断裂带路基螺杆桩施工工艺研究

孙向英

(中铁二十一局集团国际工程有限公司，北京100089)

1 工程概况

1.1 工程地质

新建济南至青岛高速铁路设计时速为350 km/h，其中DK208+577.78～DK213+150段因穿越地质断裂带而采用路基+有碴轨道设计，DK209+125～209+175段及DK209+300.00～DK209+518段落穿越沂沭断裂带中的安丘～莒县断裂，线路于DK209+150处与F14断层相交，该断裂部位基岩出露，断裂切割白垩系青山组火山岩地层，断裂破碎带内发育碎裂岩化及断层角砾，发育断面及擦痕，膨润土化强烈，为一强烈挤压破碎带，破碎带宽30～50 m，产状95°∠75°。地基处理设计为螺杆桩加固。

本段螺杆桩加固地区地质情况为：0～5 m为粉土，承载力为140 kPa；5～7 m为粉质黏土，承载力为300 kPa；7～15 m为膨润土化凝灰岩，承载力为500 kPa。

1.2 水文地质

地表水：沿线大部分为旱地，天然河道、水塘分布较少，地表水相对不丰富。

地下水：地下水类型为第四系孔隙水及基岩裂隙水，地下水主要受大气降水及侧向径流补给，排泄方式主要为蒸发及人工抽取，水位季节变化幅度3～5 m。

1.3 气象条件

本段线路属于温带，半湿润地区，属温暖带大陆性季风气候。由于冬夏季风的交替影响，春季较短，气温回升快，少雨多风；夏季炎热，降水较多且集中；秋季短促，天高气爽；冬季较长，寒冷干燥。

土壤最大冻结深度：0.5 m。

地震动峰值加速度：0.20g，地震基本烈度Ⅷ度)。

1.4 主要工程内容及数量

本段地基处理形式为螺杆桩：桩间距2.2 m，呈正方形布置，桩径0.5 m，本段螺杆桩共2 156根，合计16 497 m。桩顶设C35钢筋混凝土桩帽，尺寸1.5 m×1.5 m×0.4 m，桩帽顶铺设0.5 m厚碎石垫层，帽间回填碎石，垫层内铺设一层单向高强土工格栅(抗拉强度不小于200 kN/m)。螺杆桩地基处理分段统计详见表1。

表1 螺杆桩分段统计

2 技术原理

螺杆桩是一种“上部为圆柱型，下部为螺丝型”中等直径、组合式部分挤土灌注桩，螺杆桩属于部分挤土桩。采用的原理是“螺丝钉比钉子更牢固”的原理。适用于黄土、粉土、黏土、砂土、砂夹卵石，全强风化基岩的地质处理。

3 施工工艺流程

3.1 施工准备

3.1.1 技术准备

(1)熟悉图纸，召开施工图会审专题会，根据会审结果，召开了螺杆桩施工技术交底会，向螺杆桩施工负责人、领工员、作业工班进行了技术交底。

(2)绘制桩位布置图，对桩位进行编号。复核测量基线、水准点，检查施工场地所设的水准点是否会受施工影响。按桩位布置图测放桩位，在桩位中心打入钢钎或木桩，并采用白灰标志桩轴线，并作编号记录，由质检工程师做好现场螺杆桩桩点、桩位复测检查记录。

3.1.2 混凝土配合比

桩体混凝土强度等级为C20，螺杆桩施工前进行配合比试验，以确定混合料的配比，要求桩体混合料试块(边长15 cm)标准养护28 d立方体抗压强度不小于20 MPa。混合料塌落度宜为160～200 mm。

3.2 施工工艺流程

3.2.1 成桩工艺性试验

施工前进行成桩工艺试验(一般相同地质条件、料源、施工队伍及相同的混合料配比情况下不少于3根)，从而确定各项施工参数，包括螺杆尺寸的检测，成孔深度能力的检测、成孔后土体回弹模量检测、成孔终孔控制扭矩电流的检测、孔与孔的影响检测、混凝土用量的检测、泵压泵速的检测、直流控制系统施工参数的检测，以复核地质资料以及设备、工艺、施工顺序是否适宜，确定配合比、塌落度、搅拌时间、拔管速度等各项工艺参数，确认了试桩完整性及承载力满足设计要求，试桩再根据试桩确定的工艺参数进行后续螺杆桩的施工。

