临江高边坡区域灌注桩成孔技术
陈志先 张时宾 甘富华
摘 要：临江高边坡区域灌注桩成孔是桥梁桩基施工中的重难点，该地质环境下成孔过程容易出现扩孔、塌孔、偏孔等施工隐患，影响成孔的质量和经济投入。本文结合江门港公共码头引桥灌注桩施工的实际经验，总结出该施工环境下灌注桩成孔技术和质量控制措施，该区域灌注桩已全部施工完成，混凝土充盈系数处于1.2～1.3之间，桩身完整性检测均满足设计要求，施工效率高，产生了良好的经济效益。
关键词：临江；高边坡；灌注桩；成孔；充盈系数
中图分类号：TV52 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）4-0065-03
1 工程概况
本工程共修建3座引桥作为码头和后方堆场的运输通道，其中1#引桥宽度为9m，2#引桥宽度为15m，3#引桥宽度为20m。引桥采用高桩梁板式结构，上部采用现浇纵横梁系结构，跨堤处采用钢梁结构；下部桩基港池水域中的桩采用Φ800mm的PHC桩，共3排，临江侧均采用Φ1000mm的灌注桩。临江边坡区域共计9根灌注桩，灌注桩桩顶标高为+2.2m，桩底标高在-43.8m～-45.8m之间，灌注桩终孔时入强风化岩层深度不小于6.5m。前期码头港池区域已进行疏浚开挖，其中港池底标高为-7.7m，港池岸坡开挖坡比为1：3和1：7，每座引桥的第1排灌注桩均处在岸坡坡顶边线上，灌注桩施工前采用土方回填施工平台，平台标高为+3.2m左右，施工平台与港池底高差约11m，现场施工环境详见图1：
本文以3#引桥第1排灌注桩施工为例，根据3#引桥灌注桩地质剖面图可知，施工区域土质主要包括素填土层约4.6m厚，淤泥层约18.5m厚，淤泥质土层约14.2m厚，卵石层约4.4m厚，强风化岩层约7m厚，强风化岩下即为中风化岩层，3#引桥灌注桩立面示意图详见图2。
2 灌注桩成孔技术
2.1 成孔设备的选择
根据地质勘探资料，由于该施工区域存在较厚的卵石层，呈连续分布，平均厚度约4.5m，灰黄色，饱和，中密-密实状，分选性差，级配好，最大粒径5cm，平均2.5cm。若采用回转钻机施工，虽然该类型设备在淤泥质土层以上施工速度快，对周围扰动小，且不易扩孔，可以减少混凝土用量，但是在卵石层和岩层将进尺缓慢，甚至无法进尺。若采用冲孔桩机，虽然该设备会导致扩孔，但是可以很好地冲透卵石层，在遇到强风化甚至中风化岩均能保证施工进度。为此，本工程灌注桩桩机选择正循环冲孔桩机，钻头选用中空十字型冲锤，冲锤重量约4t，冲锤直径大小比设计桩径小4cm，排渣方式为悬浮排渣。
2.2 护筒埋设
考虑到该区域灌注桩处于高边坡区域，冲孔过程中容易出现塌方，在护筒选择时采用内径为1.07m，壁厚为0.6cm的钢护筒，护筒埋设的深度控制在12m，确保达到港池开挖底部以下。护筒分节埋设，每节长度为4m，为了确保埋设的护筒垂直度满足要求，采用冲锤慢冲引孔，至4m左右深度埋设一节，护筒与护筒之间采用焊接连接，引孔过程中冲锤的直径控制在1.05m左右，确保护筒能顺利下沉。采用冲锤引孔可以控制孔的垂直度，分节埋设护筒为桩孔不断提供护壁，外加泥浆的护壁作用，可有效避免在高边坡区域段出现塌方，渗流。
2.3 泥浆性能的选择
