0 引言

　　由于在填海造陆形成的填石区域灌注桩施工难度较大，目前国内尚无完善的施工工法，导致桩基施工困难，施工成本较高，且存在较大的质量隐患^[1]。因此，研究适用于填海造陆区的桩基施工工艺，提高行业的施工水平是目前亟需的要求。目前，我国针对潮汐+超厚填石地层条件下的超长灌注桩施工尚未有成体系的工法和较为完善的施工工艺，针对潮汐对成孔的影响也未有数据性的总结及相应的解决措施。

　　本文以深圳太子湾综合发展项目基坑工程为依托，通过对超厚填石造陆区钻孔灌注桩施工工艺的对比分析及现场试桩试验，总结优化了冲击钻+旋挖钻施工工程桩、全回转钻机施工支护桩的施工工艺，实施效果良好，特别适用于超厚填石层工况下的钻孔灌注桩成孔施工。

　　1 工程概况

　　深圳太子湾综合发展项目基坑工程位于深圳市南山区蛇口太子湾填海区DY04-04地块，场地三面环海，填海前原始地貌为滨海滩涂，后经人工填海改造，回填至现状标高，从上至下依次为填石层、素填土层、淤泥、粉质黏土、淤泥质黏性土、砾砂、全风化岩、强风化岩、中风化岩。据搜集的填海资料显示，填石下部是挤淤回填，上部是堆载预压回填，回填成分主要为人工填石，局部夹杂素填土。其中，填石层是由填海时抛石挤淤形成，堆填时间约10年，主要由中～微风化花岗岩块石组成，大小不一，块石直径多为20～50cm，大者可达200cm，含量>50%，揭露层厚11.5～24.6m，平均层厚17.3m，块石间为碎石、角砾及黏性土填充。

　　项目基坑占地面积约32 583m²，长约310m，宽约95m，开挖深度约13m，土方量约38万m³，为一级深大基坑，支护形式采用咬合桩+1道钢筋混凝土内支撑，咬合桩直径1.2m，桩长27～32m。基础采用桩基础，桩径为1.2m和1.5m，其中桩径1.2m工程桩最小桩长65m或入持力层(中风化岩) 3m，桩径1.5m工程桩最小桩长70m或入持力层(中风化岩) 4m。基坑支护结构剖面如图1所示。

　　

　　图1 基坑支护结构剖面  

　　 

　　2 灌注桩成孔工艺对比分析

　　针对超厚填石层超长灌注桩成孔施工，目前可选的成孔工艺主要有冲击成孔、旋挖钻孔、全套管全回转钻孔等。

　　2.1 冲击成孔

　　冲击成孔是采用冲击式钻机或卷扬机悬吊冲击钻头，在桩位上下往复冲击，将坚硬土或岩层破碎成孔，部分碎渣和泥浆挤入孔壁，剩余碎渣采用掏渣桶或泥浆循环运至孔外的成孔方式(见图2)。该方法破碎岩土和大直径卵砾石所消耗的功率小，破碎效果好，同时冲击土层时冲挤作用形成的孔壁较为坚固，设备简单，操作方便，机械故障少，钻进参数容易掌握;但其钻进速度较低，随着桩长增加，掏渣时间和孔底清渣时间相对较长，且桩孔扩孔率较高，遇到地层不均时容易出现斜孔、卡钻和掉钻等事故^[2]。

　　2.2 旋挖钻机成孔

　　旋挖钻机成孔是在泥浆护壁的条件下，旋挖钻机上的转盘或动力头带动可伸缩式钻杆和钻杆底部的钻头旋转，用钻斗底端和侧面开口上的切削刀具切削岩土，同时切削下来的岩土从开口处进入钻斗内。待钻斗装满钻屑后，通过伸缩钻杆把钻头提到孔口，自动开底卸土，再把钻斗下到孔底继续钻进。如此反复，直至钻到设计孔深(见图3)。与冲击成孔相比，旋挖钻机成孔具有成孔速度快的特点，其工艺优点如下。

　　

　　图2 咬合桩冲击成孔施工流程  

　　 

