钻孔灌注桩是当今建筑工程中被广泛选择使用的桩基形式, 其施工工艺已被广大施工单位熟知并推广, 且具有一套成熟完善的控制标准和施工规范。但是常规设备所使用的“正循环”及“反循环”工艺存在下列问题。

1) 壁的稳定性不足, 从而造成成孔垂直度偏差较大或孔径不稳定。

2) 单桩施工周期长, 且设备产生的噪声较大, 在城市中心的工地使用容易产生扰民的情况。

3) 工艺所产生的泥浆量巨大, 现场文明施工难以控制, 需要投入不必要的人力及时保持场地整洁。

4) 需要外运的泥浆量大, 场地较小的工地必须每日安排外运泥浆, 影响工期。

切削式工艺很好地解决了以上问题。2015年上海市浦东国际机场三期扩建工程卫星厅工程由于其地理条件的特殊性 (紧邻已使用的机场) , 对施工时间及保持机场正常运营要求相当高, 因此采用切削式工艺。

在整个桩基工程中, 切削式钻孔灌注桩工艺很好地完成了施工任务, 其相对于传统工艺具有以下优点。

1) 机械化程度高, 大大降低了人工作业量。

2) 钻成孔速度快, 成孔精度高、孔径稳定。

3) 泥浆分离后, 过滤出来的循环浆全部集中在定制的泥浆筒仓内, 施工现场相对整洁, 文明施工得到控制。

4) 通过重力式泥浆分离器, 提高了泥浆循环使用的次数, 并且把泥浆中的土有效分离, 使得施工过程中外运的泥浆量大大减少。

5) 设备高度较低且可以通过改造调整, 适用于低净空的场地。

通过比较发现切削式工艺明显更适用于场地、时间和质量要求相对较高的工地, 特别适合市中心闹市区的老结构改建工程及对土体变形要求高的临近地铁的工程。

2015年底, 上海市浦东国际机场三期扩建工程卫星厅工程正式启动, 建成后的卫星厅, 将配合原有的T1, T2航站楼, 形成“主楼+卫星厅”构型。未来卫星厅S1, S2将具备年承接旅客3 800万次候机和中转功能。

由于施工场地的特殊性, 必须紧邻正在启用的机场及停机坪施工, 因此机场运营单位对桩基施工提出以下要求。

1) 尽量降低设备高度, 避免设备灯光对降落飞机产生误导作用。

2) 尽可能降低施工噪声, 避免施工对候机旅客产生不适。

3) 机场周边道路通行时间有严格控制, 泥浆外运相对困难。

4) 对场地文明施工要求严格, 需时刻保持整洁, 严禁发生泥浆流入停机坪等现象。

常规的正循环、反循环钻孔灌注桩施工工艺很难达到上述要求, 因此选择采用切削式工艺, 解决常规工艺可能产生的弊端。

本工程采用反循环切削式快速成孔、原土造浆护壁工艺, 采用商品混凝土, 钢筋笼现场制作。由机架上的动力装置驱动大直径空芯钻杆, 钻杆带动切削式钻头旋转, 形成对土体的切削。在切削土体的过程中, 将制备好的护壁泥浆注入孔中, 同时利用真空泵制造真空, 并采用吸泥泵将被钻头切削下来的条块状渣土随泥浆从钻杆内部通道吸升, 经排泥管排出, 在浆渣分离设备中处理后, 将渣土和泥浆分离, 泥浆排进立式泥浆储存罐处理后, 经回浆管重新注入孔中, 形成泥浆循环, 如图1所示。分离出的渣土外运。

本工艺的切削式快速成孔系统, 包括动力装置、空心钻杆、钻头、真空泵和吸泥泵, 动力装置与空心钻杆的后端连接, 钻头连接在空心钻杆的前端, 空心钻杆分别与真空泵和吸泥泵连接。本工艺成孔速度比常规的成孔速度提高2~3倍, 可缩短成孔周期, 具有孔底沉渣少、清孔快的显著特点。

1) 由机架上的动力装置驱动大直径空芯钻杆, 钻杆带动切削式钻头旋转, 形成对土体的切削, 利用泵吸反循环原理排泥, 抽吸能力强, 成孔速度快。

2) 切削式钻头配合大功率动力装置, 取土方式为切削, 渣土呈条块状, 可提高作业效率。

3) 钻杆采用螺纹加快速法兰连接, 增强密封性, 同时便于装拆, 省工省时。

4) 泥浆管道之间的接口采用机械式快速连接接头, 可以提高管道连接的速度, 同时可以减少人工及辅助材料的使用量。

5) 配合专用的浆渣分离设备, 将渣土和护壁泥浆分离, 利于渣土外运和泥浆的循环使用, 节能环保。

1) 本系统利用在箱体中的一套不锈钢质肋孔板传送带, 将送入的浆泥逐步提升, 提升过程中浆、水在重力作用下落至箱体底部, 通过出浆口泵送进入立式泥浆储存罐, 沉淀后的相对密度低于1.15的泥浆可重复使用;部分掉落箱底的土渣由传送带肋板再次刮入传送带提升, 最终所有土渣随传送带通过土渣出口排出至外部的集土箱。

