穿过既有建筑基础换土垫层的桩基施工技术研究

穿过既有建筑基础换土垫层的桩基施工技术研究

范杰，王钦华，徐廷鑫，翁茂林

（中建四局第六建设有限公司，江苏 苏州，215121）

（中建四局江苏建设投资有限公司，江苏 苏州，215121）

（无锡惠开交通产业有限公司，江苏 无锡，214000）

【摘要】文章结合惠山新城核心区地下空间改造工程，通过对现场地质情况的分析，比照旋挖钻机机械、钻杆、钻具、钻齿的优缺点及适用范围，选用了适用于本项目的施工机具及施工工艺。同时在实施过程中对施工中出现的难点及缺点进行了分析，并进一步调整了施工机具及优化了施工工艺。通过实际使用验证，截齿钻筒钻芯配合双底双开门截齿钻斗旋挖成孔的施工工艺能够大大提高施工效率，同时能够避免施工过程中对既有建筑的扰动，在确保桩基自身施工质量的同时也保证了周边既有建筑的结构安全，对类似工程的施工具有重要的借鉴意义。

【关键词】旋挖钻孔灌注桩；换土垫层；施工机具选用；施工工艺优化；避免扰动；

0 前言

钻孔灌注桩凭借其承载力能力高、兼具抗压抗拔、受力相对稳定的力学优势以及不受地域变化限制、能够穿越各类土层、承载力可调空间大等技术优势，已逐渐成为建筑行业不可或缺的一项施工技术，被广泛应用于各类桩基基础及基坑围护工程。钻孔灌注桩的成孔工艺主要分为人工挖孔成孔法、泥浆护壁钻孔成孔法、长螺旋钻机成孔法、冲击钻机成孔法、旋挖钻机成孔法。随着我国机械化的发展，旋挖钻机成孔法逐渐成为钻孔灌注桩施工最为普遍的施工工艺之一。步履式液压旋挖钻机因其具有装机功率大、输出扭矩大、轴向压力大、机动灵活、施工效率高、环保等特点，配合不同钻头适应我国大部分地区的地质条件， 成为适合建筑基础工程中成孔作业最理想的施工机械。[1]

1工程概况

根据设计，惠山新城核心区地下空间改造工程采用钻孔灌注桩作为基坑支护桩，成孔范围内有①1回填土层、②淤泥质粉质黏土、③1黏土、③2粉质黏土、⑤粉质粘土、⑥1粉质黏土层，②淤泥质粉质黏土为软~流塑状态，⑤粉质粘土为软塑状态。其中①1回填土层、②淤泥质粉质黏土中含有部分碎砖、碎石等建筑垃圾，属于不利埋藏物。

同时根据现场施工前实地勘察情况，场地北侧A区围护桩距离既有建筑较近，较近处桩边距离主楼仅2.3~2.8m。根据城建档案提供的既有建筑施工图，围护桩距离既有建筑结构最近的为场地最北侧，桩边距离主楼筏板仅300mm。为确保现场实际情况与设计数据吻合，现场抽取了典型部位进行了开挖勘探，主楼筏板位置与设计吻合，如图所示：

图一  开挖勘探结果图

根据勘探结果，既有建筑筏板下为素混凝土基础，为确保施工质量与安全，现场进行了原位钻孔勘探。根据城建档案提供的原始施工数据结合现场的钻孔勘探结果，发现此部分为原始河塘部位，既有建筑施工时采用了抛石挤淤的方式进行了换填，换填深度约3m。同时挤淤换填后采用了1300mm厚的块石混凝土回填作为换土垫层持力,强度约为C30，具体情况如图所示：

