...1CZK18孔地质剖面-大直径钻孔灌注桩施工技术研究
喻玥++张璟鑫
[摘 要]湖北省江汉平原地区地质情况为多韵律河湖相沉积，上部为粘性土或砂性土，中下部为砂砾、卵石及角砾土等，总厚度厚。下伏基岩为上第三系杂色泥砂岩，埋藏深。由于在卵石地基上物理指标的较大变幅和在卵石地基上大直径超长钻孔灌注桩难以成桩，限制了钻孔灌注桩在特大桥梁上的应用。特别是在濒临长江地区的此类地质条件下进行钻孔桩的施工过程中，极易出现漏水、塌孔等孔内问题，最终导致质量与安全事故的发生。本文主要针对本类地质条件下的高成功率成孔的方法进行深入研究探讨，并通过多次实体对比试验分析得出结果，对同类地质条件下的鉆孔桩施工有一定借鉴意义。
[关键词]濒江；卵砾石层；沙公高速；钻孔灌注桩；施工
中图分类号：U445.551 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）20-0017-02
1 项目背景与国内研究现状
我国在公路桥梁上采用钻孔灌注桩基础始于本世纪五十年代末期，当时河南省首创用人工转动钻头钻孔，后逐渐在全国发展到冲抓锥、冲击锥、正反循环回转钻、潜水电钻等多种设备和钻孔工艺，应用规模不断扩大。到本世纪九十年代初，钻孔直径已达到300cm以上，桩长达到100m以上；1996年底竣工的南昌八一大桥，钻孔直径已达到400cm。目前在国内公路桥梁基础工程领域中，钻孔灌注桩基础已占据了重要地位，并向大直径、多样化（变截面桩、空心桩、变截面空心桩）方向发展。
近年来受国家对长江流域经济开发的加深加大的影响，其流域内所涉各省公路建设已进入高峰期，特别是湖北省发展规划里提出的“两带一圈”发展理念，更是加速推动了公路建设的进程。在江汉平原上进行公路建设，其内容多为路基与桥梁相结合，而江汉平原为河流冲击而成，地质条件较差且复杂多变，淤泥层与砾石卵石层较深，钻孔桩穿越其层的过程中经常会出现漏水跑浆导致的塌孔现象，轻则导致工程进度延误、返工，重则引起地面塌方，危害人员与设备财产安全。
本文以湖北省沙市至公安高速公路第一标段为依托，对濒临长江部位的圆砾卵石地质条件下的钻孔灌注桩的施工技术进行研究，重点在于提高施工过程的成孔率，缩短此类地质条件下的施工工期，减少返工次数。
2 主要研究过程
2.1 设备选型
根据以往施工经验，江汉平原多存在以深厚粉细砂、深厚粉质淤泥、深厚圆砾卵石为代表的地层，在此类易坍塌或孔内易变形地质条件下进行钻孔灌注桩的施工，必须采用在孔内小进尺弱扰动的钻孔设备，故可选择的范围仅余正反循环钻机，我们对此两种设备进行实地测试，发现在淤泥质、粉砂质地层两种设备效用相当，正循环功率较小；而在砾卵石层地质条件下，由于该层卵砾石直径较大，正循环钻机作用机制无法通过循环作用将卵砾石浮起，故最终选用反循环钻机进行本课题与本工程中钻孔桩的施工。
2.2 地层符合性调查
由于设计地勘图纸中有建址区域的地勘资料，因此我们在选定钻机后进行了临时打孔，对设计图中的地质与实际地质情况进行了符合性调查，从每层钻机抽出的渣样来看，在粉砂层与淤泥层基本与设计图中所述一致，但在砾卵石层中的渣样直径较为不符，实际取样过程中抽出最大直径达30cm左右，同时证实本层颗粒间较为松散，实际取样过程中存在大量漏浆与小范围塌方。
2.3 了解泥浆组分