2) 本系统箱体上设有进浆口、出浆口和土渣出口, 箱体内设有传送带, 能使泥浆中的浆水、土渣通过箱体内的传送带提升, 在重力作用下实现浆泥分离, 在浆水回收、重复使用的同时, 大大减少了泥浆排放的总量, 并避免泥浆四溢, 使施工在整洁环保、有序的条件下进行, 更有效地保证了文明施工。

1) 立式泥浆存储是一种在建设工程领域泥浆循环体系中独立使用的工具式系统装置, 该系统替代原施工现场大面积、无完善制作标准的泥浆处理池, 实现了泥浆存储、分离的设备化处理效果。较大地提高了泥浆沉淀分离的处理效果, 也提高了泥浆的使用率, 一定程度减少了泥浆总量, 也减少了水的用量和泥浆排放量, 降低了施工成本。

2) 钻机成孔中, 在重力作用下实现浆泥分离, 分离后的泥浆通过专用管道输送到本立式储浆罐。

3) 沉淀后的罐底土渣可再次转入重力式分离器分离, 也可直接作为废浆处理。

在工程开始前, 首先进行了试成孔的施工, 选取类似地质条件的地区进行了1组试成孔试验, 以此来验证新的切削式工艺是否适用于浦东机场这种要求严格、施工制约因素多的工地。

在成孔试验过程中, 从机器就位开钻至50m孔切削完成, 仅花费4h, 对比常规的GPS系列桩架, 其速度提升不止1倍。

切削过程中, 泥浆通过重力式泥浆分离器, 不停分离泥砂, 再将立式泥浆沉淀罐中经过沉淀分离的低密度泥浆不停冲入桩洞中, 全程保持泥浆相对密度在1.25左右, 省去了常规的“一清”步骤, 大大节省了施工时间。

根据试成孔报告, 成孔垂直度达到0.4%, 远低于一般设计要求的1%。孔壁稳定性极佳, 一般桩架施工直径650mm的孔, 其上部会产生一定的坍方, 局部区域扩孔到800mm以上非常普遍, 而切削式桩机却可以避免这一情况, 在静置24h后, 扩孔最大的区域孔径也未超过800mm。由于工艺的先进性, 在施工过程中不断经沉淀、置换含砂量低的泥浆进孔内, 即使免去了“一清”的工序, 沉渣依然只有9cm, 相较于普通桩架有了极大提高。

在实际施工时, 通过设备配套的重力式泥浆分离装置, 可以在施工时就将排出的废浆进行脱泥, 浦东机场所使用的第4代设备其脱泥效果达到55%~60%, 也就意味着该工艺的泥浆外运量仅为常规工艺的1/3。众所周知, 在上海, 越来越多的工地遇到泥浆外运困难的问题, 其主要原因一是外运单位为节省开销, 不在指定卸点排放泥浆, 而随意在河道肆意排放泥浆, 从而被相关部门禁止;二是指定卸点过少, 无法满足全上海工地的排放需求, 每排放一次泥浆需长时间等待。

切削式工艺可以很好地解决这些问题, 产生的泥浆量少既节约外运成本, 也可以跟迅速完成泥浆外运, 减少等待时间。置换产生的土方既可以现场利用进行桩孔回填, 外运途径及价格也远比泥浆具有优势。从绿色施工考虑, 切削式工艺也应进行大力推广。

以常规使用的GPS-10型桩架为例, 其高度在11m左右, 必须在比较空旷且没有高度限制的场地使用, 而随着时代发展, 越来越多的大城市, 其建筑趋于饱和, 没有太多的工地用于新建施工。相反, 一大批20世纪80, 90年代所建的高楼, 其地下空间利用度受到当时施工技术制约, 已经无法满足用户的需求, 越来越多的改造工程相继开工。老建筑物改造最大的制约就是限高, 大多数施工必须在原有地下室内进行, 施工净空高度一般在4~5m左右。最新研发切削式桩架相较于机场使用的第4代桩架 (高度6m) 高度更低, 完美适用于各种改建工程, 对于普通工程其施工速度也优于常规机型。因此, 切削式工艺更符合未来桩基施工的需求。

经过多个工程的应用, 特别是经过了浦东机场这样重点工程的大面积、大批量施工, 切削式工艺得到参建单位的广泛认可。

在未来的工程中, 特别是距离地铁区间近的工地以及市中心地理位置或施工条件受限的工地, 切削式工艺可以发挥其独特优势。