灌注樁長螺旋鉆機全護筒成孔施工技術

羅偉，武崗松，宋承禹，董良民，韓紹強，劉海民

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066002）

1 工程概況

沙特延布海岸開發Ⅰ、Ⅱ期工程，位于沙特西部，濱紅海沿岸，是沙特皇家委員會的一個海岸景觀項目。施工內容包括港池疏浚、場地回填、護坡、沙灘游泳池和景觀綠化，以及海墻、擋土墻、行車橋等。其中2處海墻和3段擋土墻總長度約1000 m，2處海墻位于人工島I2島上，3段擋土墻位于C3航道，具體位置如圖1所示。

海墻、擋土墻和橋梁均采用灌注樁基礎，場地標高約+1.0 m，混凝土強度等級35 MPa，表面噴漆環氧鋼筋。灌注樁參數如表1所示。

海墻設計斷面圖和灌注樁施工示意圖如圖2所示。

2 地質條件

圖1 沙特延布海岸開發Ⅱ期工程平面布置圖

表1 灌注樁參數匯總表

圖2 海墻設計斷面圖和灌注樁施工示意圖

本工程位于沙特紅海沿岸斷裂帶附近，屬生物海岸瀉湖地形地貌。紅海沿岸地殼下降、海平面上升，由古珊瑚礁和地質沉積（多由粉砂淤泥質夾砂礫石物質組成，往往有黑色有機質黏土與貝殼碎屑等沉積物）作用形成目前的地質條件。海岸的演變，使珊瑚礁的分布雜亂無章。

施工區域水深1～5 m。開工前對灌注樁區域進行了地質勘察，勘察鉆孔共48個，根據勘察成果，該區域地基的土層情況自上而下依次為：標貫擊數1～5擊的淤泥、中等密實的黏性土或砂、密實或非常密實的砂或堅硬的黏性土，其中表層淤泥層厚度2～23 m不等，部分鉆孔中間夾雜著一層或兩層珊瑚礁。48個鉆孔之間的地質差異非常大，基本沒有規律。

3 灌注樁護壁、鉆孔工藝選擇

供選擇的灌注樁護壁工藝有傳統的泥漿護壁工藝，和使用通長護筒護壁工藝（以下稱全護筒工藝）。由于本工程大部分區域地基表層存在較厚的淤泥質土、且護筒內外水頭差比較?。ㄊ┕て脚_標高+1.0 m左右，平均潮位+0.1 m）等特點，故不適合采用傳統的泥漿護壁灌注樁施工工藝。

為了驗證傳統的泥漿護壁灌注樁施工工藝在本工程特點下的可行性，在正式施工前，進行了實驗驗證。實驗驗證選擇在施工區域地質條件相對較好的SW-6號鉆孔附近。SW-6號鉆孔地質情況如表2所示。

表2 SW-6號鉆孔地質描述表

實驗驗證的施工方式是履帶吊吊振動錘下護筒，旋挖鉆成孔，泥漿護壁。實驗樁長20 m，鉆孔深度26 m，護筒長度20 m，護筒底部進入密實的砂層4 m，護壁內泥漿比重為1.06，在成孔后，護筒下孔壁坍塌嚴重，15 min孔深減小了3 m，雖加大了泥漿比重，但仍然不能維持孔壁穩定。實驗證明，泥漿護壁工藝不適用于本工程。

全護筒施工采用120M-608型履帶式長螺旋鉆機，鉆機如圖3，鉆頭和鉆桿如圖4。設備自重約120 t，高度41 m，適合于樁長在32 m以內的灌注樁施工。

主臂呈豎直狀態，通過后部兩根支撐桿的伸縮，調整垂直度，其上安裝了兩套驅動裝置，分別驅動長螺旋鉆桿和驅動護筒。主機尾部配發電機和空壓機，為鉆桿和護筒驅動裝置提供動力；下方設兩根液壓油缸，工作中通過伸縮，支撐在地面上，增加設備的穩定性。主機配置三套卷揚，主臂頂部設多套滑輪組，可兼做起重設備。長螺旋鉆桿分節拼裝，每節長度6～9 m，連接方式為內六角承插接頭，銷子固定，組裝、拆卸比較方便。120M-608型長螺旋鉆機能夠在鉆孔的同時驅動護筒，直至整個鉆孔。

