含粘性土圆砾地质下的超深长螺旋钻孔压灌桩施工技术.docx

含粘性土圆砾地质下的超深长螺旋钻孔压灌桩施工技术.docx

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含粘性土圆砾地质下的超深长螺旋钻孔压灌桩施工技术

一、综合报告

1.1立项背景

目前，灌注桩常用的施工工艺有振动沉管灌注桩、泥浆护壁钻（冲）孔灌注桩、旋挖钻孔灌注桩、人工挖孔灌注桩等。

传统灌注桩施工工艺存在着效率低、成本高、振动及噪声大、泥浆或水泥浆污染、成桩质量不够稳定等因素，同时，受到施工作业场地条件的限制。

长螺旋钻孔压灌混凝土桩施工技术是采用长螺旋钻机钻孔至设计标高，利用混凝土泵将混凝土从钻头底压出，边压灌混凝土边提升钻头直至成桩，然后利用专门振动装置将钢筋笼一次插入混凝土桩体，形成钢筋混凝土灌注桩，后插入钢筋笼的工序应在压灌混凝土工序后连续进行。

与普通水下灌注施工工艺相比，长螺旋钻孔压灌桩施工，由于不需要泥浆护壁，无泥皮，无沉渣，无泥浆污染，属环保型施工工艺；施工速度快；成桩质量好，承载力高；且造价低廉。

其工艺流程为：

定桩位、复核→钻机就位→钻进至设计深度→终孔验收→灌注混凝土→清土提升钻杆→混凝土灌注至设计桩顶上0.5m→起吊钢筋笼、振动锤→启动振动锤、下插钢筋笼→钢筋笼插至设计标高→单桩施工完成→转移钻机至下一桩位。

由此可见，钻机钻进至设计深度、灌注混凝土、清土提升钻杆、起吊钢筋笼、振动锤、下插钢筋笼是桩基施工的关键过程，如何缩短这些关键过程的持续时间是缩短总工期的关键所在。

含粘性土圆砾地质条件下，超长、大直径桩体采用长螺旋钻孔压灌混凝土施工技术是基于沈阳乐天世界N4住宅楼长度29.55m、桩径800mm基桩所处的特殊复杂地层——桩身范围内一半处于圆砾土层中，一半处于含粘性土圆砾土层中的长螺旋钻孔压灌混凝土桩施工进行研究。

该技术总结了超长、大直径桩体在含粘性土圆砾地质条件下采用长螺旋钻孔压灌混凝土施工中的关键控制要素：

1、在含粘性土圆砾地质条件下保持长螺旋钻孔压灌混凝土桩施工速度快的特点；

2、在含粘性土圆砾地层中长螺旋钻孔压灌混凝土的施工连贯性控制；

3、在含粘性土圆砾地质条件下保证长螺旋钻孔压灌混凝土桩的成桩质量。

该技术对于国内外类似地质条件下的长螺旋钻孔压灌混凝土桩施工具有广泛的借鉴意义。

1.2项目概况

沈阳乐天世界项目是韩国乐天集团在沈阳市北站区域兴建的，以娱乐、购物、休闲、高档公寓、住宅、写字楼、酒店为一体的城市综合体，总规划建筑面积150余万m2。

工程位于沈阳市皇姑区北站北侧出入口，北陵大街和昆山东路交叉路口的东北角，项目南侧为沈阳北站，北临岐山东路。

N4住宅楼为其中一栋住宅，地下4层，地上43层，建筑高度141.75m，±0.000相当于绝对标高为46.500m。

结构形式为框架-核心筒结构，由于基础下侧局部有软卧粘性土夹层，基础设计为桩-筏板基础，采用379根长度29.55m、桩径800mm的基桩及3m厚筏板，设计桩顶相对标高为-23.150m。

核查沈阳乐天世界项目岩土工程勘察报告，桩基施工区域绝对标高9m（相对标高-37.5m）以下场地土岩均为⑦含粘性土圆砾层，因该层由圆砾及粘性土构成，圆砾被粘土包裹，又称“泥包砾”，是第四纪间冰期冲积形成的具有泥石流特征的洪积物，棕黄色~褐黄色，骨架颗粒由结晶岩组成，磨圆较好，强~中风化状态，孔隙间由混粒砂及大量粘性土充填，一般含量为20~30%，个别部位粘土含量可达50%，局部夹粘性土薄层，骨架颗粒与粘性土呈半胶结状态，强度较高。

