中铁七局集团第三工程有限公司
摘要：沿海滩涂地区钻孔灌注桩，受不良地质影响，钻孔灌注桩特别是超深桩基的成孔质量一直是施工过程控制的难点。本文以温州市域铁路S1线一期工程灵昆特大桥SG15标段为例，通过对不良地质对成孔的各种影响进行分析总结，在不同地质采取调整泥浆参数、控制钻进速度等措施，有效保证了不良地质超深桩基旋挖钻成孔质量；同时对传统的回旋钻施工与旋挖钻施工的效益进行对比分析，突显了旋挖钻施工带来的巨大经济效益。
1 工程概况
温州市域铁路S1线作为全国首条实际意义上的城市快速交通铁路，设计时速为120km/h，其中S1线一期工程灵昆特大桥SG15标全长1690m，位于龙湾区灵昆岛。该岛地处瓯江入海口南岸，东濒东海，为瓯江与海潮的泥沙、淤泥多年沉淀逐渐形成，属于冲击平原岛屿，全岛约5500公顷，滩涂面积占3800公顷以上。岛内河流纵横交错，河网密布，主要水系为温瑞塘河水系、永强塘河水系、欧江支流。区内河网纵横交错，局部存在大量人工水塘、小水库等。
该特大桥钻孔灌注桩直径设计为1.0m、1.25m、1.5m钻孔桩，桩长在65~85m之间，桩基均为摩擦桩。桥址所在地为典型的冲击平原综合地质，土层自地面至桩底依次为人工填土层、软塑黏土层、流塑状淤泥层、粉砂层、松散中砂层、流塑状淤泥层、流塑状淤泥质粘土层、粘土层、粉质粘土层、粉砂层、粉土层、卵石土层。桩底卵石土层地基承载力为550KPa左右，其余土层地基承载力为45-150KPa之间，受地质及水文环境影响，桩基成孔难度极大。
各类土层特性及相关参数详情见表1《土层分类表》。
2.3 结论
从上述分析可以看出，在上述不良底层采用旋挖钻施工影响成孔质量最主要原因为塌孔，缩颈达到一定程度也会造成塌孔现象。如果解决了塌孔问题，则解决了成孔质量难以控制的问题。
3 采取措施
3.1 目标设定
通过现场调研、分析、总结，对成孔质量控制目标设定为：通过过程控制，桩基成孔合格率从80%提高到98%及以上。
3.2 过程控制因素组成
3.2.1 因素组成
根据现状调查分析及设定目标值，针对不良地质、低承载力地段超深桩基成孔质量控制这一主要问题从“人”、“料”，“机”“法”、“环”五个方面，进行要因分析并绘制鱼刺图如下：
图1 要因分析鱼刺图
根据鱼刺图，一一对13条末端因素进行确认，详情如下：
3.2.2要因确认过程及结果
根据要因确认计划表，针对13条末端因素，逐一进行要因确认。
3.2.2.1 操作人员培训不够
通过对旋挖钻司机、钢筋班、混凝土班作业人员，技术人员等针对沿海地区不良地质低承载力地段超深桩基采用旋挖钻施工作了详细的技术交底和培训，并组织培训人员进行考试，考试合格人员方可上岗。
结论：非要因
3.2.2.2操作人员无沿海地区特殊地质条件超深桩基施工经验
通过对新进场旋挖钻作业队伍进行摸底调查，由于旋挖钻机本身在松散粉砂、中砂层、粉土层、松散卵石层低承载力区，含腐植物、贝壳碎片等流塑状淤泥层成孔控制要求严格，桩基施工风险高，大家普遍采用回旋钻传统工艺进行成孔施工，作业人员均未涉及同类特殊地质的旋挖钻钻孔施工，无施工经验，可借鉴经验少。通过开展QC攻关活动，总结掌握旋挖钻机在沿海地区复杂地质条件下施工的各项参数，动态指导现场施工。
结论：非要因
3.2.2.3 机械操作不当
通过对旋挖钻操作司机作业经历及持证情况进行检查，选择经验丰富并持有特种作业证的人员进行操作，并组织旋挖钻司机进行理论和现场实践考试。
结论：非要因
3.2.2.4技术人员过程监控不到位
加强对钻孔施工过程中泥浆指标、孔深、沉渣厚度等各项指标检测频率，实行技术人员全过程盯岗制度，确保施工记录数据真实、准确，监控覆盖100%。
结论：非要因
3.2.2.5 旋挖钻设备保养不到位
通过对旋挖钻机机械运转记录及机械保养记录进行检查，建立健全机械设备运转记录及维修保养台账，确保机械运转正常、无带病作业现象，保养情况良好。
结论：非要因
3.2.2.6旋挖钻设备进场项目未组织特种设备验收
通过对特种设备进场验收记录进行检查，各部门对旋挖钻进行了进场验收，设备均正常，运转良好。
结论：非要因
3.2.2.7 泥浆三件套未鉴定
泥浆三件套必须经有鉴定资质的单位鉴定合格后方可使用。
