线军威
北京汇丰凯泰建设工程有限公司 北京朝阳 100028
摘 要
桥梁是在道路路线遇到障碍时，为了保持道路的连续性而专门建造的构筑物。桥梁下部结构的桩基础是保证桥梁上部荷载传至地基的结构，是桥梁重要的基础支撑部分，所以桥梁桩基施工质量是桥梁的施工质量的关键分项工程。城市桥梁中常用的桩基础成桩方法为钻孔灌注桩。泥浆护壁成孔桩施工机械设备有很多种，如正、反循环钻机、冲击钻、旋挖桩、潜水钻等，各种施工机械适用条件也不尽相同。所以施工中要全面考虑各种因素，选择出最适宜的施工机械设备是施工成败的关键步骤。有些特殊地层还需要多种机械配合使用以达到快速成桩目的。泥浆护壁成孔灌注桩由于其自身诸多优点，且应用广泛，本文以北京延崇高速（北京段）第四标段桥梁桩基础工程为选题背景，对泥浆护壁成孔灌注桩关键施工技术进行了系统的总结和研究，对施工中存在的塌孔、漏浆、地面塌陷等问题提出了一些自己的看法，为城市建设同类型桩基础施工提供参考。产生塌孔主要是地层复杂、钻进速度过快、护壁泥浆性能差、成孔后放置时间过长没有灌注混凝土等几方面原因所致。通过分析工程地质情况、水文情况结合现场施工总结。制定了一方面降低钻机速度尤其是软硬土层结合处，要低压低转速通过，另一方面要改善泥浆性能，最后通过加长护筒长度，加厚护筒壁厚足以穿过粉砂层，埋入有机质黏土层中，三管齐下从根本上解决了施工中塌孔问题。漏浆通过调配泥浆比重和加入木质纤维素可以改善、地面塌陷通过换填石渣加强地面承载力解决，通过以上措施的实施验证了施工方法及控制措施的可行性，为以后类似工程施工提供了参考。
关键词： 灌注桩，施工方式，机械设备，塌孔，护筒
绪 论
随着城市发展，地上交通的建设越来越立体化，作为道路延续的桥梁的作用不可替代。地上地下各种管线障碍物及地质水文条件复杂多变，作为传递桥梁上部荷载的桩基施工变得也越来越困难，带来更多的不确定性和挑战性。通过分析桥梁桩基的施工方式分类、机械设备选择应用的环境条件及结合具体工程实例，通过分析地质条件、水文条件在实践的基础上，采取调配泥浆性能、控制钻速、加长加厚护筒穿越不稳定的粉砂层、地面换填石渣压实等措施，有效的控制了桩基在不利的地质条件下易塌孔、漏浆和地面易塌陷的问题，加深了人们对桩基础施工成孔的理解，最终形成一套完整的应对桩基塌孔、塌陷、漏浆的方法体系，可为以后类似工程施工提供成功经验。
一、桩基施工重要性
现阶段我国对桥梁的建设规模随着经济的快速发展在逐渐增大，尤其大城市建造桥梁可以有效解决交通拥堵。桥梁分上部结构和下部结构，其中下部结构的桩基础是保证桥梁上部荷载传至地基的结构，是桥梁重要的基础支撑部分，相当于人体的两只脚，腿脚不好下盘不稳上身就会歪斜，所以桥梁桩基施工质量是桥梁的施工质量的关键分项工程。由于桩基位于地下属于隐蔽工程，日常的质量检查较困难，施工过程质量控制就显得尤其重要，也是保证质量的关键。
二、桩基础施工方式及优缺点总结
1、成桩施工方法及优缺点
钻孔灌注桩施工机械化程度高，成桩速度快，安全性高，适用于各种地层各种桩径和长度的普遍适用的成桩方式。
2、钻孔灌注桩成孔方法及优缺点
钻孔灌注桩分为泥浆护壁成孔、干作业成孔、沉管成孔、爆破成孔。泥浆护壁成孔桩是桥梁桩基中应用最广泛的成桩方法因其受到不良水文地质条件因素影响小，适用于粘性土、砂性土、淤泥质土、砂卵石、碎石、软岩及风化岩层等各种地层及复杂环境。机械化施工程度高，应用范围广，施工效率高，安全可靠。干作业成孔要求处于地下水以上，土质稳定良好，最好是坚硬、硬塑的粘性土，否则容易埋钻。沉管成孔桩埋深一般不超20米，采用夯扩、振动方式成桩噪声大，对周边环境影响大，有局限性。爆破成孔危险性高，对爆破专业性要求高，一般很少用到。
三、施工机械介绍及选用
1、泥浆护壁成孔桩机械设备种类及特点
泥浆护壁成孔桩施工机械设备有很多种，如正、反循环钻机、冲击钻、旋挖桩、潜水钻等，各种施工机械适用条件也不尽相同。正循环钻机适用砂卵石含量少于20%的地层，反循环钻机也适用于砂卵石含量少于20%的地层且卵石直径小于钻杆内径2/3的地层；冲击钻用于硬岩层，但噪声大，成孔效率低；旋挖钻几乎适用于各种地层，应用范围广；潜水钻用于淤泥、淤泥质土及砂性土。钻孔灌注桩施工中机械设备选择对成桩质量、效率影响很大，所以施工中要全面考虑各种因素，选择出最适宜的施工机械设备是施工成败的关键步骤。
