长螺旋钻孔压灌桩在复杂地层中的应用研究

刘利明，司拴牢，禹 宁，刘 波，完丽萍

（1.中国十七冶集团有限公司，安徽 马鞍山 243000；2. 兰州市建设工程安全质量监督站，甘肃 兰州 730030；3.甘肃省中医院基建处，甘肃 兰州 730050）

0 引言

长螺旋钻孔灌注桩是基于水泥粉煤灰碎石桩而发展起来的一种新型刚性桩，由于其受地下水位影响较小，单桩承载力高且成桩速度快，以及污染小等优点，近年来得以广泛应用［1-3］。

倪晓荣等［4］研究了在干性砂卵石地层中，长螺旋钻孔压灌混凝土的二次成桩工艺，在实际工程中取得了较好的效果；林志兴［5］研究了长螺旋钻孔灌注桩在饱和砂性土中的施工工艺，获得了长螺旋钻孔灌注桩具体的技术参数，为后期研究长螺旋钻孔桩在饱和砂性土中的施工提供经验借鉴；满朝晖等［6］研究了长螺旋钻孔灌注桩在湿陷性黄土地区的施工工艺，发现长螺旋钻孔灌注成桩工艺能很好地消除黄土的湿陷性，并且能够提高地基的承载力，施工方便，就地取材。然而，长螺旋钻孔灌注桩在复杂地层中的研究鲜见报道。基于上述研究，本文将开展长螺旋钻孔压灌桩在复杂地层中的施工工艺研究。

1 项目简介

兰州奥体中心项目运动员公寓与体育产业用房工程项目位于兰州市七里河区，毗邻黄河，基坑范围内土方含有大量生活垃圾和建筑垃圾（如混凝土块），且具有湿陷性黄土，以卵石层为持力层。面对现场复杂的地质情况，通过现场试桩，最终确定了由最初的混凝土灌注桩调整为长螺旋钻孔压灌桩的施工方案，经过后期实际工程的验证，发现此施工方案可有效防止复杂地层中的塌孔现象，以及具有操作简单等优点。

本文以兰州奥体中心项目运动员公寓与体育产业用房工程项目为例，进行了长螺旋钻孔压灌桩在复杂地层中的应用研究。该工程总建筑面积 265 300 m2，为一类高层建筑，地上建筑面积 145 500 m2，分为 A 栋建筑高度 99.9 m（共计 21 层）、B 栋建筑高度 84 m（共计 17 层），A 楼和 B 楼通过钢连廊连接，是集住宅、办公、商业、地下车库等功能于一体的大型高档综合体。运动员公寓及地下车库开挖土方量共计约 43 万 m3，且基坑范围土方含有大量建筑垃圾和生活垃圾，图 1 所示为基坑开挖及支护。其基础形式采用桩筏地基，桩顶设置 800 mm 厚的筏板基础，桩径 800 mm，桩长 20 m，共计 2 741 根工程桩，其中主楼 1 228 根，纯地库部分 1 513 根，如图 1（a）所示。

图1 基坑开挖及支护

2 长螺旋钻孔压灌桩设计指标

根据工程地质及周围环境情况，本工程不适合采用易缩径、塌孔，质量难以控制的以及噪音特别大的常规钻孔灌注桩。基于以上基本实际工程概况，本工程选用了长螺旋钻孔压灌桩型。

本工程地基基础形式为桩-筏基，桩端持力层为卵石层，承载力 450 kPa，干作业挖孔桩的极限端阻力标准值为 5 000 kPa，该工程采用了两种桩型，即抗拔兼抗压桩和抗压桩，如图 2（a）为抗拔兼抗压桩和抗压桩的桩身立面图，图 2（b）为抗压桩的桩身剖面详图，图 2（c）为抗拔兼抗压桩的桩身剖面详图。

1）抗拔兼抗压桩：桩直径 800 mm，混凝土强度等级 C 35，抗渗等级 P 8，桩端进入卵石层的深度为 10 m，桩抗拔承载力特征值 750 kN，抗压承载力特征值 3 200 kN，桩顶进入基础底板 100 mm，桩纵筋深入基础底板的弯锚长度 40 d，如图 2（c）所示。