设备在砾石、卵石以及破碎带地层中钻进，由于颗粒之间缺乏胶结，钻进时孔壁很容易坍塌，故成孔的难度很大。对于这类地层选用的护壁泥浆，关键需要解决的问题是增加孔壁颗粒之间的胶结力。粘性较大的泥浆适当渗入孔壁地层中，可以明显增强砂、砾之间的胶结力，以此使孔壁的稳定性增强。提高泥浆粘度，主要通过使用高分散度泥浆（细分散泥浆）、增加泥浆中的膨润土含量、加入有机或无机增粘剂等措施来实现，其组成除膨润土、Na2CO3和水外，为了满足钻孔需要，往往加入提粘剂、降失水剂和防絮凝剂（稀释剂）。一般在砂、砾层中钻进多采用较高粘度的细分散泥浆。故钻孔桩成孔的关键即在于泥浆的配置，尽量减少塌孔的概率是保证工期缩短的最有效手段。
我们通过多方的查询资料与请教专家，对泥浆的组分有了较为清晰的认识，根据组分的不同作用原理进行泥浆的预配置。
①膨润土：主要化学组分为二氧化硅（SiO2）、三氧化二铝（Al2O3）和水（H2O），是泥浆胶体质的主要来源。钠质膨润土泥皮薄、稳定性好、造浆率高（1T膨润土可造12～16m3泥浆），其胶体率大于96%，含砂率要小（0%～0.3%）。
②CMC（羧甲基纤维素）：分为普通Na-CMC与铁铬盐-Na-CMC两种，后者提粘且稳定性较强，铁铬盐起防絮凝（稀释）作用。可增加泥浆粘性，使土层表面形成薄膜而防护孔壁剥落并有降低失水量的作用。
③碳酸钠（Na2CO3）：主要作用是提高泥浆的pH值，泥浆中pH值过小时，土颗粒难于分解，粘度降低，失水量增加，流动性降低；泥浆中pH值过大时，则泥浆将渗透到孔壁的粘土中，使孔壁表面软化，土颗粒之间凝聚力减弱，造成裂解而使孔壁坍塌。
2.4 泥浆配置
随着地层性质的变化，钻头进入新一层后需配置不同泥浆，由于以往在淤泥层与粉砂层中施工经验较为丰富，均按以往经验配置，以下主要对砾卵石层的泥浆组分配置进行探究。
由于在此类圆砾卵石地质条件下以往施工经验较少，我们以规范推荐值作为最初的泥浆配置标准进行泥浆的制作，工地试验室根据上表各种参量取值范围，进行多种配比的泥浆调制，然后对各种泥浆试样测定其性能指标：①相对密度ρx；②粘度η（s）；③含砂率；④胶体率（%）；⑤失水率（ml/30min）和泥皮厚度（mm）；⑥pH值。其检测方法按《公路桥涵施工技术规范》（JTJ 041—2000）的附录C-2的方法测定。（表1）
调制泥浆的原材料用量计算：
m=Vρ1= （ρ2-ρ3）/（ρ1-ρ2）-ρ1
式中：m——每m3泥浆所需原料的质量（t）
v——每m3泥浆所需原料的体积（m3）
ρ1——原料的密度（T/m3）
ρ2——要求的泥浆密度（T/m3）
ρ2= Vρ1（1-v）ρ3
ρ3——水的密度，取ρ3=1T/m3
当泥浆组分比例按水：膨润土：CMC：纯碱=100：6：0.01%（膨润土用量）：0.3%（膨润土用量）进行配置时泥浆指标如表2。
经现场打孔试验发现在砾卵石地层出现漏浆的现象，经现场检测泥浆指标并分析得出，由于距离长江较近，地层中卵石间隙较大，地下水流速相应增大，按传统经验配制的泥浆由于地下水的流动稀释作用使其的粘度、比重、胶体率均严重下降。因此我们将膨润土、CMC与纯碱的比例提高到了推荐值的上限进行第二批次的试验。后续批次的试验结果整理见下表：
通过试验得出结论，在地下水流速较大的地层中进行钻孔桩成孔时，配制泥浆的过程中需考虑到地下水的稀释作用，泥浆配制的过程中需以实际结果为导向进行适当的放大甚至跨越规范或以往经验数值。
