摘要：东南沿海某平原地带项目，桩基工程设计等级为甲级，桩径1~1.5米，桩长≥40米，采用冲钻孔灌注桩基础，基桩自上而下依次穿过粉细砂层、淤泥质土层、中砂层、风化岩层等。场地内细砂层平均厚度达17米以上，场地地下水位较高、水量较大，平均渗透系数7.5m/d，基坑涌水量约11450m3/d，含水量丰富的厚砂层是对该项目桩基工程施工最大的影响因素。所以，在施工过程中必须加强质量控制，严格按照设计规范与要求施工，确保旋挖灌注桩的施工质量。
关键词：旋挖灌注桩；厚砂层；塌孔风险；泥浆指标控制；施工工艺
一、引言
随着我国社会经济迅速地发展，建筑行业规模的不断扩大，在建筑施工过程中，应用到了更多的施工技术。旋挖钻机成孔灌注桩以其安全、环保、快速、高效的特点倍受高层建筑青睐，但新设备、新技术的推广都伴随着改进与完善的过程。在我国东南沿海含水量丰富的厚砂层复杂地质下，旋挖桩孔极易发生孔壁坍塌的质量问题，塌孔现象成为旋挖钻机成孔工序中最大的障碍。本文结合平潭海洋国际会展中心项目酒店塔楼已完成的82根桩径1.5米，最大桩长73米超长灌注桩施工情况，着重研究厚砂层地质下旋挖成孔灌注桩成孔施工技术。
二、工程概况
该项目位于福建省平潭综合试验区，原始地貌属海陆相交互沉积地带，场地地质淤泥层较厚，场地表土软，地坪高程约2米；该场地地下水量较丰富，场地内地下水位高程约为4米，总体上表现为潜水。在建工程场地分布的岩土层按地层年代及成因可分为素填土、粉细砂、淤泥质土、粉质黏土、中砂及风化岩层等。其中粉细砂层、淤泥质土层与中砂层全场分布，粉细砂层平均厚度约14米，淤泥质土层平均厚度约12米，中砂层平均厚度约3米，且均位于地下水位以下，土层富水性好。平潭季风明显，夏季以偏南风为主，其余季节多为东北风，风力年平均风速6.9m/s，湾海地区全年大风7级以上日数为125天，是本省强风区之一；夏季常受热带风暴影响，年平均6.3次气象灾害主要是台风、大风暴雨，该场地地下水主要受大气降雨垂直下渗补给及相邻含水层内地下水的侧向迳流补给，地下水侧向径流量大，增大了桩基工程的施工难度。同时，本工程桩基持力岩层深、起伏变化大，设计桩长达50~70米，地下岩层中存在孤石，厚度1~5.5米。
三、施工难点分析
3.1 设备安全管控风险
酒店塔楼区域基桩桩径为1.5米，如采用冲孔桩机施工，单桩成孔时间需12~15天，成桩效率低，施工速度慢，为满足施工进度需要，本工程引进了2台XR400E旋挖钻机。由于旋挖钻机作业区域为软土区域及设备总重量113吨，钻杆高度达30米，受本地大风天气影响，钻机整体稳定性较差，设备安全管控风险大。
3.2 厚砂层塌孔风险
孔壁坍塌是在施工过程中，在排出的泥浆中不断出现气泡，或护筒里水位突然下降，这都是坍塌的迹象。塌孔是一种最常见的事故，在钻孔过程中或在成孔后都有可能发生，究其原因如下：1.泥浆稠度小，护壁效果差，出现漏水；或护筒埋置较浅，周围封堵不密实而出现漏水；或护筒底部土层厚度不足，护筒底部出现漏水，造成泥浆水头高度不足，对孔壁压力小。2.旋挖钻机在松软的厚砂层中进尺速度过快，孔壁砂层受较大扰动，钻孔深度大于空桩的稳定极限高度，使原本松动土层塌孔。3.钻孔周围堆放过多弃土、钻孔附近有大型设备或车辆振动。4.地层变化时未及时调整泥浆相对密度。5.成孔后未及时灌筑混凝土或下钢筋笼时撞击孔壁造成塌孔。
3.3 大直径超长桩垂直度控制
桩的垂直度控制对基坑的后续施工有重要的意义，若基坑周边的钻孔灌注桩的垂直度偏差较大，将导致基坑四周的围护结构受力不均，给基坑的安全带来较大的隐患。同时若钻孔灌注桩的垂直度偏差较大，对后期主体结构的施工和使用带来较大的影响，由于主体结构周边的钻孔灌注桩垂直度偏差较大，导致主体结构周边的受力不均匀，进而导致主体结构出现裂缝，对主体结构的后续使用带来隐患。