图2 长螺旋钻孔压灌桩（单位：mm）

2）抗压桩：桩直径 800 mm，钻孔灌注桩，混凝土强度等级 C 40，抗渗等级 P 8，采用桩端后注浆工艺，桩端进入卵石层的深度为 10 m，桩抗压承载力特征值5 500 kN，桩顶进入基础底板 100 mm，桩纵筋深入基础底板的弯锚长度 35 d，如图 2（b）所示。

表 1 所示则为长螺旋钻孔桩的具体设计指标［7-11］：

表1 设计指标

3 施工流程

长螺旋钻孔压灌桩的具体施工工艺流程［12］如图 3 所示。

图3 施工工艺流程

4 长螺旋钻孔桩在复杂地层施工中的常见问题及相应对策

1）复杂地层下打桩困难。桩基进入持力层深度为10 m 以上，持力层为黄河河床冲击形成的卵石层，且含有大量漂石，砂类土填充，密实度较大，桩机下钻成孔困难，对钻头磨损较大。钻杆螺旋叶片变形、磨耗及卷边，钻杆连接处高强螺栓剪切断裂导致钻杆掉落等。为了防止卷边及磨耗，通过在叶片边缘焊接 HRB 400 级钢筋，确保桩径大小满足设计要求，如图 4 所示。高程为 1 521.22～1 511.0 m，存在大量混凝土块，以及其他建筑垃圾。卵石层粒径极不均匀，最大粒径超过 35 cm，造成卡钻、夹钻、不易成孔，碰见大块混凝土或者建筑垃圾迫使钻杆移位导致桩位偏移。

图4 桩叶边处理

对上述问题所采取的技术措施：①对于初期选择的施工方法——干作业旋挖桩和泥浆护壁钻孔灌注桩，均未取得良好的效果，不能满足复杂地层的施工工艺要求，因此本工程引进了《十项新技术应用》中的长螺旋压孔灌注桩施工工艺，有效地解决了成桩质量与效率问题。②对成桩过程中遇到分布不均匀的混凝土块及较大粒径的卵石层无法成桩时，利用潜孔锤一次成孔，然后用长螺旋钻机二次引孔后浇筑混凝土。

2）地下水位极高。由于靠近黄河，地下水位极高，距桩顶标高仅 30 cm 左右，桩机下钻成孔过程中，地下水压较大且携带粉砂进入钻杆内腔底部，导致无法顺利浇筑混凝土。

解决措施：采用两次或多次下钻成孔方式进行桩基混凝土浇筑，且在钻头混凝土浇筑阀门处用海绵封堵地下水。

3）持力层标高差别较大。根据地勘报告显示，场区内建筑垃圾深度分布为 6～28 m，造成持力层标高差别较大。设计图纸中仅要求桩基进入持力层长度，未给定确定的桩长，地勘报告中的 564 个地勘点无法准确判定每根桩基部位持力层深度，且长螺旋钻机施工过程中也无法准确判断是否进入持力层。

解决措施：经与设计单位、地勘单位协调沟通，由地勘单位在全场范围内补勘 500 个左右勘测点，用于明确各单体不同部位的持力层深度，项目部根据补勘结果进行桩基钢筋笼加工与成孔、成桩施工。

4）成孔困难。因场区内建筑垃圾回填不密实、黏聚性差、混凝土块含量较多、密度不均、进入卵石层较深等原因，造成桩基成孔困难、效率较低，如图 5 所示。

图5 成孔困难

对上述问题所采取的技术措施：现场均改用 300 kW 功率以上的长螺旋钻机，增加钻机钻孔能力；根据土质分布不均匀，采用二次以上的成孔工艺；钻孔过程中遇到混凝土块时，深度较浅时通过挖机挖除，埋深较大时与设计单位沟通修改桩位，保证顺利成孔。

5）混凝土浇筑受阻。因地下水位较高，卵石缝隙间填充物为粉砂，地下水因压力进入钻杆内部，并携带大量粉砂沉积在钻杆底部，导致桩基混凝土浇筑时，钻头部位阀门打不开，无法顺利浇筑混凝土，如图 6 所示。

