旋挖成孔灌注桩技术被广泛运用在桥梁、高速路等基础建设项目工程中, 近年来在房建工程中得到推广。旋挖成孔灌注桩从成孔方式可分为护壁成孔和干法成孔, 干法成孔为采用旋挖钻直接出土, 无需静浆护壁或全护筒护壁的成孔工艺。旋挖干成孔适用于多种地质情况、可提高施工效率、减少施工成本、节约工期, 也避免了人工挖孔桩的安全隐患。此技术在施工中的重难点主要表现为成孔质量的控制措施、特殊地质情况的处理方法。现结合工程实例对旋挖干成孔灌注桩基础施工工艺及控制措施进行阐述。

重庆首创奥特莱斯项目位于重庆市巴南区, 用地性质为商业及商务用地, 结构形式为框架结构, 桩基础为主要基础形式。工程场地处于浅丘地带, 地表大部分被第四系土层所覆盖, 局部地段有基岩出露, 下层为侏罗系中统沙溪庙组的砂岩与泥岩。现场岩层从上至下为人工回填土、粉质黏土、泥岩、砂岩, 人工回填土分布较广, 场地存在较多孤石、软弱土层等不良地质, 对施工造成一定影响。桩基形式为端承桩, 施工形式为机械成孔灌注桩, 以中风化泥岩为持力层。结合工程实际条件, 采用旋挖干成孔灌注桩施工工艺进行基础开挖。

对工程场地进行地质勘探是基础施工的关键要素之一, 准确的地质勘探报告为后续基础施工提供了便利条件, 直接影响施工工艺的选择。

针对桩基础施工, 在前期勘探中会对场地以30m×30m的网格大小进行钻孔勘探, 相较于其他基础形式, 网格分布更为密集。钻孔勘探可获取勘探点的地质构成、岩层抗压强度及基岩承载力特征值等参数。根据桩基础设计取值, 可判断旋挖桩大致开挖深度, 单轴抗压强度值是旋挖桩施工的主要依据参数。

如果施工场地地质情况较复杂, 在短距离范围内存在的土层种类较丰富, 或是前期勘探的网格点分布过于稀疏、勘测深度过浅等情况, 易造成工程质量隐患, 从而影响工期、增加施工成本。针对上述情况, 旋挖桩施工应采用具体措施来保证勘探的准确性。超前钻施工应符合一桩一孔或一桩二、三孔的原则, 在旋挖机挖到持力层设计深度时, 运用超前钻对下部岩层钻孔, 确认已开挖持力层以下≥6m范围内是否有软弱夹层、孤石、空洞等不良地质。对于施工实际现场与地质勘察报告相差较大时, 宜采用超前钻勘探。

施工步骤:施工准备→测量放样→钻机就位→埋设护筒→钻进 (垂直度过程检查) →出渣→成孔 (如塌孔则反灌混凝土重新开挖) →清孔→沉渣厚度检查→吊装钢筋笼 (沉渣厚度二次检查) →浇筑混凝土。

桩孔定位按照从整体到局部原则进行桩基的位置放样, 测量基准点应选取地基坚实区域, 避免持续施工造成的桩孔移位或沉降。进行钻孔的标高放样时, 应及时复核放样标高, 采用全站仪准确放样各桩点的位置, 将误差控制在规范要求内。测量完成后, 应在放样点打下钢筋头, 并在四周插入定位钢筋, 便于在此对定位点做复核。施工钻机开挖遵循从内至外原则, 从建筑物基础最内侧区域的桩向外打, 当最内侧桩基施工作业面无法展开或桩间距过小时, 则采用跳桩施工。

钻机就位后可开始钻机施工, 根据已放样定位点表面出土, 当出土深度达1.5m左右时则提出钻机, 放入钢护筒。钢护筒埋设工作是旋挖钻机施工的开端, 钢护筒平面位置与垂直度应准确, 钢护筒周围和护筒底脚采用适当体积的石块和渣土填充紧密。结合本工程实例, 孔口处采用高度2~3m以内的钢护筒, 定制厚10mm的钢板, 钢护筒的内径应大于钻头直径200mm以上, 宜选用大一型号的桩径预制。钢护筒埋设深度满足设计及规范要求, 筒口埋设高度高出地面300mm。钢护筒埋设定位根据已设置的定位钢筋施工, 保证护筒中心偏差≤5cm, 埋设过程中保证钢护筒斜度≤1%。钢护筒就位后, 采用钻头将钢护筒压入到预定标高, 并采用水平尺或垂球对钢护筒的定位进行复核。护筒周围回填适当体积石块和含水量佳的渣土, 且分层夯实, 达到最佳密实度, 夯填严禁造成钢护筒偏斜。

