两次成桩法在高承压水地层中的应用研究

杨宗维

（深圳市隧道工程有限公司 深圳 518034）

0 引言

深圳地区地质水文条件复杂，地层软硬不均，基岩裂隙发育，而地下水位又高，所以高承压裂隙水在深圳地区较为常见。由于高承压水的存在，施工旋挖钻孔灌注桩时遇到的涌水、塌孔、缩颈等技术难题。目前，对高承压裂隙水的研究多集中在地下工程中的盾构施工［1-3］、基坑支护中的地连墙施工［4-5］以及基坑降水方面［6-7］高承压裂隙水地层工程建设中，另一种主要支护方式——钻孔灌注桩施工的研究较少，工程中有采用全套管钻机在类似地层中施工的案例，但全套管钻机施工存在的拔管难、工效低等难题一直未得到良好解决［8］。黄舜涛等人［9］为解决高承压地层钻孔灌注桩施工质量问题，提出了预埋管敞开式桩端压力注浆法，但该方法主要解决因桩底沉渣造成的桩身承载力不足问题，而桩身施工缺陷等问题解决效果不够理想。因此，探究在高承压水地层条件下，如何快速高效高质量地进行钻孔灌注桩施工，保证工程质量，不但是深圳地区，也已经成为整个基础建设行业亟待研究的课题之一。

1 工程问题提出

深圳市某抢险项目，经过场地清挖处理后，留有松散的堆积体和回填的城市弃土约300 万m3，为了保证滑坡残体的稳定性、预防泥石流等次生灾害，需对灾害体进行综合整治。整治措施拟定为在滑口处修建挡土坝，以防止残留土体发生二次滑动，造成次生灾害。挡土坝采用抗滑桩+土坝方案，分上下两级两个平台。打设ϕ1 200 mm抗滑桩341根，桩基布置如图1所示。挡土坝坝体西侧在工程勘察过程中发现基岩裂隙水，场地内的基岩裂隙水受地下潜水和地表径流补水影响，地面水头高度达12 m、日涌水量达100 m3。考虑到工程性质，为统筹成桩质量、工期及经济等方面因素，需研发针对性强的钻孔灌注桩新型施工技术。

图1 抗滑桩桩位Fig.1 Location of Anti Slip Pile

2 新型施工方法研究

2.1 现有施工方法概览

桩基在钻孔过程中遇到承压水地层时一般分为3种情况［10］：

⑴承压水水头高度高出地面高程；

⑵承压水水头高度高于地面且上部地层有强透水层；

⑶承压水水头高度低于地面，但高于地下水位线且上部有强透水层。

上述几种情况都极易在承压水的作用下形成过水通道，使桩身周围或桩心严重离析、冒水，导致承压水层上部桩体严重受损。

针对上述几种情况，目前国内外常用的解决方法主要分为两类［10］：①平衡水头压力；②降水井泄压。其中，平衡水头压力在实际操作中可分为泥浆平衡法和填筑围堰法。泥浆平衡法的原理是通过提高泥浆相对密度，使孔内泥浆形成的压力大于承压水压力，使泥浆抑制承压水头，并有一定的安全距离，确保钻孔顺利进行；填筑围堰法则是通过填筑围堰使桩孔位置提升超过承压水水头高度从而达到平衡水头的目的。降水井泄压是通过在施工现场四周钻探并设置若干大口径降水井进行抽水降低地下水位，控制承压水头，两者对比降水井泄压法可根据地下水水量大小布置井位间距，适用于地下水位较高、水量较大的情况，但其工程量较大，且在场地高差较大区域不宜展开施工。

由于该项目遇到的承压水头高，涌水量大，且场地高差极大，考虑到施工难度、工期及成本等因素，传统的平衡水头压力和降水井泄压施工方法在工程实际中难以使用。

2.2 新型施工方法研究

徐长节等人［11］为解决杭州某基坑项目的涌水，设计了基底灌浆加固法，取得良好效果，但是对于高承压水条件下的深基坑工程，基底注浆作用有限［12］。参考既有的研究经验，为解决水泥浆在高承压水地层中强度不足的弱点，将水泥浆变更为强度更强的混凝土，基于此，经多次试验研究，创新性提出两次成桩法进行坝体桩基施工，桩基布置示意如图2 所示。完美解决高承压水地层裂隙水对工程桩质量的影响。

图2 钻孔灌注桩扩大桩径示意图Fig.2 Schematic Diagram of Expanding the Diameter of Bored Pile （mm）

⑴初次成桩。在设计桩位处采用扩径（较设计桩径）灌注低标号混凝土（C20）的方法实施初次钻孔，主要起两方面作用：①抑制基岩裂隙水承压水头，混凝土浆液在自重作用下渗入到基岩裂隙，固结后起到止水帷幕的作用，消除或降低水头压力的同时，周边土体强度得到增强；②较原桩径增加的低标号混凝土形成薄壁混凝土外壳，在二次钻孔过程中，与被混凝土浆液加固的土体形成双重护壁作用，从而避免在二次成孔时，承压裂隙水突破护壁造成涌水等对桩孔产生的负面影响。

⑵二次成桩。实际工程桩维持原设计桩径，保留的薄壁混凝土外壳在周边加固体的基础上，起到进一步稳固周边土体的作用，以保证钻孔过程中不出现塌孔，解决灌注桩施工过程中的缩径和桩身夹渣等问题，从而保证成桩质量。