四、施工工艺及施工技术
4.1 施工工艺流程
施工工艺流程如图1所示。
图1 旋挖灌注桩施工工艺流程
4.2 主要施工技术
4.2.1 场地平整及埋设护筒
本项目酒店区域采用XR400E旋挖钻机，钻机自重大，场地表土松软。为保证旋挖钻机作业时桩机不发生倾斜、下沉等影响成孔质量的事故。项目采取在旋挖钻机站位前，在钻机位置铺设500mm厚碎石面层，在面层的基础上再铺设1cm厚钢板，每台钻机4块钢板，提高基底强度，保证钻机成孔过程中的平稳。针对局部淤泥质土较浅或外露的部位，则沿钻机站位范围外扩3米，铺设厚度1米的碎石，再铺设钢板的措施来保证场地承载力要求。
钻孔前在测定的桩位，准确固定冲孔位置，隔离地面水，稳定孔口土壤和保护孔壁不塌，以利冲孔工作进行。为保证护筒刚度，护筒采用6~8mm厚钢板制作，在护筒的上、下段及中部外侧各焊一道加强筋。护筒下端外侧应采用黏土填实，施工期间护筒内的泥浆面应高出地下水位1米以上，在受水位涨落影响时，泥浆面应高出最高水位1.5m以上。因场地内淤泥或淤泥质土层、粉细砂层较厚，钻孔及浇筑混凝土施工中易出现扩径、塌孔等现象，需采用长护筒，护筒长度取8m，必要时加大护筒长度。
4.2.2 钻进成孔
旋挖成孔首先是动力头转动底门镶嵌斗齿的桶式钻斗切削岩土，并将原状岩土装入钻斗内，然后再由钻机卷扬机和伸缩钻杆将钻斗提出孔外卸土，这样循环往复，不断地取土卸土，直至钻至设计深度。而对于松散易坍塌地层，或有地下水分布，孔壁不稳定，必须采用静态泥浆护壁钻进工艺，向孔内投入护壁泥浆或稳定液进行护壁。
成孔过程中，每钻进3~5m检查一次成孔的垂直度，如发生斜孔、弯孔、梅花孔、塌孔或护筒周围冒浆、失稳时，应停止施工，待采取相应措施后再继续施工。土层中冲进时，采用膨润土等制备泥浆，为使泥浆有较好的技术性能，适当掺加碳酸钠等分散剂，其掺量为加水量0.5%，勤冲、勤掏渣，保证孔内泥浆的相对密度等指标满足要求。
钻孔至设计标高后，对孔底岩样、孔径、孔深进行自检，并请地勘单位对其进行验槽，确保桩端以下五倍桩径范围内无软弱夹层、断裂破碎带、孤石分布，孔底沉淀、泥浆指标满足设计规范要求，确保每根桩基落在完整、稳定的设计持力层上。
钻孔作业必须连续，并作钻孔施工记录，经常对钻孔泥浆进行检测和试验，不符合要求的随时改正，注意及时补充新拌好的泥浆。水头必须始终保证在2m左右，达到有效地防止孔壁坍塌、埋钻头的现象发生，确保钻孔桩的成孔质量和成孔速度。
钻进过程中经常检查钻杆垂度，确保孔壁垂直。钻进过程中必须控制钻头在孔内的升降速度，防止因浆液对孔壁的冲刷及负压而导致孔壁塌方。
4.2.3 钢筋笼安装
钢筋笼顶端应根据孔顶标高设置吊筋。起吊时，吊点应拴牢并布置于直径方向，起吊过程中必须防止钢筋笼变形，使钢筋笼吊起后呈自然铅直状态。钢筋笼接长时，下节笼上端宜露出钻机平台1m左右，上笼吊直扶正，上下笼主筋对准垂直后再施焊。焊接时宜采用两边主筋对称焊接方法。吊入钢筋笼时对准孔位轻放、慢放。若遇阻碍，随起随落和正反旋转使之下放，不高起猛落，强行下放，以防碰坏孔壁而引起塌孔。
4.2.4 泥浆比重控制-BIM技术运用
本项目利用BIM技术，根据地勘勘探孔分线图及地勘剖面图，利用Revit创建勘探孔模型，并用Dynamo批量提取每个勘探孔的平面坐标，通过地勘平面图提取每个勘探孔在各个地质层表面的标高，得到每个勘探孔在各个岩层表面的坐标点。
再根据每个勘探孔在各个岩层和原始地形的三维坐标，利用Dyanmo软件批量提取数据生成各个岩层的地质曲面，提取每根桩基的质心，生成各个质心点往正上和正下无限延长的铅垂线，这根铅垂线和各个岩层的交点即为该桩打入该层的标高，将其导出Excel，得到每根桩打入地质层深度的地勘情况。利用BIM建立各个岩层表面的三维模型及导出的数据，即可知道每根桩打入的深度到达的岩层。