3.2.2 技术要求

(1)螺杆桩加固范围不小于基底宽度，路堤加固至填方坡脚。

(2)采用正方形布置，桩径0.5 m，间距2.2 m。

(3)螺杆桩原则上需穿越松软土至硬层，对于第四系土层一般应嵌入基本承载力不小于0.18 MPa的土层内不小于1 m，对于下伏基岩地段应嵌入全或强风化层不少于0.5 m，本段为下伏基岩地段。

(4)螺杆桩桩顶设0.4 m厚1.5 m宽C35混凝土桩帽，桩帽间填筑碎石，桩帽上为0.5 m厚碎石垫层。

(5)螺杆桩施工采用螺杆桩钻机钻管内泵压灌注成桩工艺。

3.2.3 工艺流程图

螺杆桩施工工艺流程见图1。

图1 螺杆桩施工工艺流程

3.2.4 工艺要求

(1)螺杆桩施工顺序采用从线路中心向两侧顺序推进，采取跳跃式进行施工。

(2)螺杆桩施工时，桩机就位后，应用钻机塔身的前后和左右的垂直标杆检查塔身导杆，校正位置，使钻杆垂直对准桩位中心，确保螺杆桩垂直度容许偏差不大于1%。桩位容许偏差不大于5 cm，桩径允许偏差不大于2 cm。

3.2.5 螺杆桩成桩过程

(1)先采用正转向下旋进钻孔，至桩底标高后反转提升，钻进、提升速度均为旋转一周钻进或提升一个螺距，螺距为40 cm，钻进速度和转速通过电脑程序自动控制，反转提升过程中，边提升钻头边灌注混凝土，灌注混凝土采用输送泵通过钻头中心混凝土输送孔，泵送至孔桩内，灌注混凝土高度距离钻头距离不大于20 cm，由钻机内自动控制系统控制，此操作至整个桩长的1/2处，螺杆段施工完成后钻头开始正转，但继续提升钻头，破坏孔桩内螺纹使孔桩内成直杆状，提升过程中同时灌注混凝土，使上部桩体成直杆状，直螺段比例为 1∶1(图 2)。

图2 螺杆桩施工

(2)下钻过程中桩机自控系统严格控制钻杆下降速度和旋转速度，使二者匹配，要求钻杆旋转2周以上，螺杆钻杆下降一个螺距，钻至螺杆桩直杆段设计深度，在成圆土体中形柱状；随后钻杆旋转一周，螺杆钻杆下降一个螺距，钻至螺杆桩螺纹段设计深度，在土体中形成螺纹状。

圆柱段每钻进1 m钻杆旋转5周，螺纹段每1 m钻杆旋转2.5周。

(3)钻头钻至设计标高后，桩机反向旋转提升钻杆，提钻过程中自控系统应严格控制钻杆提升速度和旋转速度，与下降时一样，保持同步和匹配。与此同时制备好的细石混凝土迅速填充(泵送)由于钻杆旋转提升所产生的带螺纹型空间和钻杆直接提升或正向旋转提升所产生的带圆柱型空间，形成螺杆桩。

(4)提拔速度控制在2～3 m/min，成桩过程连续进行，避免因后台供料慢而出现停机待料。提钻时钻头达到一定位置后停止泵压混凝土，由钻杆内的混凝土充填至桩标高，严禁先提钻后泵料，确保成桩质量。

(5)严禁直提钻杆。

(6)施工过程以设计桩长和施工电流都合格作为控制指标。如控制电流不合格，应及时查明原因。

3.2.6 桩头处理及清土

3.2.6.1 桩头处理

桩体强度达到设计强度的70%后进行桩间土开挖及清运，桩间土采用人工开挖，清除保护土层时不扰动基底土，防止形成橡皮土。施工时严格控制标高，避免超挖。

保护土层清除后，截除桩顶50 cm桩头，采用截桩机截桩，严禁人工凿除。桩顶允许偏差0～+20 mm。

3.2.6.2 弃土清运

弃土清运包括螺杆桩钻孔弃土清运和保护土层清运两部分。在螺杆桩施工中，由于采用排土成桩工艺，其排出的土量取决于桩长和桩间距。在施工中及时清运打桩弃土是保证螺杆桩正常施工的一个重要环节。

3.2.7 参数确定

(1)钻机钻进速度：钻机钻进速度在嵌入持力层前为0.8 m/min，进入持力层后0.2 m/min，因试桩期间操作手对地质情况不熟悉，在后续施工过程中可以提高速度，过程中通过电流变化对钻进速度进行控制。

(2)混凝土灌注速度：由钻机自动控制，根据试桩结果退钻及灌注混凝土速度每分钟2～3 m，如果钻头离开混凝土面，钻机自动报警，钻头自动停止提升，继续灌注混凝土，确保桩体混凝土密实。