2、机械设备选用方法
进场施工前，应根据详细勘查报告中水文地质情况及图纸的桩径、桩长和现场场地情况、地上地下有无障碍物编制具体的施工方案，在满足施工质量、工期前提下选择适宜的施工机械设备类型及型号。有些特殊施工地层使用单一机械无法满足成桩要求，需要多种机械配合使用以达到快速成桩目的。
四、结合现场施工给出解决塌孔等问题的处理方法和观点
1、设计概况
延崇高速公路（北京段）工程位于延庆区内，为北京市与河北省张家口地区联系的一条重要道路，也是2022年北京冬奥会的重要联络线。延崇高速公路第4标段，设计起点桩号K11+689.625，位于康河路路口北侧，设计终点桩号为K14+424.359，位于京新高速公路南侧。本标段全长2.73km，主要工程包括：郎庄服务区、康河路立交、路段高架桥。本标段内设有郎庄服务区，相交桩号K12+664.602，服务区两侧设置4条上下匝道与延崇高速主线相连[2]。
本标段施工桥梁桩基桩径为D=1.2米，D=1.5米两种桩径，桩长29~69米，总计1006棵。施工现场开阔，处于城郊田野地带，无地上高压塔，无地下管线等障碍物。
2、工程地质
根据本次勘察和对已有资料的调查、分析，将拟建场地自然地面以下65.00m深度范围内的地层按沉积年代及工程性质划分为人工堆积层、新近沉积层和第四纪冲积层三大类，并根据岩性组成、结构、工程性质进一步划分为9个大层及亚层，现分述如下：
(1) 人工堆积层（第1大层）
表层为一般厚度0.20~1.70m的人工堆积土层，主要为粉土素填土①层及杂填土①1层。
(2) 新近沉积层（第2大层）
人工堆积层以下为新近沉积层厚度6.3~7.50m的粉土②层，粉质黏土②1层和粉砂、细砂②2层。
(3) 第四纪冲积层（第3~9大层）
新近沉积层以下为第四纪冲积的粉质黏土③层，粉土③1层，黏土③2层及细砂、粉砂③3层；有机质黏土④层，粉质黏土④1层，粉土④2层，细砂、粉砂④3层及圆砾④4层；有机质黏土⑤层，粉质黏土⑤1层、粉土⑤2层，细砂、中砂⑤3层及圆砾⑤4层；有机质黏土⑥层，有机质粉质黏土⑥1层，粉土⑥2层，细砂、粉砂⑥3层及圆砾、卵石⑥4层；有机质黏土⑦层，有机质粉质黏土⑦1层，粉土⑦2层及细砂、粉砂⑦3层；有机质粉质黏土⑧层，有机质黏土⑧1层及粉土⑧2层，有机质黏土⑨层及有机质粉质黏土⑨1层[2]。
第四纪冲积层以粉土、粉砂、有机黏土、圆砾、卵石层为主，卵石粒径最大30~40cm。
3、水文地质
场地地面下40.00m深度范围内赋存5层地下水；(1) 第1层地下水赋存于埋深约3m内的粉土层中，其地下水类型属上层滞水。本次实测地下水水位标高为479.68m（埋深1.60m）；
(2) 第2层地下水赋存于埋深约3～7m之间的粉土层中，其地下水类型属潜水。本次实测地下水水位标高为476.07m（埋深5.30m）；
(3) 第3层地下水赋存于埋深约9~12m之间的粉土层中，其地下水类型属潜水~承压水。本次实测地下水水位标高为471.62~471.77m（埋深9.30~9.60m）。
(4) 第4层地下水赋存于埋深约16~20m之间分布的粉土、砂土层中，其地下水类型属承压水。本次实测地下水水位标高466.82m（承压水头：埋深14.10m）。
(5) 第5层地下水赋存于埋深约30~40m之间分布的粉土、砂土层中，其地下水类型属承压水。本次实测地下水水位标高474.52~476.07m（承压水头：埋深5.30~6.40m）[2]。
4、施工风险分析
地层条件和地下水条件复杂对成孔不利。
5、机械设备选择
根据以上各方因素，编制施工方案选择使用旋挖钻机泥浆护壁成孔施工。
6、试验桩施工发现桩基塌孔、漏浆、地面塌陷问题
正式桩基施工前先进行试验桩施工，以确定最终施工方案的可行性。试验桩施工中发现塌孔，地面塌陷严重，漏浆，泥浆含砂率高，不能成孔。桩基属于地下工程，看不见摸不着，给解决问题带来很大困难。
7、处理方法观点及验证
（1）分析塌孔及地面塌陷原因
