中風化巖層地質條件下的旋挖擴底鉆孔灌注樁施工技術

陳冬泉

中億豐建設集團股份有限公司 江蘇 蘇州 215131

當下，人工挖孔灌注樁以及傳統鉆孔灌注樁施工機械已不能滿足現場施工要求，而旋挖成孔作為新的成樁工藝，近年來憑借自身的優勢在樁基施工中廣泛應用。旋挖成孔優先采用干作業施工，但遇到復雜土層時，由于成孔較困難，故容易產生機械和質量問題[1-6]。為保證施工工期以及成孔質量，對旋挖成孔灌注樁（擴底）干作業施工在中風化砂巖土層中的技術可行性進行分析，并通過具體實例證實旋挖干作業成孔技術能夠在中風化砂巖土層的灌注樁施工中成功應用。

1 案例概況

1.1 工程簡述

新建南京航空航天大學留學生與外國專家樓項目建筑面積55 413.1 m2，樁基采用φ800 mm鉆孔灌注樁，樁端持力層為④2層中風化粉砂巖，樁深進入持力層2.4 m。樁端持力層部位采取擴底，擴大頭直徑為1.4 m。

1.2 地質概況

根據勘察報告中巖土體巖性、結構、成因類型、埋藏分布特征及其物理力學性質指標，將勘探鉆孔深度范圍內涉及的土層劃分為4個地質層（雜填土層、素填土層、粉質黏土層、泥質砂巖層）。泥質砂巖為中等風化巖層，巖石飽和單軸抗壓強度為12.99 MPa。

2 旋挖鉆機選用可行性分析

2.1 旋挖鉆機適用范圍

旋挖鉆機采用多層伸縮式鉆桿結構，配備旋挖鉆頭進行干挖作業，并配備擴大頭鉆具，可在孔底進行擴孔作業，也可以配備回轉鉆頭進行濕作業。旋挖鉆機適合黏性土、強風化砂巖等各種地質土層的灌注樁成孔施工。本工程樁深范圍內涉及中風化泥質砂巖土層，需選配合適的巖石鉆頭進行分級鉆進施工。

2.2 土層地質性能分析

1）樁身上層土體為雜填土層、素填土層。該部分土體比較松散，密實度比較差，成孔后的孔壁容易坍塌，采用干作業施工時需采取技術措施，如在鉆孔前先將松散的土體壓實、換填黏性土或者采用埋設護筒的方式，防止孔壁坍塌。

2）中間部分的土層為粉質黏土層。該部分土體塑性指數高，成孔后的孔壁穩定性好，無需護筒或者泥漿護壁，適合采用旋挖鉆機施工。

3）樁身下層土體為強風化巖層和中風化巖層。隨深度加深，該部分巖層強度逐漸增大，鉆進難度也會增大，因此需要選擇合適的巖石鉆頭。該巖層的孔壁土體穩定性尚可，在幾種鉆頭配合使用下可以采用旋挖鉆機施工。

根據項目工期及設計要求，在深入了解工地現場的土層地質條件及地下水文情況后，一致認為旋挖鉆機是最滿足本工程灌注樁施工條件的施工機械。

3 鉆頭選用可行性分析

經過對案例工程地質情況的分析以及常用旋挖鉆機鉆頭的對比分析，認為在雜填土、素填土、粉質黏土及強風化巖層中應配備體開式巖石鉆頭，在中風化巖層中應配備截齒筒鉆，而遇到鉆進困難時則更換成嵌巖筒鉆配合進行分級鉆進，樁底擴孔則選用錐形螺旋鉆頭[7-11]。

3.1 體開式巖石鉆頭

體開式巖石鉆頭為開口型鉆頭，鉆進時兩瓣筒體閉合，提鉆后通過反轉，兩瓣筒體打開，筒體和底板連為一體，切削具為鏟式斗齒。該鉆頭鉆進速度快、施工方便、效率高，適用于填土層、粉質黏土層及黏性土層，可用于本工程強風化巖層以上的土層鉆孔施工。