结论：非要因
3.2.2.8 泥浆比重不达标
通过对现场泥浆指标不定时间进行现场抽查，发现部分泥浆性能指标不稳定，泥浆比重偏小，出现孔桩局部塌孔、缩颈及孔底沉渣厚度过大，清孔困难等现象。
结论：要因
3.2.2.9 泥浆含砂率超标
通过钻孔过程现场施工记录检查和对泥浆支表检测情况发现，在进入砂层、卵石层后，泥浆含砂率逐步加大，根据现场实测数据，当钻孔进入砂层、卵石层后，含砂率最大可达6%，成孔后孔底沉渣厚度超标、造成清孔困难，清孔时间长，导致塌孔。
结论：要因
3.2.2.10 制备泥浆原材料不合格
通过对泥浆原材料采购使用情况进行调查，泥浆原材料合格证齐全，抽样检测合格率为100%。
结论：非要因
3.2.2.11 护筒埋设不规范，渗水、倾斜
通过对现场护筒进行全面排查验收，护筒埋设均严格按照技术交底要求进行了埋设，并现场采取了以下措施，解决了应护筒埋设不规范导致的护筒渗水，倾斜等问题，防止了因护筒埋设引起的孔位坍塌。
1）、在护筒上、下端头及中部外侧采用钢板各焊一道加强筋板，保证护筒刚度。
2）、护筒埋设深度根据地质情况埋置深度5~8m，在穿过地表软塑粘土层的同时，还应超过设计桩顶1.5m-2.5m，防止砼灌注完毕后出现蘑菇头现象；护筒顶面应高出施工地面0.5m，其高度应满足孔内泥浆面高度的要求。
3）、护筒埋设时四周回填黏土并分层夯实，护筒采用挖埋法，埋设应准确、稳定。
4）、旋挖钻钻机平台采用石渣填筑，在旋挖钻机轨链下铺设钢板，保证钻机的稳定性，防止由于地基处理不稳固旋挖钻倾斜，导致护筒移位或倾斜。
5）、通过现场施工控制，未出现护筒外壁漏水、护筒倾斜、移位，造成钻孔偏斜，甚至无法施工的现象。
结论：非要因
3.2.2.12 夜间不能施工、中间放置时间长
由于该项目属于市政项目，周边均为居民区，晚上22点~早上6点之间不允许施工，现场施工有效利用旋挖钻机成孔速度快，效率高的特点（一般70米桩基，旋挖钻成孔时间6小时、钢筋笼安装时间5小时、混凝土灌注3小时，总计14小时）合理安排钻孔时间，在白天有效时间内可以完成桩基成孔到灌注的过程。
结论：非要因
3.2.2.13施工场地地面承载力不足、机械不均匀沉降
通过对施工范围内所有旋挖钻施工平台进行检查验收，施工平台全部采用石渣填筑，并采取了在旋挖钻工作范围内铺设钢板，增大旋挖钻受力面积，可以满足旋挖钻施工承载力需要。
结论：非要因
3.2.3采取对策及实施过程
通过对影响成孔质量的13个因素进行排查和确认，最终确定影响旋挖钻机塌孔的主要因素为：
采取对策如下：
3.2.3.1 针对泥浆比重不达标采取措施
1）旋挖钻在淤泥及粘土层中钻进效果明显，在粉砂层、卵石层由于护壁薄弱，钻进速度应适当放慢，在钻进粉砂层、卵石层时加大泥浆比重、含砂率检测频率。根据现场10根试桩调研数据分析，在进入粉砂层、卵石层前1m时，应对泥浆比重进行调整，具体调整值为：泥浆比重在1.2~1.25之间；稠度在23~25S之间；胶体率94%-96%之间；含砂率不大于2%PH值8.5~10之间。若泥浆达不到以上要求，应在孔内抛填粘土、膨润土加大泥浆比重，提高泥浆性能，保证钻孔质量。钻孔过程中技术人员要经常测定泥浆技术指标，根据工程钻进及地质情况需要，随时调整泥浆比重，保持泥浆各项指标符合要求，不因泥浆比重过大影响进度、过小导致塌孔等。
2）旋挖钻拌制泥浆采用拌浆筒，拌浆前首先采用PH试纸测试水源PH值，根据具体情况添加若干量的纯碱（纯碱的添加量一般为每立方0.5千克左右，减少因水源问题造成对泥浆性能的影响），用搅拌的水流中旋转可使泥浆材料迅速水化分散，并采用空压机鼓动泥浆不小于3小时以上直到泥浆材料充分水化分散，泥浆比重控制在1.18~1.25之间，粘度控制在21~23S，含砂率控制在2%以下。
泥浆比重试验参数见表4《泥浆比重试验数据采集表》。
3.2.3.2 针对含砂率超标采取措施
当钻入砂层、卵石层后，泥浆含砂率逐步加大，根据现场实测数据，当钻孔到砂层、卵石层后，含砂率增长到6%，为有效控制泥浆含砂率满足规范要求，现场每台旋挖钻均配置一台泥浆分离器，在钻孔过程中将孔内返回的泥浆在压力和离心力的作用下，能够使较细的粉砂等固相颗粒从泥浆中分离出来，并经过筛，使岩粉、砂等固相结合物与优质泥浆分离，通过这一整套连续的过程使泥浆达到净化的目的，使用泥浆分离器后，经泥浆分离器处理后泥浆重新进入泥浆池循环利用。