冲孔过程中均采用性能合格的泥浆进行成孔，在冲孔至卵石层后，要加大泥浆浓度，及时测量泥浆比重和含砂率，确保泥浆的粘稠度，避免卵石层在泥浆浸泡后出现松散、塌方。泥浆循环过程中，应及时补充新浆，满足冲进成孔要求；清孔时采用膨润土泥浆置换，确保清孔质量满足要求；灌注后将循环后的合格泥浆收集于泥浆池内，以供下根桩成孔使用。泥浆使用过程中控制标准为：一般泥浆粘度18～22Pa.S，含砂率不超过6%，酸咸度PH值8～10，冲进过程中相对密度1.2～1.4，清孔时相对密度控制在1.1～1.2，清孔完成后要立即安排混凝土浇筑，防止塌孔。
2.4 成孔控制要点
桩机开始冲孔前要检查操作性能，检查桩锤的锤径、锤齿、锤体型状，并检查大螺杆、大弹簧垫，保护环、钢丝绳及卡扣等能否符合使用要求，根据工程具体特点确定锤齿长度。锤齿不宜过长，一般以5～6cm为宜，锤齿应向外倾斜，傾斜度以1：5为宜，开孔前应将冲锤悬吊距平台0.5米高左右，检查锤体的偏心程度，对明显偏心的冲锤严禁使用。开孔时低锤密击，锤高冲程不大于1m，以免产生偏孔。及时加粘土泥浆护壁，使孔壁挤压密实。对于岩石坚硬时，锤齿采用耐磨块，能更好提高工作效率，确保工程进度。
冲孔阶段要根据地质条件的变化不断改进泥浆性能，每冲进5米左右测定孔内护壁泥浆的比重、含砂率，泥浆比重不够时则加粘土以恢复泥浆正常浓度。在穿透卵石层时易出现塌孔现象，由于卵石层的孔隙率大，无粘性土密实，应采用回填粘土、块石灰土或袋装水泥等进行密实、防塌处理。当遇到岩层表面不平或倾斜，应抛入20～30cm厚块石，使孔底表面略平，然后低锤快击使成一紧密平台后，再进行正常冲击，同时泥浆比可降到1.2左右，以减少粘锤阻力。
开冲一个台班后，重新复检桩位，偏差超过规范要求时必须重新定位修正。继续冲孔，每班清渣2～3次，每次清渣后必须加入制浆粘土造浆，也可直接补给制备好的泥浆，随着冲孔进行按前述方法跟进套管。
冲孔过程中，钢丝绳上要设有标记，提升落锤高度要适宜，防止提锤过高击断锤齿，提锤过低进尺慢，工作效率低。松绳不应太少以防止打空锤，也不宜松绳太多，容易偏孔或卡锤。一般情况下，抛填块石层以冲程1.5～2.0米为宜，淤泥层以1.0～1.2米为宜，发现吸锤现象可向孔内加块石，在亚粘土层冲程不应大于2米，在卵石层中冲程以1.0～1.5米为宜。冲孔过程中泥浆比重的大小将会直接影响冲孔进度，因此在冲孔时应视地质条件认真控制好泥浆比重，以1.25～1.35为宜，泥浆过浓易斜孔、吸锤，进尺较慢；而泥浆过稀则易塌孔，多沉碴，进尺也慢。一般在卵石层中，泥浆要浓些，必要时可往孔内加入粘土，通过冲锤挤压及自造浆护壁，冲孔泥浆比重以1.3～1.4为宜；在强风化岩冲孔泥浆比重以1.3～1.35为宜；在砂粘土层冲孔泥浆比重，控制在1.25左右。
每工作班要2～3次将冲锤提出孔口清洗检查，检查锤头是否变成蒜头锤，有无断齿，钢丝绳扎口是否松动，大螺杆的磨损程度，大弹簧是否拆断等，发现问题及时处理，避免掉錘。如换用新焊锤齿的冲锤，应与原冲锤比较锤径大小，若新锤径大于原冲锤，孔内应回填块石进行修孔，以免卡锤。
2.5 成孔质量检测手段
终孔后及时安排验收，通过长度为5m，直径为1m的探笼测量孔径和垂直度，通过水砣测量孔深，根据现场施工可知，成孔过程中没有出现偏孔和缩孔现象。
3 充盈系数分析
