摘 要：旋挖灌注樁施工以其環(huán)保高效的特點(diǎn)在高層建筑、橋梁工程、市政建設(shè)等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。旋挖灌注樁施工的成孔工藝和質(zhì)量控制是其關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此概述了旋挖鉆機(jī)及工作流程、旋挖灌注樁施工流程，分析了成孔工藝中的鉆頭形式及鉆進(jìn)參數(shù)的選擇、護(hù)壁泥漿的選擇與制備、鉆進(jìn)成孔和清孔４部分，探討了成孔質(zhì)量控制措施及常見質(zhì)量問題的處理。

關(guān)鍵詞：旋挖灌注樁；成孔工藝；質(zhì)量控制

中圖分類號(hào)：TU753.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-6903（2024）09-0084-03

收稿日期：2024-04-30

作者簡介：李華興（1986—），男，廣東茂名人，本科，工程師，從事建筑工程管理工作。

0 引言

旋挖灌注樁是利用旋挖鉆機(jī)造孔，再放置鋼筋籠和灌注混凝土而成的樁。這種樁廣泛用于橋梁、市政建設(shè)和高層建筑的地基基礎(chǔ)處理，其特點(diǎn)鮮明，樁機(jī)安裝簡單，樁位對中容易，施工精度較高，鉆進(jìn)速度較快，噪聲低，振動(dòng)小，地層適應(yīng)性較強(qiáng)，成孔質(zhì)量高，是一種環(huán)保高效的樁型[1]。成孔工藝與質(zhì)量控制是旋挖灌注樁施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和重要部分，因此本文對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了分析和探討。

1 旋挖灌注樁施工技術(shù)概述

1.1 旋挖鉆機(jī)組成及工作流程

旋挖鉆機(jī)是一種復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，由鉆頭、鉆桅、鉆桿、卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、操作室、配重、底盤行走機(jī)構(gòu)以及液壓系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等組成。

旋挖鉆機(jī)多采用履帶式底盤，可以適應(yīng)復(fù)雜地形，也有采用輪式底盤形式的樁機(jī)，可用于較平坦地形的施工。旋挖鉆機(jī)中最具特色的部分是鉆頭，典型旋挖鉆頭（從下至上順序）由中心鉆頭、鏟齒（或截齒）、底盤、鉆斗體、開合機(jī)構(gòu)、連接方套等組成[2]。中心鉆頭和鏟齒用于切削土層。底盤上有開口和活門。鉆進(jìn)時(shí)，被切削下的土屑通過開口進(jìn)入鉆斗體內(nèi)。鉆斗內(nèi)被土擠滿后，反向旋轉(zhuǎn)提升鉆頭，活門自動(dòng)關(guān)閉。要倒出鉆斗體中的土屑，可通過打開開合機(jī)構(gòu)使活門開啟。連接方套用于與鉆桿連接。

旋挖鉆機(jī)工作流程[3]如下：①豎起鉆桅、安裝鉆具并調(diào)節(jié)。樁機(jī)運(yùn)輸途中要將鉆桅等折疊起來，到達(dá)施工現(xiàn)場后再打開、起豎，然后安裝鉆桿并提升和接入動(dòng)力頭，通過卷揚(yáng)提起并連接鉆頭。②鉆進(jìn)成孔。讓機(jī)器自行運(yùn)動(dòng)到樁位，調(diào)整鉆頭對準(zhǔn)鉆孔位置。對于較軟地層，可依靠動(dòng)力頭和鉆具自重實(shí)施鉆孔作業(yè)。對于較硬地層，需借助加壓缸或副卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)加壓鉆進(jìn)。鉆進(jìn)時(shí)，被鉆齒切下的土?xí)粩D入鉆頭內(nèi)部。當(dāng)鉆頭內(nèi)部的土達(dá)到一定體積，就需要提起鉆具卸土。卸完土，再把鉆頭放入孔中。鉆進(jìn)-卸土-再鉆進(jìn)-再卸土，如此循環(huán)往復(fù)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)深度。

