壁稳定性好，避免了塌孔及桩体夹渣，有利于成桩质量控制。钻孔过程中可以直观监控各层地质情况，及时调整施工参数，有利于桩身几何尺寸控制。

2.环境保护。施工中不制备泥浆，无泥浆排放，有利于现场文明施工管理，同时，从根本上防止了周边河涌及农田遭受污染，环境保护成效显著。

3.进度管理。不受泥浆系统干扰，无需控制泥浆指标，在保证质量的前提下，节省大量繁杂工序，施工效率高、进度快。且干成孔作业孔底沉渣较少，不需要二次清孔。泥浆护壁与长护筒施工时间对比如表1所示。

表1

由表1可以看出，长护筒干成孔施工工艺，护筒埋设时间较长但不需二次清孔，每根桩能较泥浆护壁节省30min左右。同时，一次可埋设多个护筒工序衔接上不需要等待造浆、布管，更好地确保现场施工工序的衔接。采用此方法能够大大加快现场施工进度。

三、干作业成孔施工方案

(一)工艺流程。本项目采用长护筒干作业成孔，水下混凝土灌注施工工艺，主要流程如下：场地平整→桩位放样→护筒定位及埋设→旋挖钻机就位→测量复核及钻杆垂直度检查→钻进成孔→清孔→吊装钢筋笼(→二次清孔)→安装导管→灌注水下混凝土→拔出护筒。

(二)质量控制措施。为确保施工质量，应提前制定质量控制措施并根据现场施工情况变化及时更新。施工过程中，各个工序均应进行严格的质量控制。钻孔灌注桩施工工艺已较为成熟，本文在此不做赘述。依据本项目富水软弱地层下长护筒干作业成孔施工特点，主要施工质量控制措施如下。

1.护筒定位、埋设及拔出。钢护筒长度12m，土压力较大，为防止护筒变形，护筒厚度增加为16mm。使用振动锤将护筒打设进强风化岩层，护筒长度较长，护筒打设过程中需严格将其垂直度误差控制在0.5%以内。施工过程中若遇硬岩夹层无法打设护筒则应采用旋挖钻引孔。混凝土灌注施工结束后，应立即拔出护筒，以免混凝土凝固导致护筒无法拔出。

2.吊装钢筋笼。确保成桩质量，应减少空孔时间。因此采用钢筋笼整体吊装方案，钢筋笼长22.5～34.8m，最重可达10.9t，选用70t履带吊整体吊放入孔，吊点处加劲圈设加强筋确保吊装安全。

3.安装导管及灌注水下混凝土。采用导管法灌注混凝土，导管经水密承压试验合格后方可使用，导管距孔底0.3～0.5m，随施工进度逐节拆卸，现场应记录好水下混凝土灌注施工资料。

灌注开始前，控制进场混凝土塌落度在18cm～22cm之间；灌注开始时，控制首灌混凝土导管埋深不小于1m；灌注过程中，导管埋深2～6m；灌注结束时，超灌高度不小于0.8m。应严格控制水下混凝土灌注过程，避免出现断桩及桩头夹渣等质量问题。

(三)效益分析。本项目共计1,138根钻孔灌注桩，采用长护筒干作业成孔施工工艺后未发生塌孔现象，施工完成后进行第三方检测，一类桩占比在98%以上，成桩质量均符合设计及相关规范要求。该工艺在保证质量的同时无需泥浆制备、排放等，可降低施工造价，还可减少施工占地并避免对周边环境的污染。

从经济效益角度出发，选用长护筒干作业成孔工艺，充分考虑到了现场地质因素影响，避免了塌孔及桩身质量不合格处理二次费用的发生。干作业法施工，节约了泥浆制备、泥浆池、泥浆泵、泥浆排放处理费用，同时节省了一部分人工费、机械费；其增加的成本主要为护筒加长费用，但钢护筒可回收利用。综合考虑下，干作业法施工，施工场地规整有序，节省不必要的人工，整体施工效率得以提高，节约大量成本。

从社会效益角度来看，无泥浆制备，节约了宝贵的水资源；无泥浆排放，一方面有利于现场文明施工管理，另一方面则从根本上避免了污染施工现场周边农田、河涌。文明施工效果显著。