浅析洞碴深回填地层旋挖钻干作业成孔灌注桩施工工艺

田川 刘建锋

中国水利水电第五工程局有限公司，四川成都，610000

摘  要：文章基于工程实例，探讨洞碴高回填地层旋挖钻干作业法成孔灌注桩施工工艺，采用“黏土回填夯实地基表层+钻斗反钻冲压回填黏土层+钻斗侧向滚压孔壁形成护壁泥皮+成孔后快速吊放钢筋笼及浇筑混凝土+成桩声波透射法检验桩基质量”的施工工艺，彻底解决了高回填洞碴地层桩基础成孔困难、塌孔严重、混凝土超耗等问题；在保证成桩质量的前提下有效缩短了施工周期、大幅节省了施工成本、显著提高了经济效益，具有较高的推广价值和应用前景，对类似工程颇具指导意义。

关键字：城轨快线；旋挖钻干作业成孔灌注桩；钻斗反钻冲压回填黏土层；钻斗侧向滚压孔壁形成护壁；声波透射法

1  前言

随着城市基础建设快速发展，城市结构及空间越来越趋于立体化、复杂化，特别是在城市轨道交通建设过程中，越来越多的采用高架桥跨越障碍物。城轨快线列车载重大、运行速度快，对地基及基础的承载力要求高，通常采用桩基础+承台的设计方案，受施工技术水平、软弱回填地层及地下水、地质构造及地层岩性等因素影响，桩基础施工过程中面临塌孔、缩颈、断桩、夹渣、沉渣厚度过大、桩身倾斜等问题，直接影响桩基础的承载力。提高桩基施工技术水平、采取措施减少地质条件对施工的影响是桩基础施工质量控制永恒的主题。

2  工程概况

重庆轨道交通27号线璧山站～虎溪站区间高架段是本工程正线第一个区间，也是第一个高架区间，区间左右线分修，左线全长1003.550m，右线全长1008.550m。桥梁基础均为钻孔灌注端承桩（共计250根），桩径分别为1.25m、1.50m、1.80m，桩长6.50～26.00m，桩基础均嵌入中风化砂岩持力层不小于6m，采用C35钢筋混凝土浇筑施工。其中Z(Y)D26、Z(Y)D27、ZD28及1#-8#防护桩（共计26根）处于洞碴（轨道交通1号线缙云山隧道洞碴，主要为泥岩及砂岩碎块）高回填（回填高度6～18m不等）地层内。

图1：洞碴高回填区段左线地质剖面图

3  试钻情况

1、常规试钻

对ZD27-1桩基础进行试钻，采用JVR280D旋挖钻机。因该区域洞碴回填深度大（约15m）、松散未经碾压、石屑与石块交叠填充，导致钻进过程中出现大面积塌孔，无法正常钻进、成孔困难，不得已而终止试钻施工。

图2：常规试钻塌孔情况照片

2、长钢护筒跟进试钻

针对洞碴回填深度大、结构松散、粒径差别大等特点，选用长钢护筒与旋挖钻机配合施工。加设护筒之后，成孔问题得以解决，但钻进过程中塌孔的问题仍然存在，长钢护筒在混凝土浇筑的过程中拔出，塌孔形成的孔洞由混凝土填充，使混凝土超耗量严重，施工成本不可控。ZD27-1和ZD27-3两根桩基础采用了长钢护筒跟进施工，设计混凝土浇筑体积约91.80m³（含桩头超灌0.5m），实际浇筑混凝土166.50m³（含桩头超灌0.5m），混凝土超耗81%。

图3：钢护筒跟进施工照片

4洞碴高回填拟应对措施

根据本工程地质情况和现有施工技术水平，结合中国水利水电第五工程局有限公司旋挖成孔桩基础施工经验，采用“黏土回填夯实地基表层+钻斗反钻冲压回填黏土层+钻斗侧向滚压孔壁形成护壁泥皮+成孔后快速吊放钢筋笼及浇筑混凝土+成桩声波透射法检验桩基质量”的施工工艺，经现场实践、总结形成洞碴深回填地层旋挖钻干作业成孔灌注桩施工工艺，彻底解决了高回填洞碴地层桩基础成孔困难、塌孔严重、混凝土超耗等问题；在保证成桩质量的前提下有效缩短了施工周期、大幅节省了施工成本、显著提高了经济效益，具有较高的推广价值和应用前景，对类似工程颇具指导意义。且该工艺施工过程操作简单、取材方便、机械设备单一、安全质量易保证、适用地层范围广，与常规旋挖钻孔成桩工艺比较具有如下特点：

