双动力头强力钻机在海滨复杂地质下硬切割咬合桩中的应用

林金江

福建第一公路工程集团有限公司，福建 泉州 362000

本文以福建沿海地区某公路工程的下穿通道雨水泵站基坑支护的咬合桩的应用为背景，通过对咬合桩施工工艺的对比研究分析，系统归纳整理了海滨地区复杂地层中双动力头强力多功能钻机在硬切割咬合桩施工过程中的控制要点。

1 工程概况

沿海地区某公路工程的下穿通道的雨水泵站，该泵站处于海滨，距离海岸线距离不足20m，泵站建筑面积1947.78m2，泵站咬合桩外围尺寸为40.2m×23.9m 的异型。基坑现状地面绝对标高为8m，泵站结构的正负零相对标高对应的绝对标高为8.3m。

该泵站基坑主要采用Ф900mm 排桩+钢支撑支护，咬合桩采用钢筋混凝土桩与素混凝土桩间隔布置并咬合的形式，咬合长度为250mm（局部有调整，咬合长度不小于250mm），支护桩桩长25m，基坑深度19m，嵌入基坑底6m，咬合桩桩底位于全风化花岗岩层，原设计图纸上咬合桩采用软咬合工艺，钢筋混凝土桩采用C30 微膨胀混凝土（以下简称“荤桩”），素混凝土桩采用C20 超缓凝混凝土（以下简称“素桩”）。咬合桩布置如图所示：

根据地质钻探报告，各土层分布自上而下描述如下：

（1）素填土层，松散状，以粉质黏土为主，层厚7m 左右.

（2）中砂层：中密状，层厚10 m 左右

（3）粉质黏土层：可塑性，层厚4.5m 左右

（4）孤石层：位于粉质黏土层中，层厚0.5～1.5m 左右

（5）全风化花岗岩层：手捏易散，遇水易崩解，岩体极破碎，为极软岩。层厚4m 左右。

根据地质钻探报告揭露，地下水按其埋藏条件大致可分为潜水，孔隙、网状裂隙水两种类型。潜水层主要赋存于素填土层，勘察期间测得地下水混合稳定水位绝对标高为6.1m（相对标高2.2m）,孔隙、网状裂隙水主要赋存于中砂层、全风化花岗岩层中，其中中砂层透水层，富水性好，属强透水层，中砂层、全风化花岗岩层在动水压力下容易出现塌孔，流沙现象［1］。

基于上述地质条件，咬合桩的施工主要难点在于咬合桩较长，垂直度控制要求高，中砂层、全风化花岗岩层在涨退潮的动水压力下容易出现塌孔、流沙现象，地层透水性极高且地下水与海水相通，位于粉质黏土层中的孤石层穿透困难等。

2 施工工法的选择

原设计方案中的咬合桩采用软咬合施工，软咬合桩施工工艺较成熟且有很多成功的施工案例。但根据本项目现场实际情况，其施工工艺有以下不足：

（1）咬合施工中止水效果的成败主要依托于超缓凝剂的效用，如因各种因素引起荤桩成桩时间超过超缓凝混凝土的初凝时间，极易造成咬合桩漏水、断桩，严重影响了基坑安全，后续因处理事故桩需采取各项措施，易造成较大的经济损失和工期影响。

（2）素桩采用超缓凝混凝土，有利于荤桩的咬合切割，但本项目施工区域的水文地质环境恶劣，地下水受潮汐作用明显，超缓凝混凝土在动水的反复冲刷下，易造成素桩桩身混凝土质量不合格。

（3）工荤桩的过程中，由于素桩尚未终凝，在穿越中砂层、全风化花岗岩层或套管垂直度偏差超过设计要求且需将套管拔出重新钻进时、易发生素桩混凝土管涌进入套管内的现象，影响咬合效果和成桩质量。

（4）桩施工中穿越孤石层时，由于套管对孤石层的挤压切割，极易造成孤石及沙土侵入尚未初凝的素桩，造成素桩断桩及止水帷幕漏水。

基于以上软咬合工法不足之处，经与设计单位深入沟通确认后，本项目咬合桩施工拟采用硬切割咬合桩工法。硬法切割咬合桩是在软咬合桩工法基础上，素桩灌注普通混凝土，荤桩采用硬切割素桩成桩，施工步骤大致与软咬合桩工法相同。这种工法从理论上讲有三大优势。

（1）切割咬合时无须使用超缓凝混凝土，避免了采用软咬合时素桩混凝土管涌现象，且超缓凝混凝土成本较高，也节约了施工成本。

（2）用硬切割工艺，荤桩成桩时间可控，避免了荤桩施工时超过超缓凝混凝土的初凝时间而引起的各种施工病害。

（3）备超强切削能力的成孔机械可以解决穿越深度较深的孤石层和切削强度等级C20 以上混凝土时存在的施工问题。

综上所述，硬切割咬合桩工法可以扩充既有的咬合桩的施工技术，并提高在复杂地质成桩的施工工法的选择，并降低了施工成本。

3 硬法切割咬合桩机械对比选择

（1）360°全回转套管机＋旋挖机：360°全回转套管机无需采用泥浆护壁，切削能力一般，垂直精度高，成孔直径标准，充盈系数小，节约混凝土。但360°全回转套管机施工效率较低，施工成本较高。