1.2 灌注樁施工流程

1.2.1 測設(shè)樁位

測量人員根據(jù)基準(zhǔn)點(diǎn)放出樁位線，復(fù)查無誤，及時(shí)護(hù)樁。

1.2.2 樁機(jī)就位埋設(shè)護(hù)筒

復(fù)核樁機(jī)定位準(zhǔn)確，鉆進(jìn)開孔。通過人、機(jī)配合埋設(shè)護(hù)筒。護(hù)筒底端應(yīng)穿過填土層，進(jìn)入黏土層或粉土層中。埋設(shè)好護(hù)筒，檢查護(hù)筒中心與樁位中心一致性。

1.2.3 制備護(hù)壁泥漿

旋挖成孔一般不設(shè)置套管，主要依靠護(hù)壁泥漿維持孔壁穩(wěn)定，可以說護(hù)壁泥漿質(zhì)量決定成孔質(zhì)量，故應(yīng)根據(jù)地層性質(zhì)合理配制泥漿。

1.2.4 鉆進(jìn)成孔

旋挖鉆機(jī)配備有垂直度儀，通過顯示屏可顯示鉆桿兩個(gè)方向的垂直度，鉆進(jìn)過程中可隨時(shí)觀察鉆桿垂直度，若有偏差及時(shí)調(diào)整。

1.2.5 第一次清孔

鉆至設(shè)計(jì)深度，立即進(jìn)行第一次清孔，即利用磨盤式鉆斗或抽漿泵等設(shè)備清除孔底沉渣。

1.2.6 吊放鋼筋籠

使用汽車起重機(jī)吊起鋼筋籠，再將其放入樁孔中。為防止鋼筋籠上浮或下沉，復(fù)核籠頂標(biāo)高后，及時(shí)固定住鋼筋籠。

1.2.7吊放導(dǎo)管

導(dǎo)管用于灌注混凝土。吊放鋼筋籠后，隨即吊放導(dǎo)管。

1.2.8 第二次清孔

第一次清孔后，吊放鋼筋籠和導(dǎo)管又會(huì)產(chǎn)生新的沉渣，所以需要二次清孔。

1.2.9 灌注混凝土

二次清孔復(fù)核沉渣厚度符合要求后立即灌注混凝土。灌注水下混凝土通常采用水下導(dǎo)管回頂法成樁，利用導(dǎo)管內(nèi)外壓力差沖實(shí)混凝土。灌注混凝土高度達(dá)到設(shè)計(jì)高度后，再超灌0.8 m以上，超灌部分在混凝土硬化后鑿除。

1.2.10 拆卸導(dǎo)管和護(hù)筒

隨著混凝土面上升，相應(yīng)地提高導(dǎo)管，孔外導(dǎo)管可以逐級(jí)拆除。澆灌完混凝土，拆卸剩余導(dǎo)管，即可拆除護(hù)筒。樁機(jī)移動(dòng)到另一樁位，開始新一根灌注樁的施工。

2 旋挖灌注樁成孔工藝研究

2.1 鉆頭型式及鉆進(jìn)參數(shù)的選擇

旋挖鉆機(jī)可穿越黏性土、非自重濕陷黃土、淤泥及淤泥質(zhì)土、粉土、砂土、填土層，以硬黏性土、粉土、砂土層為持力層。部分含卵石或碎石（石最大尺寸不超過10 cm）的土層也能應(yīng)用旋挖鉆機(jī)?，F(xiàn)實(shí)中的地層條件復(fù)雜多樣，旋挖鉆機(jī)廠家也為適應(yīng)不同地層條件開發(fā)了多種類型與規(guī)格的鉆頭，施工時(shí)應(yīng)根據(jù)地層條件選擇適宜鉆頭類型及規(guī)格。

