旋挖钻孔灌注桩在桐子林水电站工程中的应用

旋挖钻孔灌注桩在桐子林水电站工程中的应用

王小波，雷运华，周顺文

中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072

摘 要：旋挖钻孔灌注桩目前已广泛应用于桥梁、市政建设、高层建筑等基础的桩基工程中，在水电工程中应用案例还比较少。本文主要介绍了桐子林水电站工程工程中旋挖桩的应用情况，分析了水电工程中旋挖桩的应用前景，并对旋挖桩的设计与施工提出了一些建议，旨在为旋挖桩在水电工程中的应用积累一些有益的经验。

关键词：旋挖钻孔灌注桩；防淘刷；桐子林水电站；

1 前言

旋挖钻孔采用旋挖钻机成孔，是钻孔灌注桩中的一种施工工艺，旋挖钻机自上世纪八十年代后期引进国内后^[1，2]，已越来越广泛地应用到桩基工程中，旋挖钻孔灌注桩（以下简称旋挖桩）与其他钻孔灌注桩相比，其成孔方式、适用范围及在环境保护等方面均有一定的优势。旋挖钻机配合不同钻具，适用于干式（短螺旋）或湿式（回转斗）及岩层（岩心钻）的成孔作业，旋挖钻机还可配挂长螺旋钻、地下连续墙抓斗、振动桩锤等，实现其多功能特点^[3]。旋挖桩适应的地层主要为：黏性土、粉土、砂土、碎石土、全风化基岩、强风化基岩及人工填土等^[4]。具有大扭矩动力头和自动内锁式伸缩钻杆的钻机，可以适应微风化岩层的施工^[5]。旋挖钻机因具有装机功率大、输出扭矩大、轴向压力大、机动灵活、施工效率高、环保等特点，配合不同钻具，适应我国大部分地区的地质条件，成为适合桩基工程中成孔作业最理想的施工机械。

目前国内外可供选择的旋挖钻机性能范围非常大，国外旋挖钻机的最大钻孔直径为3m，最大钻孔深度达120m，最大钻孔扭矩620kN·m^[5]，也有资料说明国外旋挖钻机的最大钻孔直径为4m^[1，5]。受旋挖工艺的限制，随着钻探深度的增加，这种不连续钻进施工方法的经济性越来越差，在不稳定的地层中，旋挖成孔还要花费大量时间安装和拆卸所需的护筒。因此，在软土和中等硬度地层施工中，旋挖成孔常用来完成中小直径、深度为40m桩的施工^[8]。但要视工程而言，当与其它桩型进行技术经济比较时，如果其它桩型存在制约因素，而旋挖桩又比较可行时，在桩身直径与桩长方面会适当加大。

目前国内外旋挖桩已广泛应用于桥梁、市政建设、高层建筑等基础的钻孔灌注桩工程，旋挖钻机高效、环保等优势得到公认。在桐子林水电站工程中借鉴旋挖桩在城市基坑围护工程中的应用（见图1），根据现场实际情况，引入旋挖桩用于下游河道岸坡防护工程。

图1 某基坑工程旋挖桩排桩围护

2 岸坡工程地质条件

桐子林水电站于2011年11月大江截流后导流明渠过流，2012年汛期明渠出口下游河道右岸岸坡受洪水淘刷影响出现垮塌，最终导致右岸公路中断。为了防止明渠出口水流继续淘刷河道岸坡，恢复右岸交通，需要在2011年汛后尽早完成对下游河道右岸岸坡的防护，以满足此后岸坡度汛及道路通行安全。

淘刷区位于桐子林水电站坝轴线下游约596m，处于F1断层下游侧，河谷开阔，枯水位989m。天然边坡坡度约35～39°，发育有6条小冲沟，下暴雨时有少量水流。桐雅公路路面高程约为1018m左右，路基半挖半填，公路内侧多为基岩，外侧为填方，冲沟处公路路基基本全为填方，公路内侧开挖边坡坡角约50～55°。

岸坡岩性为F1断层下盘晚三叠系白果湾群砂页岩，为河湖相沉积。砂岩以青灰色中细粒长石石英砂岩和泥质粉砂岩为主，泥质或硅质胶结，页岩以砂质页岩为主夹碳质页岩，局部呈浅变质板岩、片岩等。垮塌段靠河及上游一侧为砂岩夹页岩，靠山内及下游侧为页岩夹砂岩或砂页岩互层。主要发育两组裂隙：①N20°~60°W/SW∠35～55°，顷坡内及下游，为层面；②SN/E∠40～60°，倾坡外，短小，大多受层面控制，冲刷区未见大的软弱结构面发育。整体来看，垮塌区边坡主要为页岩夹砂岩，以Ⅴ类岩体为主，稳定性差，坡脚基岩岩性为砂页岩互层或页岩夹砂岩，抗冲刷能力差。冲刷区岩体风化主要受构造、岩性控制，其次与地形地貌及水文地质条件相关，开挖揭示右岸边坡全强风化、强卸荷水平深度约15～25m，坡脚一带水平深度约10m。冲刷区物理力学指标建议值见表1。

