旋挖機配套長護筒成孔技術在軟土地層的應用

李永杰，姜杰松

（大唐實創（北京）投資有限公司，北京 100191）

上海國際時尚中心新建游船碼頭工程（水域部分）位于上海市楊浦區黃浦江濱江上海國際時尚中心前沿水域。主要建設內容和規模為：新建2個60 m游船碼頭泊位，4座擱橋墩臺，1處17 m×8 m貫通平臺，架空步道1座，改建防汛墻167 m，以及濱江步道的拆除、改造和恢復，同步實施電氣、給排水等配套工程等。

本項目改建防汛墻長167 m，里程號為黃浦江西岸18+297~18+464。下部基礎將原防汛墻前排板樁予以保留并錨入新建防汛墻底板，新結構前排設為Φ700 mm@900 mm×20 000 mm密排鉆孔灌注樁，后排為Φ700 mm@2 000 mm×20 000 mm鉆孔灌注樁，前排灌注樁后方設置Φ800 mm@600 mm×8 000 mm高壓旋噴樁。基礎斷面圖如圖1所示。

圖1 防汛墻基礎斷面圖

（1）工程地質。擬建場地位于黃浦江防汛墻內外兩側區域，屬于正常地層沉積區，第④層灰色淤泥質黏土中含貝殼碎屑、云母和有機質，夾少量薄層粉砂，土質均勻，靜探Ps平均值約0.54 MPa，呈流塑狀，高等壓縮性，層頂標高為-6.78～-9.35 m，厚度約2.90～6.80 m，擬建場地內遍布，施工中易出現塌孔、縮孔現象。

（2）周邊及地下環境。工程建設場地北側為國際時尚中心園區，其8號、9號樓建于1921—1922年，西側泵房建于1955年，均為上海市文物保護建筑，對震動位移控制要求較高。地下障礙物較雜，鋼筋最大直徑25 mm老鋼筋砼方樁和最厚70 cm鋼筋砼板塊、木樁、煤渣和淤泥層等。

1 工藝選擇背景

本工程伊始使用GPS-15型回旋鉆機成孔的灌注樁工藝，在施工過程中因障礙物過多而被迫中斷；后改用震動錘鋼管樁工藝，正式施工前對回旋鉆鉆進有困難樁位進行試打，成樁設備選用DZ50震動錘，試打過程中委托第三方做震動測試，經過監測，文保建筑個別點位位移數值報警，該工藝也予以否認；高頻免震鋼管樁施工工藝因設備稀少，短期內難于協調、工期較緊等因素而被否定。最后確認選用旋挖鉆機成孔工藝進行施工。

2 旋挖機成孔方式

旋挖成孔工藝：旋挖樁機底盤為履帶式，通過卷揚裝置下落伸縮鉆桿，將鉆斗置于孔底，由鉆機驅動裝置轉動鉆桿并帶動鉆頭旋轉，通過鉆斗的自重及液壓動力不斷鉆進，直至鉆斗裝滿后提升鉆斗卸土。通過鉆斗不斷循環反復的旋轉、挖土、提升和卸土，配合泥漿護壁，最終成孔。可根據不同的地質情況選不同的鉆頭器具、不同的鉆桿及合理的斗齒刃角。

該成孔方式適用地層有填土層、黏土、粉土、砂土、淤泥質土和人工回填土地層，且不易鉆進含有部分卵石、碎石、塊石、混凝土板、木樁和無黏結力廢料的地層同樣適用。

配套的工具鉆斗有雙層單開門鉆斗（回轉斗）及嵌巖筒鉆頭（巖心鉆）。鉆斗不僅要具備良好的切削地層能力，以較小的功耗獲得較快的切削速度，還要在頻繁的升、降過程中產生的阻力最小，特別要在提升過程中產生盡量小的抽吸作用，下降過程中產生盡量小的激動壓力，同時，還要在裝滿鉆渣后可靠地鎖緊底蓋，而在卸渣時又能方便地解鎖卸渣。常用工具鉆斗如圖2、圖3所示。

圖2 嵌巖筒鉆頭

圖3 雙層單開門鉆斗

3 工程應用情況

本工程利用旋挖鉆機配套長護筒成孔的泥漿護壁鉆孔樁施工工藝，液壓機械手、50 t汽車吊配合。鉆孔灌注樁總樁長20 m，護筒長度取12 m，壁厚8 mm，為采購的成品螺旋焊管。

3.1 成孔工序

具體施工工藝流程如圖4所示。

圖4 旋挖樁基施工工藝流程圖

（1）場地準備。施工范圍有部分可利用的原砼基礎，臨水側的軟土場地采用塊石換填2 m，其上放置20 cm鋼走道板。整理后的場地應盡可能滿足鉆機合理放置和移動、泥漿循環系統正常運行、混凝土運輸車及吊車正常作業等要求（圖5）。

圖5 旋挖施工配套機械

（2）泥漿制備。①現場配備一個鋼制長5 m、寬3 m和深2.5 m的泥漿箱和一套泥漿分離設備，泥漿輸送軟管若干米，優質膨潤土若干。②旋挖成孔工藝鉆進中通過鉆斗出渣，不需要考慮泥漿的攜渣性能，故泥漿比重應取大值，大于1.2，以穩定孔壁，防止坍孔。在清孔時應降低泥漿比重至1.1。

（3）護筒埋設。護筒埋設采用機械手打設，打設前對擬成孔位置的回填塊料進行清除，埋設深度應穿透淤泥質土層，進入穩定土層，綜合地基土質及護筒的穩定要求，本項目采用的護筒長度為12 m，護筒頂標高3.6 m。

