钻孔灌注桩自问世以来, 普遍应用于民用建筑、市政工程、水利水电及桥梁码头等工程建设中, 同时钻孔灌注桩的设计理论和施工技术也在日新月异地发展和完善。传统钻孔灌注桩施工一般采用GPS-10型钻机, 施工时钻孔作业时间长、噪声大、成孔垂直度偏差大、孔径不稳定;泥浆外运量大, 现场文明施工程度低;同时, 泥浆运输和最终处置也存在环境污染隐患, 这些问题会对周围环境造成很大影响, 尤其是在工程量大的桩基施工时, 影响更加明显。如何在保证桩基施工质量的同时降低对环境的影响, 是值得思考的问题。

本工程由于文明施工要求高, 周边环境复杂, 因此考虑采用新的施工工艺, 即“钻削成孔灌注桩”, 主要采取钻削成孔及泥浆分离技术。钻削成孔有施工快、成孔精度高、孔径稳定的特点。泥浆分离后, 泥浆可循环使用, 全部集中在封闭管道内, 促进绿色施工管理。

本工程位于上海市徐汇区长桥街道龙川北路以西、百色路以北, 总用地面积为52 935m², 总建筑面积约209 917m², 地下建筑面积约86 017m²。龙川北路车流量较大, 道路边线距拟建地下室最近处约为9.6 m;南侧为百色路, 距拟建还产社区公共设施约为7.5m;西侧为汇成四村, 层数6层, 距基坑边界13~26m;北侧为金桂苑, 层数6~8层, 距基坑边界约为20m。

本工程±0.000为绝对标高4.500m, 自然地面相对标高为-0.300m, 绝对标高4.200m。工程量如表1所示。

700mm工程桩的混凝土设计强度等级为C30, 水下混凝土施工时提高一级为水下C30。其中, 抗压桩试桩混凝土设计强度等级为C40, 水下混凝土施工时提高二级为水下C45。主筋保护层厚度50 mm, 主筋连接采取焊接。工程地质情况如表2所示。

根据桩基工程量及周边环境要求分析研究, 确定采用“钻削成孔灌注桩”成套工艺作为研究传统钻孔灌注桩施工不足和泥浆外运问题的技术路线, 其中研究的技术路线包括成套设备工作原理和工艺性能。“钻削式灌注桩”成套施工工艺与传统成孔工艺比较如表3所示。

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, 采用吸泥泵将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;然后将排出的浆渣在泥浆分离设备中处理, 将渣土和泥浆分离, 泥浆排进立式泥浆储存罐处理后, 经回浆管重新注入钻孔中, 形成泥浆循环。分离出的渣土外运。

“钻削式灌注桩”成套施工工艺由5个部分组成:钻削成孔设备、桩机设备、泥浆管路、工具式泥浆罐、泥浆分离设备。如图1, 2所示。

1) 工作支架由操作油缸控制台的支架操作杆控制升降在运输过程中因支架躺卧能降低设备高度, 更好地实现运输的方便性。

2) 前台钻头安装定位控制台的升降传统灌注桩钻机的控制平台一般无法起落, 离地面一般0.5 m高度, 施工人员在施工作业中只能站在控制平台上更换安装钻头和接装钻杆;然而此设备根据前面的不足情况进行了改善, 在施工作业中钻杆需要接装时, 可以降低平台至地面, 施工人员可以更好地进行施工操作, 大大提高了工作效率及施工安全性。

3) 设备的行走及转向本设备的底架采用新技术、新工艺, 在某些施工过程中, 因场地以及其他原因无法有大型起重机械配合施工, 从而影响施工进度, 本设备的底架移动油缸控制包括底架的前后行走油缸操作和底架的转向角度油缸操作, 能在不具备大型起重机械配合和小型厂区内、施工区内施工, 做到施工区域的全面性和通用性。

4) 设备可近距离靠围挡或围墙施工本设备的前端支腿油缸设计为可往外侧旋转型, 在有些施工区域内, 因为施工需要和局限性需要靠着临边围护施工, 在传统灌注桩机中无法实现, 本设备的前端油缸能向外侧旋转90°呈直角垂直于工作架, 从而可以满足紧贴临边围护施工的需求。

本工艺包括灌注桩快速成孔工艺、重力式泥浆分离及泥浆处理3个系统, 通过该3个系统可以提高普通灌注桩的成孔时间, 并减少灌注桩施工中泥浆的处理量, 减少泥浆对施工现场的污染, 达到快速成孔、绿色施工的目的。

钻头如图4所示, 在钻头上设置多排合金齿, 每排合金齿在切削区域形成若干个同心圆, 以能够在成孔过程中快速均匀地切削土体, 达到快速成孔的目的。该钻头不仅能够最大限度地快速切削孔内泥土, 还能大大提高灌注桩成孔的施工工效。

本工艺的钻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, 本工艺的钻削式快速成孔系统的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, 便于渣土的外运和泥浆的循环使用, 节能环保。

1) 本系统是利用在箱体中的数套钢质肋孔板传送带, 将送入的泥浆多次提升, 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<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至外部的集土箱。

2) 本系统的重力式浆泥分离系统包括箱体, 箱体上设有进浆口、出浆口和土渣出口, 箱体内设有传送带。本系统的重力式浆泥分离系统能使泥浆中的浆水、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的要求。

3) 利用在箱体中的钢质肋孔板传送带将送入的浆泥提升, 提升过程中浆、水在重力作用下落至箱体底部, 通过出浆口排入立式泥浆储存罐, 经沉淀后的罐底土渣可由传送带肋板再次刮入传送带提升, 最终土渣全部随传送带通过土渣出口排挤至外部的集土箱。