　　1)因成孔过程中孔壁一直受钻头刮擦，孔壁不易产生较厚的泥皮，有助于增加桩的摩阻力，提高桩的质量。

　　2)取土速度快，成孔效率明显高于冲击钻机。

　　3)桩孔的垂直度、孔径、标高及孔底沉渣均能较好控制，对确保工程质量非常有利。

　　但其存在因不易形成泥皮，护壁性能相对较差，容易出现颈缩、塌孔等现象，且设备费用高，施工成本比冲击成孔高，在砂卵石层、填石层钻进困难等缺点^[3]。

　　2.3 全套管全回转钻机成孔

　　全套管全回转钻机成孔工艺原理为:利用全套管全回转钻机回转装置的回转使钢套管与土层间的摩阻力大大减少，边回转边压入，同时利用冲抓斗、冲击锤挖掘取土或旋挖钻取土，直至套管下到桩端持力层为止(见图4)。与其他成孔工艺相比，全套管全回转钻机具有以下优点。

　　1)成孔效率高，当遇到较坚硬的大面积地下障碍物时，全回转钻机成桩过程中可以直接清除地下岩层及障碍物，达到一次性成孔。

　　2)全套管全回转钻机施工中本身具有止水护壁功能，无需另加护壁措施，是一种节能环保的施工工艺。

　　

　　图3 旋挖成孔施工流程  

　　 

　　

　　图4 全套管全回转成孔施工流程  

　　 

　　3)孔内所取泥土含水量较低，方便外运，而且无泥浆污染环境的忧虑;施工现场整洁文明，市区内以及场地狭小的项目施工极为合适。

　　4)全套管全回转钻进与其他掘进方法比较，有效防止了孔内流砂、涌泥，并可进行嵌岩^[4]。

　　2.4 成孔工艺综合分析(见表1)

　　  

　　表1 桩基成孔工艺对比 

　　 

　　 

　　

　　表1 桩基成孔工艺对比

　　3 试桩分析

　　本工程场地位于填海造陆区，支护桩、工程桩均需穿过填石层，其中填石层主要由中～微风化花岗岩块石组成，属较不稳定土体。

　　初步拟定支护咬合桩咬合形式为软咬合，先施工B型桩(素混凝土桩)，后施工A型桩(钢筋混凝土桩)的施工顺序(见图5);施工时，A型桩必须切割B型桩，采用超缓凝混凝土延缓B型桩初凝时间，缓凝时间不低于72h^[5]。

　　

　　图5 咬合桩施工顺序  

　　 

　　图5中，B1桩为砂桩，施工顺序为:B2→A1→B3→A2→B4→A3。工程桩采用旋挖钻机成孔配合气举反循环清孔的施工工艺^[6,7]。

　　针对工程桩、咬合桩施工，在工程施工前选用各成孔工艺进行试桩施工，具体情况如下。

　　3.1 冲击成孔试桩分析

　　超厚填石层地质条件下，支护咬合桩拟采用冲击成孔施工，通过采用冲击钻机进行试桩施工，90h累计进尺20m，结果显示冲击钻机施工工效低，不符合咬合桩软咬合的要求，且钻进过程中遇泥浆渗漏、填石层塌孔严重。

　　3.2 旋挖钻机成孔试桩分析

　　针对冲孔钻机成孔工效低，更换成孔机械为250型旋挖钻机后再次进行试桩施工，钻进过程中遇泥浆渗漏、填石层塌孔严重，加上处理泥浆渗漏、塌孔等问题，32m孔深综合成孔时间达77h，不符合咬合桩软咬合的要求;再次更换420型大旋挖钻机进行试桩施工，78m孔深综合成孔时间为44h，可满足咬合桩软咬合施工要求。

　　试桩结果显示420型以上旋挖钻机可满足施工要求，但受海洋潮汐影响，填石层孔壁泥浆护壁难以形成，泥浆渗漏、塌孔等问题未得到有效解决。

　　3.3 全套管全回转钻机成孔试桩分析

　　针对旋挖钻机成孔过程中遇到的难以形成泥浆护壁，漏浆、塌孔等严重问题，采用全套管全回转钻机进行试桩施工。选用DTR2106H全套管全回转钻机，结果显示32m孔深综合成孔时间为15h，满足咬合桩软咬合的施工要求，且全套管全回转施工过程中无需制浆，安全环保，全套管代替泥浆进行护壁，成孔质量好。但全套管全回转钻机成孔综合成本较高。

