◎ 汪国喜 欧阳天庭 江西省路港工程有限公司

在高桩码头建设过程中，桩端必须嵌入中微风化基岩一定深度后才能满足桩基抗拉拔、抗滑等受力要求。传统钻孔灌注桩嵌岩斜桩普遍存在设备笨重、钻头损耗大、成孔速度慢、事故频发等弊端，施工工效及经济性等均较差。为此，在嵌岩灌注斜桩施工过程中，必须探寻一种性能可靠、成本经济、施工便捷的成桩方案。本文结合某码头工程实际，提出嵌岩灌注桩基施工时冲孔桩基综合成孔技术，在有效解决嵌岩灌注斜桩成桩难题的同时，为类似工程施工提供借鉴参考。

1.工程概况

某港区码头工程采用高桩梁板结构，码头平台设计长度为300m，宽30m，按照9.0m间距共布设34个排架；34根φ1200mm斜桩布置在第18～34#排架处，各排架处布置2根斜桩；斜桩扭角为185°，斜率为1:7。

根据地质钻探结果，港区嵌岩灌注斜桩成桩区地层以第四纪地层和花岗岩地层为主，基岩埋深大。表层为20cm厚的淤泥质覆盖层，表现出典型的河相沉积特征；表层以下为灰褐色中密实、密实粉质粗砂和砂性黏土层；基岩为硬质花岗岩，探明的强风化层厚度达到10～21m，总体呈西北高东南低趋势，岸坡陡峭，坡比位于1:1～1:0.5之间。工程区最高、最低潮位为1.18m和-1.73m，在一个涨落潮周期内，水流循环往复，大潮及小潮期间最大流速分别为0.89m/s和0.74m/s。

结合地质资料，覆盖层除部分黏土层外，大多为粉砂层和砂层，钻孔及清孔期间塌孔的可能性非常大，对泥浆性能也有较高要求。桩基嵌岩深度大，基岩强度高，存在较大的钻进难度；钻进过程中断杆事故易发，故对钻杆、钻头及钻机性能有较高要求。

2.施工方案

考虑到钻孔灌注桩入岩深度大、成孔难，采用冲孔桩基展开硬岩段钻进施工，同时改进现有冲击钻头、清孔设备及灌注导管；将长筒式冲击钻头安装在普通冲孔桩机上进行嵌岩段成孔施工；在旋流器辅助下，通过潜水电泵反循环清孔工艺清孔；采用变截面凸出灌注导管灌注水下混凝土。综上，该港区工程水下嵌岩灌注斜桩成桩技术主要包括四个方面：

一是加长型筒式冲击钻头成孔技术。该钻头主要由顶部锚拉头、中间钻筒、底部钻头等部分焊接而成，通过调节钻筒长度提升斜嵌岩桩硬岩成孔质量，能较好保证冲击钻头成孔方向与钢管桩一致，为钢筋笼安放及水下混凝土灌注提供保证，省去长钻头及杂乱设备配备产生的费用。将钢块凸出结构斜向、间隔焊接在锚拉头周围，钻进施工期间该锚拉头始终位于钢管内部，能有效防止卡锤现象[1]。

该钻头质量大，通过底部加焊的合金块冲击成孔，为确保成孔孔径与原钢管桩桩径一致，必须根据入岩深度调节钻筒长度，将钻筒长度控制在入岩深度的1.5倍以上。

二是潜水电泵反循环清孔技术。反循环过程专业性强，操作难度大；借助潜水电泵清孔技术能直接抽吸孔底沉渣，形成反循环。将潜水电泵连接灌注导管后放置在孔口液面周围，对距离孔底30～50cm段进行灌注。潜水电泵与电机同轴运行，水泵叶轮在电机轴的带动下旋转，使浆体介质产生一定流速，进而带动固体流动，将孔底沉渣、泥浆等经由灌注导管排出孔口。抽排出的泥浆在旋流器中得到分离、处理。

三是泥浆旋流器清孔技术。泥浆抽出后经过旋流器，受到重力和离心力的综合作用后，粗颗粒顺着内壁旋转向下，形成外旋流，经由排渣口排出；细颗粒及浆液在距离器壁较远的中心处作回转向上运动，形成内旋流，从溢流管排出后进入桩孔底。经过旋流器处理后的泥浆含渣量少，性能好；清孔效果优异，孔底沉渣厚度完全符合要求。泥浆旋流器结构[2]见图1。