图6 地下水位较高及混凝土浇筑困难

对上述问题所采取的技术措施：改变钻头材质与形状、素土包裹螺旋杆钻头、钻杆内腔塞皮球（水封作用）、钻杆带混凝土旋挖作业、严格控制混凝土粗骨料粒径不超过 30 mm、钻头采用海绵封堵并涂抹黄油，通过上述措施并结合二次钻孔工艺，基本解决桩基混凝土浇筑问题。

6）钢筋笼下插不到位。混凝土粗骨料粒径过大、混凝土进场时间较长导致坍落度损失及流动性变差以及浇筑不当造成混凝土离析，从而导致钢筋笼与桩体中心不一致。

针对上述问题，所采取的技术措施：严格要求商混站控制粗骨料粒径；控制混凝土从拌合至浇筑时间，超过 2 h 未能及时浇筑的混凝土直接退回商混站；浇筑时混凝土不能出现离析导致石子下沉；保证钢筋笼与桩体中心一致，防止钢筋笼碰到桩壁或桩尖插歪；已与设计单位沟通，地下车库部分的抗浮桩兼抗压桩钢筋笼截面改小，保护层厚度由 55 mm 增加至 100 mm，降低碰到桩壁的概率。

5 长螺旋钻孔桩在复杂地层施工中的技术要点

5.1 技术难点

1）在复杂地层中，为了达到设计承载力，可以使地勘单位补勘点，从而满足不同部位的持力层深度，即桩端进入持力层的深度不宜小于 1.5 倍的桩径。

2）由于在复杂地层中易出现塌孔等现象，因此可采取二次及以上的成孔工艺。

3）为了避免断桩及缩颈等问题出现，混凝土浇筑时应连续进行。

4）钢筋笼首先利用其自重下放，然后可采用机械作用下放，在整个下放过程中应使钢筋笼与桩体中心一致。

5.2 技术创新点

1）在具有建筑垃圾及湿陷性黄土等复杂地层中应用长螺旋钻孔压灌桩，足以体现长螺旋钻孔灌注桩的适应性极强。

2）由于混凝土的连续浇筑，避免了桩身缩颈及断桩等问题，质量较好，从而使得桩基具有较强的承载力、抗拔力、抗水平力、变形小以及稳定性好。

6 长螺旋钻孔桩在复杂地层施工中的经济及技术效益

6.1 技术效益

通过对长螺旋压灌桩在复杂地层中应用研究，攻克了复杂地层下打桩困难的技术难题，和地下水位高以及持力层标高差别较大、成孔困难、混凝土浇筑受阻、钢筋笼下插不到位等困难。通过运用 BIM 等相关智慧软件建造，试验模拟，解决了复杂地层下长螺旋压灌桩的施工难题。

6.2 经济效益

1）由于单桩承载力的提高，使得同样密度的桩可缩小桩径，并缩小桩连粱及承台尺寸，从而减少基础钢筋混凝土用量。

2）由于长螺旋压灌桩无泥浆污染，从而为业主节约处理泥浆的费用，以及成桩速度快，可带来巨大的工期效益。

3）桩身质量好，合格率高，有较大的质量效益；与静压预制桩及其它桩型相比，可节约工程造价 10 %～30 %。

4）与其他沉桩方式相比，在复杂地层中应用长螺旋钻孔压灌桩，可以减少机械台班的使用，经济性较好。

7 结语

本工程的 2 741 根长螺旋钻孔压灌桩已经全部施工完毕。长螺旋钻孔后，插钢筋笼压灌混凝土桩在整个施工过程中，严格按照施工工艺要求进行了施工，并密切注意常见问题，及时处理出现的各项难题，施工非常顺利。经后期桩身完整性检测，一类桩达到 98 %，二类桩2 %，未出现三四类桩。由此可见，虽然长螺旋钻孔压灌桩存在着很多不可预见的因素，但是只要认真按照该施工工艺流程进行施工，在复杂地层地区完全可以充分发挥其优越性。