3.2 截齒筒鉆

截齒筒鉆底板上帶截齒，屬于巖鉆（巖石鉆頭），用于堅硬基巖和大漂石層，適用于本工程強風化及中風化巖層的鉆孔施工。

3.3 嵌巖筒鉆

嵌巖筒鉆亦屬于巖鉆，主要作用是對樁孔內較硬的巖石層進行松動，只能切、削和松動巖體，沒有底板環狀筒體，也沒有取土功能，適用于較硬的巖石土層，可用于本工程中風化巖層的鉆孔施工。

3.4 錐形螺旋鉆頭（擴底使用）

錐形螺旋鉆頭分上開式和下開式2種形式，用于土層、強風化巖層、中風化巖層及堅硬基巖土層，擴底結束后再用清渣桶清渣。該鉆頭可用于本工程灌注樁樁底中風化巖層的擴大頭擴孔施工。

4 旋挖干作業條件分析

4.1 成孔方式

旋挖鉆孔灌注樁成孔方式分為干作業旋挖成孔和濕作業（泥漿護壁）旋挖成孔。旋挖成孔若采用干作業施工，則不需要配制泥漿護壁，不僅減少了施工工序，節約了機械和人力，降低了施工成本，而且場地不用設置泥漿池及其循環系統，有利于環境保護和現場安全文明施工。套管成孔、機動洛陽鏟成孔及爆破成孔雖然也是干作業，但屬于非常規的成孔方式，考慮環保因素，城市內的建筑工程不適用，因此本文不作分析。

4.2 土層地質性能適用性分析

本工程雜填土層、素填土層的厚度為0.7～6.3 m；勘探揭示的粉質黏土層和強風化、中風化巖層最大厚度為26.4 m，其中勘探揭示的中風化巖層最大厚度為15.0 m。

1）素填土層和雜填土層孔壁穩定性差，易出現坍孔現象，干作業鉆孔施工時需配備長度不等的鋼護筒。

2）粉質黏土層塑性較好，具備干作業施工條件。

3）泥質砂巖（強風化）土層呈砂土狀，且塑性較好，滿足干作業施工條件。

4）破碎狀泥質砂巖（中等風化）土層巖質偏軟，塑性較好，滿足干作業施工條件。

5）泥質砂巖（中等風化）巖體呈泥砂質結構，屬軟巖，且塑性較好，滿足干作業施工條件。其抗壓強度相對于高強度的巖石層并不高，但進入該土層時鉆進速度需要放慢，鉆進困難時可更換成嵌巖筒鉆配合進行分級鉆進。

4.3 地下水文情況分析

1）場地內雜填土層、素填土層中的含水介質為黏性土，但其滲透性差、含水量少，適合采用旋挖鉆機干作業成孔施工。

2）粉質黏土層滲透性差、含水量少，適合采用旋挖鉆機干作業成孔施工。

3）強風化、中風化巖層裂隙中存有基巖裂隙水，但是富水性和透水性低，連通性差，適合采用旋挖鉆機干作業成孔施工。

綜上分析，工程現場地下水文情況滿足旋挖鉆機干作業成孔施工條件。

5 干作業施工工藝

5.1 鉆機、鉆頭選擇

根據業主工期要求、工程地質土層情況及設計圖紙，本工程灌注樁選擇采用旋挖鉆機成孔干作業施工工藝。根據工程量及合同工期要求，采用山河智能SWDM25旋挖鉆機（該旋挖鉆機最大鉆孔直徑1 800～2 500 mm，輸出扭矩201～300 kN，最大鉆孔深度75～58 m）及配套的體開式巖石鉆頭、截齒筒鉆和嵌巖筒鉆配合施工，樁底擴孔選用錐形螺旋鉆頭及清渣桶。