图1 泥浆旋流器

四是变截面导管灌注混凝土成桩技术。在斜桩桩身混凝土灌注时，直筒式导管会在重力作用下发生垂直沉降，直接紧箍在钢筋笼上，无法正常提拉；灌注的混凝土也达不到理想的扩散效果，后续工序操作难度大大增加。变截面凸出灌注导管采用突出保护缓坡设计，能较好避免导管下放和提升造成的钢筋笼偏移[3]，防止卡管情况出现，有效规避了直筒式导管的弊端。

3.成桩施工要点

3.1 施工平台搭建

该港区工程位于河道内，必须搭建水上施工平台。在搭建前结合前期调查及施工计划确定平台荷载，按照荷载确定平台厚度，确保平台承载力及安全性。钻孔平台以钢管桩为支撑，增焊钢牛腿，由钢板和槽钢组成。施工平台搭建完成后主要用于钻机、吊车等的放置，还为材料堆放和加工施工提供场地。

待搭建好施工平台后，切割钢管桩桩头至相应高程，将切除的废桩头运输至统一堆放处；将切割后形成的桩孔适当遮挡，防止杂物落入。

3.2 桩基就位

钻进冲击力直接由筒钻底部钻头承担，为增强冲击效果，应增大钻头质量并在其底部增焊合金块。通过焊接使中间钻筒和底部钻头、顶部锚拉头连接；钻筒长度根据成孔深度适当调节。为确保冲击成孔期间钻头成孔方向的一致性，应将钻筒长度控制在成孔深度的1.5倍以上；钻进期间位于钢管桩内的钻进深度至少为成孔深度的0.5倍[4]，防止桩孔偏斜。

顶部锚拉头两端应分别连接钻筒焊管与钻机机架，此段钻筒上应按设计间隔焊接斜向凸出钢块；钻机机架对钻头冲击过程的控制通过卷扬机拉伸钢丝绳实现。

待桩基设备全部安装好后，报监理工程师验收；同时全面检查机械设备性能及运行情况，并安排试运转，避免桩基运行期间出现倾覆。待桩基就位后通过十字交叉法对准孔位。通过吊车将钻头部分下放至桩孔内，牢固连接钻头与钢丝绳。因斜桩冲击钻头结构较为特殊，为防止桩机倾覆，应使钢丝绳和桩机水平线形成锐角，展开反打施工。

3.3 布置泥浆循环系统

嵌岩段施工长度较短，还受平面位置所限，为保证施工质量，单台钻机配备1个1.5m³的泥浆循环系统。泥浆制备时采用普通硅酸盐水泥，泥浆密度应略高于一般泥浆，以增强其悬浮携渣能力。泥浆循环期间钻渣通过双层滤网过滤，得到的泥浆继续循环使用，滤渣则集中处理。泥浆性能控制要求见表1。

表1 泥浆性能控制要求

3.4 冲击成孔

冲孔初期低锤密击，开孔距离未达到2.0m时，冲程高度不得超出1.0m。钻进过程中应密切关注渣样变化，以实时判别地层情况。不同地层的钻进参数见表2。

表2 不同地层钻进参数

圆筒形冲击锤上的圆筒和外护筒构成冲击钻机导向系统。圆筒导向冲击锤的长度主要根据桩基机架高度、起重能力等综合确定，以避免卡钻，并保证导向的正确性；护筒内所预留的导向冲锤长度应控制在1.5m以上。筒型冲击钻成孔斜桩示意图见图2。

图2 筒型冲击钻成孔斜桩示意图

冲击成孔期间应严格控制钢丝绳放松量，避免因放松过多而缩短冲程以及放松过少而引发打空锤，向桩机施加瞬间拉拽，造成机具损坏。为此，在钢丝绳上做出标记以便进行冲程高度目测，根据地层条件及冲深判断松绳长度，确保冲锤切入深度符合要求。泥浆循环应与冲孔同步进行，在冲锤穿越钢管桩的过程中适时添加膨润土以增大泥浆浓度，取得较好的护壁效果。

终孔采用持力层土质和孔底标高双控方式，孔底标高通过测绳下设置加重块的方式测量；持力层土质应结合地质勘查确定[5]。

待终孔后通过正循环工艺首次清孔，使用调制好的泥浆替换钻孔内粘稠泥浆和钻屑，以便将钻孔底部沉渣完全清除。

3.5 钢筋笼制安

在岸侧陆域展开钢筋笼制作，通过浮吊吊运至施工平台，借助汽车吊拼接安装。考虑到工程区岩层软硬不一，钻头受到重力作用后钢护筒底口以下的孔必然表现出一定倾斜，增大钢筋笼安装难度。为此，在安装前必须处理钢筋笼底部，将底部1.0m长度段93cm周长缩减至87cm，并在最底部外包15cm长的铁皮，包住钢筋头，提升导向效果。