桩孔是否开挖到位, 需参考地质勘察报告入岩深度作为基础依据, 结合桩长估算数据, 综合判断回填土、原生土、强风化等分层位置, 并判断桩基前度中风化位置。施工现场如地质条件较复杂、土层交错分布, 应在旋挖机钻进过程中持续记录旋挖机电子读数, 以得到更精确的基层抗压强度值;除机械读数, 还应同时对每斗清孔的渣土进行观测, 现场施工人员应记录好每斗渣土的观感及软硬度, 以机械读数与人工观测数据同时符合中风化岩层特征为最终结果, 从而判断是否已挖至持力层。

基础施工前, 建设方、监理方共同确定桩基取芯数量和定位, 在满足验收规范要求的前提下应选择对施工影响较小的桩。对于选定取芯的桩孔, 当开挖至持力层并满足嵌岩要求后需经过监理见证取样, 并将样本送至质量检测站做试验测量。采用旋挖钻机中专用的取芯钻头, 将基岩芯样从孔底钻取出, 然后再采用空心钻取直径50mm、长150mm的芯样, 取出后及时用塑料袋进行封闭, 保证其含水率的稳定, 并即刻送检。

旋挖桩初步成孔后采用钢筋制作的检测器进行桩孔垂直度检测, 直径同桩孔设计直径, 长1m, 采用16以上钢筋及加强筋焊接而成, 在收尾加强筋内设呈90°的内支撑;上部为锥形圆盘, 圆盘中心与检验器轴线重合, 圆盘直径大于桩孔直径。检测时, 将检测器下入孔内, 圆盘固定到孔口位置, 圆盘中心与桩芯重合, 根据线锤下吊距离与圆盘处线锤夹角可计算出桩位偏差与垂直度偏差, 如图1所示。

钻孔达到设计深度, 在灌注混凝土前, 再采用测针测饼法检测孔底沉渣, 孔底沉渣厚度应≤50mm。传统测针测饼法即向桩孔下放测针, 测得深度作为孔底深度;再下放测饼, 测得深度作为沉渣顶面深度, 二者数据之差则为沉渣厚度。

工程实例使用新型沉渣检测工具, 将测针测饼功能合二为一, 形成一次下放检测工具完成检测工作, 提高数据精度、节约检测时间。沉渣检测器由带刻度的测针和测饼组成, 测饼直径500mm, 由3mm厚钢板制成, 中心穿孔, 刻度测针穿过测饼中心后机械连接, 形成沉渣检测器。沉渣检测器由垂线尾部连接, 检测时, 下放沉渣检测器, 当圆盘触及桩底沉渣时将浮于沉渣面, 而刻度测针端头沉至孔底, 提起检测器, 刻度测针上显示的数据则为沉渣厚度。反复测量沉渣厚度并清孔, 直到沉渣厚度<50mm, 方可进行下道工序。

钢筋笼制作符合设计及规范要求, 应着重注意钢筋接头错缝率与焊接质量。对于较深的旋挖桩, 钢筋笼制作与吊装应分段施工, 避免起重机一次性起重高度不够和安全质量隐患。

钢筋笼初样制作完成后堆放于指定场地, 分段放置并标明吊装顺序与节数。每段长度根据实际桩长考虑, 需要接长的钢筋笼在孔上分段制作成型, 每段长8~12m, 相邻纵筋相互错开, 错开长度至少为35倍钢筋直径。第1节钢筋笼放入桩孔, 采用钢管支撑固定且留有1~2m高的长度与下端钢筋笼焊接;将接长段钢筋笼与第1节钢筋笼的纵筋进行焊接, 并将相邻2节钢筋笼的螺旋箍筋搭接绑扎, 焊接完成后检查焊接质量, 合格后再重复上述步骤进行下节钢筋笼吊装。钢筋笼下沉到设计位置后, 立即固定, 防止移动 (见图2) 。