　　3.4 试桩工效及工期影响分析

　　3.4.1 试桩工效分析

　　根据试桩施工成孔所需时间及孔底深度，各工艺试桩工效如表2所示。

　　  

　　表2 试桩施工成孔分析 

　　 

　　 

　　

　　表2 试桩施工成孔分析

　　3.4.2 工期影响分析

　　本工程工期紧张，支护桩及工程桩的施工进度是本工程的工期关键线路，直接影响本工程的竣工时间。因填石层孔壁不稳定，受海洋潮汐影响难以形成泥浆护壁导致的漏浆、塌孔事故频发，轻则影响成孔效率，造成埋钻、卡钻等事故，重则影响桩基施工质量，加之桩基施工高峰阶段处于深圳市雨季，雷电、台风多发，严重影响现场施工。所以本工程急需研发一种新的咬合桩、工程桩施工工艺。

　　4 成孔工艺

　　4.1 方案初选

　　考虑在工程桩施工中采用旋挖钻机配合18m长护筒打穿岩石层插入不透水层，在填石层使用钢护筒护壁代替泥浆护壁，能有效保证工程桩成孔质量，但如何使长护筒穿过块石含量>50%的填石层是采用本工艺的关键。

　　4.2 方案优化

　　通过综合分析比选，最终确定工程桩采用冲击钻冲破填石层后插打18m长护筒+旋挖钻机接力成孔的施工工艺。针对冲击钻孔成孔效率低、与旋挖钻机工效不匹配的问题，结合现场施工情况，每台旋挖钻机配备3台冲孔钻机，2个长护筒。

　　结合试桩施工结果，本工程咬合桩咬合形式改为硬咬合，使荤桩施工不受软咬合的限制，可先大面施工素桩，再切割素桩施工荤桩。素桩采用冲击成孔，荤桩采用旋挖钻机切割素桩成孔的施工工艺。但在施工过程中，受上部超厚填石层地质条件限制，加上海洋潮汐影响，素桩成孔过程中塌孔、斜孔、漏浆现象非常严重，因冲击成孔工艺自身特点，桩孔扩孔明显，桩身混凝土充盈系数偏大，在后期基坑开挖后存在非常严重的桩身鼓包现象。采用旋挖钻机切割素桩进行荤桩成孔时，因素桩扩孔严重，旋挖钻机切割素桩成孔工效严重降低，加上工期压力大，采用冲击钻+旋挖钻施工不能满足施工要求，需调整选择更为适合的施工工艺。

　　全套管全回转钻机作为更先进的成孔工艺，成孔效率高，非常适合本工程履约压力大、填石层常规工艺成孔难的情况，故综合对比分析工期、成本、质量等因素，选取在支护咬合桩施工中采用冲击钻施工素桩+全套管全回转钻机施工荤桩的工艺。

　　5 方案实施

　　5.1 咬合桩成孔

　　5.1.1 素桩冲击成孔

　　成孔工艺:施工准备→测量放样→埋设护筒→安装钻机→钻机钻进→检孔(见图6)。

　　

　　图6 咬合桩冲击成孔 

　　 

　　1)埋设钢护筒

　　护筒内径应适当大于设计桩径，具体数值应根据采用的钻机类型确定。护筒顶面宜高出施工水位或地下水位2.0m，并高出施工地面0.3m，其高度应满足孔内泥浆面高度的要求，护筒顶面中心与设计桩位偏差≤5cm，倾斜度≤1%。

　　2)造浆

　　开挖泥浆池，选择和备足良好的造浆黏土或膨润土，造浆量为2倍的桩混凝土体积，泥浆密度可根据钻进不同地层及时进行调整。泥浆原料宜选用优质黏土，有条件时，应优先采用膨润土造浆。为提高泥浆黏度和胶体率，可在泥浆中掺入烧碱或碳酸钠等添加剂，其掺量应经试验决定。造浆后应试验全部性能指标，钻进中应随时检验泥浆密度和含砂率。