（1）对桩基开孔线外2m范围内采用黏土进行分层换填并碾压密实，确保桩口地面稳定，便于护筒埋设。

（2）洞碴回填高度范围内，采用黏土逐层换填，并利用旋挖钻斗反钻冲压换填的黏土，一方面振捣密实地层，另一方面使黏土裹覆洞碴，并充分沿孔壁挤压，从而有效稳定孔壁，这是本施工工艺的核心部分。

（3）黏土换填及反钻冲压完成后，再利用旋挖钻清孔钻头（钻斗底部无截齿，不会损伤孔壁）反复旋转侧向滚压孔壁，使孔壁外表达到平整、光洁的效果，进一步稳定孔壁。

（4）钻进达到设计成桩底标高后，采用一种新型平底钻头清理孔底沉渣，使沉渣厚度满足规范要求（规范要求沉渣厚度不大于50mm，理想状态下经平底钻头清孔的桩底能实现0沉渣厚度）。

（5）最终清孔前，钢筋笼与灌注导管已准备完毕，并悬吊于同一吊车上，混凝土已在场等候，清孔完成后立即下放钢筋笼与灌注导管，及时浇筑混凝土，避免成孔长时间等待而发生塌孔。

（6）混凝土浇筑完成7天后，采用超声波检测仪对成桩质量进行无损检测，验证施工效果。

5施工操作要点

5.1 施工准备

（1）主要管理人员和技术人员及技术骨干工人对现场进行排查，开展施工调查，详细了解桩位地质情况（包括洞碴回填范围、回填深度、粒径、含泥量等），针对洞碴高回填区基本情况认真编制专项技术方案，掌握成孔成桩质量控制要点；组织各专业人员进行内部图纸会审，主要为施工图现场核对，复核设计图纸，正确领会设计意图，清理工程数量，发现设计有误或设计不明确时，及时与建设及设计单位联系解决。

（2）对所有人员进行技术培训、操作规程培训，以提高作业人员技术和操作水平，从而保证施工质量，并确保工程施工顺利进行。

（3）钢筋按设计要求预先进场和检测，并提前制作钢筋笼，混凝土采用商品混凝土（本工程涉及桩基础采用干桩施工工艺，底部存在少量积水，采用C35水下混凝土灌注成桩），根据混凝土设计要求和施工工艺要求设计混凝土配合比，选用适宜的水灰比、含砂率、水泥用量、塌落度等，经监理验证批复后使用。

（4）施工机械设备配置准备齐妥。

5.2 地表土换填处理

孔口部位往往是钻孔灌注桩的薄弱点，特别是在洞碴回填地层，如不采取措施，极易发生孔口塌陷、开孔困难等问题，针对洞碴回填情况，钻孔开钻前以承台为单位对表层洞碴换填黏土，并分层碾压密实，具体做法如下所述：

（1）换填深度以到达承台顶面为准，且不少于2.5m（护筒长度为2m，保证护筒全部位于回填黏土层中），换填宽度以承台边外扩1.5m，放坡比例1:1，具体如下图所示。

图4：洞碴深回填地层旋挖钻成孔灌注桩施工工艺流程图

（2）换填土采用塑性指数不小于20的黏性土，分层回填、分层压实，每一填筑层厚度不大于50cm，单层回填完成后采用不小于12t的压力机碾压密实，压实度控制在85%及以上。

（3）为方便施工组织，涉及换填处理的桩基础统一全部换填压实。

5.3 成孔施工

5.3.1桩孔放样

采用全站仪准确放样各桩点的位置，放样时用测线拉十字丝将桩位中心放样出来，作为护筒定位的依据，护筒埋设完成后需再次复核桩孔位置，偏差不大于10mm；护筒定位完成采集护筒顶部标高作为钢筋笼定位基准。

