深厚軟弱地層長螺旋跟管、旋挖鉆成孔灌注樁施工工法

在深厚人工填土、淤泥等軟弱地層中施工灌注樁時，經(jīng)常出現(xiàn)塌孔、縮徑、灌注混凝土充盈系數(shù)過大等一系列問題。為了安全、快速、有效地在軟弱地層中進行灌注樁施工，通常情況下會采用埋設深長護筒護壁的方法。但對于軟弱地層厚度超過20m及以上時，一次性下入超長鋼護筒難度大，往往需要在孔口連接鋼護筒，護筒下沉和起拔也較為困難，從而造成施工效率低、綜合成本高。近年來，我司陸續(xù)承接了“深圳國際會展中心（一期）基坑支護與樁基礎工程（三標段）”“深圳機場飛行區(qū)擴建工程-T4航站區(qū)（含衛(wèi)星廳及站坪設施）軟基處理工程5標天虹商場股份有限公司總部大廈基坑支護、土石方及樁基工程”等項目，在實際施工過程中，由于這些項目均位于濱海填土區(qū)，地層中存在較厚的淤泥、淤泥質(zhì)砂層等軟弱地層，導致旋挖鉆機成孔難、施工效率低、施工成本高。針對施工現(xiàn)場深厚軟弱地質(zhì)條件，結(jié)合以往的工程實踐經(jīng)驗，我司技術(shù)研究小組開展了“深厚軟弱地層長螺旋根管、旋挖鉆機成孔灌注樁施工技術(shù)”項目研究，通過先采用長螺旋鉆機跟管鉆進穿透軟弱地層，再利用旋挖鉆機繼續(xù)鉆進成孔，實現(xiàn)了鉆進效率高、成樁質(zhì)量好的效果，并形成了新工法。該研究成果已獲得“深厚軟弱地層長螺旋根管、旋挖鉆成孔灌注樁施工方法”發(fā)明專利授權(quán)。2.0.1成樁質(zhì)量可靠本工法在上部軟弱地層采用長螺旋根管鉆進，長套管穿越軟弱地層進入穩(wěn)定地層內(nèi)，有效防止了地層塌孔；后續(xù)旋挖鉆進過程中，通過旋挖樁機鉆進，垂直度可自動調(diào)節(jié)，質(zhì)量控制有保證。2.0.2施工效率高長螺旋鉆機鉆進過程即排土過程，后續(xù)采用旋挖鉆機成孔速度快；同時，鉆進采取了長套管護壁，孔壁穩(wěn)定性高，可以避免各種孔內(nèi)事故的發(fā)生，確保了鉆進效率。2.0.3節(jié)省成本采用本工法可以避免大范圍的塌孔與大量的漏漿現(xiàn)象，有利于控制混凝土灌注充盈系數(shù)和護壁泥漿的使用量，從而有效節(jié)省了材料成本。2.0.4環(huán)保效果好本工法采用長螺旋、旋挖鉆進取土，鉆進過程使用靜態(tài)泥漿護壁，泥漿使用量大大減少，有利于施工現(xiàn)場的環(huán)保工作與場地布置。本工法長螺旋鉆機最大鉆進與根管深度L約為30m，成樁直徑d最大為1.2m，可用于深厚軟弱地層中的支護樁和工程樁施工。對于地層中存在較大塊石或卵石地層可配合沖孔樁機施工。本工法的關(guān)鍵技術(shù)主要由長螺旋根管鉆進和旋挖鉆進、成樁兩部分內(nèi)容組成，形成全新的在深厚軟弱地層灌注樁施工綜合技術(shù)。4.1長螺旋根管鉆進本工法采用專用的長螺旋鉆機，實施鉆進過程中的同步跟管，直至穿透軟弱地層，起到對軟弱地層的護壁保護，保證鉆孔的穩(wěn)定。4.2旋挖鉆進、成樁本工法在完成軟弱地層護筒護壁后，采用旋挖鉆機在護筒中鉆進，充分發(fā)揮旋挖鉆機鉆進效率高、垂直度控制好的特性，提高工效和鉆孔質(zhì)量；鉆進至設計的終孔位置，按要求進行一次清孔、安放鋼筋籠、下灌注導管、灌注水下混凝土成樁。本工法操作原理圖見圖4.2。1長螺旋鉆機跟管鉆進2長螺旋鉆機提升鉆具并移機圖4.2深厚軟弱地層長螺旋跟管、旋挖鉆成孔灌注樁施工工藝操作原理圖5.1施工工藝流程深厚軟弱地層長螺旋跟管、旋挖鉆成孔灌注樁施工工序流程圖見下圖5.1。