回填块石层冲孔灌注桩成孔技术
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摘要： 本文以山西国际能源集团宏光发电有限公司联盛2×300MW煤矸石发电新建项目为实例，介绍了冲孔灌注桩在古河道上回填2～13m厚的块石层中施工的设备选择及其护壁、堵漏等关键成孔技术。
Abstract： This paper takes the construction of LianSheng 2×300MW gangue power new project built by Shanxi International Energy Group of Hong Guang Power Generation Co. Ltd. as an example， introduces punched cast-in-situ pile equipment selection and key pore-forming technique in ancient river filled 2～13m thick block stone filling stratum， such as breast wall， sealing etc.
Key words： block stone filling stratum；punched cast-in-situ pile；pore-forming technique
中图分类号：U443.15+4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）21-0108-03
0 引言
由于目前土地资源日益紧张，许多新建的电厂、化工等项目都建造在了以开山石为回填材料的人工场地上，这些项目的基础工程中常常采用现浇混凝土灌注桩。而许多项目在回填施工时，将挖掘或爆破的中等风化、微风化或未风化的大块石连同上部松散覆盖层一同进行了填方，块石直径均较大、分布无序、间隙大，而且有的项目填方处还是古河道，有较多的卵石和漂石。由于这种人工地基的特殊性，使得灌注桩的成孔中将面临塌孔、漏浆等施工难题。下面就结合工程实例，谈一下在这类地基上的冲孔灌注桩的关键成孔技术及措施。
1 工程概况
山西国际能源集团宏光发电有限公司联盛2×300MW煤矸石发电新建项目位于山西吕梁市柳林高红循环经济示范区内，拟建厂址为三川河改道后回填开山块石的河道、阶地及斜坡上。地貌上属三川河河谷、阶地和低山丘陵地貌，属三川河岩质岸坡。地下水埋深23.00～28.00米。桩基采用612根？准1000mm和1123根？准800mm的灌注桩，桩端持力层为④层基岩：泥岩或砂岩，入岩深度有1m、2m、3m和0.8m，桩长为10m～35m不等，孔底沉渣小于50mm，钻孔垂直度偏差小于1%。场地地层情况如表1所示。
2 施工难点
根据工程地质条件，现场施工条件及设计要求，循环水、输煤系统等附属建筑范围为回填的地层，下部约2～13m的回填料以开山块石为主，块石最大达2.5m，填料的空隙很大，甚至有的地段缝隙达0.5～1.2m，上部约14m的回填料为黄土，使灌注桩的成孔中面临塌孔、漏浆等施工难题。
3 施工设备选择
根据工程的特点，钻机选用CZF-1200型冲击反循环钻机，配套机具设备有：十字反循环冲击钻头，6BS砂石泵组，3PNL泥浆泵，20t汽车吊。
3.1 钻机主要技术性能参数 ①钻孔直径：A0.6～A1.2m；②最大深度：80m；③适用地层：粘土层、砂层、漂卵石层、岩层；④钻头重量：2300kg；⑤冲程：0.7m、0.85m、1.0m；⑥冲击频率：42、38、35次/min；⑦钻机质量：8300kg。