桩基模型 地质层剖面图
酒店桩基工程施工时，对现场管理人员及施工人员分发基于BIM的桩基数据，现场根据这些桩基数据进行预判，指导桩基施工深度对应的土层，以此动态调节泥浆的配合比，保证成孔质量。同时确定了桩基的施工参考桩长，确保桩基的嵌岩深度满足设计要求，充盈系数也控制得很好，为后续的预算工作及施工过程提供了强有力的支撑资料。
泥浆制备是本工程最重要的工作之一，基于旋挖成孔自造浆能力差的缺点，必须人工造浆并及时补充孔内以维持孔壁稳定。现场施工人员基于BIM的桩基数据，在钻进成孔过程中，根据桩基数据及钻进深度进行预判，指导桩基施工深度对应的土层，合理选择钻进参数，及时调制泥浆，准确率很高，以此动态调节泥浆的配合比。同时，根据桩基数据及钻进深度进行预判，在进入砂层和淤泥土层之前，应适当减慢进尺速度，提高泥浆的稠度，减小每个钻进回次的进尺量，保证孔壁稳定。钻进施工时，利用正铲及时将钻渣清运，保证场地干净整洁，利于下一步施工。钻进达到要求孔深停钻后，注意保持孔内泥浆的浆面高程，确保孔壁的稳定。
4.2.5 水下混凝土浇筑
根据水下混凝土流动扩散规律，导管埋深过小，往往使管外混凝土面上的浮浆沉渣挟裹卷入混凝土内，形成夹层；埋深过大，导管的超压力减少，管内混凝土不易流出，容易产生堵管，并给导管的起升带来困难。所以，保持合理的导管埋深，对水下混凝土的灌注是非常重要的。正常灌注时，导管埋入混凝土内深度一般为2.5~3.5米，最小深度为1.5~2.0米，最深不超过4米。导管安装时其底端应高出孔底沉淀土面30~40㎝，初灌混凝土导管埋深应在1.2~1.5米。开始灌注时，需保证第一批混凝土达到要求的埋管高度，以便实现导管底部的隔水。随时掌握每根桩混凝土的浇筑量，混凝土的充盈系数大约在1.2左右，预防塌孔现象出现。
混凝土灌注过程中，应始终保持导管位置居中，提升导管时应有专人指挥掌握,不得使钢筋骨架倾斜、位移，如发现骨架上升时，应立即停止提升导管，使导管降落,并轻轻摇动使之与骨架脱开。混凝土灌注到桩孔上部5m以内时,可不再提升导管,直到灌注至设计标高后一次拔出。灌注至桩顶超灌量不宜小于1.2m，以保证凿去浮浆后桩顶标高符合要求且桩顶混凝土的强度达到设计值。灌注将结束时，由于导管内混凝土柱高度减小，超压力降低，而导管外的泥浆及所含渣土稠度增加，比重增大。出现混凝土顶升困难时，可以小于300mm的幅度上下串动导管，但不许横向摆动，确保灌注顺利进行。
混凝土灌注完成后及时拔出护筒，待灌注混凝土达到初凝后立即进行空桩回填，防止塌孔，保护人员和设备的安全。空桩回填前先将孔内泥浆回抽，采用砂石回填，最后孔口用500mm厚碎石压实。
五、结语
本工程经对酒店区域成桩按规范规定比例进行了低应变检测，桩身完整性完好，无断桩、夹层情况；静载检测、低应变检测同样全部符合要求，Ι类桩占比达100%。同时，桩基施工过程中，未发生安全生产事故。
（1）在东南沿海含水厚砂层地区，基底承载力较差，采取铺设碎石、钢板，可以有效提高基底承载力，保证旋挖钻机施工过程的稳定性，避免安全生产事故的发生；
（2）为降低厚砂层、淤泥质土层塌孔风险，采用BIM技术建模，控制钻进各土层时泥浆比重，及时调制泥浆，保证成孔质量；
（3）厚砂层地区旋挖灌注桩项目，加强施工全过程中各工序的质量管理，采取各种有效预防措施，才能保证或提高旋挖灌注桩的成桩质量。旋挖灌注桩的成功，既满足了工程质量，又加快了工程进度，经济效益显著。
参考文献：
[1]建筑桩基技术规范：JGJ94-2008(S)
[2]建筑基桩检测技术规范：JGJ106-2014（S）
[3]连海建 李金元.厚砂层地质条件下旋挖钻机施工大直径钻孔桩关键技术（J）.建筑施工.2009（11）
[4]徐奋强 王旭.护壁泥浆与孔壁稳定性及极限孔深的研究（J）.兰州交通大学学报.2004（08）