局部软塑性土层中桩基础施工应对措施

王英坡

（中煤地质集团有限公司, 北京 100040）

1 概述

在桩基础施工中, 根据不同的水文地质与工程地层情况, 选择适宜的施工工艺以及合理的护壁措施, 以保证施工的顺利进行。而中国幅员辽阔, 各地的水文地质和工程地质情况都又各不相同, 随着施工的精细化管理, 对施工工效、环保、质量和成本控制的要求也越来越高, 这就要求每个基础桩工程在施工前, 要针对地层选取更加经济、高效、环保的施工工艺, 本文针对某种岩溶地区水文地质和工程地质情况, 采用旋挖钻机完成钻进, 针对局部软塑性粘土层和经粘土充填的溶洞, 采取局部加固措施, 实现干成孔施工, 提高了工效, 在保证质量的情况下, 加快施工进度、降低施工成本、更加环保, 取得了良好的效果。

2 处理思路

在部分岩溶地区, 场地地下水埋藏较深, 地层情况上部为灰岩风化后的红土层, 自稳性较好, 下部为灰岩。虽然无连续地下水位, 但由于灰岩面起伏大, 在灰岩和土层结合面处, 有局部积水, 导致局部为软塑—流塑状态粘土, 同时, 溶洞填充土层松散, 为流塑状态, 容易出现缩径或坍塌[1]。而上述出现软塑—流塑状态粘土的区域, 占全场地的比例不足30%, 同时, 该场地供水不足。无论是采用全套筒施工工艺, 还是传统的泥浆护壁施工工艺, 在工期、经济性、环保、场地条件等方面很不科学。针对上述情况, 采用旋挖钻机用干成孔施工工艺, 不仅可以避免泥浆护壁的不利之处, 还能发挥干成孔作业具有的工艺简单、快速、环保、质量容易控制等优点。对于容易坍塌和缩径的部位, 采用针对性的处理措施予以解决, 具体措施及解决的问题介绍如下：

（1）软塑性土层不连续分布, 主要出现在基岩面起伏情况的低洼处, 以及溶洞内的填充物, 且其它地层自稳性好, 不需要护壁措施。如采用泥浆护壁措施, 由于不是全部钻孔都能遇到软塑性土层, 而所有钻孔都采用该方法, 护壁措施缺乏针对差。而存在需要护壁措施的软塑性土层或溶洞充填物的地段, 占所有桩的比例往往不到30%, 且厚度变化大, 该方法经济性也不高。针对该问题, 笔者带领技术团队, 探索并总结一些针对性措施, 避免普遍采用泥浆护壁成孔方案, 而是遇到软塑性粘土时才采用的针对性措施, 从而实现经济性、环保性、进度保证、质量保证等方面更加合理。

（2）采用干成孔施工, 在遇到上述不良地层时, 能及时发现, 启动应对方案。

（3）遇到流塑性粘土层, 立刻用上部硬塑性粘土进行回填, 然后进行挤密。挤密方法为采用螺旋钻头进行下压和旋转挤压, 该螺旋钻头转动是不向上返土, 而是向下和侧壁挤土, 经过反复处理, 对相应部位地层进行加固, 继续进行钻进时, 达到地层不再坍塌或缩径。

（4）对已经出现出现坍塌, 且坍塌较严重高, 通过挤密方法难以达到效果, 采用混凝土灌注回填或注浆加固处理。

（5）对于坍塌范围小, 容易穿透的地层, 对坍塌段用低标号混凝土回填, 2d后, 混凝土强度达到其强度的60%以上, 重新钻孔。

（6）对软塑性软土层比较厚, 难以穿过的地层, 采用注浆加固处理方案。

注浆处理为回填后注浆加固, 注浆后静置7d左右等加固体具有一定强度后再成孔[2]。由于该现象较少, 且需要高压旋喷钻机完成, 对此类现象, 先回填, 施工进行到后期时, 集中处理。

回填前最大限度地揭露软弱层, 为后期注浆施工提供信息, 可采用旋挖钻机继续下挖至其底部, 其底部一般为基岩。对于基岩上部软土层, 为避免坍塌扩大, 可用挤密钻头下压判断其底部, 先用上部含水量低的粘土回填至软土层顶部1m左右, 用挤密钻头边挤密边下探, 通过搅动可先进行部分置换。对于溶洞, 用旋挖钻机先将进行钻孔, 将上部岩层障碍清除, 以保证后期高压旋喷施工。

注浆加固处理方案, 根据桩径大小及预判的塌孔程度, 布置不同1～3个旋喷桩加固, 高压旋喷桩径1000mm, 一般桩径不大于1000mm且坍塌不严重时, 在桩中心布置一个高压旋喷桩；桩径大于1000mm或坍塌较严重时, 沿孔外围均匀布置3个高压旋喷注浆孔。处理溶洞坍塌, 孔位布置注意靠近溶洞侧, 并沿早期施工的旋挖孔壁布置以避开岩石。