（4）鉆進成孔。①鉆機行走到預定位置后，調整主鉆桿位置，對準灌注樁中心位置，通過機載系統自動或手動調整鉆桿垂直度。②操作鉆孔作業前應先記錄鉆機鉆頭的原始位置，鉆孔過程中監測鉆孔的實際工作位置、每次進尺及孔深位置。③在鉆進深度達到設計標高需要提升鉆桿之前，應在深度正向空轉數圈，以便清除螺桿上的積土，停止旋轉后，將最后一斗鉆渣緩慢提離孔位。具體施工如圖6所示。

圖6 旋挖成孔施工

（5）清孔。旋挖鉆機成孔后的清孔工藝與回旋鉆機成孔相同，分一清二清，清孔后檢查沉渣厚度。

（6）成孔檢查。鉆孔灌注樁的成孔質量檢查需分多次、多階段，除終孔后及灌注混凝土前的檢測，過程中的成孔檢測亦十分重要。①孔徑和孔形檢測。樁孔成孔后，于鋼筋籠下放前，采用探孔器進行入孔檢測，檢測時確保孔的中心與起吊探孔器的鋼繩保持一致，以上下通暢無阻作為滿足設計孔徑的評判依據。②孔深和孔底沉渣檢測。通常采用標準測錘如錐形錘等檢測孔深和孔底沉渣，為確保數據精確度，必須使用已檢校過的鋼尺對測繩進行校核。

經測定，本工程孔徑、孔深均滿足設計要求，孔底沉渣厚度在80~90 mm范圍內。

3.2 旋挖鉆機成孔控制要點

（1）鉆具下降、提升速度的控制。鉆斗升降速度宜控制在0.75~0.80 m/s。下放鉆斗時，鉆具下降產生的動能通過受鉆斗擠壓的護壁泥漿傳給孔底和孔壁，使其承受動壓力。當鉆斗下降速度過快時，泥漿被鉆斗沿環狀間隙高速擠出而沖刷孔壁，易引起孔壁的破壞。

提升鉆斗時，孔底壓力減小，產生抽吸作力。當提升速度過快時，鉆斗與孔壁間隙變小，護壁泥漿因無法及時補充鉆斗下部的空腔而產生負壓，此時則易導致孔壁坍塌。

（2）在淤泥質地層鉆進的過程中，常出現吸鉆、塌孔、超方和卸渣困難等現象，除地層本身因素外，在改善泥漿性能的同時，也可以從改進鉆斗結構及優化操作方式進行控制。

（3）鉆進中遇到地下障礙物，采用輕壓慢轉、上下活動切削鉆碎障礙物。若鉆進無效，可采取正反交替轉動的方式，比如在正方向轉動遇到較大阻力時，可立即反轉數周，然后再次正轉，如此循環往復。長時間鉆進進尺較小時，要換破碎能力強的鉆斗。

（4）通過檢測鉆孔泥漿及鉆機對位以控制成孔質量。應按照2 m間距對撈取渣樣進行觀察分析，密切關注地層變化，如有異常情況及時處理。

（5）在粉砂層或淤泥質土層時，鉆斗應緩慢升降。在易縮孔地層中，應適當增加掃孔次數，粉砂層應低壓慢速并適當增加泥漿比重和黏度。

4 旋挖成孔方式的優缺點

4.1 優點

（1）振動小、噪聲低、成孔速度快及效率高。與常規鉆機相比，旋挖鉆機回轉扭矩大，可根據地層情況自動調整鉆壓，本工程土層情況下每小時進尺6 m以上。

（2）設備性能先進，自動化程度高，勞動強度低。

（3）環保特點突出，無污染，與傳統的回旋鉆機相比，旋挖鉆機泥漿使用量小，且在土質較好的地區，可用于干成孔作業。

（4）行走移位方便。相較于傳統旋挖鉆機移位的繁瑣，旋挖鉆機可依靠其履帶機構靈活方便地移動至工作位置。

（5）相較于回旋鉆機安裝更為簡單，樁孔對位方便準確。

（6）適應地層較廣泛。在遇到高水位、多大鵝卵石等障礙地層時，正、反循環及長螺旋鉆施工遇阻，此時可考慮旋挖成孔。

（7）適應密排灌注樁的分序跳打。鉆頭可以對臨樁擴孔部位混凝土進行削切作業，非常適合處理密排樁分序跳打難題。

4.2 缺點

（1）泥漿制備不當，易產生坍孔。施工需根據不同的成孔階段，調整泥漿比重。

（2）因土層情況差異導致成孔孔徑較鉆斗直徑大7%~20%。增大砼充盈度系數，致砼灌注方量增加。

（3）設備自重大，對場地的承載力要求高。如地基存在厚軟土層，換填及二次清障工作量大。

（4）施工輔助機械設備多，需要較大的工作場地且臺班綜合費用較高。

（5）鉆斗反復下降、提升，對孔內泥漿擾動較大，易對孔壁進行沖刷，造成泥皮脫落或孔壁坍塌。

5 結束語

旋挖樁機成孔工藝在華中地區等地質較好的區域應用較廣泛，在上海等厚軟土及暗浜發育地區應用較少，其經濟性不是很高，在類似本工程涉及文保建筑安全，地下障礙物多，工期壓力較大和施工場地較充足的情況下，考慮工期及工程建設社會效益時，是一種比較合適的成孔方法，成孔保證率高，為工程總體目標如期實現提供了可靠的保證，為后續黃浦江碼頭建設提供了豐富的經驗，具有一定的借鑒作用。