5.3.2钢护筒埋设

钢护筒用10mm的热轧中厚钢板制作，钢护筒内径比孔径大20cm，护筒长2m，为防止护筒变形，在护筒上、下端口和中部外侧各焊一道加劲肋，加劲肋采用Φ20钢筋焊接。护筒顶高出地面不少于0.3m。护筒埋设采用挖埋法，即用旋挖钻机配合人工开挖所要埋护筒的土层后，将护筒放入其中。埋设应准确、水平、垂直、稳固，护筒的四周回填黏土并夯实。钻机导杆中心线、回旋盘中心线、护筒中心线应保持在同一直线。护筒中心与设计桩位中心的偏差不得大于10mm，钢护筒垂直度偏差不允许大于0.5%，保证钻机沿着桩位垂直方向顺利工作。

图5：护筒埋设现场照片

5.3.3黏土换填洞碴

旋挖钻机通过自行履带就位，钻头中心点对准桩位中心，同时调整钻桅是否垂直，然后进行首轮钻进取土。钻斗穿越回填黏土层，钻进洞碴深度超过1.5m后停止向下钻进，向钻孔内回填粘性土不少于2m高，开启钻机反钻功能，同时给进竖向压力，使钻斗反复冲压回填黏土层，将黏土充分挤压外扩形成护壁效果，当黏土充分挤压进孔壁后方可停止反钻挤压（平均挤压厚度不小于15cm）。挤压完成后继续按照：对孔→落钻→钻进→提钻→反转解锁→提升钻机回转卸土→再对孔的工序钻孔取土，深度超过1.5m后重复上述反钻冲压回填土工序，确保洞碴回填孔深范围内均有黏土护壁。

图6：钻斗反钻冲压回填黏土效果图

5.3.4钻斗侧向滚压孔壁

钻斗反钻冲压回填黏土层厚度大于4m时，更换平底钻头对孔壁进行处理。经钻斗反钻冲压的孔壁并不平顺，需采用平底钻头（平底钻头无截齿，钻斗外壁光滑，不会破坏孔壁）滚压孔壁，以孔壁密实、平顺、孔圆度好为佳。钻斗反钻冲压与平底钻侧向滚压交替进行，直至完成整个洞碴回填深度的成孔施工。

图7：经平底钻侧向滚压完成的桩壁效果图

5.4 平底钻头清孔

洞碴回填区段地下水位位于桩底以下，成孔施工采用旋挖钻机干作业法。掏渣法、抽渣法、泵吸反循环清孔等方法均不适用，遂采用一种用于清除钻孔灌注桩孔底沉渣的平底钻头进行清孔，使沉渣厚度满足规范要求（规范要求沉渣厚度不大于50mm，理想状态下经平底钻头清孔的桩底能实现0沉渣厚度）。

钻孔完成至设计标高后更换平底钻头，以对孔→落钻→钻进→提钻→反转解锁→提升钻机回转卸土的工序完成清孔，清孔以钻取新鲜块状岩面为佳。

图8：平底钻清孔现场照片

5.5 下放钢筋笼及导管

5.5.1钢筋笼制作及吊装

（1）钢筋笼制作

钢筋笼所用钢材有产品合格证并现场抽检试验，经有资质的检测单位检测合格后使用。钢筋笼严格按设计配筋。桩纵向钢筋采用机械连接，加强箍筋采用双面搭接焊，搭接长度大于100mm,螺旋筋和主筋连接采用绑扎连接。钢筋笼整体制作，其焊接质量满足规范要求，加工尺寸、位置符合设计要求，见钢筋笼制作允许偏差表。钢筋笼制作完成后在桩头上钢筋采用PVC管进行防护，上下进行封闭，便于后期破桩头。

表1：钢筋笼制作允许偏差表

项目	主筋间距	箍筋间距	钢筋笼直径	保护层	钢筋笼长度
允许偏差（mm）	±10	±20	±10	+20	±100

（2）钢筋笼运输

钢筋笼在钢筋场内分节加工成型，由拖挂车运输至施工现场。

（3）钢筋笼吊装

钢筋笼整体制作和吊装，经验收合格后，钢筋笼起吊采用两点吊方式。主吊点采用汽车吊将钢筋笼水平起吊，起吊时用吊车大钩分两点固定钢筋笼顶端，副吊点采用副钩分两点吊装钢筋笼1/2至1/3中间部位，空中翻转，副吊松钩，汽车吊主钩竖直吊着钢筋笼吊运入孔，用槽钢支承于孔口。主吊钩在钢筋笼顶端吊点位置，吊筋与钢筋笼受力主筋焊接到一起。

