复杂地质条件下高层建筑钻孔灌注桩施工技术研究.pdf

江西建材工程技术与应用2642023年6 月复杂地质条件下高层建筑钻孔灌注桩施工技术研究郭龙龙山西三建集团有限公司，山西 长治 046000摘 要：为研究复杂地质条件下钻孔灌注桩成桩技术与质量控制措施，文中依托工程实例，以溶洞存在环境下钻孔灌注桩施工技术为研究对象。根据地质补勘资料，通过技术方案优化，针对性地提出了“粘土片石回填”和“钢护筒跟进+粘土片石回填”两种溶洞处理措施，后经成桩质量检测，结果表明，针对本工程制定的施工技术和溶洞处理方案合理可行，I类桩占比达到97.8%，类桩占比2.2%，达到质量控制目标。关键词：钻孔灌注桩；岩溶地质；钢护筒跟进；黏土回填中图分类号：TU 753 文献标识码：B文章编号：1006-2890（2023）06-0264-04Research on Construction Technology of Bored Pile in High-rise Buildings under Complex Geological ConditionsGuo LonglongShanxi Sanjian Group Co.Ltd.,Changzhi,Shanxi 046000Abstract:In order to study the pile forming process and quality control measures of bored piles under complex geological conditions,the article relies on engineering examples and takes the construction technology of bored piles in the presence of karst caves as the research object.Based on geological supplementary exploration data and technical scheme optimization,two targeted measures for karst cave treatment,namely Clay rubble backfilling and Steel casing follow-up+Clay rubble backfilling,are proposed.After pile quality inspection,The results indicate that the construction technology and karst cave treatment plan developed for this project are reasonable and feasible,with Class I piles accounting for 97.8%and Class II piles accounting for 2.2%,achieving the quality control goal.Key words:Bored pile;Karst geology;Steel casing follow-up;Clay backfill作者简介：郭龙龙（1988-），男，山西长治人，本科，工程师，主要研究方向为建筑工程施工。0 引言桩基础的承载能力主要来源于桩端阻力与桩身摩阻力两部分。在岩溶地区，建筑结构上部荷载的承担以桩端阻力为主，桩身摩阻力为辅，综合特性属于摩擦端承桩。当桩基础穿越溶洞时，该部分桩身摩阻力相对减小甚至为零；而桩基础坐落于溶洞顶部时，持力顶板的稳定性决定了桩身承载力1。因此，为保证岩溶地区桩基础承载力和稳定性，避免其因沉降过大而发生开裂，工程设计时，桩底端部应适当嵌入稳定岩层，且该岩层承载力大小需经验算，确保满足工程需求。桩基础的沉降随上部荷载的增加而增大，全过程可分为4 个阶段，如图1 所示。图1 桩基础上部荷载与沉降关系图由图1 可看出，在 H点之前，桩基上部荷载与沉降呈线性关系，此时，桩基础发生弹性变形，超过 H点之后，桩身摩阻力减小，桩体开始发生塑性变形，但仍以弹性变形为主；荷载增大至 I点后，随着桩身塑性变形的增大，桩周土开始发生屈服。