旋挖钻孔灌注桩施工工艺实践应用——以菲律宾马尼拉某项目为例

郑景昌

(福建建工集团有限责任公司,福建 福州 350001)

随着建筑技术的发展及建筑机械水平的提升,旋挖钻孔灌注桩技术因其施工效率高、操作简便、成孔质量好、安全环保等优点,在国内得到越来越广泛的应用。我国“一带一路”倡议提出后,越来越多的施工企业走出国门,也带动国内的施工工艺、设备走向世界。本文以菲律宾马尼拉某项目为例,探讨中国标准的旋挖钻孔灌注桩施工工艺在当地的地质条件及环境条件下的管控要点,以期为类似项目提供借鉴。

1 项目概况

本项目位于菲律宾首都马尼拉市中心黄金地段,三面临街,拟建建筑物为地下2层、地上60层的超高层建筑(图1红框处)。

图1 项目位置图

根据岩土工程勘察报告,项目各土层由上至下分布如下:

①S1层:该层为非常松散至中密的灰色细粒砂(SM),含有少量非塑性粉土和贝壳碎片,该层厚度约为7.5m。

②S2层:该层为极软至中等硬度,灰色,稍高塑性黏土(CL/CH),含少量砂和贝壳碎片,该层埋深7.5～20.0m。

③S3层:该层为硬至坚硬,灰色,中高塑性黏土(CL/CH),含少量砂。该层最大埋深37m。

④B层:该层是瓜达卢佩凝灰岩地层(GTF)或“土坯”。GTF层由砂岩、粉砂岩、砾岩和泥岩/黏土岩组成,所有的钻孔都在B层终止。

该项目的桩基为钢筋混凝土灌注桩,详见表1。

表1 桩基工程设计概况

2 项目重点、难点分析

2.1 地质情况对桩基工程的影响

2.1.1 表层地质松散

本项目表层松散砂层厚度约为7.5m,由于砂层整体性差,对外部扰动反应敏感,砂粒极易出现错位移动,进而产生较大的变形、移位等问题。加之,本项目靠近马尼拉湾,地下水位面位于原始地表下1.5m处,在地下水丰富的地区,受地下水和砂层的共同作用下,钻孔灌注桩容易出现桩体失稳、孔壁坍塌等事故[1]。

2.1.2 桩端持力层承载力低

拟建建筑物为超高层建筑,对桩基的承载力要求高,但由于地质原因,桩端持力层为强风化岩层,承载力低,且风化程度不均匀,桩基承载力大部分由桩侧摩阻力提供,因此,在桩基工程质量上有很多区别于端承桩的控制点。

2.2 大直径深孔灌注桩沉渣

本项目桩基工程孔深最大约54m,孔径最大1.2m,且由于地质原因,旋挖桩成孔后砂粒因自身重力易沉淀于桩底,影响桩底沉渣及清孔质量,若清孔质量不高,将影响桩端承载力及桩身质量。

2.3 场地狭小问题

本项目位于马尼拉市区中心的黄金地段,用地紧张,北侧支护桩与相邻的建筑物(正常营业中的酒店,浅基础六层框架结构)距离仅0.6m,对施工噪声、振动、沉降等均极为敏感,对施工管理提出很高要求。

3 应对措施

3.1 埋设护筒,控制孔顶荷载

砂层结构松散、整体性差,受施工扰动后易失稳导致孔壁坍塌,阻碍钻进成孔、混凝土灌注。因此,为保证工程质量,本项目以埋设护筒的方法防护孔壁。根据砂层的分布情况加长护筒,采用10m长钢护筒,通过履带吊和电动锤施工,确保钢护筒穿透7.5m砂层,保证桩基施工效率和质量。同时,有效控制孔顶载荷,合理规划机械设备的布设位置,大型的机械设备停放在距离孔位较远处,防止因设备重力作用而影响到钻孔的稳定性,保证正常钻进[2]。