在实际的施工当中粉砂层的泥浆比重较大，因大量粉砂掺杂在浆液中，其含砂率高达13%左右，大量粉砂通过泥浆的裹附作用不断的进入泥浆中，造成泥浆护壁形成较慢，一经扰动就会坍塌，含砂率直接关系到沉渣厚度，砂率越大一清的时间越长，塌孔的几率越大，而沉渣超标又会桩基质量，因此在过程中我们重点关注泥浆的比重与黏度，清孔过程中才重点关注砂率的指标。由于粉砂层与卵砾石层所需求的泥浆指标截然相反，而卵砾石层跑浆发生塌扩孔的几率较大，因此在二清的过程中通常比重可满足规范要求，但是砂率要超出规范甚多，这也是地层需求造成的差异。我们在实际操作的过程中，在沉渣满足要求的前提下，二清砂率在4～7%时即迅速灌注混凝土，同样可保证桩基的灌注质量。
因此，在本课题项目类似地质条件下进行钻孔桩施工的过程当中，保证桩基灌注质量的重点不在于谨守规范标准，而在于在保证泥浆护壁不破裂的前提下进行混凝土的灌注，方能又快又好的完成钻孔桩的施工。本试验经过八个批次的50余组试验进行对比分析，得出结果如表3。
经过比选后得出适合在本工程地质条件下进行钻孔桩施工的泥浆组成如表4所示。
3 主要成果和技术经济指标
3.1 科技成果
《圆砾卵石层地质条件下钻孔灌注桩施工技术研究及应用》获得湖北省科学技术厅“湖北省科技成果”登记备案。经宜昌市科学技术局鉴定为“项目成果达到国内领先水平”。
3.2 技术经济指标
（1）针对圆砾卵石地层进行相应的泥浆各掺料比例配置，使钻孔桩的成孔率明显提高，较同类工程减少打孔返工率，使施工过程更为顺畅，基本杜绝了钻孔桩施工过程中的安全风险，节省施工时间近2个月。
（2）总结出了泥浆各组分特性与配制经验：
①随着泥浆密度的增加，钻速下降，特别是泥浆密度大于1.20 g/cm3时，钻速下降尤为明显。泥浆的密度相同，粘度愈高则钻速愈低。
②在粉砂质地层中，泥浆密度过小或钻进速度过快，都将导致塌孔现象。通常在此土层中泥浆密度保持到1.25g/cm3以上效果较好。
③泥浆的pH值宜保持在8～10之间，在砾卵石地质条件下适当增大，但不宜超过11。这时可增加水化膜厚度，提高泥浆的胶体率和稳定性，降低失水量。
（3）过本工程对项目的技术研究及其成果的推广应用，可节约施工成本约245万元，缩短工期约2个月。
3.3 成果应用效果
通过本课题研究，使我们基本掌握了此类地质条件下施工钻孔灌注桩基础的方法与技术，在开工后6个月内將本工程所限2203根钻孔桩全部完成，虽然在试验阶段出现过塌孔等突发事件，但课题成果保证了整体钻孔桩施工过程的顺利，也避免了雨季中地下水受长江水位影响导致的掏砂、涌水等危险情况的发生，施工期间无安全事故，同时由于钻孔桩工程工期的缩短，为后续的桥梁工序抢出了宝贵的时间。我们在2016年10月份完成了全部的钻孔桩施工，圆满完成了建设单位设置的节点，得到了参建各方的一致好评。工程实体经业主单位与监理单位试验室检测，Ⅰ类桩99.2%，Ⅱ类桩0.8%，无Ⅲ类桩，远超行业规范与业主Ⅰ类桩98%的要求。
参考文献
[1] 杨文渊.实用土木工程手册.人民交通出版社，ISBN7-114-03295-1.
[2] 朱浮声等.地基基础设计与计算.人民交通出版社，ISBN7-114-03295-1.
作者简介
喻玥（1969年-），女，高级工程师，毕业于葛洲坝水电工程学院水利水电工程建筑专业，工学学士，从事水利水电、公路、市政工程项目管理工作26年，主要负责技术管理工作。
张璟鑫（1989年-），男，助理工程师，毕业于黑龙江工程学院土木与建筑工程学院道路桥梁与渡河工程专业，工学学士，从事公路、市政工程项目管理工作5年，主要负责技术管理工作。