报告中描述与现场实际取土对比基本一致。

图1桩基所处场地位置

图2桩身范围内所处地质条件

（1）

图3桩身范围内所处地质条件

（2）

1.3关键施工技术

1.3.1超长、大直径灌注桩在含粘性土圆砾地质条件下的钻机选择

桩基施工前，项目部根据现场场地实际条件，确定适用本场地桩基施工的方法如下：

反循环钻孔灌注、正循环钻孔灌注、旋挖法灌注、长螺旋（或螺杆）钻孔灌注。

综合比较，正循环钻孔灌注、反循环钻孔灌注施工工艺技术成熟，简单，钻机小，重量轻，适合于本项目桩基施工场地狭小的条件。

但，施工速度较慢，需要进行泥浆护壁因此对施工场地环境要求较高，噪场较大。

旋挖钻孔灌注，自动化程度高，劳动强度低；钻机行走位移方便；同时，自带柴油动力，可以缓解施工现场电力不足的矛盾，并排除动力电缆造成的安全隐患。

但，在较致密的卵砾层中施工比较困难，容易发生孔内事故和机械事故，施工中存在噪音，同样需要进行泥浆护壁对施工现场环境要求较高，且实际成孔孔径比钻头直径大10%左右，一定程度上造成施工成本的增加。

长螺旋钻孔灌注，是利用长螺旋钻机钻孔至设计深度后提钻同时通过钻杆中心导管灌注混凝土，混凝土灌注完成后，借助于插筋器和振动锤将钢筋笼插入混凝土桩中，完成桩的施工。

成孔、成桩由一机一次完成任务，具有施工工艺简单、施工速度快的优点；同时，不需要进行泥浆护壁，无污染，减少了处理土的劳动力和成本；噪声较低；又不受地下水位的限制。

但，长螺旋钻机在土质情况较好，土层单一的一般地层中施工速度较快，比较适用于黏性土、粉土、素填土、中等密实以上的砂土。

在地质条件较复杂的情况下尚不能发挥其全部优点。

针对本项目“地处沈阳市北站北出入口，周边环境要求高”“地处闹市区，限噪要求高”“工期要求紧”的特有状况，经过比较后，确定采用长螺旋钻孔压灌混凝土后插钢筋笼技术进行施工。

但目前，长螺旋钻孔在一般地质条件下进行30m以内长度桩施工中，尚具备一定的可靠性，在超过30m长度，含粘性土圆砾地质条件下，采用长螺旋钻机钻进尚属首次，本市也尚无相关施工经验。

因此，必须对长螺旋钻机及施工工艺进行必要的改进。

针对本工程桩基设计参数及市场现有适用于本场地的钻机种类，施工选用2台JZL120型履带式桩机，其参数如下：

技术参数

最大钻孔直径mm

800

最大钻孔深度m

30

钻孔转速rpm

10～21

动力头驱动功率kW

55*2

输出扭矩kN·m

150

动力头重量t

4.3

最大起拔力kN

560

主卷扬单绳拉力kN

100

主卷扬钢丝绳线速度m/min

48.5

辅卷扬拉力kN

20

履靴宽度mm

700

履靴接地长度（轮距）mm

4600

履靴接地宽度mm

5900

行走速度m/min

3.5

行走步距mm

2000

桩架总高mm

37600

立柱倾斜范围

前倾2°，后倾2°

左倾2°，右倾2°

调垂方式

斜撑油缸调垂

地面许用最大坡度

2°

回转角度

360°

回转速度r/min

0～0.5

斜支撑结构形式

油缸

工作状态长×宽×高m

13.9X8.0X37.6

运输状态长×宽×高m

11.5X3.0X2.9

工作状态重量t

64

运输方式

散件

1.3.2针对含粘性土圆砾地层进行钻机改进

1、钻机动力头的选择

长螺旋钻机钻孔的工作原理：

利用动力旋转钻杆，使钻头的螺旋叶片旋转削土，土体沿螺旋叶片上升排出孔外。

当土体在底部空间积满，在切进土体的挤压下,开始沿螺旋轨道向土移动。

因钻头旋转切土,具有一定的速度。

相对轨道而言,被切进的土体具有一定的动能,这也是使土体上移的一个重要原因。

在土体上移过程,土体受到轨道的摩擦阻力及来至孔壁土体的挤压和摩擦，螺旋叶片内土体与孔壁相互作用。

分析钻机钻进中各方面受力情况如下图1、图2所示。

图1图2

分析可知，来自钻机动力头的扭矩，受到钻头切头阻力、被切土体与螺旋叶片间阻力、孔壁四周土体与螺杆内土体摩擦阻力的分配，因此，当螺旋叶片间阻力、孔壁四周土体与螺杆内土体摩擦阻力的增加，势必会造成钻头钻进力度的减少，直接影响到钻机的钻进速度及效果。

现场实际施工情况为：

桩身上半部所处圆砾层可以顺利返土至地表，下半部含粘性土圆砾层钻进时，受到钻头的掘进及地下水的影响，粘性土与砂石的混合物粘结在钻杆上，无法顺利返土，因此造成了被切土与螺旋叶片间阻力、孔壁四周土体与螺旋叶片内土体摩擦阻力急剧增大。