此时，桩基虽然完整但已逐渐趋于破坏，直至荷载增大至 J点后，桩身摩阻力因桩周土遭到破坏而逐渐缺失，致使桩端承受全部荷载，当该荷载增大至桩端岩土层不足以抵抗时，桩基便会发生刺入式破坏。1 施工项目简介1.1 工程概况某DK1项目为13幢地上2526层（74.5577.45 m）、地下2层的高层住宅楼，框架为剪力墙结构，用地总面积60513.6 m2，建筑总面积255785.5 m2。本项目基坑开挖深度7.69.4 m，基础形式为工程桩+筏型结构，其中桩基础设计为 1000-28.5-214和1200-32.0-374（桩径/mm-桩长/m-根数）的端承摩擦桩，C30混凝土灌注成型。按照施工部署，基坑开挖支护完成后进行桩基础施工。1.2 工程地质区域内地质条件复杂，岩溶发育中等强烈，溶洞、溶槽及岩溶破碎带分布广泛，遇洞率为46.2%。垂直方向溶洞为单层分布，大小不一、形态各异，揭示高度在1.13.4 m，部分呈连通状，且大部分未填充，部分填充以软塑状粘土为主。溶洞分布于地表以下16.721.9 m，洞顶板厚度为0.92.4 m，上覆软-可塑江西建材工程技术与应用2652023年6 月状粘性土和松散-稍密状砂砾土；溶洞以下地质组成以石灰岩为主，桩基坐落于完整基岩上，嵌岩深度为6.58.7 m；地下水主要赋存于深部石灰岩层，岩溶裂隙发育且相互贯通，裂隙水含量较大，水力联系密切。2 施工任务分析2.1 质量目标采用超声波透射法进行桩身完整性检测，辅以钻芯取样进行验证及桩身混凝土强度检测，要求I类桩占比不小于95%，类桩占比不大于5%，不得出现类桩和类桩。2.2 管控措施岩溶地区成孔成桩过程中，受地质条件和自身作业隐蔽性的影响，易出现漏浆、卡钻、埋钻、塌孔、断桩以及混凝土流失等事故，形成原因与处理措施详见表1。3 施工技术应用3.1 施工流程场地平整测量放样护筒埋设泥浆制备钻机就位冲击钻孔（钢筋笼制作）溶洞处理成孔验收首次清孔泥浆检测钢筋笼吊装导管安装二次清孔砼灌注桩机移位（跳桩施工）桩身检测。3.2 技术准备（1）进行地质补勘，做到一桩一勘，充分掌握桩基地质及溶洞情况，以便针对性制定处理措施。（2）编制技术方案并进行技术交底，明确施工重点、施工难点、注意事项和质量要求。（3）结合本工程施工特点和施工工艺，做好特殊施工方法和特定技术措施的准备。3.3 施工要点3.3.1 护筒埋设（1）护筒采用5 mm厚钢板卷制焊接而成，直径大于设计桩径200 mm，长度为2.53.0 m，顶部设置12个溢浆口以便泥浆排放。（2）护筒就位采用十字交叉法进行定位，根据设计坐标测定桩位后，做好编号、标记，过桩位中心再拉十字线，在护筒外1.52.0 m处设置控制桩，以便钻孔过程中复核桩位。（3）护筒就位后，其顶部应高于地面300 mm，中心偏差应50 mm，竖向倾斜度应小于等于1%，周围用粘土分层均匀填满夯实，确保稳固不漏浆2。3.3.2 泥浆制备泥浆配合比及配制方法宜通过试验确定，其性能应与钻孔方法、地质情况相适应。本工程选用优质膨润土调制泥浆，为增加泥浆粘度和胶体率，可根据实际情况掺入适量的碳酸钠和烧碱。冲击钻成孔的泥浆性能指标应满足：相对密度1.21.4；含砂率4%；黏度2230 Pa s；胶体率95%；失水率20 ml/30 min；酸碱度pH值为 8113。基于岩溶地质的考虑，本工程钻孔泥浆相对密度和黏度取值上限，以牺牲部分冲击能量和成孔速率来提升护壁效果，避免出现漏浆和塌孔现象。3.3.3 钻机选择为减小施工扰动，避免溶洞部位因冲击过大出现漏浆、卡钻、塌孔和埋钻现象，经综合考虑，决定采用CZ-30型小冲程冲击钻机进行钻孔，具体参数见表2。表2 CZ-30 型冲击钻机性能参数表钻机型号钻孔直径/mm冲击行程/mm冲击频率/（次 min-1）冲锤质量/kg卷筒提升力/kNCZ-30 3001800 4801000364015003600403.3.4 冲击钻进（1）冲击钻对准护筒中心（偏差20 mm），开始以锤高0.40.6 m小冲程进行密击，并及时添加泥浆护壁，使孔壁挤压密实，直至孔深达护简下34 m后，再以0.81.0 m正常冲程进行连续冲击。（2）冲孔过程中，应定时测定和控制泥浆密度，每钻深12 m应排渣一次，排渣时，需及时向孔内补充泥浆保持水头高度，以防因亏浆而造成坍塌埋钻4。为减少排放量和降低施工成本，泥浆应处理后循环使用，循环过程见图2。