3.2 选择合适的泥浆品种、泥浆比重和钻机类型,加快成桩速度

本项目桩端持力层承载力低,桩基承载力大部分由桩侧摩阻力提供,如何提高桩侧摩阻力成为项目质量控制的一项重要工作。首先,灌注桩成孔过程中,考虑到钻进效率,孔内泥浆比重不能太大,所以孔周土体不可避免会发生卸荷缩径,卸荷缩径导致的塑性位移部分无法恢复,泥浆比重越小,卸荷效应越明显,桩极限侧摩阻力也越小。因此,需要根据实际情况适当加大泥浆比重。其次,在灌注桩施工过程中,孔壁形成泥皮,这层泥皮压缩模量小、抗剪强度低,构成桩土荷载传递的薄弱层,削减了桩的竖向承载能力,泥皮越厚,桩极限侧摩阻力越小。采用比重较低的泥浆,对减小泥皮厚度有利,因此,在满足保证土体平衡前提下,泥浆比重不宜过大。此外,成桩时间越短,形成的泥皮就越薄,这就要求施工中尽可能在最短的时间内成桩。再者,钻孔灌注桩在成孔阶段由于使用的成孔设备不同,或相同成孔设备在各土层中钻进速度不同,均会造成成孔后的孔壁粗糙度不同,而不同的孔壁粗糙度对桩的承载能力有显著的影响,孔壁粗糙度越大,桩极限侧摩阻力越大[3]。因此,选择合适的泥浆品种、泥浆比重、钻机类型及加快成桩速度就成为质量控制的关键所在。

在钻孔过程中适当提高泥浆比重,有利于保持孔壁稳定,但泥浆比重过大不利于清除沉渣。综合考虑上述因素后,结合现场试桩情况,本项目在钻孔过程中泥浆比重控制在1.25～1.35,混凝土灌注前清孔至规范规定泥浆比重。在泥浆类型选择上,对化学泥浆和膨润土泥浆性能进行对比分析。根据相关资料,化学泥浆在不同掺量下,泥浆比重范围为1.06～1.30,无法满足本项目需求。同时,经现场试验,钻孔完成后,泥浆处于静置状态时,膨润土泥浆孔壁稳定性高于化学泥浆[4]。经综合对比,本项目采用了膨润土泥浆;在桩机类型选择上,经综合比较,工程桩部分采用徐工285型旋挖钻机,旋挖机钻头采用土层双底捞砂钻斗。对不同地层设置特定施工模式,分为标准模式、入岩模式和高效模式。根据工况需要对加压系统进行无级调节,有效提高钻机稳定性。在确保钻孔质量、施工效率的前提下,孔壁有一定的粗糙度,有效提升桩侧摩阻力。

3.3 泥浆循环清孔,更换孔内泥浆

严格按照施工方案进行施工,钻孔过程中,适当上下移动钻头,以清除孔壁残留渣土,确保孔壁顺直,并在孔壁形成有效泥皮。钻孔完成后,通过泥浆循环清孔的方式清除孔底沉渣。该阶段,由于机械扰动作用结束,孔壁趋于稳定,且泥浆比重过大不利于清除沉渣,可适当降低泥浆比重,满足平衡条件即可[5]。浇筑混凝土前采用反循环清孔工艺进行二次清孔,通过清孔更换孔内泥浆,减少孔内泥浆含砂率,保证孔底沉渣符合设计规范要求。

3.4 采用车载反循环钻机

由于当地对建筑物没有开窗的非临街面无退距要求,因此本项目与相邻建筑物之间只保留了最小的施工操作间距。支护桩与相邻建筑物距离仅0.6m,容易产生风险。经过对比,对支护桩部分采用车载反循环钻机进行施工,如图2所示。该型号钻机在施工过程中,通过钻头钻进切削土体并利用钻机自带泵通过中空钻杆将切削碎的土块吸出,自动化程度高,机械移动、操作、安装操作简便,钻进效率高、施工速度快、无震动,单根桩施工时间明显缩短。同时,采取跳挖方式,有效降低了对相邻建筑物的不利影响。