根据反力相等原则选择钢筋笼吊点, 吊点设在钢筋笼加劲筋与主筋连接处, 且吊点对称布置, 每个钢筋笼设置4~6个起吊点, 并用直径为20mm、长为10倍钢筋直径的加固钢筋与主筋焊接, 以保证钢筋笼在起吊时不变形及脱落。吊点要焊实、焊牢, 保证在吊放入孔过程中不开焊。除了增焊加固钢筋, 还可在制作钢筋笼时, 在主筋内侧间隔2m处设1道加劲箍, 加劲箍由内侧三角形钢筋与外侧环箍筋组成, 加劲箍与主筋焊接牢固组成骨架, 如图3所示。

钢筋笼吊装常见质量问题还反应在下笼定位上, 通常钢筋笼吊装到位后会偏心, 为保证旋挖桩混凝土保护层满足厚度, 可采取措施将16钢筋制作成船形支架点焊在钢筋笼外主筋上, 在钢筋笼截面上对称设置4个支架, 间距同加劲箍2m设置, 以此保证混凝土保护层厚度。随着混凝土的浇筑, 桩孔内已浇灌混凝土会对钢筋笼产生上浮力, 可采用现焊钢筋于钢筋笼上。将216以上的钢筋呈十字焊接在钢筋笼主筋上, 端头临时点焊于钢护筒内侧, 有效防止钢筋笼上浮并起到定位作用。

桩基础混凝土施工可分为干孔浇筑和水下浇筑等方式;对于地下水影响较小的施工场地条件, 通常采用干成孔法浇筑, 本工程主要采用的是干成孔浇筑法;如在施工过程中, 桩孔底部出现积水、涌水等现象, 应采用水下浇筑法, 水下混凝土浇筑在本工程中也得到了体现。

当成孔质量检查合格、钢筋笼吊装到位后应尽快安排浇筑混凝土, 浇筑时间宜≤1h, 避免塌孔。如孔壁或孔口泥土、石块落入孔内, 会造成孔底沉渣, 必须再次吊起钢筋笼, 再次清孔。混凝土采用商品混凝土, 坍落度控制在180~220mm。干成孔浇筑通常采用隔水塞 (滑阀) 式导管法施工, 本工程也使用同种浇筑方式。浇筑前采用I16进行满焊, 底座采用10mm厚钢板, 在操作平台处间隔200mm焊接10mm厚、50mm宽钢板, 工字钢底部250mm处焊接I12, 并在长边一侧焊I12斜撑 (见图4) 。

浇筑导管采用φ200的钢管, 用2.5m长的标准管配1~2节长1~1.5m的短管, 灌注管采用配套钢环丝牙连接, 丝牙连接处安装O形橡胶密封圈, O形橡胶密封圈主要防止漏水, 导管安装完毕后上部安装2m³的料斗, 料斗底部用铁盖封闭好, 灌注时灌注管口与桩孔底距离应为300~500mm。混凝土初灌量应装满料斗, 保证首次灌注量为2m³, 打开料斗底部的密封盖, 使混凝土流入孔中, 并且后续混凝土应保证持续灌注, 直到浇筑至桩顶标高。浇筑过程中保证有足够的混凝土供应量, 导管出料口应保证在混凝土面3~6mm以下。浇筑混凝土时, 桩顶以下5m范围内应采用插入式振捣器振捣, 确保混凝土的密实, 且振捣器不能碰触钢筋笼;在每次提管之前, 应将导管上、下提降, 同时必须保证导管口不超过已浇筑混凝土面, 此做法在浇筑过程中对混凝土起振捣作用。

浇筑完成后、混凝土终凝前, 复查主筋位置及桩顶标高并及时保护。桩基混凝土浇筑倾落高度≤2m, 导管随混凝土液面升高同步加节, 每次加导管应按照浇筑前的相应计算选择型号, 如钢筋笼在浇筑中出现变形、位移, 应及时采取措施处理。

待桩基混凝土强度达到设计要求的80%, 人工剔除桩顶混凝土浮浆, 标准以露出石子为主, 剔凿过程中不可损坏钢筋, 剔除部位混凝土面层凿毛且清理干净, 与承台混凝土一起浇筑至设计桩顶标高。