有效降低了泥浆的含砂率，提高了泥浆的悬浮能力，从而加快进尺，缩短了清孔时间，而且质量和安全都得到了保证。泥浆分离器见图2所示。
图2 泥浆分离器
使用泥浆分离器后，泥浆含砂率由原6%降至1.3%，同时也加大了泥浆的循环重复利用，节约成本，降低了环境污染。
3.2.4 效果验证
在采取上述措施之后，该标段自2015年5月至2015年9月施工完成的367根桩基成孔情况进行了统计分析，桩基一次性成孔成功364根，2根因塌孔冲钻，1根因缩孔采用旋挖钻机出现扫孔处理，现场实际成孔率为99.2%，高于目标值98%，达到了预期的效果。经桩基检测367根桩基全部为I类桩，桩基施工质量得到有效控制。见图3。
图3 活动前后目标值对比图
4 经济效益分析
通过对成孔过程中的控制，有效解决了旋挖钻机在沿海滩涂地区不良地质、低承载力地段超深桩基施工的实际问题，桩基成孔质量达到目标要求，为沿海地区复杂地质段旋挖钻的施工质量提供了有力保障，同时，相对传统的回旋钻施工而言，取得的经济效益也相当显著。
4.1 回旋钻与旋挖钻经济效益对比
4.1.1工期分析
以直径1.25m、桩长70-85m的294根桩基为例，旋挖钻平均8.5小时成孔，回旋52-60小时成孔，每天有效施工时间为16小时（当地政府在晚22点至第二天6点内不允许施工），完成294根桩基需要工期天数：
一台旋挖钻机：294/（16/8.5）≈157天
一台旋挖钻机：294/（16/52）≈956天
从以上数据分析，旋挖钻施工自动化程度高、成孔速度快、效率是回旋钻机的6.1倍，在建筑施工领域，在保证安全质量的前提下，工期就是效益，因此采用旋挖钻机施工显著加快了施工进度，极大降低了施工成本。
4.1.2泥浆处理费用分析
4.1.2.1旋挖钻施工泥浆处理费用分析
以上述294根直径1.25m桩基为例，桩长按70m计，旋挖钻机的钻进工艺是采用静态泥浆护壁钻斗取土的工艺，施工产生的钻渣V=3.14*0.6252*70*294=25242.66m3，通过对旋挖钻施工不同地层中卵石、砂等的回收利用于场地的平整等临时工程，有效资源利用率约35%；同时，根据温州市政府文件，泥浆、钻渣外运单价不得低于60元/m3，如按60元/m3计算，则钻渣外运费用98.5万元，配置一台泥浆分离器费用约10万元，合计费用108.5万元。
4.1.2.2回旋钻机施工泥浆处理费用分析
因回旋钻施工的特点，钻进时土体固态物均以泥浆的形式排出，因此回旋钻施工泥浆排放量大，且排出物基本不能利用。根据现场实际，单根桩泥浆平均产量为孔体积的2.2倍，产生泥浆V=3.14*0.6252*70*294*2.2=55533.84m3，则处置费用近333.2万元，配泥浆分离器一台后，费用可达343.2万元。
4.1.2.3 对比结果
从以上数据可以看出，采用旋挖钻施工，不考虑工期缩短带来的效益，仅直接成本可节约234.7万元，平均每根桩基泥浆处置节约成本7983元，该标段桩基共计899根，采用旋挖钻可节余成本717.6万元，效益极其显著。
5 结束语
通过对旋挖钻机在沿海滩涂地区不良地质低承载力地段超深桩基成孔过程控制的研究，总结出旋挖钻机在沿海滩涂地区复杂地质条件下施工的各项参数及钻进过程应注意的问题、采取措施，对今后旋挖钻机在沿海滩涂地区复杂地质深桩基施工具有重要的指导意义；同时，相对传统的回旋钻施工，旋挖钻成孔可带来巨大的经济和社会效益，因此十分值得推广。
参考文献：
[1]Q/WZTT S01-2013，温州市域铁路设计暂行规定；
[2]TB 10002.1-2005，铁路桥涵设计基本规范；
[3]TZ203-2008，铁路工程施工技术指南；
[4]浙江省水文地质图；
[5]Q/WZTT S02-2014，温州市域铁路施工质量验收暂行规定。
论文作者:吴孝远
论文发表刊物:《基层建设》2016年8期
论文发表时间:2016/7/13
标签：泥浆论文; 桩基论文; 钻机论文; 要因论文; 地质论文; 钻孔论文; 滩涂论文; 《基层建设》2016年8期论文;