圖3 120M-608型長螺旋鉆機圖

圖4 鉆頭和鉆桿圖

4 全護筒施工工藝流程及施工要點

4.1 施工工藝流程

全護筒施工工藝流程與傳統的泥漿護壁工藝基本相同，如圖5所示，其主要區別在于成孔設備和鉆孔方式。

圖5 施工工藝流程圖

在成孔前要完成連接護筒與其驅動裝置。具體步驟如下：首先在鉆孔附近開動鉆桿鉆進，至地面以上剩余15 m左右，卸掉鉆桿的驅動連接銷，旋轉鉆機，將鉆桿留在土中，吊車吊護筒，套在鉆桿外側，鉆機旋轉將護筒驅動裝置對準護筒，對正、旋轉將其連接，開動驅動裝置，將護筒向下驅動，至鉆桿頂部以下，連接另一個驅動裝置與鉆桿，旋轉拔出護筒和鉆桿，鉆桿和護筒同時連接到鉆機上。全護筒工藝使用的護筒，壁厚10～12 mm，其外徑略大于設計樁徑，每延米重量約300 kg。

鉆機對準鉆孔位置后，開動鉆桿驅動，順時針旋轉鉆進，鉆進約2～3 m后，同時開動護筒驅動，逆時針旋轉跟進，保持護筒底部與鉆桿底部基本平齊。在鉆進過程中，土方隨螺旋上升，從護筒驅動上部的排渣孔向外排放，直至達到要求的深度。鉆桿逆時針旋轉，慢慢提升，清理鉆孔內的土方，采用氣舉反循環或旋挖鉆機清孔，孔深驗收合格后，下鋼筋籠，澆筑混凝土。在混凝土澆筑后，使用鉆機迅速拔出護筒，其最大上拔力60 t。拔出2～3 m時，補澆混凝土，填補由于護筒拔出其側壁占用的空隙，確保護筒拔出后的混凝土頂面高于設計頂標高。

4.2 施工要點

成孔質量是灌注樁施工中最關鍵的環節，其質量的好壞決定灌注樁的質量。在通長護筒拔出過程中鋼筋籠的下沉，特別是在松軟地基條件下，是全護筒工藝需要解決的最大問題，在施工過程中應按以下施工要點，加強過程控制。

1）成孔過程中加水維持護筒內外水頭平衡，防止發生管涌。雖然使用通長護筒，但隨著成孔深度的增加，內外水頭差加大，若不及時注水，護筒周圍土方將沿護筒底部上涌，形成空洞，在護筒拔除時，混凝土面迅速下降，填補底部空洞，造成混凝土的使用量的增大，并且混凝土的下沉將導致鋼筋籠的下沉。全護筒工藝成孔過程，護筒周圍土方損失不易察覺，損失量大小不易掌握，需要特別關注；

2）鉆頭鉆進過程中不得低于護筒底部，保證孔壁不坍塌；

3）鉆孔鉆至螺旋鉆頭底部高于設計孔底標高0.5 m左右，采用氣舉反循環清理孔底松散土層，不得擾動設計孔底標高以下土層，以免影響灌注樁的承載力；

4）使用表面噴漆環氧鋼筋的灌注樁鋼筋籠，建議在主筋搭接和主筋與箍筋交叉位置焊接加強，增加鋼筋籠的整體剛度；

5）混凝土澆筑后拔出護筒要及時，并使用履帶吊或鉆機，懸吊鋼筋籠，防止其下沉。

5 全護筒工藝的優缺點

5.1 全護筒工藝的優點

5.1.1 成樁質量好，特別適用于松軟地基條件

鉆孔過程中，鉆桿始終在護筒跟進條件下鉆進，護筒保證孔壁的穩定，防止坍塌，同時，鉆桿清理中間密實土層，為護筒的下沉減小了阻力，兩者相輔相成，保證了成孔質量，在清孔后，不會產生沉渣。