灌注桩充盈系数是灌注桩成孔质量的重要指标，各深度区域内的充盈系数可以有效检测到该区域段桩的扩孔程度或塌孔情况，在确保灌注桩成型后的桩径满足设计要求的前提下，控制好充盈系数能给工程带来直接的经济效益，一般冲孔灌注桩额定充盈系数为1.1～1.3，由于本工程灌注桩施工区域淤泥层较厚，且靠近江侧，易扩孔，充盈系数预计在1.3左右。为了分析本工程临江高边坡区域灌注桩的成孔质量，对3座引桥第一排共计9根桩的混凝土用量进行了统计，详见表1：
根据表1可见，除K-4充盈系数略大于1.3外，其他灌注桩充盈系数均在1.2～1.3之间，平均在1.25左右，成孔质量达到设计预期，为了进一步研究桩在每深度段的充盈系数，对N-4桩的混凝土浇筑记录进行了统计，详见表2。该桩护筒顶标高为3.36，卵石层标高为-29.57m，岩面验收标高-33.99m，终孔标高为-44.06m，卵石层厚度4.42m，入岩深度10.07m，护筒以下淤泥和淤泥质土层厚度20.93m，护筒段12m。
根据表2可知，在深度47.42～28.85m范围段充盈系数最小，该区域段以强风化岩，卵石层为主，根据该区域混凝土充盈系数可知，该处在冲孔过程中冲锤大小合适，冲孔时也未出现严重的冲锤扫孔现象，说明在该岩层所确定的冲程和泥浆性能指标能满足要求。在深度28.85～20.07m范围段，该区域以淤泥质土为主，充盈系数在合理的范围内，说明该区域未出现塌孔现象，冲锤扫孔不明显，成孔质量可控。在20.07～11.66范围段，该区域以淤泥土质为主，土质软，密实度差，受导管浇筑混凝土产生的侧向压力影响，该区域充盈系数明显偏大，符合施工的客观规律。在11.66～0m范围段，由于该区域采用了全护筒形式，护筒的内径为1.07m，比设计孔径大0.07m，护筒内每延米混凝土用量为：3.14×0.535×0.535=0.899（m3），根据实际砼用量为11.5m3可知，实际该段充盈系数为1.097，按照理想化模式，在钢护筒里面不会扩孔，充盈系数为1，但实际浇筑过程中，由于混凝土面在不断上升，对底部产生的压力越来越大，受压力的影响部分混凝土会向桩周围挤压扩散，还是存在混凝土损耗的问题。
综上所述，临江高边坡区域灌注桩的成孔质量是稳定的，整个桩孔泥浆护壁良好，冲孔过程中没有出现明显的扩孔，偏孔，塌孔，卡锤现象，说明施工过程确定的技术参数可行。
3 结论
本工程灌注桩平均长度约46m，每台桩机平均3～4天可完成一根桩的成孔及浇筑施工，施工的效率较高。通过该工程灌注桩施工可知，在处理临江高边坡灌注桩施工过程中，要合理选择成孔设备，控制好护筒的埋设长度，正确设置桩机冲程，合理调配好泥浆性能，确保各工序有利衔接，可以很好地克服地质条件对灌注桩施工带来的不利影响。在施工中要做好典型施工，总结确定好施工的各项参数，不断改进完善施工工艺，提高施工效率，不仅可以解决施工中遇到的技术问题，同样也能产生良好的经济效益。
参考文献：
[1]徐忠潮，肖尚怀.复杂地层下成孔工艺的探讨及事故预防措施[J].建设监理，2014，（5）：61-63、66.
[2]赵鹏.周尚.郑雷娟.复杂地质条件下冲孔灌注桩成孔技术研究[J].山西建筑，2017，（23）：79-81.
[3]薛海生.冲击成孔混凝土灌注桩施工技术[J].施工技术，2012，（S2）：5-9.