图2 泥浆系统循环示意图（3）每钻进23 m检查一次成孔垂直度，如发现偏斜，应立即停钻并采取纠偏措施。对于地质变层处和溶洞顶板部位，应采用低锤轻击、间断冲击的方式穿过，以保持孔形良好和避免卡钻埋钻。3.3.5 溶洞处理本工程溶洞发育虽为中等强烈且分布广泛，但竖向呈单层分布且横向连通率一般，而且洞高较小（1.13.4 m）。此外，原地表情况下，洞顶覆盖层虽然较厚（16.721.9 m），但根据施工部署，其在基坑开挖支护完成后再进行桩基础施工，开挖深表1 岩溶地区钻孔灌注桩施工事故原因与处理措施一览表事故形式事故原因处理措施漏浆溶洞填充不充分和护壁发生裂隙透水。增大泥浆比重，停钻二次填充后以小冲程冲进。卡钻桩孔不规则或击穿溶洞顶板时冲程过大，钻头旋转无法提钻。补焊或更换新钻头，以小冲程击穿溶洞顶板，必要时二次回填重新冲孔。埋钻孔壁塌陷或溶洞顶板较薄，大冲程冲击下造成顶板坍塌。增大泥浆比重，保持水头压力，穿越溶洞时以小冲程冲进。塌孔孔内水位负压和泥浆护壁失效。增加泥浆比重，保持水头压力，必要时增加钢护筒埋深。断桩溶洞空隙较大，首灌混凝土未能封底。加大首灌混凝土用量，并当混凝土灌至裂隙或溶洞处时，适当增加导管埋深。砼流失泥浆比重过小，混凝土灌注后孔壁压力增大，冲破已形成的粘土片石孔壁闭环。增大泥浆比重，二次填充粘土片石重新成孔，以增加孔壁厚度和强度。江西建材工程技术与应用2662023年6 月度为7.69.4 m，因此，洞顶实际覆盖在10 m左右，施工处理相对简单。鉴于此，根据工程实际情况，结合地质补勘资料，综合施工安全、施工质量和施工成本等因素，制定出如下溶洞处理方案。方案一：溶洞高度2.0 m且不连通时，采用“粘土片石回填”法进行溶洞处理。方案二：溶洞高度2.0 m或彼此连通时，采用“钢护筒跟进+粘土片石回填”的组合方式进行溶洞处理。（1）粘土片石回填冲进至溶洞顶板时，以0.40.6 m小冲程密击穿透顶板后，利用比例为37（粘土片石）粘土片石混合料回填至高出洞顶1.0 m位置，再以小冲程缓慢冲击，使填充料被充分挤压密实，完成后恢复正常，冲程继续钻进，以达到有效填充溶洞及其裂隙的目的，确保冲孔过程不再漏浆。若反复回填冲击后仍存在漏浆现象，可在混合料中掺入一定剂量水泥、烧碱或锯末，以增大孔壁自稳能力，提升回填效果。回填片石优先选择强度30 MPa、粒径为1550 cm的石灰岩或花岗岩，所用粘土含砂率应5%。（2）钢护筒跟进采用大直径冲锤冲进至距离溶洞顶部约1.0 m时，下沉钢护筒至孔底，然后换小钻头，以小冲程缓慢冲进，直至打破洞顶，最后利用粘土片石回填后，继续冲击至成孔。钢护筒总长应比溶洞底至地面距离加长3050 cm，内径大于桩基直径10 cm。3.3.6 验孔和清孔钻进至设计深度后，自检合格后上报驻地监理进行现场验孔，孔径、孔深应不小于设计值，孔身倾斜度应1%L（L为桩长）且不大于500 mm5。验孔通过后，从孔底通水进行置换清孔。清孔时，时长一般为612 h，期间需保证孔内水头高度。清孔完成后，利用泥浆桶提取距离孔底500 mm处的泥浆进行指标检测，检测结果需满足以下条件：相对密度1.031.05，含砂率2%，黏度1720 Pa s，胶体率98%，沉渣厚度 50 mm，严禁采用加大孔深的方式代替清孔。3.3.7 混凝土灌注本工程采用商品混凝土进行桩体灌注，混凝土坍落度为180220 mm，初凝时间不小于8 h。首批混凝土采用大料斗，灌注后导管初次埋深1.0 m，最小首灌量 V1（m3）应满足式（1）要求，以保证封底效果，避免夹层或断桩。此外，为应对岩溶地质灌注过程可能出现的漏浆以及混凝土流失问题，现场混凝土最小储量 V2（m3）应满足式（2）要求。（1）（2）式中，V1为最小首灌量（m3），V2为最小储量（m3），其余见表3。如图3所示，以本工程直径1.2 m、桩长32 m桩基为例，式中参数含义及其取值见表3。图3 首灌混凝土量计算简图表3 混凝土首灌量与储存量参数含义及取值表字母名称字母含义取值D桩孔直径/m1.2H1孔底至导管底端距离/m0.4H2导管初次埋置深度/m1.0d导管内径/m0.25h1孔内混凝土达到埋置深度 H2 时，导管内混凝土柱平衡泥浆压力所需高度，即导管内外混凝土高差/mh1=Hww/c=14.84Hw孔内泥浆深度/m约31.8w孔内泥浆重度/（kN m-3）实测取值11.2c混凝土重度/（kN m-3）24t1混凝土初灌前孔底沉渣厚度/m0.05t2混凝土初灌后孔底沉渣厚度/m0根据表3 取值，将具体数值代入公式（1）和（2），则有：最小首灌量m3。