复杂地质情况下冲孔灌注桩施工技术

王庆国

（福建建工集团有限责任公司，福建 福州 350000）

1 工程概况

建瓯市下水南片区棚户区改造龙船塘安置房建设项目3#、5#楼位于建瓯市下水南八路，结构类型为框剪结构，总建筑面积为13486.33m2。地上16 层，地下室为1 层，地下建筑面积为2849.26m2，建筑高度为49.9m。地下室使用功能为机动车停车库，地上1 层使用功能为架空层、配电间、物业用房、商业及住宅门厅，2 层使用功能主要为商场与住宅，3 层以上使用功能均为住宅。桩基形式为冲孔灌注桩，设计桩基类型为端承桩，混凝土强度为C30，持力层为中风化花岗岩，桩径为800mm，设计单桩抗压承载力为3500kN，桩长为25～30m，要求桩端嵌入持力层≥1.0m。

2 地质条件及水文情况

2.1 地质条件

基坑开挖范围的场地土层从上到下分别为：（1）杂填土（局部为耕土），主要成分为煤矸石、碎石、黏性土和砖头，局部含有植物根系和少量腐殖质，松散为主，均匀性差，属于高压缩性土，层厚0.70～6.50m；（2）粉质黏土，可塑为主，局部含有粉细砂和砂砾石，刀切面较光滑，层厚0.70～7.10m；（3）细砂，主要成分为石英和长石质为主，结构松散，粒径＞0.075mm 的颗粒含量约为90%，黏粒含量约为10%，级配相对较差，层厚6.80～11.20m；（4）卵石，稍密～中密为主，粒径为2～10cm，主要以硬质岩为主，风化程度中等，呈次圆状，卵石含量约55%，卵石间填充物以粉黏粒和粗细纱为主，粗砂含量约为15%，细砂含量约为5%，砾石含量约为20%，粉黏粒含量约为5%，分选性差，层厚5.80～13.50m；（5）砂质黏土，主要成分为黏性土和石英砂，可塑为主，石英砂含量约25%～40%，层厚0.60～2.40m；（6）砂土状强风化花岗岩，主要成分为长石和石英，散体状构造，节理裂隙发育好，褐黄色，属于极软岩，局部存在厚度为0.9～2.5m 孤石，孤石的岩质与持力层相同，层厚4.30～14.30m；（7）碎块状强风化花岗岩，碎块块径约2～8cm，片理状结构，裂隙发育，属于软岩，层厚3.50～9.30m；（8）中风化花岗岩，块状构造，岩面较为陡峭，岩层倾角约为35°～55°，岩体相对完整，为较硬岩，层厚4.10～7.70m。

2.2 水文情况

地下水主要为松散层孔隙潜水和基岩孔隙裂隙潜水，松散层孔隙潜水主要赋存于杂填土层中，水源主要来自临近水源和大气降水补给。基岩孔隙裂隙潜水主要以侧向径流补给为主，地下水的埋深为2.50～4.20m，承压水的深度为4.60～5.80m，地下水较为丰富。

3 桩基施工难点剖析

工程地质条件较为复杂，岩层中存在细砂层、卵石层和孤石，桩基成孔面临着偏孔、塌孔和缩颈等施工难题。孤石的岩质为中风化花岗岩，岩层强度高，常规的桩锤重量为3t，孤石厚度较大，砍岩进尺缓慢，桩锤磨损严重，需要采取妥善的技术措施来解决成孔遇到的施工难题。地质中存在深厚的细砂层和卵石层，常规的泥浆性能难以满足护壁稳定性的需求，应提高泥浆的黏度，保证护壁的安全性。本工程风化岩的厚度较大，再加上存在孤石、细砂层和卵石层，成孔过程中产生的岩屑和细砂颗粒较多，导致孔底的沉渣厚度超过设计要求，常规的正循环清孔工艺所需的时间较多，由于承压水的存在，泥浆容易被稀释，孔壁稳定性难以保证，需要选择合适的清孔工艺来缩短清孔时间。持力层岩面陡峭，冲击成孔容易出现斜孔现象，应采取合理的处理措施。

4 冲孔灌注桩施工技术

4.1 施工工艺流程(见图1)

图1 冲孔灌注桩施工工艺流程图

4.2 地质补勘

由于砂土状强风化花岗岩存在孤石，为了更好地了解孤石的实际位置、埋深及厚度等情况，经过建设单位同意后在揭示有孤石的区域内进行地质补勘，在桩基承台的中心各补勘1 孔，原先地质勘察中存在的孤石最大厚度为2.5m，因此，地质补勘时要求中风化花岗岩厚度≥4m。将补勘的成果对地质柱状图进行完善与补充，从而确定持力层的深度。

4.3 PAM 泥浆制备

由于地质中存在深厚的细砂层和卵石层，常规的膨润土泥浆性能难以满足护壁的需求，为了提高泥浆护壁和携渣的效果，在常规泥浆中掺入适量的纯碱和聚丙烯酰胺（PAM）[1]，PAM 需要现场水解，将NaOH∶PAM∶水=1.15∶10∶70 的比例在搅拌机里搅拌均匀，使得PAM 充分水解。PAM 泥浆具有泥皮致密、黏度高和失水量少等优点，能够有效地改善泥浆性能，确保护壁效果。PAM 的掺量为20～30kg/m3，成孔过程中根据泥浆指标来合理地调整PAM 的掺量，确保泥浆的质量。

