流沙地质旋挖钻孔灌注桩施工技术

吕素恒

(中铁十四局集团第一工程发展有限公司，山东 日照 276826)

部分建筑的基础桩基需穿越砂层，而施工现场的砂层组成复杂，包含粉砂层、粒砂层等，厚度通常达到2m～10m。随着钻孔桩施工深度的增加，砂层逐步增大，易显现出细砂向砂砾转变的特点，地质条件错综复杂。因此，在流沙地质条件中施作旋挖钻孔灌注桩时，需充分考虑到现场的地质条件，适配合适的旋挖钻机，设计科学可行的施工方案，在安全的前提下高效施工。

1 流沙地质旋挖钻孔灌注桩施工概述

旋挖钻孔灌注桩是较为典型的建筑基础结构形式，其具有稳定可靠、经济高效等特点，且在钻孔桩逐步朝着大直径、深孔发展的趋势下，旋挖钻孔灌注桩的应用优势进一步凸显。但流沙地层的旋挖钻成孔难度较大，可能由于施工技术不合理而出现异常。

从流沙稳定力学的角度来看，待钻进位置达到流沙层时，易受到流沙层重力、孔内液体冲刷力的多重作用，此时地层的压力具有向上传递的规律，在地质条件确定的前提下，仅与荷载量有关，若旋挖钻孔灌注桩施工中的荷载量偏高，可能有失稳现象。

旋挖钻孔施工工艺具有特殊性，需采取针对性的技术控制措施，以保证施工的有效性。相比于冲击钻、回旋钻，旋挖钻施工技术具有更加突出的自动化特色，能够以较高的效率成孔，施工期间产生的沉渣量较少，成型桩基的完整性和稳定性均较好。对于常见的回旋钻进的正、反循环成孔，施工中用钻头破碎孔底原状土，以泥浆循环的方法将其带出土面；而与之不同的是，旋挖钻斗的切削、提升上屑的基本思路是用钻斗对存在于孔底的原状土做切削处理，使其呈条状，而后再装入钻斗内，向上提升出土。

2 旋挖钻机的应用特点

(1)施工效率高 在同等施工条件下，旋挖钻机成孔时间约为传统钻孔桩机的50%，而施工质量可得到有效的保证，在施工效率方面具有突出的优势，可高效推进施工进程，为后续其它工序的施工争取充足的时间。

(2)降低成本 旋挖钻机干作业时需采用到换填措施，或是设置钢护筒，在此方式下，有效避免坍孔问题。相比非旋挖钻机干作业，混凝土充盈系数明显更低，表明混凝土用量减少，可降低在材料方面的成本投入，有利于提高项目的经济效益。

(3)旋挖钻机的应用思路 ①中风化砂岩层的抗压强度高于强风化砂岩层，根据此规律，进入该土层时需以相对较慢的速度钻进，条件允许时分级钻进[1]。②干作业施工对地下土层提出较高的要求，即只有在土层渗透性差、含水量少时方可采用，否则需调整为泥浆护壁作业的方式。③若现场存在较厚的杂填土层、粉土层等，成孔的孔壁可能因失稳而坍塌，为此需辅以护筒护壁措施，土层极为复杂时应慎选。④施工深度范围内存在黏土时，为避免“糊钻”，可采用体开式钻头。

3 工程概况

本工程施工现场的地貌单元属山前冲积平原，工程所在区域的地质条件大体相近。地质勘察报告显示，22.5m以浅主要为粉土、粉砂、细砂，即第四纪全新世冲积形成的地层；22.5m～65.0m为粉质黏土，第四纪中晚更新世冲击形成。水文条件方面，属第四系松散岩类孔隙潜水，以大气降水及其河水补给为主，地下稳定水位埋深0～4.0m，年变幅约为1.0m～2.0m。

4 施工工艺分析

4.1 护筒的埋设

准确测设桩位，在确定中心桩位后，于周边以人工配合钻机的方法埋设护桩，控制埋深，保证稳定性；对护筒周边对称回填粘土，分层有序夯实，提升护筒的稳定性。

4.2 钻机就位

钻机就位前，先对钻机的水平仪、垂直仪做精细调整，直至气泡居中为止；而后，伸缩钻杆，调整钻头的姿态，使其底部导向尖对准桩位中心；检测孔位并判断偏差，要求其在许可范围内。