長螺旋鉆機跟管鉆進↓長螺旋鉆機提升鉆具旋挖鉆機就位鉆至設計樁底標高↓安放鋼筋籠與灌注導管↓ 二次清孔↓ 灌注樁身混凝土長螺旋鉆機起拔套管成樁結(jié)束圖5.1深厚軟弱地層長螺旋跟管、旋挖鉆成孔灌注樁施工工序流程圖5.2操作要點5.2.1長螺旋鉆機跟管鉆進1長螺旋鉆機采用上海金泰生產(chǎn)的型號SZ80長螺旋鉆機，長螺旋根管鉆機見圖5.2.1-1示，長螺旋鉆機技術(shù)參數(shù)見表5.2.1-1示。圖5.2.1-1SZ80長螺旋根管鉆機mmt2長螺旋鉆機套管1）長螺旋鉆機配置的套管采用16mm厚鋼板卷制而成，套管內(nèi)徑可根據(jù)不同灌注樁設計樁徑制作。當需要多節(jié)護筒則采用專用節(jié)頭和螺栓連接固定。2）為便于套管沉入，在套管底部設有專門的管靴，管靴上鑲嵌的合金刀塊在套管回轉(zhuǎn)時切削地層有助于下沉。為了防止起拔套管時鋼筋籠被管靴掛住一起上浮，通常管靴只攘外刃或中刃，禁止鑲嵌內(nèi)刃。護壁長套管見圖5.2.1-2，套管節(jié)頭連接見圖5.2.1-3。圖5.2.1-2護壁長套管結(jié)構(gòu)（左：長套管；中：管靴的合金刀塊；右：護筒連接節(jié)頭）圖5.2.1-3跟管套管間連接3長螺旋根管鉆進系統(tǒng)主要由長螺旋鉆機的螺旋動力頭、套管動力頭、螺旋鉆具和長套管組成。在螺旋動力頭驅(qū)動螺旋鉆具鉆進取土的同時，套管動力頭驅(qū)動長套管根管護壁。長螺旋根管鉆進系統(tǒng)見圖5.2.1-4。圖5.2.1-4長螺旋槳管鉆進系統(tǒng)示意圖4在軟弱地層段施工時，由于長螺旋鉆機重量大，為保證旋挖鉆機和長螺旋鉆機的安全，在施工前需根據(jù)現(xiàn)場實際情況酌情填筑一層50cm厚磚渣碎石層或采取其他場地硬化措施以提高地基承載力。場地填筑見圖5.2.1-5。圖5.2.1-5場地填筑5施工樁位經(jīng)校核后，長螺旋鉆機便可開始鉆進施工；施工過程中，為了保證鉆孔的垂直度，在兩個垂直方向上分別吊垂線控制套管垂直度。6長螺旋鉆具向下鉆進過程中，孔內(nèi)的渣土隨著長螺旋的螺旋通道向上排出，鉆機在孔口位置專門設有專用的排土口，排出的渣土堆積在鉆孔附近，由專人用鏟車或挖機將堆積的渣土及時清理至指定位置。長螺旋鉆機鉆進排渣見圖5.2.1-6。圖5.2.1-6長螺旋鉆進排渣7長螺旋鉆具鉆進取土的同時，套管動力頭驅(qū)動長套管一邊旋轉(zhuǎn)一邊下壓，完成根管鉆進并形成對孔壁的支護；在軟弱地層鉆進時，鉆進過程保持超前套管護壁，通過控制長螺旋鉆機螺旋動力頭將套管下沉超出螺旋鉆頭深度S不少于100cm，見圖5.2.1-7。圖5.2.1-7長套管超前深度示意圖5.2.2長螺旋鉆具提升1當長螺旋鉆孔穿過軟弱地層后，將套管與套管動力頭分離，使長套管留在孔內(nèi)繼續(xù)護壁。2利用螺旋動力頭提升長螺旋鉆具，將鉆具從孔內(nèi)全部提升出來后，整機移至下一樁位。5.2.3旋挖機鉆進1旋挖鉆機使用扭矩360kN.m可滿足鉆進要求。2旋挖鉆機對準樁位后，在護壁長套管的保護下繼續(xù)完成軟弱地層以下樁孔地鉆進。3旋挖鉆機在一般地層中采用雙開門截齒鉆斗鉆進，如需鉆進硬巖則采用截齒鉆筒鉆進；在完成鉆孔鉆進至樁底標高后，更換撈渣鉆頭將孔底沉渣撈出，完成第一次清孔。旋挖鉆機見圖5.2.1-8。圖5.2.1-8旋挖機鉆進5.2.4鋼筋籠制定與導管安放1鋼筋籠按設計圖紙在加工場制作，經(jīng)驗收合格后直接吊放入孔，并在孔口位置固定，防止其下沉或上浮。2灌注混凝土用的導管安裝前，通過計算確定好配管長度，確保導管安放完畢后導管底部距離孔底30～50cm；導管使用前，在地面進行疏水性壓力試驗；入孔連接時，接口安放密封圈，確保灌注時不滲漏。5.2.5二次清孔1在灌注混凝土前，測量孔底沉渣厚度，如超出設計要求則必須進行二次清孔。2清孔方式可采用正循環(huán)或反循環(huán)清孔方式，通過優(yōu)質(zhì)泥漿循環(huán)的方式將孔底沉渣轉(zhuǎn)換清除，直至清孔驗收各項指標合格。