对未完全充填的溶洞, 揭露后直接采用低标号（C15）混凝土灌注, 待混凝土凝固后, 再采用旋挖干成孔工艺进行施工。

3 工程实例

某桩基础工程位于昆明市、喀斯特地层区域, 本工程的桩基础以风化灰岩层作为桩端持力层, 桩端进入持力层不小于2.0d, 本工程共计旋挖成孔灌注桩1200余根, 为嵌岩桩, 桩径分别800～1200mm。工程工期60d, 工期紧, 施工管理压力较大, 施工工艺的选取, 对顺利完场该工程的施工会有很大影响。

3.1 工程地质及水文地质条件

3.1.1 地下水

勘察期间所有勘探孔均未见明显的初见地下水位, 仅个别勘探孔中量测到临时的地下水位, 不能形成稳定水位。场区深部地下水类型主要为岩溶裂隙水, 岩溶裂隙水为径流补给, 沿灰岩裂隙向低处排泄, 钻探深度范围内未揭露。

3.1.2 地层土质分布

①层素填土：以可塑—硬塑状态的粘性土为主, 偶夹风化碎石。

②层粘土：具有孔隙比大、液塑限高的特点, 属红粘土。硬塑状态为主, 局部可塑状态, 中压缩性为主, 局部高压缩性。

②1层粘土：具有孔隙比大、液塑限高的特点, 属红粘土。可塑状态为主, 局部软塑状态。高压缩性。②2层孤石：岩性为中风化灰岩。②4层土洞：为空洞, 无充填物。

③层中风化灰岩：为场地物理力学性质最好的地基岩土层, 但其起伏变化很大, 给桩长的确定带来一定困难。

③1层全风化泥灰岩。③2层溶洞（隙）、③5层为空洞, 会对基础的选择及稳定性造成影响。

3.2 施工方案

根据场地水文地质与工程地质条件, 决定采用旋挖钻机干成孔施工方案。

3.2.1 干成孔施工方案的优势

在岩溶地区, 泥浆护壁容易出现漏浆现象, 且本场地供水紧张, 干成孔作业成功解决了该问题, 同时更加环保, 响应了国家政策, 方便施工管理。

干成孔不会在孔壁形成泥皮, 不会降低桩侧摩阻力, 还有助于控制孔底沉渣, 有利于保证施工质量。

干成孔工序减少, 效率高, 容易施工。

所以, 在本项目中, 采用干成孔作业方法, 综合考虑了场地条件和周边环境, 优势明显。

3.2.2 旋挖成孔优势

旋挖钻采用大孔径旋挖钻机, 旋挖钻机具备以下优势：

地层适应性强, 既适合土层、砂层, 也可以在基岩中钻进, 非常适合岩溶地区嵌岩桩的施工。

成孔速度快, 与传统的循环钻机相比优势明显, 这样就有效地保证了工程的进度。

环保特点突出, 与传统的循环钻机相比, 旋挖钻机区别在于可以循环使用泥浆, 而传统循环钻机是不断地产生泥浆, 旋挖钻机更可适用于干成孔作业。

行走移位方便, 旋挖钻机的履带机构可将钻机方便地移动到所要到达的位置。

桩孔对位方便准确, 在对位过程中操作手在驾驶室内利用先进的电子设备就可以精确地实现对位, 使钻机达到最佳钻进状态, 有效地保证了成孔的各项指标。基于旋挖钻机施工效率高、速度快、施工精度高（全电脑控制）、履带式行走移位方便的特点, 该工程桩孔的施钻可采用旋挖钻机。

钻机上有车载电脑系统, 可以自动显示和调节旋挖钻机的钻孔深度、垂直度, 方便司机随时观察调整, 可确保垂直度偏差小于1%, 满足规范和设计要求。

3.2.3 干作业成孔法

旋挖成孔过程中, 如果不塌孔、不缩径, 可以保证施工质量时, 直接用旋挖钻机取土采用干成孔工法。

在局部不良地层中, 钻进过程中慢放慢提钻杆, 轻加压, 低速钻进, 减少钻进过程中的振动, 减少塌孔。在成孔过程中如遇少量塌孔, 可继续钻进完成施工, 该方法虽然砼充盈系数偏高, 但与泥浆护壁或长套筒工艺比较, 仍然更加经济合理。

如遇坍塌严重, 无法成孔, 就需要采取相应措施, 减少或控制塌孔后, 再进行施工。具体措施如上述的挤密加固、溶洞灌注混凝土、注浆加固后施工等方案。

施工流程：施工准备→钻机就位→安装孔口护筒（2m）→取土成孔→塌孔→移机回填（混凝土）→钻机就位→取土成孔→（遇不良地层时处理→继续取土成孔）→检查、清渣→移机→吊放钢筋笼→检查→吊放导管→灌注混凝土→拔护筒。