(3)混凝土配合比：已通过试验确定配合比，施工现场塌落度宜控制在160～200 mm范围内。

(4)直螺段比例控制：直螺段采用数控与标线相结合的方式进行，首先在螺杆桩机钻头上按照设计桩长用红油漆标出直螺段分界点，施工过程中由螺杆桩自带数控机通过设定不同模式控制直螺段长度，人工按照红油漆标记进行直观复核，确保直螺比例满足要求，直螺比例按1∶1控制。

(5)成孔深度能力的检测：螺杆机成孔深度可达全～强风化岩层，本施工段落基岩为膨润土化凝灰岩和粉质粘土，根据钻机设计指标能够钻至设计桩底位置。

3.3 施工总结

(1)单根桩完成时间(除移钻时间)约40 min，平均钻进每1 m需用时3 min，持力层钻进速度约为每1 m 8min，退钻杆及灌注混凝土每1 m用时30～40 s。粉土层的施工电流约为40～60 A，粉质黏土层的施工电流为60～80 A，膨润土化凝灰岩施工电流为80～100 A。嵌入持力层深度通过电流变化推算，符合要求方可停钻。桩基完成后，需注意保护桩身，且保证养护时间。

(2)螺杆桩桩头采用截桩机环切去除桩头。

(3)试桩螺纹段占整个桩长的1/2，经过对螺杆桩试桩的检测，螺杆桩深度、直径、承载力均符合设计要求。说明按此直螺段比例控制是可行的，后续施工可以按此比例施工。

(4)施工电流为100 A以上时，则证明进入了强风化凝灰岩地层。进尺缓慢。有火花冒出时，则连续钻一个小时不会有进尺。

(5)每根桩的完成时间根据桩长和嵌入的地层不同而不同。本段落桩长为5～15 m，用时20～60 min。

(6)个别螺杆桩因需要挖开后发现桩端无虚土。

(7)螺杆桩下部为螺纹段，大大提高了桩的承载力。螺杆桩上部为直杆段，加大了受力面积，提高了桩身刚度。(8)桩身上大下小的特点满足附加应力变化规律。(9)螺牙的存在使桩身不会丧失粘聚力。

(10)做单桩承载力检测时最大加载800 kN，Q～s曲线平缓光滑，桩顶最大沉降量12.33～14.05 mm，小于40 mm，最大回弹量2.41～4.89 mm。

(11)由于螺杆桩施工几乎无噪音和上述特点，特别适合在居民密集区，桩端嵌入全风化基岩使用。

4 安全生产保证措施

4.1 安全管理综合措施

编制好施工安全方案和安全技术交底。施工现场的临时用电，严格按照JGJ 46-2005《施工现场临时用电安全技术规范》的规定执行。严格执行用火规定，所有施工人员熟悉并掌握消防设备的性能和使用方法。

4.2 施工机械安全保证措施

(1)设置机械设备管理部门及管理人员，建立健全了各项管理制度，制定了安全技术操作规程，建立了安全技术档案。

(2)操作人员体检合格，无妨碍作业的疾病和生理缺陷，并经过专业培训、考核合格后上岗。起重机械操作人员、场内车辆驾驶员等特种作业人员都持证上岗。

(3)施工机械进入作业地点后，向操作人员进行施工任务和安全技术交底。操作人员熟悉作业环境和施工条件，听从指挥，遵守现场安全规定。

(4)操作人员在操作过程中注意了机械工况，没有擅自离开工作岗位。严禁无关人员进入工作区域或操作室内。

(5)操作人员遵守了机械有关保养规定，及时进行各级保养工作，保持机械的完好状态。

(6)试行多班作业的机械操作人员严格执行了交班制度。

(7)操作人员和配合作业人员必须正确使用劳动防护用品。

4.3 保证夜间施工安全的措施

(1)运输车辆夜间作业时，设置良好的照明设备，并设灯光警告标志。做到了照明光线充足，不留死角。装卸设专人指挥，空重车分道行驶，按先后次序在指定的地点装卸，未抢装抢卸。

(2)夜间的各种施工作业安排专人进行盯岗，合理安排施工程序和施工人员，控制好各个施工环节，确保夜间施工的正常进行。配备足够数量的发电装置，一旦照明断电，立即启用备用发电装置进行发电。

5 结束语

螺杆桩是一种优良的地基处理方案，它利用“螺丝钉比钉子更牢固”的原理更能很好的处理地质断裂带，同时无噪音、无污染，出土量少。本文通过对螺杆桩施工的阐述，使其更广泛地应用到地基处理中。