正循環(huán)現(xiàn)場清孔見圖5.2.1-9。圖5.2.1-9樁孔正循環(huán)二次清孔5.2.6灌注樁身混凝土1為了確保初灌質(zhì)量，灌注混凝土采用壓球法開灌，即在灌注前將隔水用的橡膠球膽放入導管內(nèi)，安裝好初灌料斗（斗容量不小于1.5m3）后蓋好密封板；然后開始往斗內(nèi)放混凝土，當料斗即將滿時打開封板，同時加快放料速度，確保首灌混凝土質(zhì)量能夠?qū)Ч苈裆?m以上。2灌注過程中，不斷測量混凝土面上升高度，以控制導管埋深在2～6m之間，防止發(fā)生堵管或?qū)Ч艿装纬龌炷撩妗?為了保證樁頂混凝土強度，灌注過程中保持混凝土超灌高度1m左右。樁身混凝土灌注見圖5.2.1-10。圖5.2.1-10樁身混凝土灌注5.2.7長套管起拔1灌注樁灌注完成后，通常在4～6小時安排長螺旋鉆機起拔套管。2起拔過程中依據(jù)套管動力頭電機電流大小判斷套管起拔力大小，當電流過大時應加快起拔速度直至電流恢復到正常值，再以標準速度起拔。3起拔過程中應隨時注意觀察鋼筋籠吊筋情況，當發(fā)生鋼筋籠上浮時，應立即停止起拔，通過上下活動套管或旋轉(zhuǎn)套管進行處理，避免鋼筋籠被套管管靴掛住隨套管一起上浮。4待套管全部起拔完成后，長螺旋鉆機可以整機移至新樁位開始施工。長套管起拔見圖5.2.1-11。圖5.2.1-11長套管起拔6.1材料本工法使用的主要材料有：長套管、管靴、套管連接接頭、商品混凝土、鋼筋等。6.2設備本工法所采用的主要設備有：長螺旋鉆機、旋挖機、吊車、泥漿泵、電焊機等，詳見下表6.2。表6.2工法施工主要設備表123457.1質(zhì)量控制依據(jù)1合同文件；2設計圖紙及技術(shù)要求；3《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94-2008、《深圳市基坑支護技術(shù)規(guī)范》SJG05-20114《建筑地基基礎工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》GB50202-20025《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》DBJ15-38-2005、《建筑地基基礎工程施工規(guī)范》GB51004-20157.2灌注樁質(zhì)量控制標準灌注樁質(zhì)量控制標準見下表7.2。表7.2灌注樁質(zhì)量控制標準表123451%2345677.3質(zhì)量控制措施1嚴格控制孔位的測量放線精度，每個孔位均需經(jīng)過校核后方可施工。2在施工過程中為了保證鉆孔的垂直度，應隨時注意觀察長螺旋鉆機的水平儀，出現(xiàn)偏差時及時調(diào)整鉆機平整度；同時在兩個垂直方向上分別吊垂線控制套管垂直度。3長螺旋鉆機在軟弱地層中跟管鉆進時，為了防止沙子、淤泥等流進套管，應將套管下沉深度超出螺旋鉆頭不少于1米。4在長螺旋鉆機鉆至穩(wěn)定地層后，應多次上下活動套管以便灌注混凝土后起拔，然后再整體移機至下一孔位。5旋挖鉆機在穩(wěn)定地層鉆至設計終孔深度后，應采用撈渣鉆頭將孔底沉渣撈出，完成第一次清孔。6在鋼筋籠和灌注導管安放完畢后，測量孔底沉渣厚度，如超出設計要求則進行二次清孔，通過優(yōu)質(zhì)泥漿循環(huán)的方式將孔底沉渣轉(zhuǎn)換清出，直至清孔驗收各項指標合格。7灌注混凝土過程中，嚴格控制砼坍落度在180～220mm范圍內(nèi)，同時確保導管埋深在2～6m之間，防止發(fā)生堵管或?qū)Ч艿装纬龌炷撩妗?為了確保樁頂混凝土強度，控制混凝土超灌高度在1m左右。