某公路桥梁项目花岗岩地质旋挖桩施工技术分析

顾 卿

（贵州桥梁建设集团有限责任公司,贵州 贵阳 550001）

0 引言

旋挖钻孔灌注桩简称旋挖桩。其作为一种重要的桩基施工方法，因具有施工技术成熟、易于控制、造价经济等优点，得到了广泛应用，并取得较好的社会效益和经济效益。旋挖钻孔虽然施工过程不复杂，但要达到预期效果，必须严格管控施工的每一关键环节[1]。某桥梁项目桩基施工现场地质为花岗岩孤石群地层，采用常规施工方法，会导致施工速度慢、施工效率低、易出现偏孔、孔倾等质量难点[2-3]。结合工程实践，该文从可靠性、施工便利性、施工进度等几个方面，确定了采用大直径旋挖钻孔成孔的施工方案，成功地解决了球形花岗岩孤石群桩基础钻孔难题。

1 工程概况

某公路大桥工程桩基为混凝土灌注桩，总计34根，采用中度—微风化花岗岩作为持力层的端承桩。桩直径分别为0.80 m，1.0 m，1.20 m，1.50 m，桩身设计长为36.0～37.0 m。根据前期的地质资料，在桩位附近的孤石占33%以上，基岩的强度在5.40～154.0 MPa之间。通过钻探揭示，按成因类型、物质成分由上往下划分，可将现场岩土层划分为人工充填上部、第四系沉积层、第四系残积层以及燕山期辉绿岩。以下是各地质层的具体资料：

（1）人工填充层（Qml）：黄褐～红色，疏松，由粉质黏附、砂质黏性土近期堆积，均匀度中等，部分含有碎石、块石。

（2）第四系沉积物（Qal）：粉质淤泥，灰黑色、流塑、有机质含量高、干强度低、初性低。

（3）第四系残积层：砂性土，浅黄、浅红、原岩在原位风化作用下形成，原岩构造已经彻底损坏，在水中容易软化、崩解，干强度和初性中等[4]。

（4）燕山期花岗岩（r）：黄褐色，岩心为硬土型，原岩结构基本被破坏，含大量的未风化石英微粒；岩石在水中容易软化、崩解，是一种非常软弱的岩体，岩体破坏程度很高，其基本质量等级是Ⅴ级。

（5）强风化花岗岩：青灰色、浅黄色，岩体风化作用强烈，裂缝发育，岩心为半土状半岩，上夹碎块状碎石，属超软岩，岩体破裂，岩体基本质量为Ⅴ级[5]。

（6）中风化花岗岩：青灰色，裂缝发育，岩心为饼形、短柱；节理面上有次生矿物，属于软岩，岩体破碎，岩石基本质量等级为W。

（7）微风化花岗岩：青灰色，只有少量的风化裂缝，岩体为短柱状、柱状，节长20～50 cm，锤击脆响，岩体完整，岩石基本质量是Ⅱ级。

（8）燕山辉绿岩：一种强烈的风化辉绿岩，灰黑色，岩心破碎，软岩短柱，岩体已破裂，基本质量等级为Ⅴ。

2 项目施工难点

该项目区域中的孤石占很大比重，大部分是由花岗岩组成的硬质孤石，分布不均匀，大小不一，没有规律。施工场区的球形花岗岩孤石具有高强度、高耐磨特性，容易对施工设备造成严重磨损，难以进行钻进。

项目场区地处亚热带季风气候地区，具有明显的海洋性气候特点，并具有丰富的降雨资源。该项目的总工期为120 d，由于正值雨季，所以工期十分紧迫。

3 花岗岩地质旋挖桩施工技术要点

该工程采用混凝土灌注桩，共计桩基344根，采用中度—微风化花岗岩作为持力层的端承桩结构，桩直径按顺序为0.80 m、1.0 m、1.20 m、1.50 m，每根桩长度介于36.0～37.0 m之间。

3.1 施工组合工艺原理

传统的冲孔桩机在处理孤石障碍、进入桩端持力层的环节，往往在与岩体接触的过程中产生抖动，通常需要施作6～10 d的时间，不仅进度慢、造价高、成孔质量难保证，而且容易出现塌孔等问题[6]。根据施工经验，在遇到球形花岗岩孤石和斜面硬基岩的情况下，采用单一的成孔技术难以取得良好的施工效果。根据目前的地质情况，提出了利用大直径旋转钻具进行钻孔的方案。针对不同的地质条件，分别选用了圆锥切削钻头、环切滚刀钻头和球齿滚刀钻头的组合施工工艺。