4.4 冲击成孔

本工程冲孔灌注桩的桩位轴线偏差≤50mm，在钢丝绳与桩锤连接处设置自转向装置[2]，以此来解决粉质黏土层与砂质黏土层容易发生的梅花孔及粘钻等施工问题。在桩孔边上堆放一定数量的黏性土和片石，为偏孔处理做好准备。刚开始冲击成孔时应采用0.4～0.6m 的小冲程进行低锤密击，泥浆比重为1.3～1.4。当冲击至钢护筒以下2m时即可将冲程调整至2m 继续冲击。冲击至粉质黏土层时，为了减少粘钻现象发生，可以投入适量的片石，冲程根据需求调整1～2m，泥浆比重调整为1.3～1.4。待冲击至细砂层时，投入制备的优质泥浆，将泥浆比重调整为1.4～1.5，降低冲程至0.5～0.8m，在冲击过程中应不断扫孔，避免出现缩颈现象。冲击至卵石层时，由于卵石层对桩锤的磨损较为厉害，在桩锤底部应加焊合金钢牙[3]，泥浆比重调整为1.3，提高冲程至2～3m。当钢丝绳出现往一侧剧烈晃动时，应将黏性土和片石投入孔内至偏孔处0.5m，接着低锤密击后再加大冲程进行成孔。砂质黏土和砂土状强风化花岗岩的冲程应调整为2～3m，泥浆比重调整为1.3～1.4。冲击至孤石和碎块状强风化花岗岩时，将桩锤重量由3t 更换成5t，桩锤底部加焊钢牙，泥浆比重调整为1.3，冲程调整为3～4m，以重锤快打的施工方法加快砍岩的速度，遇到岩面有倾斜的情况，应将片石和黏性土投放到倾斜面位置以上1m，接着继续冲击成孔[4]。冲击至持力层时，按照规定通知监理工程师到现场确定持力层，持力层确定后再继续进尺1m 即可停止冲击。在冲击成孔过程中应时刻关注护筒水头高度，及时补充优质泥浆。在成孔过程中，采用2 台经纬仪检查钢丝绳的垂直度偏差，桩孔的垂直度偏差控制在1%之内，如果垂直度偏差超过规范要求，应立即分析原因，提钻修孔，使得孔壁垂直度偏差≤1%。在排渣处安装泥浆分离器，将泥浆中的细砂和岩屑分离出来，使得泥浆的含砂率满足施工规范要求。

4.5 清孔

由于冲击成孔过程中产生的岩屑和细砂较多，再加上地下水对泥浆的稀释作用，使得孔底沉渣厚度较大。经过讨论与研究之后，决定采用气举反循环法的清孔工艺[5]。采用砂石泵直接将孔底沉渣与泥浆混合物抽排到沉淀池，将优质泥浆补充到孔内。二次清孔后对泥浆比重、沉渣厚度、泥浆黏度和含砂率等技术指标进行量测，量测结果均符合设计及施工规范要求。

4.6 钢筋笼加工与安装

钢筋笼严格按照施工图纸要求在特制的模具上进行加工，主筋为12 根直径为14mm 的螺纹钢筋，箍筋为直径为8mm 的螺旋圆钢，十字撑和加劲箍采用直径为16mm 的螺纹钢筋，主筋与螺旋箍筋之间采用点焊形式进行固定，主筋接头在同一水平面上应错开达50%以上，错开距离应≥500mm 且＞35d。主筋的接长采用单面焊形式，搭接长度为10d。加劲箍设置间距为2m，十字撑设置间距为4m。钢筋保护层厚度为50mm，采用水泥砂浆垫块挂设在主筋上，设置数量为3个。将注浆管对称预埋在钢筋笼内侧，注浆管采用内径30mm 无缝钢管，注浆管采用套管焊接进行接长，注浆管下端与孔底距离为0.5m，上端露出地面为0.3m。钢筋笼采用吊车辅助垂直徐徐下放，钢筋笼的中心应与桩孔中心重合，上下两节钢筋笼接长焊接时应对齐，焊接应牢固可靠，待焊缝自然冷却后方可继续下放至设计高程，钢筋笼的轴线偏差及高程经复核无误后采用直径为16mm 的吊筋固定在钢护筒槽钢上。

4.7 水下混凝土灌注

本工程导管采用螺纹钢导管，直径为300mm，导管下放之前应注水做抗拉和密闭试验，试验无渗漏后即可投入使用。O 形密封圈的性能应符合施工规范要求[6]，导管下放后其底端距离孔底为0.3～0.5m。在料斗装满坍落度为180～220mm 的混凝土后，剪断隔水球绳子同时将运料车剩下的混凝土全部注入料斗，使得首灌获得成功。根据混凝土液面的高度计算好导管的拆除节数，导管的拆除应安排专人负责，导管埋入混凝土深度应控制在2～6m，水下混凝土灌注应连续，在等待运料车时，应将导管上下插拔0.5m，防止混凝土出现断桩现象。混凝土按照设计要求超灌1m。

4.8 桩底注浆

冲孔灌注桩施工完成后1d，应预压开塞使注浆管注浆通道得以疏通。成桩7d 后采用电动式泥浆泵将水泥浆注入桩底，采用P·O42.5水泥，在自来水中掺入水泥搅拌成水灰比为0.5 的水泥浆，注浆顺序为桩基外围往内部，与成孔桩基的距离为8～10m，注浆压力为6MPa。注浆以设计单桩注浆量为控制标准，注浆量为1.5t。

5 结束语

冲孔灌注桩全部施工完成后按照设计要求的检测数量做取芯、动测和静载试验，桩基试验结果均满足设计要求，I 类桩的比例为90%，芯样完整连续，抗压强度和桩长满足设计要求，桩基质量合格。实践表明，存在深厚细砂层、卵石层、孤石和地下水丰富等复杂地质情况下，采用地质补勘、制备PAM 泥浆、桩锤补焊钢牙，重锤快打和气举反循环法清孔等施工技术能够有效地解决偏孔、塌孔、缩颈和孔底沉渣厚度较大等施工难题，取得良好施工效果。