4.3钻进

钻进时，桶式钻头切削岩土，将破碎的岩状岩土装入钻斗内，在伸缩钻杆的带动下提升钻斗至孔外，以便卸土，按照该方法循环作业，持续取土、卸土。钻进进尺在护筒顶以下一定深度时，安排孔内注浆，钻孔时根据实际情况适时补充泥浆，泥浆面低于原地面约20cm，借助泥浆护壁，用于维持孔壁的稳定性。泥浆比重1.05～1.15，粘度18s～20s，胶体率不小于95%，含砂率小于4%，pH值大于6.5，按照该要求制备泥浆，确认无误后方可投入使用。随着进尺量的增加，待实际钻进位置到达砂层时，及时变档换速，遵循轻压慢转的原则，此举一方面可减小钻头的磨损量，另一方面有利于维持孔壁的稳定性。每钻进3回～5回次后，随即调整水平仪、垂直仪，保证钻进的精度，例如成孔的垂直度需小于1%。钻进期间钻斗有明显的磨损时，及时予以换新，以免影响到钻孔的孔径。

钻进至距离桩底设计标高约2m～3m时安排验孔，用测绳测定孔深，判断是否满足要求。钻进至设计深度时，在钻斗底部增设挡砂板，借助此装置捞取钻进期间散落在孔底的砂、原状土，避免孔底沉渣过量。终孔，检测孔底沉渣厚度，若实测数据超过10cm，表明沉渣量超出许可范围，需将孔底沉渣抽出，直至达到要求为止。

钻斗的升降速度属于旋挖钻孔灌注桩施工中的重点控制指标，钻斗提升时泥浆在孔壁和钻斗间流动，若以过快的速度提升或下降钻斗，泥浆有过强的流动性，导致孔壁遭到泥浆的冲刷，反而会破坏孔壁的稳定状态。为此，合理控制钻头的升降速度尤为关键，钻斗升降速度参考值见表1。

表1 钻斗升降速度参考值

钻斗取出原状土后，及时将其排放至场内渣土堆放区，经一段时间后，渣土风干，此时可安排外运。在本工程中，桩基穿过砂层的深度达到10m，泥浆在使用时易受到污染，含砂率随着钻孔进程的推进而增加，因此需及时补充适量优质的泥浆，保证泥浆的有效性，用于护壁，防止坍孔。

钻进至砂层时，用液压缩进装置加压，以轻压慢转的方式运行，以此来减小钻头的磨损量、维持孔壁的稳定性。每钻进3回～5回次后，随即对钻机的水平仪和垂直仪进行调整。在中粗砂较密地层和砾石层钻进时，钻斗可能有剧烈的磨损，因此需加强检查，必要时换新，切不可将存在严重缺陷的钻斗继续投入使用，否则会影响钻孔的孔径。

4.4 清孔

钻孔后，检测孔深、孔径、垂直度等指标，各方面均无误后即可终孔，而后随即安排清孔作业，清理残留在孔内的沉渣。清孔的基本要求是：清孔全程孔内水头高度应维持稳定；禁止以加大孔深的方法清孔；用检测锤测量沉淀厚度，要求该值不超过10cm，否则不满足清孔要求。

根据前述提及的几项清孔要求，确定适宜的清孔方法：钻进完成后，将钻头提起10cm～20cm，泥浆正常循环，以便置换出孔内比重较大的泥浆，在此过程中，含砂率呈降低的变化，直至达到相对稳定的状态为止。

4.5 钻孔质量要求

钻孔桩基垂直度偏差≤1%；护筒定位偏差不超过50mm；护筒内径比桩径大至少100mm；泥浆比重1.15～1.30，含砂率≤4%。

4.6 质量控制措施

4.6.1 泥浆的性能控制

(1)以科学的方法制备泥浆，严格控制泥浆的比重，保证泥浆的有效性。①每班施工前，先检测泥浆，判断泥浆比重、粘度是否满足要求，钻进时每2h安排一次检测。②钻进期间地质条件发生变化后，根据地质条件对泥浆比重做合理的调整，保证泥浆能够适应于全新的地质条件。③清孔时，每0.5h安排一次泥浆比重的检测，正常状态是随着清孔的持续进行泥浆的比重有所降低，如此才可取得良好的清孔效果。

(2)构建泥浆系统，如图1。

图1 泥浆回收流程

4.6.2 钻孔质量控制措施

(1)钻孔垂直度的控制 旋挖钻机由电脑自动控制钻杆，保证其垂直度的合理性，最终使成型钻孔的垂直度满足要求[2]。

(2)钻孔形态的控制 为避免钻进时出现塌孔、缩径现象，及时用泥浆护壁；经检测，泥浆的指标未满足要求时，随即采取调整措施，发挥出泥浆护壁的作用，使成型钻孔的形态满足要求。

