大孔径冲击成孔灌注桩施工控制
关键词：灌注桩，冲击成孔，泥浆护壁，验渣清孔，水下浇筑
1．工艺介绍
冲击成孔灌注桩采用卷扬机悬挂重锤，上下反复冲击土层及岩层破碎成孔，将部分碎渣及泥浆挤入孔壁，部分碎渣、泥浆清掏后成孔，然后进行水下混凝土浇筑。相比人工挖孔桩，本工艺人力、设备投入较少、工艺简单，护壁采用泥浆护壁、无须工人井下作业，安全系数较高，适用于桩径2.5m以下的灌注桩，但桩底沉渣不易清掏干净，持力层岩性判定难度较大，在入极硬岩时速度较慢。
2．工程设计及地质概况
中央人民政府驻澳门联络办新办公楼工程位于澳门特别行政区，场地位于东望洋山人工填海地段，总建筑面积3.2m2万，地上19层，地下一层（基坑深度8.4m），建筑总高度83.5m。基础设140根工程桩，边坡支护设145根支护桩，共285根，设计桩径分别为1000mm、1500mm、2000mm三种，桩底持力层为中、微风化岩石层，要求进入持力层深度大于500mm，平均桩长15-20m（大样见图一）。
场区地面海拔4.87m~5.66m，北靠山脚，南为填海区，自上而下依次为回填层（以黄色砂土、粉质砂土为主，夹大量散石）、海相沉积层（深灰色淤泥，饱和，流塑状，下部夹砂）、冲积层（中粗砂，松散至中密状）、花岗岩强风化层和中、微风化层。基岩埋深为3.6m~20.7m，岩层分布及厚度变化很大，地质条件复杂。
场区地下水主要为冲积砂层中的孔隙潜水及基岩裂隙中存在的裂隙水，略具承压性，地下水位标高为2.33m～3.35m，水位稳定。
3．灌注桩施工重点控制项
场内不良地质构造分布广泛，地下水丰富，在强透水层及淤泥层极易出现流砂、塌孔等事故，给桩基施工带来较大隐患。同时，本工程桩基有部分桩径2m的大直径桩，且桩底要求入中微风化基岩进行扩底，大直径人工挖孔桩施工过程中需要重点注意和控制的方面如下：
(1)大直径桩穿越强粉砂、细砂层、淤泥等不良地质带时，在地下水的作用下，极易出现流砂，严重时会发生井漏,造成质量事故。针对不同情况下的情况，需要有可靠的解决措施和手段。
(2)大直径桩桩底基岩起伏较大，基底地质情况复杂多变，需要谨慎确认和处理。
(3)大直径桩其钢筋笼体积较大，在吊装过程中容易变形、散架，需要有可靠措施确保钢筋骨架质量。
(4)桩深、桩径大，Φ2500的桩其桩身砼方量近100方左右，属大体积砼，要采取可靠措施确保混凝土浇注连续、稳定的进行，控制混凝土温变曲线，确保桩身质量。
(5)地下水丰富造成桩孔内积水无法排尽时，要严格按照水下混凝土浇灌工艺进行混凝土施工。
3．1．施工安排：
1）为合理安排工期和工序交接，将工程桩与基坑支护桩锚结构穿插作业，全部成桩后再将土方挖除，成桩盲孔用粗砂填实。
2）根据工程地质特点，持力层埋深层自北向南逐渐加大，南侧桩长较大、且为主楼工程桩，须优先安排施工，同时，优先施工底板边缘的工程桩，便于基坑支护桩侧土方开挖后施工预应力锚索。
3．2．机械、人员配置：
场地允许条件下最大化布置机械，本工程选用11台冲桩机，1台16T汽车吊辅助，每天成孔3-4根，每台机械配置人员4-5人两班作业。钢筋、混凝土工另行配置。
3．3．施工场地布置：
作业区域内道路、泥浆池的布置要充分考虑到冲桩机、吊车、混凝土车的运行路线，道路全部硬化，泥浆池用红砖砌筑，实现现场规范化管理。尤其注意对施工电缆的保护，沿道路边砌筑专门的电缆沟进行保护。