图2 车载反循环钻机

4 施工工艺

4.1 制备泥浆

本场地采用人工造浆的方法,现场设泥浆罐(含回收泥浆罐),通过泥浆处理系统将施工过程产生的废泥浆进行分离处理,得到活泥浆后重复利用,渣土经分离后及时清理运出场外。

4.2 成孔前准备

为了保证工程顺利进行,工程策划阶段应做好设计施工图纸会审、施工组织设计及技术交底,尤其要充分熟悉当地相关的设计及施工规范,避免因为理解错误造成施工质量问题。施工组织设计中,除常规的技术措施及人员、材料、机械、资金等各种资源的组织外,必须在充分了解当地相关规定基础上,制定详细的环保、安全、文明施工保证措施及应急预案,并对境外施工中可能涉及的当地法律法规、宗教习俗做简明介绍。

由于当地材料、设备较国内相对短缺,开工前需要根据图纸和项目资源计划,详细测算各种资源的需要量,并带供应商踏勘现场,落实材料供应问题。

4.3 护筒埋设

桩基定位后,埋设护筒时采用十字线定位护筒中心,护筒埋设到位后严禁扰动,护筒周边回填土体至护筒顶部以下200mm并夯实。

埋设护筒时,先将表层影响钢护筒施工的坚硬石块、混凝土块等挖出整平,然后通过控制点定位放样,利用履带吊将钢护筒吊起对准桩位,接着采用电动锤震动下压钢护筒,震压过程中用经纬仪在两个十字垂直方向测量,保证钢护筒的垂直度(图3)。

图3 钢护筒起吊、履带吊+电动锤下钢护筒示意图

4.4 成孔

施工采用旋挖桩机,钻进过程中,定时观察钻杆进入的深度,以及钻杆是否出现异常振动、声响等。开始钻孔前,根据岩土工程勘察报告、护筒标高、设计桩顶标高、设计有效桩长计算出要求孔深。预估达到深度要求后,采用测绳测量实际孔深,确认持力层岩样,并做好相关记录。

4.5 钢筋笼制作安装

本项目采用当地标准设计,1200mm直径的灌注桩在设计桩顶标高往下22m范围内主筋为26根φ28钢筋,箍筋为75根φ12钢筋,22m以下主筋为14根φ28钢筋,箍筋为150根φ12钢筋。与国内类似直径混凝土灌注桩相比,钢筋用量及单节钢筋笼重量均加大很多。由于焊接量大,一个熟练的专业焊接工人焊接一根桩所有钢筋笼的时间需要5～6h。因此,对材料、人员组织、堆放场地等需提早谋划,施工过程中及时进行调配,确保工程需要。

4.6 二次清孔

钢筋骨架、导管安放完毕后,由于下放钢筋笼时对孔壁的剐蹭及下导管、钢筋笼过程中孔内悬浮沉渣的沉淀,应采用清孔设备进行二次清孔,以确保每根桩孔底沉渣满足规范要求。本项目二次清孔采用反循环工艺。清孔过程中在反循环泵的作用下,桩底产生负压,使桩底泥浆和沉渣混合物顺着导管回流到沉淀池,经泥浆分离器处理使泥浆净化后再循环利用,清孔质量高。

4.7 混凝土灌注

混凝土灌筑应注意以下技术要点:

①二次清孔结束后应尽快开始浇捣混凝土;

②灌注前应检查各项器械的完好情况,特别注意导管连接是否牢固;

③水下混凝土封底必须有隔水栓,隔水栓应有良好的隔水性能并能顺利排出[6];

④导管埋深:导管埋深宜为2～6m,严禁导管提出混凝土面,应设专职人员测量导管内外混凝土高差,确保灌注连续[7];

⑤混凝土灌注超灌量必须≥800mm,以保证在凿去超灌部分混凝土后能够保证桩顶标高及设计混凝土强度。

5 桩基检测

本项目施工完成后,采用高应变及低应变检测方法对桩基工程质量进行了检测,相关指标均符合设计及当地规范要求。部分检测数据如表2所示。

表2 桩基承载力检测结果

6 结束语

在采用菲律宾设计标准下,基于当地地质条件,对厚砂层、泥浆类型、泥浆比重、桩机类型、人员组织等因素采取针对性措施后,我国旋挖钻孔灌注桩施工工艺具备充分的适用型、安全性及可靠性,为国内建筑企业响应国家“一带一路”倡议,走出国门,参与国际市场竞争提供了借鉴和参考。