對于不含地下水的松軟地層，可采用鉆進(jìn)土層的單頭螺旋鉆頭或單層底盤帶活門的旋挖鉆斗，如果土層有一定膠結(jié)可采用雙頭雙螺旋鉆頭。根據(jù)相關(guān)資料[2]，鉆進(jìn)壓力可采用0～50 kN，回轉(zhuǎn)速度控制在20～50 r/min。如果松軟地層中含有地下水，可選用雙層底盤旋挖鉆斗，對于淤泥層或流沙層，如果地層有一定膠結(jié)也可選用雙頭雙螺直型螺旋鉆頭。

對于泥巖、頁巖、泥頁巖、粉砂巖、泥質(zhì)砂巖等軟巖，可交替采用鉆進(jìn)巖層的螺旋鉆頭和旋挖鉆斗。先利用螺旋鉆頭破碎巖石層，再通過旋挖鉆斗撈出巖屑，撈完巖屑再使用螺旋鉆頭破碎巖石，之后仍采用旋挖鉆斗撈屑，循環(huán)往復(fù)進(jìn)行下去，使巖石層高效成孔。螺旋鉆頭應(yīng)選用錐型頭，旋挖鉆斗切削齒采用直徑大、體型長、耐磨的中等硬度硬質(zhì)合金截齒。鉆進(jìn)壓力宜選擇50～100 kN，回轉(zhuǎn)速度采用20～30 r/min。對于卵石層和卵礫石地層，可選用卵礫石層旋挖鉆斗，切削齒可選擇直徑大、齒形長、布齒均勻的截齒。鉆進(jìn)壓力選擇0～50 kN，回轉(zhuǎn)速度選擇10～20 r/min。

2.2 護(hù)壁泥漿的選擇與制備

使用泥漿的主要作用是保持孔壁的穩(wěn)定，同時(shí)也有懸浮土渣和冷卻潤滑鉆具的功能。泥漿可以在孔壁上形成泥皮，泥皮能阻止孔壁的土、砂剝落。泥漿的主要成分是黏性土和水，根據(jù)對泥漿性能的需要也可添加一些化學(xué)處理劑。若孔壁土自穩(wěn)性好且樁徑不大（<2 m），可直接采用場地中的黏土和水或再添加一定量的膨潤土配制而成。若土層自穩(wěn)性差、樁徑大（≥2 m），可在黏土和水以外添加羧甲基纖維素鈉（CMC）、純堿等物質(zhì)。CMC用作增稠劑，可增加泥漿黏度，添加量為0.03%～0.1%。純堿用作分散劑，添加量為0.5%～1.0%。此外，還可添加加重劑（如重晶石、鐵砂、方鉛礦粉）、防漏劑（如鋸末、稻草、水泥）以提高泥漿的穩(wěn)定性，防止泥漿漏失在孔壁空隙中。

制備泥漿應(yīng)使用功率強(qiáng)大的攪拌機(jī)，攪拌葉轉(zhuǎn)速需>200 r/min，以保障泥漿供應(yīng)的可靠性。制備泥漿的下料順序關(guān)系到能否盡快將各種原材料混合成均勻穩(wěn)定的泥漿，可按照水→膨潤土→CMC（預(yù)先用清水配制成1%～3%的溶液）→分散劑（純堿）→其他外加劑的次序加料。

新鮮泥漿應(yīng)攪拌5～10 min。配制好的泥漿應(yīng)貯存24 h以上再使用。泥漿質(zhì)量主要通過比重、黏度、pH值、含砂量、穩(wěn)定性等指標(biāo)控制。因?yàn)闇y比重非常方便，工程上常用比重控制泥漿質(zhì)量。例如普通直徑旋挖樁（樁徑<2 m）地層為填土層和砂層時(shí)，采用黏性土+膨潤土+水配制，新鮮泥漿比重為1.10～1.20 g/cm3。大直徑旋挖樁（樁徑≥2 m）地層為黏土層，采用黏性土+膨潤土+CMC+純堿+水配制，新鮮泥漿比重為1.05～1.15 g/cm3[4]。