3．4．场区测量控制点布置及桩位坐标放样：
业主（监理）必须要求施工方在钻孔灌注桩基础开始施工前，根据设计提供的坐标及高程控制点对桩定位放样或设置不受施工影响的临时测量控制点，并提供完整的测量结果资料。业主（监理）对施工方提供的测量结果资料必须及时复核，复核无误后方可同意开钻施工，否则施工方必须重测后再次复核，直到测量结果符合设计要求为止。同时，业主（监理）应要求施工方对经复核无误的测量结果采取有效的保护措施并指定专人负责。
3．5．桩底持力层超前钻探
本工程对持力层的勘察采用的是超前钻探法。超前钻是当基桩挖到持力层时，为查明基桩持力层下不少于5米范围内有无软弱夹层、空洞等不良地质作用而进行的勘探钻孔勘察，在成桩之前采用钻探方法查其桩底基岩情况，基本上是一桩一孔，大桩多孔。超前钻要钻的深度一般要钻到桩底以下3d（且>5m）。
3．6．基坑内降水
本工程的基坑降水的方法采用轻型井点降水法。井点降水法是在地下水位以下的含水层施工时，常采用井点排水的方法。井点降水法是在基坑开挖前，在基坑四周埋设一定数量的滤水管（井），利用抽水设备抽水使所挖的土始终保持干燥状态的方法。轻型井点设备由管路系统和抽水设备组成。管路系统包括：滤管、井点管、弯连管及总管等。虑管采用直径为51mm的无缝钢管，管壁钻有直径为18mm的滤孔。井点管为直径51、长为7m的钢管，井点管上端用弯联管与总管相连。集水总管为直径125mm的无缝钢管，每段长4m，其上装有与井点管相连结的短接头，间距1m。轻型井点布置包括高程布置和平面布置，其布置和计算的步骤是：确定平面布置、高程布置、计算井点管数量等、调整设计。
4．施工工艺
扩底后注浆灌注桩的单桩工艺流程如图2所示。
4．1．测量放线
根据设计图纸对桩位进行放线，严格控制桩位精度，所有桩点一次性全部测放，复核，每天对预计钻进桩点进行二次复核，确保桩位准确。控制点宜不少于3个控制桩，每批测放点应由不同控制点进行复核。桩点采用钢筋定位，钢筋埋深控制在300mm左右，防止车辆碾压、破坏。桩点放线偏差≤10mm，标高偏差≤5mm。
4．2．钻进成孔
根据现场土层特性，该场地地层上部易塌孔，下部易缩颈，为此采用上部（钻至10～12m）回转钻机护壁成孔，下部改换RH412—HD钻机旋挖成孔的方法，合理调配钻机，缩短辅助工时，日成桩控制在3～4根。
4.2.1护筒的埋设
护筒埋设应准确、牢固，四周用粘土夯实，并采用十字法定位，即桩位中心四周设四根定位钢筋，拉十字线，中心即桩位，护筒中心与桩位中心偏差不得大于50mm，护筒长度为2.0～3.5m。
4.2.2泥浆制备
采用回转钻机泥浆护壁正循环工艺成孔，由于地层中粉粘土土层较厚，亦可用钻机自然造浆成孔，钻进时严格控制泥浆指标，成孔时泥浆比重控制在1.1～1.3之间。
旋挖钻机成孔时采用两种方法分别或组合制浆：①泥浆搅拌机制浆，优质泥浆加掺和剂；②重复利用其它孔回转钻机所造泥浆。
4.2.3钻机就位
回转钻机就位时应确保转盘中心、天车与桩位中心相重合，偏差不超过20mm。
旋挖钻机就位时，精心调平，保证钻头中心与桩位中心相重合，偏差不超过20mm。垂直度由钻机自动调整偏差小于1%。
4.2.4钻进成孔
钻进应连续进行，要密切注意地层变化，根据土层类别，确定相应的转速、钻压及钻进速度、泥浆比重等施工参数。严防护筒周围翻浆或地表下沉，发现不当应立即停钻，进行处理后，方可继续钻进。钻孔达到设计孔深后，用试孔器对孔深、孔径、垂直度进行实测检查，验收合格后方可进行下一道工序。