经成桩后的第三方桩基质量检验，两次成桩法施工的钻孔灌注桩完美达到工程要求。

根据地质勘察情况查明基岩裂隙所处地层深度h1和承压水水头高度h2（地面为基准面），如图3所示。根据伯努利方程［13］，为平衡高承压水水头，在钻孔中灌注的低标号混凝土（C20）比重γs应满足公式：

图3 基岩裂隙水示意图Fig.3 Schematic Diagram of Bedrock Fissure Water

γsh1≥ηsγw（h1+h2） ⑴

其中：γs为C20 混凝土的重度，取2.4×104N/m3；γw为水的重度，取1.0×104N/m3；ηs为安全系数，取1.1。

当传统泥浆比重达到1.4 仍不能抑制承压水头时，则需采用填筑平台增加土围堰或者采用灌注低标号混凝土的方式抑制水头压力，以确保灌注桩成桩质量。理论上，通过调浓泥浆比重可以平衡0.4h1深度的高承压裂隙水，即通过泥浆无法抑制裂隙位于25 m深度且承压水头超过10 m的高承压水。这种情况下，需要通过比重更大的水泥砂浆或低标号混凝土抑制承压水头。

通过理论分析发现，不必将整个钻孔灌满低标号（C20）混凝土，只需灌至距离裂隙h3的高度。这将大大节省低标号混凝土的用量，同时满足抑制水头的功能。此时，为平衡裂隙中高承压水头，公式可转换成：

其中：γm为泥浆的重度，取1.1×104N/m3。

若继续加大低标号混凝土（C20）的灌注高度h3至h1，即将低标号混凝土灌满整个扩大的钻孔时，可进一步增大混凝土在基岩裂隙处的压强，使得混凝土浆液渗透得更远，从而在裂隙深部封堵来水通道，进一步提高止水帷幕效果，也可在一定程度上增加基岩完整性，一定程度上提高基岩工程性能。

3 两次承桩法工程实施

3.1 勘察裂隙位置及承压水头

充分利用钻孔岩芯比对和物探手段查明基岩裂隙的位置、埋深、分布范围、发育情况，以及地下水补给、径流、排泄条件；在灌注桩的基桩位置进行地质勘察，主要勘察内容为提前获悉测压水位面深度、承压裂隙水层深度以及承压含水层顶界面到测压水位面的垂直距离即承压水水头高度。

3.2 初次扩径成桩

根据工程桩设计桩位进行施工放样，且进行桩位二次复核后，进行初次扩径成桩。扩径桩体采用低标号素混凝土（C20），混凝土浇筑后需保证其凝结时间不少于1 d，且在扩径桩混凝土强度大于5 MPa 小于10 MPa时进行二次成桩，此时施工工效最高且成桩质量优异。当两次成桩法运用于北方地区时，冬季施工温度在5℃以下时，初次扩孔成桩可根据当地实际情况，适当延长混凝土凝结时间。

3.3 二次成桩

当扩径桩强度达到施工要求后实施二次成桩。在扩径桩上测量放线并进行桩位二次复核，做好中心点标记，二次成桩要求混凝土超灌0.8～1.0 m。二次成桩施工应避免初次成桩后长时间放置而未进行二次成桩施工，以防初次成桩的桩基强度过高，造成二次成桩困难。二次成桩后，根据《建筑基桩检测技术规范：JGJ 106—2014》中钻芯法规定，桩基龄期达到28 d后，对桩基质量进行取芯检测钻芯取样检测结果如图4所示，经桩基钻芯取样检测，采用两次成桩法施工的工程桩均为Ⅰ类桩，表明两次成桩法在高承压裂隙水地层施工拥有良好效果。

图4 工程桩芯样Fig.4 Sample of Engineering Pile Core

3.4 施工效益分析

从经济效益及工期两方面经综合对比分析。

⑴采用两次成桩法施工技术，相比常规的平衡水头法，增加了初次成孔费用，但减少平台填筑及土方转运费用，总计节约成本约12.6万元。

⑵初次成孔工期与填筑平衡水头压力的土台，以及降水井施工、降水所耗工时相比，可节省工期14 d。

⑶两次成桩法无需平台填筑及土方转运，减少了相应的措施费用，同时也极大程度地减少了机械在高台上施工所带来的工程风险。

4 结语

⑴两次成桩法，初次扩径成桩采用C20 号混凝土，混凝土浇筑1 d后，强度大于5 MPa小于10 MPa时进行二次成桩，施工工效最高且成桩质量优异。

⑵两次成桩法可更好地抑制承压水头，同时，混凝土浆液渗入周边土体形成的浆液加固体结合扩径部分构成双重护壁，可进一步保证成桩质量。

⑶两次成桩法不需要特殊桩基设备，采用传统桩基设备即可实现在高承压裂隙水地层的快速高效高质量成桩施工。

⑷两次成桩法成桩后经桩基检测，均为Ⅰ类桩，表明两次成桩法在高承压裂隙水地层施工中拥有优秀效果。

⑸与平衡水头法相比，两次成桩法无需平台填筑及土方转运，简化施工操作程序，减少人工、消耗性周转材料和施工机械的投入，减少了相应的措施费用，实现节能减排的同时，也极大程度地降低了机械在高台施工所带来的工程风险，提高施工安全性。