2.3 鉆進(jìn)成孔

鉆進(jìn)前，應(yīng)對鉆頭保護(hù)裝置、鉆頭直徑及磨損情況進(jìn)行細(xì)致的檢查，如果鉆頭磨損程度超出規(guī)定應(yīng)予更換。應(yīng)按試生產(chǎn)確定的施工參數(shù)施工，并記錄施工中的重要參數(shù)，例如加鉆桿、鉆進(jìn)深度、各地層地質(zhì)情況、設(shè)備故障等。

根據(jù)樁徑大小、鉆斗長度、地層特點(diǎn)等控制進(jìn)尺深度。開始鉆進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)速要慢，放斗要穩(wěn)。鉆進(jìn)過程中要監(jiān)控鉆桿垂直度，如有偏差及時(shí)糾正。根據(jù)地質(zhì)情況控制進(jìn)尺速度，從硬地層切入軟地層，可適當(dāng)加快鉆機(jī)速度；反之，由軟地層鉆入硬地層，應(yīng)減速慢進(jìn)。在易縮頸地層中鉆進(jìn)，應(yīng)增加掃孔次數(shù)。

要根據(jù)地層地質(zhì)變化，及時(shí)調(diào)整泥漿比重和黏度，例如在砂層中鉆進(jìn)不但要減速慢進(jìn)，還要調(diào)大泥漿比重和黏度，以防塌壁。鉆頭切削的土屑難以完全提出孔外，會(huì)有少部分留在孔中，與泥漿混合后使泥漿性能發(fā)生改變，所以鉆進(jìn)過程中要監(jiān)控進(jìn)、出口泥漿指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)偏差超出規(guī)定，及時(shí)調(diào)整。

隨著鉆進(jìn)深度的增加，及時(shí)向孔內(nèi)補(bǔ)漿，以維持孔內(nèi)泥漿面始終高于護(hù)筒底部及地下水位2 m以上。帶料升降鉆斗速度要慢，防止快速升降鉆斗帶動(dòng)水流沖刷孔壁以及在鉆斗下方形成負(fù)壓使孔壁坍塌。空鉆斗升降時(shí)泥漿會(huì)進(jìn)入鉆斗內(nèi)部，對孔壁的不利影響小，對此可適當(dāng)加快升降速度。終孔的判別可根據(jù)設(shè)計(jì)樁長、返渣樣來確定，實(shí)際孔深應(yīng)不小于設(shè)計(jì)深度。

2.4 清孔

清孔可采用換漿、抽漿、淘渣等方法。換漿即將孔內(nèi)不合格的泥漿置換成合格泥漿，通過持續(xù)向孔底壓入純正泥漿，使浮渣較多的泥漿被置換。但這種方法清孔速度較慢。抽漿一般使用空氣吸泥機(jī)、真空吸泥泵、潛水吸泥泵等設(shè)備，將孔底沉渣及淤積物抽出。抽漿清孔雖速度較快，但易引起塌孔。淘渣是采用磨盤式鉆斗或淘渣筒等工具一次或多次將沉渣撈起清出。一次清孔可采用淘渣法，二次清孔采用抽漿法或換漿法。

3 旋挖灌注樁成孔質(zhì)量控制

3.1 成孔質(zhì)量控制

在施工準(zhǔn)備階段，若對地層土質(zhì)情況掌握不充分，也不太了解地下障礙物情況，易出現(xiàn)盲目施工現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生質(zhì)量問題。因此，在正式施工前，必須認(rèn)真組織設(shè)計(jì)交底，讓施工技術(shù)人員全面掌握地層土質(zhì)、地下障礙等情況。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及相關(guān)文件內(nèi)容合理制定施工方案，并根據(jù)施工方案對施工人員進(jìn)行技術(shù)交底。對成孔過程的各種參數(shù)要詳細(xì)記錄。詳盡、客觀的記錄不僅可以真實(shí)反映施工進(jìn)程，而且通過記錄可以分析施工中問題，找出影響成孔質(zhì)量的因素，從而有針對性地制定解決措施。工程所使用的材料要有檢測報(bào)告或產(chǎn)品合格證。