针对结构疏松的地层，如填土、粉质黏土层和花岗岩风化层，使用圆锥切削钻头进行钻孔；针对风化基岩和花岗岩地层，应用环切滚刀钻头，针对一般强度大于40.0 MPa、孤石岩面倾斜角度大的构造地层，选用了改进型球齿滚刀钻头，尤其是当岩面倾斜大、钻孔抖动等情况下，应及时纠偏，将高强度混凝土浇筑至与岩石倾角水平平行，达到一定强度后，再使用改进型的“8”齿滚刀钻头进行整体钻进。

采用多种措施相结合的钻孔施工技术，解决了球形花岗岩孤石、斜面硬基岩地质中的钻孔桩施工的安全问题。同时，项目实践阶段，可以根据前期的地质调查数据，对不同地质条件进行正确分析和选择。

3.2 组合工艺流程

花岗岩地质旋挖桩施作工艺流程见图1所示：

图1 施工工艺流程图

3.3 主要施工方法

3.3.1 施工准备

施工前的施工准备工作，主要包括以下几个方面：一是施工场区范围的平整、临建用地的整体规划布局。二是各类结构部位的测量定点、放线定位。三是按顺序组织旋挖钻机、钢筋加工焊接设备、吊装设备、水下混凝土浇筑设备进场。四是完成供水接口，确保供水充足，以及架设好配电线路，完成电力、配电设施的安装[7]。

3.3.2 定位放线

重新测量设计单位提供的桩基位置或用地红线标桩。复测时使用经核准标定的全站仪，测角中的偏差值确保在2''范围之内，确保测量控制点满足要求。测量控制点进行复核后，采用全站仪对桩基进行标定，以交叉线对桩基中点进行控制。在护筒埋设完成后，应对护筒中心位置、护筒内径、护筒高度等进行校验。

3.3.3 成孔施工

旋挖钻孔灌注桩施工环节，通常采用干钻、无循环泥浆钻进、全套管钻孔方案之一。先要勘探地质条件，为钻进工艺参数取值而进行超前地质预报，然后根据不同地质条件选用不同钻头。在遇到有基岩的情况下，其工序施作展开的基本方法包括：一是旋挖钻机启动后，利用液压缸的压力，将钻杆底部的钻头旋转到基岩中，并将其直接嵌入到钻斗内，再利用钻具、伸缩钻杆将钻头顶出孔外，完成钻孔取心施工操作。二是由于该项目的基岩为球形花岗岩或斜面岩，所以选用具有高转速、高扭矩、高效率优势的三一重工SR360Ⅲ类大型旋挖钻机进行钻孔。三是钻孔工序施作之前要对钻头直径、钻头磨损进行检测，施工期间对磨损超过标准值的钻头应及时进行更换[8]。现就该项目在施工中，根据不同基岩特征所采取的主要成孔技术进行分析。

（1）针对风化基岩、花岗岩的钻孔措施：一是当遇到具有较高强度的基岩地层或较大体积的孤石时，旋挖钻具难以钻入，常规钻头不能在此岩地层内钻孔，必须更换环切滚刀钻头。环切滚刀钻头在圆筒底部焊接有一个弹头截齿，在圆筒内壁上安装了用于支撑岩心的合页片，因为此类岩层具有较高耐磨性能，因此，钻头斗齿损失会比较大。二是为达到冲击岩体的目的，操作者应控制加压设备对钻杆进行加压、减压、浮动而循环作业，合理配置钻头斗齿，并针对同一地层不同岩性，选用不同的刀片前角，以提高进尺效。三是在钻孔岩层强度较低的情况下，斗齿刀头的前角要稍微大一些，选择450～650较为适宜。在钻孔岩层强度较高的情况下，斗齿刀头的刃角要稍微小一些，选择250～450较为适宜。