表1 冲刷区岩体物理力学指标建议值表

3 岸坡防护工程设计

根据下游河道冲刷情况和道路恢复方案设计，对岸坡护脚研究了钢管桩、地下连续墙等方案，经过方案比选，考虑到施工工期要求及防淘刷效果，最终选择旋挖桩作为最终实施方案，防护平面布置见图2。

图2 抗滑桩平面布置图

防护桩号（FH）0+000（明渠桩号（明渠）0+478.273m）~（FH）0+063m段和（FH）0+130.802~（FH）0+179.405m段顶冲水流，受水流淘刷影响大，因此，采用双排旋挖桩（连续排桩）加固基础，桩径1.0m，桩间距1.8m，排拒0.44m，见图3；（FH）0+063m~（FH）0+130.802m和（FH）0+179.405~（FH）0+221.205m段靠山内侧，离冲坑较远，受水流淘刷影响相对较小，因此，采用单排旋挖桩（间隔排桩）加固基础，桩径1.0m，桩间距2.0m，见图4。

图3 双排桩典型布置图

图4 单排桩典型布置图

结合原导流水力学模型试验分析，现场实际冲坑最深已超过模型试验深度，在各洪水频率（2年、5年、10年和20年）下冲坑深度变化不大，同时2012年汛期大流量历时长，虽尚未经设计流量冲刷，但推测冲坑基本稳定，冲坑扩大和加深有限，因此，结合工程经验，根据现有冲坑深度，将冲坑再加深5.0m，冲坑至边坡坡脚坡比按1:4设计，由此推测坡脚桩基深度。考虑一定锚固长度，（FH）0+000m~（FH）0+063m段桩长40.0m；（FH）0+063m~（FH）0+130.802m桩长30.0m~40.0m；（FH）0+130.802m~（FH）0+179.405m段桩长25.0m~30.0m；（FH）0+179.405m~（FH）0+221.205m桩长25.0m。

另外，根据计算，在桩顶设置混凝土连系梁（盖梁）连接各桩，连系梁底宽2.5m，梁高2.5m，在连系梁上设置一排锚索，将连系梁锚固在边坡山体上，单根锚索2000kN，长55.0m~60.0m，间距4.0m，岸坡防护典型断面见图5。

图5 典型断面布置图

4 旋挖桩施工情况

本工程于2012年12月26日开工，2013年4月8日完工。混凝土灌注桩采用旋挖钻机在EL.993m施工平台基岩内成孔，桩径为1.0m，孔深为25.0～40m，共完成抗滑桩197根（包括丁字坝10根），共5968m，完成混凝土灌注4686m³。

由于旋挖钻机采用刚性钻杆成孔加之基岩破碎，成孔效果较好，未采用泥浆护壁，也未出现大面积塌孔现象。右岸防护工程桩号（FH）0+061m～（FH）0+070m范围处于页岩段，岩石条件差，钢筋混凝土桩74#桩钻孔至26.0m时出现孔壁垮塌，经清孔后孔壁再次坍塌，无法成孔，为保证该部位钢筋混凝土桩质量，对该孔采用C10混凝土回填，然后在该回填部位旁另造孔实施74#桩。

5 主要结论与注意事项

鉴于旋挖钻机在灌注桩施工过程中，具有高效、低噪、环保、成孔质量相对较高以及机械化程度高等诸多优点，旋挖钻孔灌注桩已越来越广泛地应用到各类建设工程中，并正在逐步应用到水电工程中，除了用作常规的基坑围护及桩基工程外，也可以推广应用至既有建筑物基础加固、河道岸坡防护、基础防淘刷、边坡抗滑等工程中。旋挖桩与地下连续墙相比，其优点在于施工工艺简单，成本低，平面布置灵活，缺点是防渗和整体性较差。所以在选择旋挖桩方案时，必须进行技术经济等方面的综合比较，从而合理、可行、经济地确定桩布置形式、桩径、桩型，以便更好地应用于水电工程中。

旋挖桩适应的地层范围较广，从饱和的软土到强风化基岩，涵盖了人工填土、粘性土、砂性土、碎石土与风化程度严重的基岩，有资料表明在微风化的基岩中也能施工，但对于不同的岩土体，在桩基施工中应采用相应的旋挖钻斗与施工工艺，从而可以高效地进行成孔施工，避免产生质量问题。

尽管国内外旋挖钻机的最大钻孔深度达120m，但由于旋挖钻进为不连续钻进的施工方法，因此，随着钻进深度的增加，其施工速度及经济性也越来越差，目前在大多数采用旋挖桩的桩基工程中，桩长在20~50m范围内施工具有一定的优越性。

当前国内外生产旋挖钻机的厂商较多，各厂商的产品具有一定的特点和适用性。因此，在落实桩基施工单位时，必须根据现场地基岩土层的条件，有针对性地选择拥有相关旋挖设备和施工能力的队伍。

在旋挖桩施工中常出现成孔与成桩的质量问题，尤其是孔壁坍塌、桩基沉渣清除不彻底等情况，会直接影响到桩身质量与竖向承载力的发挥，这需要在桩基施工中采取相应的施工工艺与质量保证措施。

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