鉆孔前調整主臂的垂直度，鉆孔過程中，護筒和鉆桿始終沿主臂升降，保證了鉆孔的垂直度。

混凝土澆筑后拔出護筒，使混凝土澆筑始終在護筒保護下進行，保證了樁身質量，斷面尺寸均勻一致，使灌注樁施工中存在的質量通病，如孔壁坍塌、沉渣過厚、擴徑、縮徑乃至斷樁等，得到了有效解決。

灌注樁載荷試驗結果滿足設計要求，開挖部分樁體質量良好（如圖6），低應變檢測樁身質量完好。

圖6 開挖后的灌注樁

5.1.2 施工成本低

由于采用通長護筒，減少了泥漿的使用，節約了膨潤土等原材料和泥漿制作、處理費用，而護筒一次投入，可以循環使用，該工藝尤其適用于沙特這種膨潤土材料稀缺的國家和地區，預計每延米灌注樁可節約成本60元。同時，長螺旋鉆機集鉆孔、下護筒、拔護筒和吊裝功能于一身，減少了振動錘和履帶吊的配置，節約了機械費用。

5.1.3 安全環保

通長護筒的使用，避免了成孔、下放鋼筋籠和混凝土澆筑整個施工過程中的孔壁坍塌，保證了設備和人員的安全。取消泥漿使用，降低了水土和環境污染。

5.1.4 對地質變化適應能力強，施工效率高

由于鉆桿與護筒同時鉆進，相輔相成，遇到軟弱土質時，護筒為鉆桿提供支撐，遇到堅硬土質時，鉆桿為護筒下沉清除障礙，兩者的有機結合，提高了施工效率。25 m深的鉆孔，軟弱土質成孔時間1 h，堅硬土層1.5 h。對于直徑0.8 m，樁長20 m的灌注樁，曾在1 d內單機完成29根。

5.2 全護筒工藝的缺點

5.2.1 對地基承載力要求較高

設備自重120 t，接地壓力較大，施工樁長29 m灌注樁時，成孔深度35 m，護筒長度36 m，重量10 t，加上護筒拔出和鋼筋籠懸吊的荷載，總荷載約200 t。場地要回填較好的材料，碾壓密實，才能滿足設備行走和作業要求。

5.2.2 使用范圍有限

該鉆機主臂長度41 m，設備最大起拔能力60 t，僅適用于孔深在32 m以內，樁徑小于1.0 m的灌注樁。

5.2.3 混凝土充盈系數較大

由于在混凝土澆筑后拔出護筒，混凝土頂面隨護筒的上拔而下降，混凝土將補充護筒側壁所占用的空隙和護筒與周圍土體之間的空隙，加上土質軟硬情況不均，在混凝土的壓力作用下，土質向外壓縮，需要耗費一定的混凝土。直到護筒拔出后才能確定混凝土頂面的最終下沉量。土質的軟硬程度不均，導致了混凝土的沉降量不易控制，為確?；炷两K灌標高高于設計標高，根據經驗值，需預留較大的混凝土沉降量，導致混凝土充盈系數比較大。

6 結語

全護筒施工工藝，通過長螺旋鉆桿和通長護筒的有效配合，解決了灌注樁施工中的存在的一些質量通病，施工質量高，速度快，方便快捷。在施工過程中，加強過程控制，灌注樁施工將會在質量、進度、成本和安全環保等各個方面取得理想的效果。長螺旋鉆機全護筒成孔工藝，在松軟地基條件下，應該成為灌注樁施工的首選，值得大范圍推廣和使用。

[1]林宗元.巖土工程治理手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.

[2]JGJ 94—2008，建筑樁基技術規范[S].

[3]JTJ 254—98，港口工程樁基規范[S].