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, 一定程度地减少了泥浆的总量, 也减少了水的用量和泥浆排放量, 降低了施工成本;避免了泥浆外漏, 保证了文明现场施工, 避免了施工环境污染。

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。

对“钻削式灌注桩”成套施工工艺的性能进行试验性研究与分析, 并与传统GPS型钻机性能做比较, 试验性实施内容主要包括:设备的可操作性和运转性能及该设备的施工工艺要求。试验步骤及分析内容主要包括: (1) 成槽时间; (2) 孔径平均值; (3) 垂直度; (4) 沉渣厚度; (5) 泥浆分离器性能。

试验时, 已根据施工组织设计方案进行合理的现场布置。

1) 放桩位线每个桩位应按设计要求, 用经纬仪、钢卷尺定放。

2) 埋设护筒护筒直径应比设计桩径大10 cm, 本工程 钻孔灌注桩宜选用 护筒。埋设护筒时, 其中心线与桩位中心线偏差≤20mm, 护筒底部应深入黏性土层厚≥20cm。

3) 钻机就位转盘中心与桩位中心的容许偏差应<20mm, 转盘在4个方向上的水平度误差<1/300。

4) 正循环成孔钻进压力及转速控制:开孔时应遵照小水量、小压力、慢转速, 以防扩径过大。

5) 第1次清孔当钻至设计标高后, 应停止钻进, 并及时用换浆法进行1次清孔。

6) 钢筋笼施工。

7) 导管安装及二次清孔。

8) 混凝土施工。

9) 反循环成孔采取HD-XFZ-2型轻型步履式工程钻机进行工程桩施工, 采用泥浆护壁反循环成孔工艺。

随机抽取由GPS-10型钻机施工的工程桩和由新设备施工的工程桩, 并统计其成孔时间。由施工时间统计可见, 采用新型钻削成孔设备施工, 成孔时间相对于传统设备减少0.5~0.8h, 大大提高了施工效率, 若大批量施工桩基工程, 随着工程桩数量增加则时间节约效果将更加显著, 有利于缩短工期。

随机抽取由GPS-10型钻机施工的工程桩和由新设备施工的工程桩, 并统计其成孔孔径平均值如表5, 6所示。

由上述统计可见, 采用新型钻削成孔设备施工成孔孔径平均值相对较小, 若大批量施工桩基工程可节约混凝土用量, 有利于减少施工成本。

随机抽取由GPS-10型钻机施工的工程桩和由新设备施工的工程桩, 并统计其成孔垂直度。由统计结果可见, 采用新设备施工其成孔垂直度满足施工要求且相对于传统施工工艺有所提高。

随机抽取由GPS-10型钻机施工的工程桩和由新设备施工的工程桩, 并统计其沉渣厚度如表7, 8所示。

由上述统计分析可见, 由于新设备为反循环, 相对于传统工艺的正循环沉渣厚度减小。由于单桩承载力的大小取决于桩周围土的摩阻力与桩底端承力, 若桩底沉渣清除较好, 沉渣厚度较小, 则有助于提高桩的端承力, 提高工程桩质量。同时, 反循环的清渣速度较快, 也有利于缩短施工时间。

因“钻削式快速成孔”施工工艺中钻头在强力作用下切削土体, 形成的是土条, 土条浸泡在泥浆中, 成为“土块、浆液”的混合体:这样泥浆仍然发挥其护壁等作用;同时, 泥浆是泥块的运输载体, 所携带出的泥块某种程度上便于“浆、泥的分离”。

利用工具式泥浆罐, 罐体高度较大, 利用重力式原理, 在竖向增强泥浆的沉淀效果, 如图7所示。

一般的泥浆循环系统由泥浆循环路线 (泥浆管) 、沉淀池、泥浆池、泥浆泵等组成, 使泥浆循环重复利用。目前, 建设工程领域中所使用的泥浆循环系统没有无外加动力直接将浆、渣分离的装置, 从而使施工作业经常发生石块、浆渣等杂质堵塞浆管的现象, 造成施工中断, 费时费力。特别是一些工期短、要求高的作业内容, 更要保持施工工艺的连续性, 以避免时间和经济上的不必要损失。浆渣分离器如图8所示。

该装置可使输送的泥浆中较大石块、浆渣等杂质在无外加动力的情况下分离, 提高浆管的循环输送能力。该装置实现了建设工程领域泥浆循环系统中浆、渣自动分离, 可以节约大量的施工资源。该装置通过滤网简单地将石块、浆渣分离, 减少了浆管堵塞现象而造成的施工中断, 特别是对于一些工期短、要求高的作业内容, 能很好地保持施工工艺的连续性, 避免时间和经济上的不必要损失, 使施工顺利进行。

原来钻孔桩泥浆排放量45m³/根, 通过泥水分离器将泥浆与水分离, 使得原泥浆排放量变成了泥土与水, 减少泥浆排放量约2/3, 节约相当一部分清水。

采用新型设备减少了成孔时间, 缩短了施工周期, 大大节约了时间, 同时成孔质量有所提高, 提高了桩基施工质量。

通过泥浆分离器将土与水分离, 泥浆外运量减少约2/3, 清水再利用率达到至少一半左右, 由原来外运泥浆改成外运土方, 成本相对节约, 并有利于绿色文明施工。

对于大批量工程桩施工, 泥浆外运是每个桩基工程施工难点, 通过钻削式成孔工艺及泥浆分离技术, 减少了大量的泥浆外运, 压缩了泥浆的体积, 从而减少了泥浆外运对周边环境的影响, 大大提高了经济效益及社会效益, 为以后类似大型基坑工程绿色施工提供了很好的施工经验和技术借鉴。