[4]JTJ248-2001，港口工程灌注桩设计与施工规程[S].
摘 要：临江高边坡区域灌注桩成孔是桥梁桩基施工中的重难点，该地质环境下成孔过程容易出现扩孔、塌孔、偏孔等施工隐患，影响成孔的质量和经济投入。本文结合江门港公共码头引桥灌注桩施工的实际经验，总结出该施工环境下灌注桩成孔技术和质量控制措施，该区域灌注桩已全部施工完成，混凝土充盈系数处于1.2～1.3之间，桩身完整性检测均满足设计要求，施工效率高，产生了良好的经济效益。
关键词：临江；高边坡；灌注桩；成孔；充盈系数
中图分类号：TV52 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）4-0065-03
1 工程概况
本工程共修建3座引桥作为码头和后方堆场的运输通道，其中1#引桥宽度为9m，2#引桥宽度为15m，3#引桥宽度为20m。引桥采用高桩梁板式结构，上部采用现浇纵横梁系结构，跨堤处采用钢梁结构；下部桩基港池水域中的桩采用Φ800mm的PHC桩，共3排，临江侧均采用Φ1000mm的灌注桩。临江边坡区域共计9根灌注桩，灌注桩桩顶标高为+2.2m，桩底标高在-43.8m～-45.8m之间，灌注桩终孔时入强风化岩层深度不小于6.5m。前期码头港池区域已进行疏浚开挖，其中港池底标高为-7.7m，港池岸坡开挖坡比为1：3和1：7，每座引桥的第1排灌注桩均处在岸坡坡顶边线上，灌注桩施工前采用土方回填施工平台，平台标高为+3.2m左右，施工平台与港池底高差约11m，现场施工环境详见图1：
本文以3#引桥第1排灌注桩施工为例，根据3#引桥灌注桩地质剖面图可知，施工区域土质主要包括素填土层约4.6m厚，淤泥层约18.5m厚，淤泥质土层约14.2m厚，卵石层约4.4m厚，强风化岩层约7m厚，强风化岩下即为中风化岩层，3#引桥灌注桩立面示意图详见图2。
2 灌注桩成孔技术
2.1 成孔设备的选择
根据地质勘探资料，由于该施工区域存在较厚的卵石层，呈连续分布，平均厚度约4.5m，灰黄色，饱和，中密-密实状，分选性差，级配好，最大粒径5cm，平均2.5cm。若采用回转钻机施工，虽然该类型设备在淤泥质土层以上施工速度快，对周围扰动小，且不易扩孔，可以减少混凝土用量，但是在卵石层和岩层将进尺缓慢，甚至无法进尺。若采用冲孔桩机，虽然该设备会导致扩孔，但是可以很好地冲透卵石层，在遇到强风化甚至中风化岩均能保证施工进度。为此，本工程灌注桩桩机选择正循环冲孔桩机，钻头选用中空十字型冲锤，冲锤重量约4t，冲锤直径大小比设计桩径小4cm，排渣方式为悬浮排渣。
2.2 护筒埋设
考虑到该区域灌注桩处于高边坡区域，冲孔过程中容易出现塌方，在护筒选择时采用内径为1.07m，壁厚为0.6cm的钢护筒，护筒埋设的深度控制在12m，确保达到港池开挖底部以下。护筒分节埋设，每节长度为4m，为了确保埋设的护筒垂直度满足要求，采用冲锤慢冲引孔，至4m左右深度埋设一节，护筒与护筒之间采用焊接连接，引孔过程中冲锤的直径控制在1.05m左右，确保护筒能顺利下沉。采用冲锤引孔可以控制孔的垂直度，分节埋设护筒为桩孔不断提供护壁，外加泥浆的护壁作用，可有效避免在高边坡区域段出现塌方，渗流。
2.3 泥浆性能的选择