　　3)钻孔

　　安装钻机前，应对主要机具及配套设备进行检查，底架应平整稳定，不得产生位移和沉陷。钻机顶端应用缆风绳对称拉紧，钻头和钻杆中心与护筒中心偏差≤3cm。

　　开始钻进时，进尺应适当控制，在护筒刃脚处，应低挡慢速钻进，使刃脚处有坚固的泥皮护壁。钻至刃脚下1m后，可根据土质情况以正常速度钻进。如护筒外侧土质松软发现漏浆时，可提起钻锥，向孔中倒入黏土，再放下钻锥倒转，使胶泥挤入孔壁堵住漏浆孔隙，稳住泥浆继续钻进。

　　在砂类土或软土层钻进时易坍孔，宜选用平底钻锥、控制进尺、轻压、低挡慢速、大泵量、稠泥浆钻进。

　　泥浆补充与净化:开始前应调制足够数量的泥浆，钻进过程中，如泥浆有损耗、漏失，应进行补充。按时检查泥浆指标，遇土层变化应增加检查次数，并适当调整泥浆指标。

　　每钻进2m或地层变化处，应在泥浆槽中捞取钻渣样品，查明土类并记录，及时排除钻渣并置换泥浆，使钻锥经常钻进新鲜地层。同时注意土层的变化，在岩土层变化处均应捞取渣样，判明土层并记入记录表中以便与地质剖面图核对。

　　4)检孔

　　成孔后检查孔深、孔径、倾斜度，合格后方可进入下一道工序。孔深≥设计孔深，并进入设计土层;孔径≥设计孔径;倾斜度≤0.3%孔深。

　　5.1.2 荤桩全套管全回转钻孔

　　成孔工艺:钻机就位→吊放首节套管→测量首节套管垂直度→压入首节套管→抓斗取土→压入第2～n节套管并抓斗取土至设计孔底标高。

　　1)全套管全回转钻机就位

　　根据测放的桩位，利用履带式起重机吊放全回转钻机就位。首先吊装基板就位，并使基板中心与桩位中心重合;接着用履带式起重机将全套管全回转钻机吊放在基板正上方，要求钻机就位时，底盘回转中心应与桩中心重合，偏差≤20mm。钻机就位后，将反力叉、反力架、配重等辅助设备与钻机相连接。采用自动水平调整机构调节钻机底盘水平。

　　2)吊装第1节套管

　　全回转主机就位后，利用履带式起重机吊放第1节钢套管在钻机夹紧机构中，测量并调整套管垂直度满足要求。

　　3)回转套管钻进

　　套管中心和垂直度满足要求后，钻机回转并下压套管钻进，压入深度约为2.5～3.5m后，用履带式起重机升降冲抓斗在套管内冲抓取土，一边抓土、一边回转下压套管，保持套管底口始终超过开挖面约2.0m，第1节套管全部压入土中后(套管高出地面约1.5m，便于接套)，检测套管垂直度，符合要求后进行接管。