9灌注樁完成灌注后，通常在4～6小時內(nèi)安排長螺旋鉆機在混凝土終凝前起拔套管，起拔套管時可根據(jù)起拔力大小控制起拔速度。8.1安全管理依據(jù)1《建筑施工安全檢查標準》（JGJ59－2011）2《建筑機械使用安全技術(shù)規(guī)程》（JGJ33－2012）3《施工現(xiàn)場臨時用電安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ46－2005）4項目所在地政府建設主管部門的安全相關(guān)的管理規(guī)章制度8.2安全管理要點1在軟弱地層上施工時，為了確保大型設備的安全，在施工前需根據(jù)現(xiàn)場實際情況酌情填筑一層50cm厚磚渣碎石層或采取其他場地硬化措施以提高地基承載力。部分坑洞或淤泥地帶需做換填、壓實處理。2施工現(xiàn)場各類人員必須正確佩戴安全帽和各類安全防護用具。特種作業(yè)人員配備專門的防護用品。3現(xiàn)場各類機械設備操作人員必須經(jīng)過專業(yè)培訓，熟悉機械性能，經(jīng)專業(yè)管理部門考核取得操作證后方可上機操作。4吊車在進行起重作業(yè)時，現(xiàn)場需專業(yè)的司索工指揮吊裝作業(yè)，閑雜人員撤至安全地帶。5施工現(xiàn)場內(nèi)臨時用電的安裝和維修必須由專業(yè)電工負責完成，非電工不準拆裝電氣設備。6施工現(xiàn)場焊接作業(yè)時，必須使用直流電焊機并由專業(yè)的電焊工操作。禁止使用交流電焊機，嚴禁無證人員上崗操作。7夜間施工時需有充足的照明，同時嚴格控制夜間施工時的噪聲防止擾民。8遇到暴雨、臺風等惡劣天氣時應停工，并做好各項安全防護措施，9現(xiàn)場氧氣、乙炔瓶的存放要符合規(guī)范要求，切割作業(yè)必須由持證的專業(yè)人員進行。10機械設備發(fā)生故障后應及時檢查、修理，嚴禁設備帶故障運行，杜絕機械事故。11施工現(xiàn)場的所有機械設備、安全防護設施、臨時用電設施及個人安全防護用品須經(jīng)常巡視和檢查，確保完好和正常使用。9.1環(huán)保原則施工現(xiàn)場的環(huán)境保護應符合國家、地方政府的環(huán)保政策與環(huán)保標準以及各項管理規(guī)定。9.2環(huán)保管理要點1在城市臨近居民區(qū)施工時，施工場地噪音控制標準按《建筑施工場界噪聲限值》（GB12423—90）要求執(zhí)行，確保離開施工作業(yè)區(qū)邊界30m處噪聲小于55dB，撞擊噪聲最大不超過80dB。2施工前做好施工場地范圍內(nèi)的市政管道調(diào)查，需要遷移的管線按相關(guān)規(guī)定辦理報批手續(xù)后遷移，無法遷移的應在施工過程中做好防護防止破壞，并建立應急救援小組一旦發(fā)生管線破壞及時響應。3根據(jù)現(xiàn)場實際條件合理規(guī)劃布局、優(yōu)化施工方案，盡量減少施工期間對周圍居民生活的影響。4完善施工現(xiàn)場的供排水系統(tǒng)，確保所有污水經(jīng)三級沉淀后再排入市政管網(wǎng)。5施工時使用的泥漿必須經(jīng)過凈化處理后采用罐車外運，嚴禁直接排入市政管道。長螺旋鉆機施工產(chǎn)生的棄土需在場內(nèi)經(jīng)過晾曬后方可外運，防止外運時發(fā)生瀝水現(xiàn)象。6定期安排人員對施工場地內(nèi)的臨時設施進行維修、清理工作，保持良好的衛(wèi)生條件，工程完工之后進行清拆、平整工作。通過本項新技術(shù)在實際工程項目中的應用，大大提高了施工效率，工程質(zhì)量與項目成本得到了有效控制，為今后軟弱地層中灌注樁的施工，提供了一種高效可靠的施工技術(shù)，得到了建設單位和監(jiān)理的一致好評，取得了顯著的社會效益。