（2）球形花岗岩和斜面硬基岩的钻孔措施：一是由于其岩体一般具有40.0 MPa以上的强度，而且岩体倾角大、分布不规则，甚至需在半坡处进行，钻进环节因钻头的受力不均匀，很容易出现偏孔和抖孔现象。在此类地质中施作，通常采用低速慢进的原则，采用短进尺、循环钻进。二是依据地层岩性的强弱及特征，在高强度岩层中需采用改进型“8”齿球滚刀钻头而进行岩层的全面钻进。球齿滚刀钻头是一种用于高强度岩层整体碾压钻削的钻头，采用进口高强度合金钢球齿，合理排列齿数和间距，采用碾碎剪切的方法对岩石进行破碎。其工作原理是旋转阻力随钻头向岩石中钻进而增大，当旋转阻力增加时，钻头旋转速度下降，这时受压油缸对钻杆进行加压，从而将压力传递给钻头，通过“8”形的球形齿轮在钻孔底部滚动，并对岩石进行碾压和切割，可以有效地将岩石分离开来，并将周围的岩石打碎，形成一个完整的岩心。钻头每次钻进基岩的嵌入深度最好是0.80～1.0 m，太深或太浅都不利于取心[9]。三是斜面硬质基岩钻进阶段出现抖动时，会造成钻孔垂直度不易校正的情况，可采用导管将高强混凝土注入到抖孔区地层，待混凝土达到强度后，将利用改进型“8”齿球滚刀钻头钻进成孔。

（3）钻孔检测：钻孔完成后，需对灌注桩孔深、孔径、垂直度等质量指标进行检测，如果不符合要求，必须采取相应的改进措施。

（4）清孔：旋挖机成孔后的桩底沉积物比冲击成孔量大，可采用气举反循环清孔工艺。

3.3.4 钢筋笼吊装施工

钢筋笼加工制作的质量指标控制所允许偏差应符合规定。钢筋笼应分段制作、分段安装，分段长度以8.0～12.0 m为标准段。钢筋笼连接应采用单边焊接工艺。吊装施工环节，钢筋笼应该避免发生变形，注意对准孔位，严防与孔壁发生碰撞。为了克服灌注桩浇筑阶段的浮力影响，对钢筋笼进行了可靠定位、并加强固定。

3.3.5 水下混凝土灌注

灌注桩混凝土浇筑，经搅拌车运至工地后，利用提升导管的方法开展水下混凝土灌注施工。在进行混凝土灌注前，应按桩孔径、导管直径等因素计算第一批混凝土的工程量，确保第一批混凝土在浇筑时，至少能将导管埋入1.0 m以上。首批混凝土灌注，需使导管底部至孔底的间距达300.0～500.0 mm。当混凝土液面升高时，适当地将导道提起或拆卸，使导管底埋入混凝土的深度保持在2.0～6.0 m以内，不得将导道底部抬出混凝土基面，以免发生断桩病害。

3.3.6 环境保护措施

禁止清洗机械和施工设备产生的污水直接排入河流，保证污水处理达到排放标准。选用低污染的设备，配置空气污染防治体系，加强对大气污染物的处理与监控。严格遵守当地环境保护管理法规，加强噪声的控制，不得有噪声干扰居民。在项目完成后，应将临时场地内的建筑垃圾、生活垃圾清理干净，并将垃圾运往指定的地点进行处置。保证作业场地、周围环境的清洁卫生，并对废弃物料、污染物等，进行及时回收、处置[10]。结合工程项目的实际工况，制定合理的环保施工计划，灵活调整施工方案。施工管理人员需积极学习最新的环保法律法规，营造良好的环保施工氛围，将环保理念贯穿于施工管理全过程。

4 结语

综上所述，以理论研究和实践为基础，依托某公路桥梁桩基施工，对花岗岩孤石群、斜面硬基岩地层的桩基成孔工艺进行了分析，并总结了旋挖钻机采用圆锥切削钻头、环切滚刀钻头、球齿滚刀钻头等多种组合方式的成孔方案。这一方案的应用，最终使该桥梁项目所有灌注桩都通过了质量检测，全部达到了合格标准。实践表明，花岗岩地质岩性变化剧烈地层，进行地质超前预报，对于指导钻孔桩施工，具有重要意义。花岗岩复杂地质，采取多种措施相结合的钻孔技术使用效果良好，可为同类工程提供有益借鉴。