4．3．扩底施工
成孔完成后进行一次清孔，然后进行提钻扩底，扩底采用回转机加旋挖钻扩钻头进行扩底。钻机就位应准确，允许偏差不得大于20mm，钻机支垫应稳固，钻扩位置应符合设计要求，扩底设备如图2所示。
为确保钻扩直径，钻扩前应充分循环泥浆，准确测量孔深，防止因沉渣影响钻扩直径。钻扩时钻机应以低档钻进，行程应根据钻机负荷进行调整，每次不得大于50mm,每次钻扩给进后需停滞一定时间，钻机负荷降低后，才能进行下一级给进。泥浆比重控制在1.2～1.4，确定钻扩成型后，需进行不少于30分钟的泥浆循环后方可起钻，起钻前要收拢刀翼，完全收拢后才能提升，然后进行二次清孔，吊放钢筋笼。
4．4．钢筋笼安放与压浆管安装
钢筋笼分2～3节制作，主筋采用闪光对焊及孔口电弧搭接焊接，同时绑扎压浆管。
4.4.1钢筋笼制作及安放
钢筋笼严格按照施工规范规定制作。加强箍采用模具加工，确保圆度和内径尺寸；主筋必须保持竖直，主筋间距和箍筋间距由模具控制，箍筋与主筋隔点点焊；保护层设置间距5～6m一组，一组四档，延周均匀分布，距笼顶2m另加设一道。
钢筋笼在制作、搬运及起吊时，应确保笼子顺直、牢固、不变形，分段制作的钢筋笼在孔口焊接时应确保主筋顺直及焊接质量，补绕箍筋必须符合要求。钢筋笼入孔时应对准孔中心徐徐下放，避免碰撞孔壁。下放到位后，应用吊杆安置牢固，严防下落和灌注混凝土时上浮。笼顶标高允许偏差为±100mm。
4.4.2注浆管安装
桩端注浆管采用两根D50，δ=3.5mm的钢管，钢管接头采用丝扣连接，将两个桩端压浆器分别连接在桩端注浆管下，并对称绑扎在最下一节钢筋笼内侧，桩端压浆器超出钢筋笼150～200mm。桩侧注浆管为D15，δ=2.75mm的钢管，钢管接头采用丝扣连接。在桩侧注浆管头部接上三通和短接头，与桩侧压浆器和环置PVC管联接器相连，并绑在钢筋笼相应位置内侧。在放置钢筋笼时要注意保护注浆管。桩端、桩侧压浆器用生胶带密封，以防止桩身混凝土水泥浆液堵塞注浆管。
在下钢筋笼的同时，连接注浆管，边下边接，丝接要密封。下钢筋笼结束后，应将注浆管孔口封住，妥善保护。
4．5．混凝土灌注
在混凝土灌注导管安装就位后，对其安装质量、导管长度、清孔质量等检查无误，方可进行混凝土灌注，混凝土灌注量应按计算确定，随时用测绳对混凝土面进行测试，灌注要连续，严格按照《建筑桩基技术规范》施工。灌注过程密切注意返浆情况，严格按照2～6m要求拔拆导管，同时要注意保护后注浆导管。为保证桩顶质量，混凝土超灌高度≥1.0m，灌注完毕，应及时拔出护筒，对空孔进行妥善处理和保护。
4．6．后注浆施工
注浆系统由搅拌桶、过滤网、储浆桶、压浆泵、压力表、注浆胶管及单向阀等组成。压浆操作工序为：按设计水灰比拌制水泥浆液→水泥浆经过滤至储浆桶→注浆泵、浆管、活接头与桩身压浆管连接→打开排气阀并开泵放气→关闭排气阀，先试压清水，待注浆管道通畅后再压注水泥浆液。终止标准由压浆量（桩侧1t，桩端2t）、压力及地面是否返浆来综合控制。终止压浆时关闭止浆阀，静置5～10分钟后拆卸管件，须立即将压浆管头用堵头封堵，以防回浆，降低注浆效果。