如下图所示。

根据上述实际情况，必须加大动力头的输出扭矩，即加大动力头的驱动功率。

而常规长螺旋钻机只针对一般地层设计有2*37KW、2*55KW两种功率的动力头，通过订制，配备了2*75KW大功率动力头，增大了动力头的输出扭矩，避免出现了“小马拉大车”的现象。

2、钻机钻杆的改造

对钻杆法兰连接处节点进行改造，增加钻杆接头处高强螺栓数量并在每天作业前进行检查，定期进行更换。

动力头驱动功率加大后，原标准配置两个钻杆间连接节点势必要随之加强。

钻机改造过程中，同时对钻杆进行了改造，将钻杆法兰连接处的6根M20高强螺栓改为8根M20高强螺栓，增大螺杆连接处的抗扭能力能够有效防止钻杆扭矩过大造成高强螺栓剪切断裂问题现象；同时定期对钻杆连接处的高强螺栓进行更换，防止长期高负荷使用导致螺栓发生疲劳破坏桩机钻孔时在钻杆连接处发生断裂。

改造前高强螺栓扭断

改造前与改造后钻杆对比

3、钻机钻头的改造

根据地质勘探提取物及现场实际钻进取样确定，桩身范围内较长一段处于地勘报告中所描述的第⑦层含粘性土圆砾层，与地质勘察报告相符，此层骨架颗粒与粘性土呈半胶结状态，强~中风化状态，孔隙间由混粒砂及大量粘性土充填，加之上部覆土层自重固结和超固结对其的影响，使其密实度极高，属中硬土类型。

加之钻进中孔壁土体侧摩阻力的增加，造成了常规钻头磨损严重，甚至遭受破坏。

因此，必须选择一种适合于在本土层中钻进的且不容易造成磨损甚至损坏的钻机钻头。

项目通过与钻机厂家联系，定制了叶片采用耐磨合金钢，钻镐采用耐磨合金的针对本现场实际地层的专用钻头，避免了钻进中叶片卷边，变形，耐磨度低，中心管变形，无法进行二次修复的现象。

合金钻头

结构：

双螺旋叶片+焊接合金钻尖+斗齿

4、设计钻杆自动清土系统

长螺旋钻孔压灌桩施工总体工艺流程为：

定桩位、复核→钻机就位→钻进至设计深度→终孔验收→灌注混凝土→清土提升钻杆→混凝土灌注至设计桩顶上0.5m→起吊钢筋笼、振动锤→启动振动锤、下插钢筋笼→钢筋笼插至设计标高→单桩施工完成→转移钻机至下一桩位。

由此可见，钻机钻进至设计深度、灌注混凝土、清土提升钻杆、起吊钢筋笼、振动锤、下插钢筋笼是桩基施工的关键过程，如何缩短这些关键过程的持续时间是缩短总工期的关键所在。

如前所述，桩身下半段所处含粘性土圆砾地层中，钻机钻进完成后粘土与圆砾的混合物，夹杂在钻杆螺纹叶片之间，必须在提钻过程中将其清除，如此极大的占用了桩基施工的关键过程，造成了总体工期的延长。

为了减轻工人的劳动强度，加快施工速度，可以对长螺旋钻机进行改进，在钻机底部的导向架上方利用钢板、废钢筋和滑道组焊接制作了简易泥土清除器，其可以在滑道上自由上下滑动，并且可以再水平方向上旋转，当钻机成孔时可以将其侧向收起，不影响钻机正常工作，当钻杆提升时将其清洁头水平旋转至旋页内，清洁头端部基本与钻杆中心管切线方向一致，即可自动铲除旋页内的淤泥，由于此工具可以沿滑道上下自由滑动，所以不需要精确控制钻杆提升和旋转速度，大大减少了工人的劳动强度，同时加快了施工速度。

钻机尾部钻杆自动清土装置

1.3.3针对含粘性土圆砾地层进行钻机改进

1.3.4长螺旋钻孔压灌桩常见问题处理

1、堵管

堵管是长螺旋钻孔灌注桩工艺遇到的主要问题之一。

它直接影响长螺旋钻孔灌注桩的施工效率，增加工人劳动强度，还会造成材料浪费。

特别是故障排除不畅时，使已搅拌的混凝土浆液失水或结硬，增加了再次堵管的机率，给施工带来很多困难。

产生堵管有如下几种原因：

1）混凝土坍落度控制不好

在长螺旋钻孔灌注桩施工过程中，混凝土由混凝土泵通过刚性管、高强柔性管、弯头达到钻杆芯管内。

混凝土在管线内是以圆柱体形状，借助水和水泥砂浆润滑层与管壁分离后通过管线的。

因此混凝土坍落度的好坏是确保混凝土能否顺利通过刚性管、高强柔性管、弯头达到钻杆芯管内的关键。

坍落度太大，易产生泌水、离析，在管线内水浮到上面，在泵压的作用下，水先流动，骨料与砂浆分离，摩擦力剧增，从而造致堵管。

坍落度太小，混凝土在输