在成孔施工階段，要重視護(hù)壁泥漿的配制。一些工程在成孔施工時(shí)出現(xiàn)孔壁坍塌事故，其中一個(gè)重要原因就是泥漿配制不好，導(dǎo)致孔壁上不能形成完整的泥膜或泥皮容易脫落，所以應(yīng)根據(jù)不同地層地質(zhì)情況合理配制泥漿。

在鉆進(jìn)施工過程中，應(yīng)根據(jù)不同地層地質(zhì)情況備好泥漿材料，例如膨潤土、CMC等材料應(yīng)有所準(zhǔn)備，免得施工時(shí)因材料不足而陷入困境。

根據(jù)地層地質(zhì)條件、樁徑大小及深度合理選擇樁機(jī)機(jī)型、鉆桿及鉆頭類型、規(guī)格。鉆進(jìn)過程中加強(qiáng)對垂直度的控制。成孔階段應(yīng)安排技術(shù)人員使用儀器觀測鉆桿垂直度，發(fā)現(xiàn)偏差及時(shí)通知樁機(jī)操作人員調(diào)整和糾正。遇到特殊地層應(yīng)采取專門措施，例如遇到溶洞，應(yīng)加設(shè)護(hù)筒防止鉆偏。根據(jù)不同地層地質(zhì)情況調(diào)整鉆進(jìn)速度和鉆壓。

成孔后對孔的中心位置、孔徑、孔深、垂直度、沉渣厚度、清孔后泥漿指標(biāo)等進(jìn)行檢查，不達(dá)標(biāo)必須處理。

3.2 常見質(zhì)量問題的處理

3.2.1 孔壁坍塌

鉆進(jìn)過程中泥漿突然流失，很可能發(fā)生了孔壁坍塌。主要原因包括護(hù)筒埋設(shè)在沙土層、泥漿護(hù)壁不好、鉆進(jìn)速度過快、成孔后待灌時(shí)間過長等。處理措施：①護(hù)筒貫入黏土中0.5 m以上，并夯實(shí)樁周土。②配制優(yōu)質(zhì)泥漿，適當(dāng)提高泥漿比重和黏度。③成孔后盡快灌注混凝土，減少待灌時(shí)間。

3.2.2 鉆孔偏斜

主要原因包括樁機(jī)安裝不穩(wěn)、鉆桿立架彎曲、地層軟硬不均、地層中夾有孤石等。處理措施：①夯實(shí)場地。②控制鉆桿垂直度偏差不大于1%。③在不均勻地層鉆進(jìn)減慢速度。④在偏斜處反復(fù)掃孔以削去硬土。

3.2.3 縮頸

在塑性土層中鉆進(jìn)，土吸水膨脹使孔徑縮小。處理措施：①配制優(yōu)質(zhì)泥漿，降低泥漿失水量。②在易縮頸地層加大轉(zhuǎn)速快速通過，反復(fù)掃孔擴(kuò)大孔徑。

4 結(jié)束語

隨著旋挖灌注樁應(yīng)用日益廣泛，其優(yōu)點(diǎn)已獲得各領(lǐng)域工程的認(rèn)同，然而在工程中也暴露出成孔工藝及質(zhì)量控制中的一些不足，本文對這兩方面的內(nèi)容進(jìn)行了細(xì)致的分析，希望能對相關(guān)領(lǐng)域的施工技術(shù)人員有所幫助。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊浩.旋挖成孔灌注樁的設(shè)計(jì)、施工及應(yīng)用研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2018.

[2] 劉三意.多工藝旋挖鉆進(jìn)技術(shù)研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2008.

[3] 韓曉明.XR220D型旋挖鉆機(jī)結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2018.

[4] 李京屹.建筑工程大直徑旋挖樁施工技術(shù)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2018.