10.2經(jīng)濟效益本項新技術(shù)的經(jīng)濟效益主要體現(xiàn)在與傳統(tǒng)旋挖鉆機配合長鋼護筒下設的比較方面，以“深圳機場飛行區(qū)擴建工程-T4航站區(qū)（含衛(wèi)星廳及站坪設施）軟基處理工程5標”為例，其軟弱地層厚度平均約14米，灌注樁徑1.2米，終孔深度平均約40米，共計1125根，與傳統(tǒng)旋挖鉆機配合長鋼護筒下設相比大大降低了施工成本。具體比較分析見下表10.2。表10.2經(jīng)濟效益比較分析表序號工藝類型傳統(tǒng)旋挖機本項新技術(shù)備注1機械配置挖機、振動錘、旋挖鉆機長螺旋鉆機、旋挖鉆機2成本對比泥漿用量45.2×30=1356元每根樁需13.6m3，單樁成本計：13.6×30=408元每方泥漿按成本30元計算3砼用量平均充盈系數(shù)1.15，每根樁需澆筑52m3砼，成本共計：1125×52×450=2632.5萬元平均充盈系數(shù)1.05，每根樁需澆筑47.5m3砼，成本共計：1125×47.5×450=2404.7萬元每方砼按成本450元計算4工效按一天24小時施工，完成每根樁需6小時計算，每天完成4根，總工期需要282日歷天按一天24小時施工，完成每根樁需5小時計算，每天完成4.5根，總工期需要251日歷天長護筒下設最大深度為15m通過對比分析可以知道，在采用本項新技術(shù)后，在泥漿循環(huán)利用次數(shù)相同的情況下，灌注樁泥漿用量減少約三分之二，按泥漿總用量2000m3計算，傳統(tǒng)工藝需6萬元，而本工法為18053元，節(jié)約成本為41947元，灌注混凝土用量節(jié)約成本共計227.8萬元，節(jié)省工期31天。11.1天虹商場股份有限公司總部大廈基坑支護、土石方及樁基工程工程場地位于南山區(qū)東濱路以北、后海濱路以東、中心路以西，總占地面積6212.66m2，基坑周長314m，開挖面積5895m2，開挖深度約20m，合同總造價約4000萬。11.1.2設計情況基坑采用排樁+止水帷幕形成圍護墻體，設三道角撐+對撐，基坑下部設置錨索的支護方式；工程樁采用混凝土灌注樁。支護樁樁徑1.5m，樁間距1.8m，工程樁樁徑1000—1900mm，有效樁長14.1-35.194m，樁端持力層為強風化花崗巖，樁端進入持力層的深度為3d。11.1.3項目施工情況工程于2011年3月開工，由于施工場地位于臨海灘涂地區(qū)，地層中存在深厚松散礫砂層和淤泥層。為了確保工程順利施工，項目部放棄原定的旋挖鉆機成孔方案，改用長螺旋鉆機配合旋挖鉆機進行施工。通過運用新技術(shù)，成功避免了傳統(tǒng)施工方法中經(jīng)常出現(xiàn)的塌孔等現(xiàn)象，為后續(xù)基坑的開挖創(chuàng)造了有利條件。11.2深圳國際會展中心（一期）基坑支護與樁基礎工程（三標段）工程場地位于深圳市寶安區(qū)寶安機場以北，空港新城南部，西側(cè)為沿江高速，東側(cè)基本為堆土區(qū)?；诱嫉孛娣e約8.4萬平方米，開挖深度為10m，基坑支護周長約1420米，基坑支護安全等級為一級。11.2.2基坑設計情況基坑支護采用雙排樁+內(nèi)支撐支護方案，樁基礎工程采用灌注樁。前排支護為咬合樁，樁徑1.2m共1173根，素樁長約10m，葷樁長約19.5m；后排支護為灌注樁，樁徑1.2m共303根，樁長約16.5m；支撐立柱樁88根，樁長約18m。樁基礎為灌注樁，共1158根，有效長度約為20～50m，樁徑800mm～2500mm，持力層均為中風化混合花崗巖，樁端入持力層不小于一倍樁徑。11.2.3項目施工情況2017年3月深