产生塌孔主要是地层复杂、钻进速度过快、护壁泥浆性能差、成孔后放置时间过长没有及时灌注混凝土等几方面原因所致。地面塌陷是由于地面松软承载力不够。漏浆在地层条件差的卵石层中易发生。
（2）解决思路方法
通过结合现场施工分析这几方面原因，主要针对钻进速度过快、护壁泥浆性能差这两方面进行改善。一方面降低钻机速度尤其是软硬土层结合处，要低压低转速通过。另一方面要改善泥浆性能。泥浆在成孔阶段泥浆对成桩质量有重要的影响。泥浆在钻孔施工中利用其与地下水之间的压力差控制水压力，使泥浆能在孔壁上形成泥皮而加固孔壁，防止坍塌漏浆，同时稳定孔内水位。另外泥浆还能起到带出孔内岩土碎屑的作用，通过泥浆池循环反复置换出孔内砂石碎屑达到孔内泥浆稳定，对孔壁有足够压力，保持孔壁稳定。地面塌陷原因还是地面松软，承载力不够，因所用的旋挖钻机机械设备重达60t,还有其他吊车、铲车等机械设备，地面单位承载力不够。
（3）实施方案及实践验证
针对以上情况进行施工方案改进，把成孔速度控制在2m/h以内。 通过调配泥浆中加入的膨润土（黏土粉）、木质纤维素或烧碱改变泥浆比重，泥浆比重控制在1.4g/cm3，改善泥浆的性能，增加泥浆的张力，加强泥浆护壁功能，通过除砂措施减少泥浆中的含砂率，最终孔壁形成的泥膜把砂石包裹住减少砂石的流动性，也就不会出现塌孔、漏浆现象。针对地面塌陷，地面堆积层土质差，承载力不足，对承台桩基施工范围内软弱土层加宽2米进行1米厚石渣换填，压实，提高地面承载力。按照以上改进措施完成，再次进行成孔施工，施工中地面塌陷、漏浆情况解决了，塌孔问题有所改善但还是没有完全解决。
（4）再次分析抓到塌孔关键因素
在成桩钻孔施工中发现塌孔主要发生在钻进到10~13米范围内，也就是砂层集中地段，结合地勘报告这段主要是人工堆积层、新近沉积层中的粉土、粉砂层，还有上层滞水、潜水的影响，使得上层的粉土、粉砂粘聚力差，遇水流动，孔内泥浆含沙量高，造成土质疏松易出现塌孔。通过以上分析研究，问题关键还是地层中的细砂、粉砂和地下水相互影响造成地层不稳定，再加上钻孔施工扰动，打破原有相对平衡。如何使砂层不利因素对施工的影响降到最低甚至消除，重新达到相对平衡，是当前要解决的问题所在。
（5）再次修改方案实施验证成功
经过思考研究改变原方案中常规使用的5米的钢护筒（壁厚8mm）,因为5米钢护筒不足以支撑钻机通过粉砂层，这是问题的症结，加长护筒长度足以穿过砂层，把筒长度加长至14米，护筒壁厚加至12mm，以增强护筒刚度，这样护筒就能穿越粉砂、细砂层埋入有机质黏土层中。为了避免过多扰动桩基周围土体，长护筒采用静压方式缓慢压入孔位。通过这一系列改变措施配合实施，进行试验桩进行验证比对，结果见下表1-1所示。
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实践验证成孔效果明显，最终完美解决了问题，保证了整个工程按进度计划完工，对以后类似施工积累了宝贵的经验。为城市建设同类型的施工提供参考价值。我也深刻理解了桩基础施工出现的问题一般多与地层地质情况和地下水情况有关，出现问题要紧抓问题的关键点，针对施策，一个点一个点针对做出解决方法方案，遇到新问题先从通用方法入手解决，实践验证，如不可行，应逐步改变方案逐步试验，以期最后找到解决问题方法。特别通过此次桩基塌孔问题的圆满解决，增加了我的自信，使我坚信只要理论和实践结合找到问题的关键点，都能找到最终的解决方案。结 论
本文以北京延崇高速（北京段）第四标段桥梁桩基础工程为选题背景，总结了成桩施工方法、机械设备选用原则及成孔过程中出现塌孔、漏浆、地面沉降问题的处理方式方法。北京延崇高速（北京段）第四标段桥梁桩基工程，通过对地质水文条件、设计文件、施工设备、施工工艺的分析对成孔过程中的地面塌陷、塌孔、漏浆采用地面换填、控制钻进速度、调配护壁泥浆性能、加长加厚护筒穿过不稳定的砂层，可有效的解决以上出现的各种问题，保证成孔质量，为城市建设同类型桩基础施工提供参考价值。
参考文献
[1] 交通运输部、中交第一公路工程局有限公司。《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011)，人民交通出版社，2011。
[2] 延崇高速公路（北京段）工程第4标段施工设计图纸、地勘报告。