图二  现场实际土层情况示意图

2机械与设备的比选

2.1钻机

钻机的选用主要考虑钻孔直径及地质层状况，以此来确定钻机所需的扭矩区间，在确保成孔能力的情况下兼顾经济适用，大致上分为以下三类：

表一  旋挖钻机机型及性能参数表

根据本项目情况，由于本项目主要灌注桩尺寸为800-1200mm，桩长12.5-16m，故主要选用中型机作为本项目主要的施工钻机。

2.2钻杆

根据传力方式的不同，旋挖机钻杆主要分为摩擦式钻杆和机锁式钻杆两种，具体适用情况如下：

表二  旋挖钻机钻杆及其适用情况表

由于本项目成孔时需穿过块石混凝土基础以及挤石抛淤层，故选用机锁式钻杆进行施工，同时按D/d=4.5的经验比值确定钻杆直径。

2.3钻具

由于我国地员辽阔，地质情况多样，故在旋挖钻机的使用过程中发展出了适用于各种地质情况的钻具，具体分类及适用范围如下表：

表三 钻头分类及适用范围表

根据现场实际地质情况，能够适用于本项目的主要有旋挖钻斗或筒式钻头，具体根据现场实际施工情况选用或组合使用。

2.4钻齿

现阶段，常用的旋挖钻机钻齿主要分为以下四类：

1）斗齿：齿刃形如牙齿，较为锋利，适用于普通土层的旋挖钻进，土体切削速度较快，但较为脆弱，一般不可用于卵石丰富或岩层等硬质地质层；

2）宝峨齿：外形与斗齿相似，但相对更为短小粗壮不易掰断，一般适用于卵石、软岩等地质层或较大直径的旋挖钻斗；

3）截齿：形如子弹，属于入岩类钻齿，由耐磨合金制作，钻杆在下压过程中利用类似于子弹头的耐磨合金点破碎岩石，一般适用于硬质岩石地质层；

4）牙轮齿：一般为三牙轮，工作原理为利用牙轮齿的转动，凭借耐磨合金凸点持续碾压破碎岩石，适宜超硬岩等地质层的钻进。

根据现场实际地质情况，部分地质层属于硬质岩石地质层，故适宜采用截齿。

3旋挖试钻成孔

3.1机械配备

根据现场实际地质情况以及成孔要求，结合市场实际情况，现场选用了徐工XCMG-XR200型旋挖钻机，配备Φ406，2x13m机锁式钻杆,钻具采用双底双开门截齿钻斗。

3.2施工工艺

根据岩土工程勘察报告及现场实地勘察情况，上部为①1回填土层，深度约3m，以下部分除换填区域外，均为稳定的黏土及粉质黏土。故计划直接采用干钻法进行施工，上部采用3m的护筒，防止上部回填土部分土体坍塌，施工流程如下：

场地平整→测量桩位→钻机就位→旋挖2-3m→埋设护筒→钻机就位→钻进成孔→成孔检查→清孔→钢筋笼下放→混凝土浇筑→护筒拔除→成桩

3.3施工效果

采用的双底双开门截齿钻斗前期旋挖较为顺畅，在钻进遇到块石混凝土部分时下沉速度明显减慢。1h后测量仅下挖完成0.3m，且既有建筑内人员存在明显的震感,此时液压系统显示压力值为100kN。当逐渐增加至最大压力值至180kN后，由于钻头中心位于换填垫层边，旋挖钻头发生明显偏移。钻头提升后检查发现，合金截齿基本全部损坏，最严重的已磨损1/3，其中80%的合金截齿需要进行更换，如图所示：

图三  钻头磨损图

4讨论与工艺改进

根据成孔范围内地质情况分析，由于块石混凝土回填部分强度较大，且与既有建筑筏板基础下换土垫层为一整体，故此部分较为稳固。截齿钻斗在旋挖过程中破坏块石混凝土的方式为摩擦破坏，而非利用耐磨合金点碾压破碎岩石，旋挖效果较差且对钻头破坏严重。旋挖过程中摩擦产生的震动会直接传导至既有建筑，造成既有建筑震感较强。若持续采用此方式，或直接导致基础出现扰动，严重的将影响既有建筑结构安全。

3.1机械配备

为解决此问题，旋挖至块石混凝土部分后，需首先将旋挖部分混凝土从换土垫层上分离开。然后再利用截齿钻斗进行破碎旋挖。故除采用原有的徐工XCMG-XR200型旋挖钻机外，额外增加一台恒天九五JVR280D型旋挖钻机，配备Φ508，1x16.5m机锁式钻杆，钻具采用截齿不取芯钻筒，钻筒长1.6m。

3.2施工工艺

场地平整→测量桩位→钻机就位→旋挖2-3m→埋设护筒→钻机就位→钻进成孔至块石混凝土→截齿不取芯钻筒钻进→拔出不取芯钻筒→截齿钻斗钻进→成孔检查→清孔→钢筋笼下放→混凝土浇筑→护筒拔除→成桩

3.3施工效果

截齿不取芯钻筒钻孔单根耗时0.5h,换截齿钻斗钻进后最长单根旋挖耗时约1h，单根旋挖桩成孔总计耗时2.5h，且既有建筑内人员无明显震感。钻头提升后检查，合金截齿无明显损坏。

5 结论

经验证，截齿钻筒钻芯配合双底双开门截齿钻斗旋挖成孔的施工工艺能够很好地解决穿过既有建筑基础换土垫层的桩基施工难题，大大提高了施工效率，也极大程度上避免了施工过程中对既有建筑的扰动，在确保桩基自身施工质量的同时也保证了周边既有建筑的结构安全，本研究对类似工程的施工具有重要的借鉴意义。

参考文献：

[1]张振，郭伟.旋挖钻头的类型及选配[J].现代隧道技术. 2012(343):152-162.

作者：范杰（出生年-1994），男，汉，江苏南通，工程师，本科，研究方向为施工技术及设备研究，江苏省苏州市工业园区澄湾路19号17层、