　　全套管钻进时应始终保持套管底超前开挖面的深度在2.5m以上，使套管底部形成一定深度的“土塞”。其目的主要是防止套管周围的地下水或泥砂从套管底部涌入。

　　套管底口位于地下水位后，往套管内注水，保持套管内外水土压力平衡，防止套管底口涌砂。然后边回转压入套管，边冲抓取土，并不断向套管内补充水，直至达到设计孔深。

　　抓土过程中，随时监控检测和调整套管垂直度，发生偏移及时纠偏调整。

　　钻进过程中，若遇块石时，可利用套管靴切削的同时将块石压住，换用冲锤在套管内将块石冲击破碎，然后再用抓斗抓出。

　　4)检孔

　　钻孔清孔完毕后，检查成孔质量，包括桩径、孔深(测绳量测)和垂直度(允许偏差:<0.3%)、桩位等，做好钻进施工记录。

　　5.2 工程桩成孔

　　成孔工艺:短护筒定位埋设→泥浆制备→冲击成孔施工→冲破填石层后埋设长护筒→旋挖钻机就位→接力成孔→成孔检验(见图7)。

　　5.2.1 短护筒定位埋设

　　护筒长度选用5m，以保证孔口的稳定性，防止上部漏浆情况发生，十字护桩必须经过现场技术人员复核无误方可允许埋设护筒。护筒与孔壁之间用黏土挤密夯实，以增大护筒的侧壁摩阻力，确保护筒的稳固，从而有利于孔口的稳定。护筒埋设应准确、稳定，护筒中心与桩孔中心偏差≤50mm，竖直线倾斜≤1%，护筒宜高出地面0.3m，护筒周围用黏性土夯实。施工中，护筒的埋设采用钻机静压法完成。首先正确就位钻机，使其机体垂直度和桩位钢筋条三线合一，然后在钻杆顶部带好筒式钻头，再用起重机吊起护筒并正确就位。

　　5.2.2 泥浆制备

　　成孔过程中，为确保孔壁的稳定性，本工程钻孔采用泥浆护壁成孔工艺。由于成孔时间较长、孔深较深，要求桩孔底沉渣厚度≤50mm，孔底500mm以内的泥浆相对密度应<1.25，含砂率8%，黏度≤28s。

　　

　　图7 工程桩成孔工艺  

　　 

　　1)泥浆制备

　　本工程所使用泥浆采用复合型膨润土和自来水为原材料搅拌而成，通过添加CMC,Na₂CO₃对泥浆性能进行调整，在渗漏严重部位可添加锯末等纤维物质进行堵漏。护壁泥浆在使用前，应进行室内性能试验，施工过程中根据监控数据及时调整泥浆指标。如果不能满足孔壁土体稳定，须对泥浆指标进行调整。

　　2)泥浆循环与再生

　　成孔施工时，泥浆受到土体、混凝土和地面杂质等污染，其技术指标将发生变化。因此，从孔段内抽出的泥浆依据现场试验数据，将泥浆分别回送至循环浆池和废浆池内。混凝土浇筑过程中同样采用泥浆泵回收泥浆，回收泥浆性能符合再处理要求时，将回收泥浆抽入循环池，当泥浆性能指标达到废弃标准后，将回收泥浆抽入废浆池。循环过程中采用除砂器降低泥浆的含砂率，保证成桩质量。

　　3)冲击钻冲破填石层

　　利用冲击钻机提升0.5～4m的高度自由落下，反复冲击土层，在冲击过程中用泥浆进行护壁。

　　4)长护筒安装

　　长套管(护筒)采用500k W以上的振动锤沉放，场内套管起吊和运输采用履带式起重机进行，长护筒插打完成后需现场测量工程师复核无误后方可进行后续施工。

　　5)旋挖钻机就位

　　钻机平台处必须碾压密实，将旋挖钻机行驶到需要施工的孔位，调整钻杆角度，将钻头中心与钻孔中心对中，并放入孔内，调整钻机垂直度参数，使钻杆垂直，旋挖钻机底盘为伸缩式自动整平装置，并在操作室内有仪表准确显示电子读数，当钻头对准桩位中心十字线时，各项数据即可锁定，无需再作调整。钻机就位后钻头中心和桩中心应对正准确，误差控制在20mm内。

　　6)钻孔

　　当钻机就位准确后开始钻进，钻进时每回次进尺控制在60cm左右，刚开始要放慢旋挖速度，并注意放斗要稳，提斗要慢，特别是在孔口5～8m段旋挖过程中要注意通过控制盘来监控垂直度，如有偏差及时进行纠正。

　　操作人员随时观察钻杆是否垂直，并通过深度计数器控制钻孔深度。当旋挖斗钻头顺时针旋转钻进时，底板的切削板和筒体翻板的后边对齐。钻屑进入筒体，装满一斗后，钻头逆时针旋转，底板由定位块定位并封死底部的开口，之后再提升钻头到地面卸土。开始钻进时采用低速钻进，主卷扬机钢丝绳承担不低于钻杆与钻具质量之和的20%，以保证孔位不产生偏差。钻进护筒以下3m可以采用高速钻进，钻进速度与压力有关，采用钻头与钻杆自重摩擦加压，150MPa压力下，进尺速度为20cm/min;200MPa压力下，进尺速度为30cm/min;260MPa压力下，进尺速度为50cm/min。