桩身混凝土强度达到50～70%后方可注浆。注浆施工时，按照整体先外后内，局部先上后下的原则，即先对外圈桩基进行压浆，然后由外向内压浆；对于单根桩注浆，先进行桩侧注浆，目的是防止下部浆液沿桩土界面上窜。间隔2小时后，再进行桩底注浆。注浆过程中要控制好注浆压力、注浆量及注浆速度。桩侧终止压力为1.0～1.5MPa，桩端终止压力为1.5～2.0MPa，水泥浆液水灰比为0.5～0.6，水泥浆液应进行多次过滤，防止压浆过程堵塞压浆管。
5．试桩测试
5．1．单桩静载试验
在静载试验过程中，4组试桩分两次测试，先测试未注浆的试桩承载力（包括一组未扩底），然后注浆，注浆结束7～15天后，再测试试桩注浆后的承载力。本次单桩竖向静载试验采用锚桩—横梁反力架装置，如图3所示。荷载的施加通过4台5000kN的油压千斤顶并联实现，桩顶沉降由设置在桩顶四个测点的百分表测读。荷载反力由两根大梁十字交叉形成的反力架和试桩周围的4根锚桩通过预应力钢绞线连接所组成的反力系统提供，加载方式采用慢速维持荷载法。
5．2．试验结论
5.2.1与普通直桩相比，扩底桩的单桩承载力提高，桩顶沉降减少，桩体具有较高的抗拔性和抗水平荷载的能力，较大程度提高地基稳定性。
5.2.2通过桩侧注浆，充填混凝土与桩周土体间的间隙，挤压密实成孔时松软的桩壁土体，浆液渗透到桩侧壁的土体中，并与之结合，使得桩径增大，改善了桩周土体的物理性质，大幅度提高桩侧摩阻力，进一步提高单桩承载力；通过桩底注浆，浆液渗透到桩端的沉渣间隙中，消除了由于沉渣存在而产生的“软垫效应”，随着注浆压力的的增加，水泥浆液沿壁上返，充填于混凝土与桩周土体间的间隙中，提高了桩侧摩阻力，同时水泥浆液会不断向桩端持力层渗透，在桩端形成梨形体，随着梨形体的不断增大，会对持力层起到压密作用，有效提高地基强度，保证了扩底作用的发挥，大大提高桩的承载力，桩顶沉降量减小，且卸载后，残余沉降量很小。
5.2.3根据试验结果，注浆前不扩底桩的单桩竖向极限承载力标准值为12000kN，注浆后标准值可取为15000kN；注浆前扩底桩的单桩竖向极限承载力标准值为16000kN，注浆后标准值可取为18000kN。
6．经济效益和社会效益分析
本工程采用扩底后注浆灌注桩，共布桩285根，整个桩基费用为1000万元。经测算，采用同直径普通钻孔灌注桩满堂布桩方案，按常规的桩位桩基需布654根，桩基费用为1450万元。采用扩底后注浆灌注桩方案减少了三分之二的桩数，整个桩基工程节约投资约450万元，创造了较高的经济效益，保证了桩基工程顺利施工。
目前，该工程的主体工程已完工，主体平均沉降量为10.5mm，符合规范规定。该工程地基处理合理的应用了扩底后注浆灌注桩工艺，在满足设计要求的前提下，能够以较短的工期，较好的效果、较低的成本完成地基处理，为该桩在沿海地区的工程地基处理中的应用和推广提供了重要依据。总之，扩底后注浆灌注桩是一种新桩型，经济效益和社会效益显著，具有重要的应用价值和广阔的推广前景。
7．结语
扩底后注浆灌注桩集中了灌注桩、扩底桩和后注桩的优点，通过施工工艺的交叉渗透有效弥补了各自的不足之处，使桩身材料得到充分发挥，适用于群体化、重型化、高层及超高层建筑及构筑物、桥梁工程、港口、矿山、电力和水利等，且适用于粘性土、粉土、粉土与粘性土交互层、砂土或卵砂层等多种地基土质，而且水下作业不受限制。方便文明施工，有利于保护环境。由于扩底后注浆灌注桩尚处于尝试阶段，施工机具的研制开发，施工工艺的完善及承载力的理论分析和计算都需要不断在实践过程中积累摸索，今后应多加强这方面的试验研究。