成孔桩静置一段时间后出现部分涌水或存在一定积水, 应采取相应处理措施, 水下混凝土是应对桩孔底部出现一定积水的有效处理方式。首先应采用潜水泵对桩孔积水进行抽排, 如无法抽尽积水, 则应采取水下混凝土浇筑法。由于混凝土在水下会比同条件混凝土低一个强度等级, 则水下混凝土应用比其他同设计桩高一个强度等级的混凝土, 其中加入适量速凝剂, 混凝土应从商品混凝土搅拌站拌合完成后直接发到施工场地。因加入速凝剂, 混凝土到达施工地点时应及时浇筑, 保证桩基成型质量。

水下混凝土施工工艺也采用导管浇筑, 施工各项重要参数如图5所示。

施工应对分次浇筑量、提管高度及管口到混凝土距离进行严格把控, 图5中a为首次浇筑导管口离孔底高度, a=H (孔深) -S (水下导管长) ;

A为导管口距已浇混凝土面高度, 此高度在水下浇筑施工时保证在3~6m;同时, 首次提管时混凝土浇筑高度≥5.5m, 首次提管高度≤2m。

因为现场地质情况较复杂, 土质不好、反灌混凝土强度不足或地下水渗出而使孔壁坍塌、全孔坍塌, 或因作业面受限导致无法施工、施工安全隐患大等情况, 应针对相应特殊情况采取适当的处理措施。

重庆首创奥特莱斯项目经现场施工发现, 局部区域基础为高回填土, 土层内存在大量的黏土、淤泥与地下水, 桩孔开挖过程中、成孔后侧面土层快速挤压孔壁造成桩孔变形、垮塌。孔壁坍塌共分为以下几种情况。

旋挖桩开挖初期, 由于回填土土质较软弱, 孔口或孔口以下较浅范围内出现孔壁坍塌。因坍塌部位不深, 应及时转运场地内土质强度较好、含水率适中的土壤进行换填。换填土应填充密实, 回填高度应覆盖过塌孔区域最高点1m以上, 保证塌孔范围内无空隙存在, 再用夯机或挖斗对换填区域进行夯实。待桩孔静置一段时间后, 采用与前次设计桩径大小相同的钻头重新开挖, 钻进过程中应密切关注是否有再次塌孔现象。

由于场地黏土、回填土较多, 软弱土侧向横压使孔壁垮塌, 同时使上部或已形成的混凝土护壁滑动失效, 本工程旋挖桩施工中此问题最为突出, 现场严重塌孔记录如表1所示。

针对此部分桩孔土层的特殊性, 应采用大于设计钻孔直径的钻头再次对已塌孔桩孔进行开挖, 直至开挖到能起钻的最深位置, 起钻判定标准为旋挖机能靠自身机械力拔出钻头而不借助其他工具辅助。待扩大后的桩孔开挖完成, 采用C20混凝土进行换填反压, 换填混凝土应灌注至塌孔部位最高点以上1m位置, 待反压混凝土达到一定强度, 次日采用标准设计桩径钻头重新开挖, 混凝土换填施工如图6所示。此措施可在桩孔四周形成较稳固的混凝土护壁, 对侧面土压力起到支撑作用, 保证现场施工安全及旋挖桩正常施工。

施工现场因放坡比例过陡, 旋挖桩无作业面施工条件, 针对此类边坡桩情况, 应对边坡进行削坡处理, 如图7所示。

先对桩基进行定位, 确认旋挖桩离边坡距离是否可以施工, 如不能满足安全施工距离则应对削坡范围进行确定, 将土方开挖至设计位置并削坡至坡脚位置, 需给旋挖桩施工留有3m安全可靠的操作空间, 并做护坡支护, 再进行常规旋挖桩施工, 待桩基浇筑完成并达到强度后, 破除桩头, 且设置施工短柱至原设计桩顶标高以达到结构要求。

旋挖干成孔灌注桩施工因施工效率高、节约工期与成本、高成型质量与安全可靠的施工方式成为桩基施工中主要的施工形式之一。不仅在桥梁、道路等基础建设工程中得到广泛运用, 同样也适用于房屋建设基础工程。结合重庆首创奥特莱斯项目, 对旋挖干成孔灌注桩施工的关键工序控制要点、塌孔桩的处理、水下浇筑的处理、边坡桩的处理进行了分析, 形成了具有操作性的处理方式与措施。