（2）双动力头强力多功能钻机＋旋挖机：双动力头强力多功能钻孔机为双动力头可分离式钻机，内动力头与外动力头能同轴逆向旋转，使扭转反力自平衡；双动力头可上下任意分离、相对运动、逆向旋转分别驱动内侧螺旋钻头和外侧套管钻孔，在配置多套外套管时可同时开挖多根桩，提高了机械的利用率。

双动力头强力多功能钻孔机无需采用泥浆护壁，成孔直径标准，垂直精度高，充盈系数小，节约混凝土，外动力头带动的外套管能够实现大扭矩的掘削钻进，特别是能在孤石层及坚硬岩石层等复杂地层和切削强度等级C20 以上混凝土时高效率钻进，在钻进硬岩石层时，螺旋钻头更换成带牙轮筒钻头的旋挖机嵌岩，又可保证施工进度。且施工成本相对360°全回转套管机低［2］。

由以上分析可见，“双动力头强力多功能钻机＋旋挖机”可以适应高地下水位，上部砂层下部有孤石层的硬切割咬合桩的施工，既能提高钻进效率，降低施工成本，又能保证施工质量，保证止水效果。

经过多方面因素考虑，本项目最终选用双动力头强力多功能钻机+旋挖钻机配合进行硬切割工法的咬合桩施工。

4 硬切割咬合桩主要工艺流程

硬切割咬合桩与传统软咬合桩施工步骤基本一致，采用间隔跳打，先施工素桩，等相邻两侧的素桩混凝土达到一定强度后切割素桩成孔荤桩，然后浇筑荤桩混凝土成桩。

施工顺序如下：场地平整→测量放样→施工导墙（导墙强度达到设计强度70%）→钻机就位→套管及螺旋钻头双动力钻孔→旋挖钻清除孤石→清孔→吊放钢筋笼（荤桩）→安装导管→灌注水下混凝土→拔出导管→起拔套管。

5 硬切割咬合桩主要控制要点

5.1 垂直度控制

钻孔施工前将套管的顺直度偏差控制在1‰～1.5‰以内，正式钻孔前通过设备自带仪表及全站仪校核套管垂直度，确保套管垂直度控制在设计要求的3‰以内。

5.2 纠偏

成孔过程中应加强量测，每钻进2m 必须校核一次套管垂直度，当套管垂直度偏差超过设计要求时，先利用钻机自身纠偏，如调整后垂直度还不能满足设计要求，可缓慢拔出套管，拔出套管时应向孔内注水，以防止出现土体管涌现象，直至提升到上次垂直度检查合格的位置后，重新校核垂直度合格后方能重新缓慢钻进。

5.3 孤石层钻进

当钻进过程中遇到孤石层时，外套管应缓慢钻进孤石层，确保套管的垂直度，钻穿孤石层后，将钻机的螺旋钻头更换成带牙轮筒钻头旋挖钻机进行嵌岩。

5.4 荤桩钻进

当素桩混凝土强度越高，荤桩钻入速度越慢，机械损耗越大，施工时间也越长；当素桩的强度太低时，荤桩钻入时容易造成素桩受切割扰动损坏。

经施工现场试验确定，当素桩混凝土强度达到设计强度的50%～60% 时，切削素桩时素桩受扰动破坏小、咬合面连接较好，止水效果好，切削较为顺利，荤桩的垂直度更容易控制。因此荤桩应选择当相邻两根素桩混凝土强度全部达到设计强度的50% 以上时方可进行施工［3］。

另一方面，当相邻的两根素桩的强度相差较大时，荤桩施工过程中垂直度控制难度加大，施工时应放慢钻进速度，加强垂直度控制，确保施工质量。

5.5 防止出现管涌措施

本工程位于近海海滨区域，约10m 厚的中砂层透水性强，套管在下压取土过程中，套管外的砂土容易大量进入套管内，套管外的地层被掏空，混凝土浇筑后拔出套管时，混凝土填充掏空位置，造成桩身扩孔严重，影响后续的基础施工且浪费混凝土。因此咬合桩施工时必须使套管底比套管内土面深3～4 m，必要时向孔内注水，以防止出现土体管涌现象。

5.6 清孔

清孔时应将套管壁上孔内虚土和沉渣清除干净，并用旋挖钻机夯实孔底，防止因孔壁的虚土进入桩身造成桩身夹泥现象，引起咬合桩漏水。

6 施工效果检验

2020 年8 月20 日本项目完成了下穿通道的雨水泵站的基坑开挖工程，根据基坑开挖结果显示：除两处因土体管涌形成咬合桩桩径变大侵入基坑内需凿除和一处轻微渗水点外，咬合桩止水效果良好，桩身检测及垂直度满足设计要求，基坑围护结构安全稳定。

7 结语

本项目在雨水泵站咬合桩施工过程中，结合现场实际情况，经过研究分析并在施工中证明了双动力头强力多功能钻机在硬切割咬合桩在海滨、高渗透、深基坑、复杂地质等条件下的应用确实可行。硬切割咬合桩与软咬合桩对比具有工程成本低、适应海滨复杂地质、工序简单可控等优点。