冲孔过程中均采用性能合格的泥浆进行成孔，在冲孔至卵石层后，要加大泥浆浓度，及时测量泥浆比重和含砂率，确保泥浆的粘稠度，避免卵石层在泥浆浸泡后出现松散、塌方。泥浆循环过程中，应及时补充新浆，满足冲进成孔要求；清孔时采用膨润土泥浆置换，确保清孔质量满足要求；灌注后将循环后的合格泥浆收集于泥浆池内，以供下根桩成孔使用。泥浆使用过程中控制标准为：一般泥浆粘度18～22Pa.S，含砂率不超过6%，酸咸度PH值8～10，冲进过程中相对密度1.2～1.4，清孔时相对密度控制在1.1～1.2，清孔完成后要立即安排混凝土浇筑，防止塌孔。
2.4 成孔控制要点
桩机开始冲孔前要检查操作性能，检查桩锤的锤径、锤齿、锤体型状，并检查大螺杆、大弹簧垫，保护环、钢丝绳及卡扣等能否符合使用要求，根据工程具体特点确定锤齿长度。锤齿不宜过长，一般以5～6cm为宜，锤齿应向外倾斜，傾斜度以1：5为宜，开孔前应将冲锤悬吊距平台0.5米高左右，检查锤体的偏心程度，对明显偏心的冲锤严禁使用。开孔时低锤密击，锤高冲程不大于1m，以免产生偏孔。及时加粘土泥浆护壁，使孔壁挤压密实。对于岩石坚硬时，锤齿采用耐磨块，能更好提高工作效率，确保工程进度。
冲孔阶段要根据地质条件的变化不断改进泥浆性能，每冲进5米左右测定孔内护壁泥浆的比重、含砂率，泥浆比重不够时则加粘土以恢复泥浆正常浓度。在穿透卵石层时易出现塌孔现象，由于卵石层的孔隙率大，无粘性土密实，应采用回填粘土、块石灰土或袋装水泥等进行密实、防塌处理。当遇到岩层表面不平或倾斜，应抛入20～30cm厚块石，使孔底表面略平，然后低锤快击使成一紧密平台后，再进行正常冲击，同时泥浆比可降到1.2左右，以减少粘锤阻力。
开冲一个台班后，重新复检桩位，偏差超过规范要求时必须重新定位修正。继续冲孔，每班清渣2～3次，每次清渣后必须加入制浆粘土造浆，也可直接补给制备好的泥浆，随着冲孔进行按前述方法跟进套管。
冲孔过程中，钢丝绳上要设有标记，提升落锤高度要适宜，防止提锤过高击断锤齿，提锤过低进尺慢，工作效率低。松绳不应太少以防止打空锤，也不宜松绳太多，容易偏孔或卡锤。一般情况下，抛填块石层以冲程1.5～2.0米为宜，淤泥层以1.0～1.2米为宜，发现吸锤现象可向孔内加块石，在亚粘土层冲程不应大于2米，在卵石层中冲程以1.0～1.5米为宜。冲孔过程中泥浆比重的大小将会直接影响冲孔进度，因此在冲孔时应视地质条件认真控制好泥浆比重，以1.25～1.35为宜，泥浆过浓易斜孔、吸锤，进尺较慢；而泥浆过稀则易塌孔，多沉碴，进尺也慢。一般在卵石层中，泥浆要浓些，必要时可往孔内加入粘土，通过冲锤挤压及自造浆护壁，冲孔泥浆比重以1.3～1.4为宜；在强风化岩冲孔泥浆比重以1.3～1.35为宜；在砂粘土层冲孔泥浆比重，控制在1.25左右。
每工作班要2～3次将冲锤提出孔口清洗检查，检查锤头是否变成蒜头锤，有无断齿，钢丝绳扎口是否松动，大螺杆的磨损程度，大弹簧是否拆断等，发现问题及时处理，避免掉錘。如换用新焊锤齿的冲锤，应与原冲锤比较锤径大小，若新锤径大于原冲锤，孔内应回填块石进行修孔，以免卡锤。
2.5 成孔质量检测手段
终孔后及时安排验收，通过长度为5m，直径为1m的探笼测量孔径和垂直度，通过水砣测量孔深，根据现场施工可知，成孔过程中没有出现偏孔和缩孔现象。
3 充盈系数分析