5.5.2导管安装

（1）桩基混凝土采用导管法灌注施工，选用圆形螺旋快速接头导管，其上端接浇筑漏斗，并由吊车或钻机悬吊，以便灌注及起拔时导管可作上下垂直移动。导管直径为300mm，壁厚5.4mm，每节长3m，配1～2节长1～1.5m短管，下导管时，其底口距孔底的距离不大于30～50cm，同时要保证首批混凝土灌注后能埋住导管至少1.0m。

（2）导管使用前要检查是否漏气、漏水和变形，接头连接是否牢固可靠，丈量导管组装后的实际长度，并且要定期进行接长水密性试验和接头抗拉试验，试水压力为0.6～1.0MPa。导管间连接要安放密封圈。

（3）导管要依次下放，并要记录好导管下设顺序、每根导管的长度、导管根数。

（4）下设导管时应防止碰撞钢筋笼，导管支撑架用型钢制作，支撑架支垫在钻孔平台上，用于支撑悬吊导管。全部下入孔内后，应放到孔底，以便核对导管长度及孔深，然后提起15～30cm，混凝土灌注期间使用钻架或吊车吊放拆卸导管。

5.1.6 混凝土灌注

在灌注混凝土前，首先吊入隔水塞，隔水塞比导管内径小20～25mm，灌注混凝土前用铁丝吊挂在导管内，混凝土达到首灌量时剪断隔水塞，初灌时导管埋深大于1.0m，每次提升导管之前测一次导管内外径混凝土面的高度，填写水下混凝土灌注记录表，绘制水下混凝土灌注曲线。当孔内混凝土面将要接近钢筋笼的底端时，要防止钢筋笼上浮。当灌注混凝土面接近设计标高时，要注意混凝土面使其符合设计要求，每次拆下的导管应及时冲洗干净，灌完后必须冲洗漏斗、储浆斗及其它专用工具。灌注工作必须连续进行，尽可能压缩上料运输吊斗、提管、拆管时间，严禁中途停工，灌注混凝土之前应测量混凝土坍落度，混凝土坍落度控制在180～220mm。混凝土灌注充盈系数为1～1.3，每个灌注桩取样3组（每组3块）试块（边长为150mm的立方体）。混凝土灌注完成后缓慢将导管拔出，导管提离混凝土面之前要反复插实，避免空心桩。桩基混凝土最终浇筑高度应超出设计桩顶高程0.8m，以保证凿除浮浆后桩顶混凝土强度达到设计要求。

5.1.7 成桩质量检测

（1）旋挖成孔灌注桩桩身完整性应100%检测，检测方法应采用声波透射法或钻芯法。

（2）声波透射法声测管的埋设深度应至桩底，保证检测范围覆盖全桩长。为防止因声测管变形、破裂、不垂直导致不满足检测条件，声测管选用50～60mm内径的钢质管和直头螺纹连接方式。

（3）当采用声波透射法进行检测出现以下情况时，应重新使用钻芯法检测桩身完整性：因声测管埋设的垂直度不满足要求，导致无法判定桩身质量时；因声测管变形、破裂、内壁有焊疤导致堵管，无法对所有剖面和全桩长进行检测时；在未达到混凝土强度及检测龄期要求开展的检测。

6结语

该工艺根据重庆轨道交通27号线璧山站～虎溪站区间高架段洞碴深回填地层旋挖钻机成孔灌注桩施工工艺、相关施工规范、相邻标段施工经验等资料，经探索实践、优化改良、分析总结而成；彻底解决了高回填洞碴地层桩基础成孔困难、塌孔严重、混凝土超耗等问题；在保证成桩质量的前提下有效缩短了施工周期、大幅节省了施工成本、显著提高了经济效益，且施工过程操作简单、取材方便、机械设备单一、安全质量易保证、适用地层范围广。

作者简介：

田  川（1980-），男，湖北荆州人，副总经理，高级工程师，本科，从事工程经营及技术管理工作;

刘建锋（1992-），男，四川广安人，项目副总工兼工经部主任，助理工程师，学士，从事工程技术管理工作。