3.2 钻机组成及工作原理 钻机主要由传动系统、冲击机构、提引系统、冲击钻头、排渣系统、钻架及底盘、电气控制柜等7部分组成。其工作原理是：用两根钢丝绳对称地提引冲击钻头，通过同步卷筒的自动调整使两根钢丝绳受力相等。主电机通过传动机构驱动曲柄摇杆冲击机构使钻头作上下往复冲击运动，形成极大的瞬时冲击力破碎地层。在两根钢丝绳之间放置排渣管，排渣管的下端插入钻头中心管中，在钻头作上下冲击运动时，排渣管保持相对静止，通过潜水砂石泵连续排出破碎下来的岩渣。
4 关键成孔技术
由于地质情况复杂，且回填块石地基的形成、范围分布、石块的大小等资料反映相对模糊，施工中常常是摸着石头过河，桩基成孔和护壁均十分困难。因此，如何穿越上部回填的块石层、下部的卵石、漂石层以及桩端进入中风化持力层基岩和泥浆护壁成功，是桩基顺利成孔的关键。根据地质勘察报告，结合现场实际情况，通过多方案分析比较，最终决定采用综合堵漏方法+冲击成孔的成孔方案。
4.1 人工埋设护筒 护筒采用8mm的钢板制作，其内径应大于钻头直径200mm，其上部宜开设1个溢浆口。
验收完桩点后，采用“四角桩法”将桩点引至四个定位钢筋柱上，然后采用铁锹、镐进行挖方，挖方直径略别护筒直径大10cm左右，待挖好后，将护筒用钻机卷扬下入坑内，溢浆口对准泥浆通道后，在护筒周围分层填入粘土并捣实。要求护筒埋设深度不宜小于2.0m，护筒中心与桩位中心的偏差不得大于50mm，垂直度不宜大于1%。
4.2 冲击成孔
4.2.1 护壁技术
①采用红粘土和纯碱配制泥浆。该泥浆具有悬浮钻碴和堵漏防塌的能力较强，工程造价低的特点。施工时，就地取当地质量较好的红粘土颗粒投入到钻孔内，采用低锤慢击（冲程0.7m），在孔内进行造浆，同时保持孔内的水头压力。由于红粘土在钻头冲击力作用下，向钻头四周挤压，粘结和挤入到孔壁表面和内部一定深度，在孔壁表面形成泥皮，起到了护壁的效果。泥浆性能指标如表2所示。
②设置泥浆循环系统。根据工程实际情况，加强了泥浆系统质量管理，现场设置了泥浆循环系统，后续孔使用前孔处理合格的泥浆。施工过程中，经常检测泥浆性能指标是否达到设计要求。若遇孔内泥浆比重、粘度下降时，要及时向孔内投放粘土球或粘土水泥球以改善泥浆性能，确保孔壁稳定。
4.2.2 堵漏技术 开始在循环水、输煤系统等附属建筑范围为回填的地层中，采用冲击钻机成孔时，钻至14m左右时漏浆严重，在短短几秒钟内，满孔泥浆从孔口直接漏到孔底，甚至有时出现了塌孔现象。施工时，采用了以下堵漏技术：
①对于块石间空隙较小、漏浆不特别严重的钻孔采用在漏浆位置填入“人工加工的团块状红粘土”的方法进行堵漏。
原状红粘土中大团块与小团块共存，且含水量较低，团块间的粘结力较低，直接放入钻孔时小团块悬浮在泥浆中，堵漏时粘土消耗量很大，效果较差。因此，我们事先对粘土进行了加工：先将粘土用水浸透，再用挖掘机或装载机等施工机械进行碾压揉搓，晾晒48小时后获得堵漏用团块状粘土。经加工的粘土块不易分散解体，大部分能够沉落到孔底，在受到钻头的挤压刮碾后，进入岩土颗粒间的缝隙深部，起到粘接地层颗粒和封堵缝隙的作用，还可以有效防止粘土颗粒流失，减少粘土的消耗量。
②对于块石间孔隙特别大、漏浆特别严重的钻孔，我们采用了渐进式堵漏法，即“废弃泥浆”+“块石”+“人工加工的团块状红粘土”的堵漏方法。
施工时在漏浆严重区域的中心位置先钻两个钻孔，漏浆后做好孔口防护将钻机撤离，把不漏浆区域钻孔产生的废弃泥浆用罐车倾倒在这两个钻孔内，既解决了泥浆排放问题，又起到了先期堵漏作用，并降低了施工成本。
正式施工时，我们将加工团块状粘土与块石（直径在40～80cm）混合，分层进行回填，回填厚度2.0～3.0m，钻进一定深度后若漏浆，再次填入加工的粘土块与块石混合物，漏浆减轻后填入“加工团块状粘土”，直至钻孔完成。采用此方法后比只填粘土块钻进效率提高约1/3（单孔成孔时间由20天降低到12天）。
4.2.3 成孔过程控制