4.7 钻进注意事项

钻进初期轻压慢转，钻头旋转速度不超过10r/min；钻进作业人员密切观察主动钻杆的运行状态，待其完全进入孔后，适当提速，进入正常钻进阶段。钻孔作业人员加强对地层的观察，判断地质情况是否与地勘报告相符，检验钻头是否具有可行性，必要时根据实际情况灵活采取调控措施，例如更换钻头、控制进尺速度。

旋挖钻施工初期，对筒式钻头的筒壁对称加焊护壁钢板，或是配套合适规格的导流槽，以此来减小筒斗下部的负压力，以免由于负压力过强而“吸钻”。钻进时，各回次的钻进深度约为50cm，采取少钻勤提的方法，并严格控制钻头的升降速度，以免孔壁缩颈、坍塌。钻进时还需检查钻头通气孔的使用情况，要求其保持畅通；检查钻头的使用情况，判断是否磨损，若有则采取处理措施，必要时换新。

5 旋挖钻穿越流沙层的技术要点

5.1 埋流沙层技术

在浅层流沙层的旋挖钻施工中，以埋设护筒的方法防护孔壁，根据流沙层的分布情况适当加长护筒，确保护筒可完全穿越流沙层。有效控制孔顶载荷，合理规划机械设备的布设位置，大型的机械设备应停放在距离孔位较远处，以防因设备重力作用而影响到钻孔的稳定性；适时加强护筒、加长护筒，以此来抵御流沙层对旋挖钻施工的影响，保证正常钻进。

5.2 合理适配施工机具

深埋流沙层的深度通常超20m，为顺利施工旋挖钻孔灌注桩，需合理适配施工机具[3]。通常，旋挖钻施工宜采用SR150型旋挖钻工具，配套摩擦式钻杆，若旋挖钻进深度范围内存在砂土层和流沙层，考虑到地层胶结性能比较差的特点，需采用到双底板捞沙钻斗，以便在该地质条件中高效钻进。清孔时，在保证清孔效果的前提下需尽可能缩短清孔时间，以免孔壁长期暴露而失稳。此外，于现场配套空气吸泥机，其作用在于及时清理孔底的沉渣，将孔底沉渣控制在合适的范围内。

5.3 妥善优化泥浆性能

深层流沙地层旋挖钻施工时，需改善泥浆的性能，在泥浆制备环节可掺入适量的膨润土，做充分的搅拌，得到均匀性较好的泥浆。必要时，向浆液内掺入适量可用于调节pH的试剂。黏土的成分需得到有效的分解，在该“化整为零”的方式下，可增加泥浆中细微颗粒的含量，有效降低泥浆的失水率，使泥浆能够形成薄而密质的泥皮，发挥出防护的作用，以便在流沙层地质条件下有效进行旋挖钻施工。

在泥浆制备环节，为提高浆液的黏稠性，还可掺入适量的CMC，在此类外加剂的作用下，使泥浆黏稠、乳化、悬浮，有效改善泥浆的性能，起到保护胶体的作用。掺入CMC的泥浆能够使孔壁形成滤层，此结构薄而坚韧，渗透性低，可实现对孔壁失水量的有效控制。旋挖钻进期间，现场作业人员及时检测泥浆的性能，采取严格的控制措施，泥浆性能指标存在偏差时，及时予以调整，泥浆比重、黏稠度、含砂率、pH值等各项指标均要在许可范围内。

除前述提及的要点外，旋挖钻施工时还需保证泥浆的不循环使用，在此方式下有助于提高流沙层的稳定性；允许适当加大泥浆的比重，相关施工人员也需在施工期间根据现场情况(旋挖钻质量、地质条件等)及时调控泥浆的比重，保证泥浆的有效性；在做出旋挖钻提钻动作时，难免会由于钻杆上提而带出部分孔内泥浆，导致钻孔内的泥浆数量减少，为此需及时补充泥浆，在新注入泥浆的作用下，有效保持水头压力的稳定性，以免由于水头压力异常而诱发坍孔事故。

6 结 语

综上所述，在流沙地质采用旋挖钻技术时，可有效提高成桩效率，成型桩基的质量也较好。旋挖钻机的自动化程度较高，可更加精准地控制桩位，保证成孔质量。在旋挖钻施工中，泥浆不循环使用，得益于此特点，可有效减少孔底的沉渣量，若辅助应用吸泥机，还有助于减少二次清孔的次数，因此从这一角度来看还可减少泥浆的使用量，既节约资源，又缓解环境污染问题。旋挖钻施工的配套设备性能稳定可靠，设备运行时的可控性较好，契合于文明施工的现代工程理念。由此看来，旋挖钻孔灌注桩施工技术在流沙地质条件中具有可行性，兼具质量可靠、经济高效、节能环保等特点，富有推广价值。