在岩溶地区, 干成孔作业首先不用考虑漏浆问题, 同时, 遇到溶洞、软土缩径等情况时, 更方便采取措施, 如可以直接灌注砼、回填等。干成孔还有助于控制孔底沉渣、减少对土体性质的影响等效果。且干成孔工序减少, 效率高, 容易施工。所以, 在具备条件的情况下, 干成孔优势明显。

3.2.4 灌注混凝土工艺

考虑孔深及混凝土自由下落高度的要求, 采用导管灌注法, 即水下灌注混凝土的方法, 利用封闭的连接钢管作为混凝土的输送通道, 管的下部埋入混凝土适当的深度, 导管埋入混凝土深度不小于2.0m, 还使从下而上连续不断灌入的混凝土, 使桩孔内混凝土灌注质量得到了保证。

4 效果分析

4.1 施工情况

根据施工情况, 虽然多处遇到了软塑塑性粘土或溶洞, 但其中仅80根（约7%）的钻孔需要处理, 主要通过干土回填挤密的方法进行了处理。软塑性粘土层厚或溶洞大, 处理困难的孔7个, 采用另外两种方法处理。

7个难度大的孔中, 2个孔因溶洞造成, 溶洞填充物较松散, 且上部岩层较厚, 经过旋挖清理坍塌物后直接用C15混凝土灌注, 待混凝土凝固后继续钻进施工。5个钻孔坍塌严重, 采用素土回填后注浆的方法进行加固处理。

5个高压旋喷处理的孔, 均采用周边布置3个注浆孔的方式进行处理, 高压旋喷桩桩径为800mm, 注浆加固段为坍塌段及其顶部以上1m。处理时间包括设备进场及组装验3d, 高压旋喷桩施工时间2d, 共计5d, 等待7d后采用旋挖干成孔的施工工艺完成了该部位的钻孔施工。

4.2 效果分析

该方案效果明显, 首先充分发挥了旋挖钻机的优势, 且施工方案简单, 采用干成孔的施工方案, 施工速度快, 成桩质量好。

其次最大限度地降低了施工难度, 仅对个别难度大的孔采用了处理措施, 针对性非常强, 提高了工效。通过简化了施工工序, 明显加快了施工进度。由于进行处理的孔仅占本工程桩数的7%, 其它孔均按照最高效的方法施工, 与岩溶地区常用的施工方法相比, 在工期、环保、造价、质量保证方面优势明显。

处理方案简单, 其中填土挤密方案, 就地取材, 随时处理, 场地上部的粘土是很好的回填材料, 可直接采用施工中取出的上部粘土进行回填, 换上挤密钻头即可施工。其它方案也占用时间不多, 发现塌孔严重, 需要注浆加固的, 留到工程后期处理, 基本未影响总进度。

环保效果明显, 本方案成功避免了泥浆护壁或全套筒, 与泥浆护壁对比, 减少了泥浆制备、处理等环节, 不仅降低工作量, 还减少了环境污染；与全套筒工艺比, 提高了效率, 降低了施工成本。

有利于质量保证, 水下灌注有一定的断桩风险, 且护壁泥浆和桩底沉渣对桩的承载力有削弱作用, 本方法很好地解决了该问题。

降低成本, 无论是泥浆护壁成孔, 还是全套筒护壁成孔, 本方案工作量减少很多, 造价低；且泥浆外运处理费用高, 泥浆排放会造成环境污染性, 该部分费用节约明显。处理措施成本低, 除填充混凝土及加固处理的桩外, 挤密法成本主要为挤密过程的时间损失, 且增加时间不多, 实现了最大限度的节约成本。

占用施工场地小, 配套措施少, 便于安全和文明施工。随着对环保和安全要求的提高, 该方面的控制标准、投入情况、监督检查力度等, 都大幅度提高, 这方面不仅投入增加, 对工期的影响也越来越大。该工艺避免了泥浆护壁, 不仅减少了泥浆相关的费用, 还避免了泥浆池的维护, 场地容易平整管理, 方便进行降尘或覆盖；施工后的场地进行简单的平整后, 还可以作为其它场地使用, 这对场地的充分利用也有很大的帮助。

5 结束语

对于不同水文地质和工程地质条件, 灵活选择施工方案, 配以合理的处理预案, 能发挥出意想不到的效果。本方案充分理解了场地水文地质和工程地质条件的基础上, 正确的选用了旋挖干成孔的施工方案, 并制定针对性的专项处理预案, 用专项预案保证流塑性粘土部位顺利成孔, 成功避免了繁琐的护壁方案, 在工期、工程质量、工程造价、环保上都取得了较好的效果。