①钻机就位前，检查好钻机底座是否平整、牢固，钻机前是否铺垫了方木。②冲击成孔采用分离桩位、交错布置、间隔跳打的方式，即2台钻机间隔3-4根桩位分别进行冲击作业，避免冲击振动相互影响而难以护壁，引起桩孔坍塌。③成孔过程中泥浆仍会不断渗漏，需进行补充泥浆。采取停钻后项孔内投入一定量的红粘土和纯碱，再注入清水，采用低锤慢击的冲击方式充分完成孔内造浆后，再加大冲程进行钻进；当孔内泥浆突然缺失时，选择上述堵漏技术进行堵漏作业，保证泥浆面不再下降。④开钻时采用低锤密击方法钻进，在开始冲击过程中及时投人碎片、红粘土反复冲击使孔壁挤压密实，确保孔内泥浆液面保持稳定。待泥浆完全淹没钻头顶部时，改用大冲程钻进，每钻进100～500mm清孔冲渣一次。经常检测泥浆指标，泥浆稠度太大，由于浮力作用影响钻进效率，且易发生桩孔偏移；泥浆稠度太小，难以起到护壁作用。⑤钻进过程中，每2m检查一次成孔的垂直情况，发现偏斜立即停止钻进，采用回填200～300mm厚块石使孔底略平，然后低锤快击使其成一紧密平台再进行正常冲击，同时加大冲击能量。⑥冲孔过程中要提醒操作人员时刻注意均匀进尺，防止钢护筒底边缘卡锤。冲击过程中遇到探头石，采用合金齿的十字形钻头低锤密击间断冲击的办法，清除障碍，严禁冲锤重击，防止出现塌孔。⑦在漂卵石层钻进时，钻进速度控制在 0.25～0.35m/h；入岩段钻进时，钻进速度控制在0.15～0.25m/h；土层钻进时，0.5～2m/h。钻进过程中要有专人负责钻头进尺速度和成孔记录。成孔记录应详细记录地层变化、钻进过程中出现的有关问题、处理措施及效果等，机长和验收人必须在钻孔记录上签字。
4.2.4 测定入岩深度 按照设计要求，桩端入持力层为④层基岩：泥岩或砂岩，入岩深度有1m、2m、3m和0.8m四种。为确保入岩深度，保证桩端承载力，在施工中采取2次取样鉴定的方法进行施工。
①对照地质勘察报告，以地形图中的等高线、平面图中的平面位置和相邻桩的入岩深度作为参考，结合钻机震动发声、钻机进尺进度记录进行分析，用均匀布置在钻头上的三个直径为50mm钢管进行第1次水下取样，进行鉴定，以确定初次入岩时间及深度。②当钻至规定深度后，采用长2-3m的捞渣筒进行取样。将筒内的杂物清理干净，然后从筒底取出筒内岩屑，用清水冲洗干净供岩性鉴定用，确定入岩深度，岩样留置封存。
4.2.5 排渣技术 当钻进达到终孔深度，且后续工作能够顺利衔接时，经现场监理工程师确认后，进行清孔。清孔初期，应将泥浆池中岩渣再次清理一遍，然后继续保持使用原有的浓泥浆通过潜水砂石泵循环一段时间后，开始向泥浆池中加入清水，并在孔口用筛网过滤泥浆中的岩渣，以便孔内沉渣尽量多地被携带排出。
钢筋笼安放、导管下发完毕后，采用反循环方法进行清孔，逐步调整泥浆指标至浇灌混凝土所要求的标准：比重小于1.25，粘度≤28s，含砂率≤8%，并最终保证孔底沉渣厚度小于5cm。
5 存在问题
①提高操作人员的素质，由于操作人员没有经过专业培训，操作不熟练，发生异常时不能迅速准确地予以解除，故辅助钻进时间占了很大比重，影响了纯钻进时间，这方面应有较大潜力可挖，从而进一步提高施工效率。②钻具方面：第一根导管太短，在冲击或提拉钻头时，钻头碰接箍，导管易被冲断。另外排渣管接头装卸较困难，工作过程中易脱落，建议厂家进一步改进设计。③卵砾石堵阀、上胶管漏气、砂石泵真空起动难掌握等问题都有待进一步研究。
6 结束语
本工程通过成孔护壁和堵漏技术，并严格过程控制共完成基桩1735根，漏浆严重的钻孔仅55根，平均充盈系数为1.32。与此地区同类施工相比，仅灌注桩灌注混凝土的充盈系数就降低了0.2，节约了成本约3992×400≈160万元，经济效益显著。同时，通过722根低应变检测、115根超声波检测、10根钻孔取芯和90根高应变检测，桩身质量全部达到设计要求，优良品率达到95.8%。
参考文献：
[1]沈保汉.桩基础施工新技术专题讲座（二十六）：冲击钻成孔灌注桩.工程机械与维修，2013（1）：138-145.
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