5.2 施工工序

場地平整、換填土方、壓實→鉆機進場安裝調試、驗收→軸線及樁位測放→樁位復查→鉆機就位、旋挖、出土→樁底擴孔→清渣→樁孔驗收→樁孔內放入鋼筋籠→安裝混凝土導管→澆筑灌注樁混凝土→拔出鋼護筒→混凝土養護、驗收

5.3 鉆進成孔

1）鉆機就位。旋挖鉆機進場、組裝完成后，根據樁位進行軸線測放，樁位復查驗收合格后使旋挖鉆機就位，并調整姿態。

2）垂直度控制。在旋挖鉆進施工過程中嚴格控制桅桿的垂直度，加強監測，一旦出現偏移，應及時予以調整、糾正。

3）護筒埋設。為防止坍孔，保證成孔質量，在回填土深度范圍內放置護筒。鋼護筒壓入土體時需保持垂直。

4）鉆進成孔。根據地質情況控制旋挖速度，在容易發生坍孔、頸縮的雜填土層施工時，應適當增加鉆頭上下鉆孔的次數，以固結孔壁土體。在穿越軟塑或硬塑土層時，適當加快旋挖鉆進的速度，以提高工效。在進入中風化硬質土層時，要減慢鉆孔速度，若鉆進困難，則需更換成嵌巖筒鉆配合施工。

5）巖面判定。根據鉆機在鉆孔過程中的實際土樣，判定是否進入中風化巖層。實際施工過程中可依據地勘報告所揭示的巖土深度高程與實際出土的土樣進行比較，作出初步判定。

6）坍孔處理。坍孔時，可以采用換填黏性土并進行壓實的方案，也可以采用埋設鋼護筒的方案。

7）擴孔、清底。本工程中風化以下的泥巖及黏土層等在負角情況下能夠自穩，因此該部分的地層適合采用擴孔施工。在鉆進至設計樁底標高后，更換成錐形螺旋擴大頭鉆頭進行鉆進施工，并采用清渣桶清除樁底渣土。完成后采用井徑儀測量孔徑尺寸，成孔數據需滿足設計及施工驗收標準要求。

6 分析與建議

6.1 選擇旋挖鉆機施工的理由

1）施工效率高：本工程的施工記錄數據顯示，旋挖鉆機成孔時間大約是傳統鉆孔樁機的一半，鉆進效率高，有利于加快進度，保證工期。

2）有利于降本增效：由于旋挖鉆機干作業對土質要求高，一般需要采用換填或者鋼護筒的措施，所以坍孔現象控制得好，混凝土充盈系數比非旋挖鉆機干作業的灌注樁要低很多，能夠節約大量的混凝土，降低了工程成本，為企業增加效益。

3）有利于安全文明施工：南京地區雨季時間較長，下雨后場地較為泥濘，旋挖鉆機相比其他方式成孔的灌注樁機械，在場地內移動便利；同時，旋挖鉆機施工受天氣影響不大，施工過程中沒有大量泥漿需要處理，方便現場環境的管理。

6.2 選擇旋挖鉆機施工的建議

1）中風化砂巖層抗壓強度高于強風化砂巖層，進入該土層時需放慢鉆進速度，可以更換成巖鉆并采用分級鉆進的方案。

2）干作業施工要求地下土層含水量少、滲透性差，否則需選擇泥漿護壁濕作業施工。

3）遇到較厚的雜填土層、素填土層、粉土層及砂土層等孔壁穩定性較差的土層時，需要采用護筒護壁，遇到成孔困難及較復雜土層時建議慎選。

4）旋挖鉆機在施工過程中遇黏土時易糊鉆，建議選用體開式鉆頭，以便于卸土。

5）樁底土層自穩性較差時，不建議采用樁底擴孔施工。

7 結語

旋挖成孔施工工藝復雜，對土層地質條件要求高，因此并不是所有的土層都可以采用旋挖成孔干作業施工。旋挖成孔工藝雖然具有施工效率高、有利于降本增效和安全文明施工等優勢，但也有自身的缺陷和不足，需要我們進一步研究和探索，不斷加以改進和完善。