　　钻进时，开启钻机将钻筒中心对准设计桩位中心，先将钻头垂吊稳定后，再慢慢导正下入井孔，然后匀速下放至作业面，液压装置加压，旋转钻进，操作室内显示进尺及钻头位置，按轻压慢钻的原则缓缓钻进;钻渣通过进渣口进入钻筒，同时向孔内注入泥浆，根据屏显深度，待确定钻筒内的钻渣填满后，反转后即可关闭进渣口。提升钻杆带动钻筒，同时继续向孔内注入泥浆，确保孔内水头压力，将钻筒提出孔外，提钻时开始要缓慢，提离孔底数米后，如未遇到阻力，方可加速按正常速度提升至井口，利用液压系统将筒门打开，排除钻渣，如此反复，直至设计标高。

　　钻进中如发现有塌孔、斜孔时及时处理，发现颈缩时，经常提动钻具，上下反复修扩孔壁。施工过程中可以通过钻机本身的三向垂直控制系统反复检查成孔垂直度，确保成孔质量，根据地质情况控制钻进速度，但每次钻进深度不宜超过0.5m。

　　7)检孔

　　钻孔至设计标高以后，应及时捞取钻渣，根据掏渣岩样特征、钻孔记录和钻进速度等综合判断该孔能否终孔，当确认达到设计要求的嵌岩深度时，可以终孔。桩端下岩层厚度不能满足设计持力层厚度要求时，不能终孔，应进入连续稳定的基岩中^[8,9]。

　　6 优化效果分析

　　6.1 施工质量

　　1)咬合桩施工质量

　　本工程咬合桩施工完毕后，根据设计要求对荤桩总量的20%(92根)进行超声波检测桩身完整性，结果显示，桩基施工质量良好，其中Ⅰ类桩88根(占比95.65%)，Ⅱ类桩4根(占比4.35%)，未发现Ⅲ类桩;土方开挖阶段未发现大渗漏点，桩间咬合情况良好。

　　2)工程桩施工质量

　　采用冲击钻机冲破填石层后埋设长护筒+旋挖钻机接力成孔工艺，有效解决了填石层采用单一成孔工艺钻进慢，易塌孔、斜孔等现象，且有效地解决了因填石层渗透系数大导致的泥浆渗漏严重，受海洋潮汐影响孔壁难以形成泥浆护壁的难题，成孔效果好。后期桩基检测结果显示，Ⅰ类桩占比达97.2%，Ⅱ类桩占比仅为2.8%，无Ⅲ类桩。

　　6.2 施工工效

　　1)咬合桩

　　根据工程开工时总进度计划，采用冲击成孔施工咬合桩时，咬合桩施工有效天数为289d，工期履约压力大。项目前期配备冲孔钻机16台，460旋挖钻机2台进行施工，在施工至设计总量的60%时，工期已滞后38d。

　　为确保工程履约，通过更改咬合形式，引进5台更为先进的DTR2106H全套管全回转钻机后，咬合桩施工进度大幅提升，日成桩数量由原先的每天3根提升至每天8根，不但弥补了前期滞后的工期，还压缩了咬合桩施工阶段总工期，实际总工期为280d。

　　2)工程桩

　　工程桩施工有效天数140d，工程桩日均最小成桩量≥6根。工程配备11台460型以上旋挖钻机11台，冲孔钻机33台，长护筒22个。采用冲击钻冲破填石层后插打18m长护筒+旋挖接力成孔工艺，有效解决了冲孔钻机成孔工效低、钻挖钻机填石层易卡钻等困难，不但保证工程桩按期完工，还将工程桩施工工期压缩至125d。

　　7 结语

　　本工程针对沿海地区填石层地质条件复杂、渗透系数大、地下水受海洋潮汐影响严重等特点，特别优化咬合桩、工程桩施工成孔工艺，使得咬合桩、工程桩成孔效率大幅提升，且有效避免了在超厚填石层地区钻孔时进尺慢、易塌孔、斜孔及泥浆渗漏严重等质量问题，经工程实际应用后取得了良好的经济与社会效益，也为以后在此类地区施工钻孔灌注桩施工提供有益借鉴。