钢筋笼分段吊装。待将首段钢筋笼入口后，通过2根钢管将钢筋笼卡设于护筒口，再起吊第二段钢筋笼并与之焊接、冷却并入孔；以此类推，完成钢筋笼全段吊装。此后预留桩底保护层厚度并稳固钢筋笼，孔口通过限位装置固定，避免混凝土浇筑时钢筋笼上浮。钢筋笼安装属于隐蔽工程，安装后应会同监理、业主各方展开验收，合格后进行水下混凝土灌注。

3.6 灌注导管安放

导管进场后展开试压试拼，以判断导管质量。该港口码头工程采用特制灌注保护导管装置，在导管安装过程中，于普通单节直筒灌注导管中增设凸出保护层，防止导管卡管。在安放过程中，将一节凸出保护导管增设在底部，下入直筒导管后再按6.0m间隔左右下入一节凸出保护导管，保证导管下放到位。

3.7 清孔

采用潜水电泵和泥浆旋流器展开反循环清孔。为保证潜水电泵的密封性，通常将潜水电泵下沉至泥浆液面以下，避免漏气；同时将潜水电泵底口插入灌注导管，通过密封垫片密封导管接口。通过胶管连接潜水电泵和泥浆旋流器进浆口，并连接溢流口和导管接口胶管，以构建起旋流器泥浆循环系统。启动电机清孔，结束后检查孔底沉渣厚度，符合要求后展开水下混凝土灌注。

3.8 水下混凝土灌注

通过运输船将C40商品砼运至船吊处，借助船吊调至施工平台，为保证施工质量及效果，必须同时满足泵送和水下灌注的双重要求，即强度、流动性、和易性、保水性均应符合要求。混凝土施工配置强度按下式确定：

式中：fcu,σ为混凝土施工配置强度（MPa）；α为陆水强度比，取1.04；fcu,k为混凝土立方体标准抗压强度（MPa）；σ为混凝土立方体抗压强度标准差（MPa），取5.0MPa。

经计算，混凝土施工配置强度取49.7MPa，塌落度位于180～220mm之间，水泥和粉煤灰胶凝材料用量为494kg/cm³，水胶比0.4，碎石粒径5～30mm，砂率40.9%；按照设计比掺加膨胀剂。施工过程中，应根据混凝土强度检测结果进行配合比及配置强度调整和修正。

通过船吊将制备好的混凝土调至孔口灌注。灌注前应结合设计要求确定初灌量，将初灌后混凝土埋管长度控制在0.8～1.0m。清孔完成后，在导管内放置橡胶皮球隔水塞，并安装初灌料斗，设置好密封挡板，以保证混凝土顺利将导管内河水排除，隔绝混凝土与管内河水的接触；同时用绳吊住封口，待料斗内储备好充足数量的混凝土材料后，将吊绳剪断，并将钢板提起，放开隔水栓后使混凝土向孔底下落，使导管内河水全部压出。

安排专人进行混凝土灌注期间导管埋深、内外混凝土面高差测量，并填写施工记录，便于实时掌握每根嵌岩斜桩混凝土灌注量，确保混凝土充盈系数符合要求。因桩顶浮浆的存在，桩顶混凝土应超灌50～60cm高度。

4.结论

工程应用结果表明，嵌岩灌注斜桩对于覆盖层薄弱、基岩面较浅的工程地质较为适用，抗拉拔、抗倾覆性能优异。但施工过程繁琐、机械设备配置量多、施工过程具有很强的隐蔽性和可预见性，对机械性能状态要求高，同时要求对冲孔、清孔、混凝土拌和、输送及下料、导管提插及拆装等过程进行实时监控，技术难度较大。结合该港口码头工程实际采用的加长型筒式冲击钻成孔、泥浆循环气清孔、变截面导管灌注水下混凝土的成桩工艺，对于嵌岩灌注斜桩较为适用，较好地解决了常规施工方式下地质条件复杂水域嵌岩灌注斜桩成桩难题，施工过程得以简化，工效显著提升，施工费用得到节省。