灌注桩充盈系数是灌注桩成孔质量的重要指标，各深度区域内的充盈系数可以有效检测到该区域段桩的扩孔程度或塌孔情况，在确保灌注桩成型后的桩径满足设计要求的前提下，控制好充盈系数能给工程带来直接的经济效益，一般冲孔灌注桩额定充盈系数为1.1～1.3，由于本工程灌注桩施工区域淤泥层较厚，且靠近江侧，易扩孔，充盈系数预计在1.3左右。为了分析本工程临江高边坡区域灌注桩的成孔质量，对3座引桥第一排共计9根桩的混凝土用量进行了统计，详见表1：
根据表1可见，除K-4充盈系数略大于1.3外，其他灌注桩充盈系数均在1.2～1.3之间，平均在1.25左右，成孔质量达到设计预期，为了进一步研究桩在每深度段的充盈系数，对N-4桩的混凝土浇筑记录进行了统计，详见表2。该桩护筒顶标高为3.36，卵石层标高为-29.57m，岩面验收标高-33.99m，终孔标高为-44.06m，卵石层厚度4.42m，入岩深度10.07m，护筒以下淤泥和淤泥质土层厚度20.93m，护筒段12m。
根据表2可知，在深度47.42～28.85m范围段充盈系数最小，该区域段以强风化岩，卵石层为主，根据该区域混凝土充盈系数可知，该处在冲孔过程中冲锤大小合适，冲孔时也未出现严重的冲锤扫孔现象，说明在该岩层所确定的冲程和泥浆性能指标能满足要求。在深度28.85～20.07m范围段，该区域以淤泥质土为主，充盈系数在合理的范围内，说明该区域未出现塌孔现象，冲锤扫孔不明显，成孔质量可控。在20.07～11.66范围段，该区域以淤泥土质为主，土质软，密实度差，受导管浇筑混凝土产生的侧向压力影响，该区域充盈系数明显偏大，符合施工的客观规律。在11.66～0m范围段，由于该区域采用了全护筒形式，护筒的内径为1.07m，比设计孔径大0.07m，护筒内每延米混凝土用量为：3.14×0.535×0.535=0.899（m3），根据实际砼用量为11.5m3可知，实际该段充盈系数为1.097，按照理想化模式，在钢护筒里面不会扩孔，充盈系数为1，但实际浇筑过程中，由于混凝土面在不断上升，对底部产生的压力越来越大，受压力的影响部分混凝土会向桩周围挤压扩散，还是存在混凝土损耗的问题。
综上所述，临江高边坡区域灌注桩的成孔质量是稳定的，整个桩孔泥浆护壁良好，冲孔过程中没有出现明显的扩孔，偏孔，塌孔，卡锤现象，说明施工过程确定的技术参数可行。
3 结论
本工程灌注桩平均长度约46m，每台桩机平均3～4天可完成一根桩的成孔及浇筑施工，施工的效率较高。通过该工程灌注桩施工可知，在处理临江高边坡灌注桩施工过程中，要合理选择成孔设备，控制好护筒的埋设长度，正确设置桩机冲程，合理调配好泥浆性能，确保各工序有利衔接，可以很好地克服地质条件对灌注桩施工带来的不利影响。在施工中要做好典型施工，总结确定好施工的各项参数，不断改进完善施工工艺，提高施工效率，不仅可以解决施工中遇到的技术问题，同样也能产生良好的经济效益。
参考文献：
[1]徐忠潮，肖尚怀.复杂地层下成孔工艺的探讨及事故预防措施[J].建设监理，2014，（5）：61-63、66.
[2]赵鹏.周尚.郑雷娟.复杂地质条件下冲孔灌注桩成孔技术研究[J].山西建筑，2017，（23）：79-81.
[3]薛海生.冲击成孔混凝土灌注桩施工技术[J].施工技术，2012，（S2）：5-9.
[4]JTJ248-2001，港口工程灌注桩设计与施工规程[S].