最小储量m3。首批混凝土入孔后，应连续灌注，不得中断，总灌注时间不得超过首批混凝土的初凝时间。灌注过程中，应保持孔内水头高度，导管埋深控制在26 m，拔管时，要准确测量混凝土灌注深度和计算导管埋深后，方可拔管6。灌注至桩顶部位时，应采取措施保持导管内混凝土压力，避免桩顶泥浆过大而产生泥团或桩顶混凝土不密实、松散等现象，且灌注高度应超过设计桩顶标高50100 cm。4 施工质量检测为了检验施工效果，成桩后，采用超声波法进行逐桩完成性检测，同时采用钻芯取样法进行抽检验证。超声波检测结果显示，类桩575根，占比为97.8%，类桩13根，占比为2.2%，无类桩和类桩。钻芯取样抽检结果见表4。表4 钻芯取样检测结果表取芯桩号取芯深度/m芯样外观描述强度/MPa1-099.3完整密实36.26-1510.4完整密实36.711-208.9完整密实35.415-1711.5完整密实36.417-049.7完整密实36.220-079.4完整密实35.95 结语本文根据超声波检测结果，本工程类桩占比为97.8%，（下转第269页）江西建材工程技术与应用2692023年6 月钢管分段加固的方式能够确保支承杆稳定性。3.3 穿越洞口处施工控制措施滑模施工理想状态是，在系统控制下，每台千斤顶每次行程爬升相同高度，但由于千斤顶性能的细小差异及施工平台荷载的不平衡，千斤顶每次行程均有差异。当穿越洞口时，缺少部分混凝土摩擦力，滑模平台处于受力不平衡状态，洞口处液压千斤顶向上爬升较快，导致滑模施工平台水平及垂直偏差，进而影响排气筒外形尺寸7。3.3.1 水平度的测量与控制本工程采用限位调平法，其原理为，在每根支承杆上，每隔200 mm画出同一水平标记，并设置限位装置，常用的限位装置有液压限位阀、限位调平卡等。控制液压千斤顶爬升200 mm时，高位千斤顶率先到达预定高度并在限位器作用下停止爬升，低位千斤顶继续爬升，直至爬升至设定高度。在限位器作用下，通过控制每台千斤顶爬升同样高度，可将平台调平。3.3.2 垂直度的测量与控制在滑模施工中，采用吊线锤法测量排气筒垂直度，即在操作平台上设置8个重量为10 kg的线锤测量装置，用细钢丝悬挂在平台下部。在对应线锤的下方地面上设置固定观测点，在线锤的钢丝上端设置滑轮和放线器，随模板逐渐滑升，钢丝逐渐放长。每滑升2 m，通过线锤与固定观测点进行偏移观测，根据偏差调整排气筒垂直度。在滑模施工中，排气筒的垂直度与操作平台的水平度有直接关系。当排气筒向某一方向出现垂直偏差时，操作平台的同一侧通常出现负的水平偏差。因此，对排气筒出现的垂直偏差，可通过调整操作台的水平偏差进行解决。当排气筒滑模穿过洞口处，通过线锤装置观测排气筒垂直度偏差，得出操作平台水平偏差度后，对千斤顶爬升较快支承杆采用限位器进行锁定，通过液压控制系统对爬升较慢的千斤顶加以提升，将整个操作平台调整为同一高度，垂直偏差随之得到纠正。在确定平台调平后，可解开锁定限位器，使平台继续正常爬升8。4 结语广汽丰田南沙工厂排气筒滑模工程在穿越设计预留洞口过程中，由操作平台、模板系统、液压控制系统三部分组成的滑模控制装置，需在整个过程中保持安全稳定。本文通过计算支承杆最大允许脱空长度，并验算洞口处支承杆加固措施，通过理论计算及实际操作，确保滑模装置穿越洞口时安全稳定。同时，在洞口穿越过程中，通过加强水平度及垂直度测量控制，防止扭转倾斜，确保筒体外形尺寸精确。参考文献 1 昂龙.液压滑模技术在现浇混凝土筒仓结构施工中的应用与研究D.合肥：安徽建筑大学，2018.2 袁田静野.井筒结构滑模施工技术在高层建筑的应用J.铁道工程企业管理，2019（1）：22-24.3 宋攀磊.钢筋砼烟囱滑模施工工艺难点及控制策略J.新材料新装饰，2020，2（19）：138-139.4 王瀚博.筒仓滑模施工中常见质量问题及对策分析J.居业，2022（3）：174-176.5 彭宣常.滑动模板工程技术标准理解与应用指南M.北京：中国建筑工业出版社，2020.6 占云海.筒仓滑模施工质量控制策略探讨J.门窗，2020（5）：156-157.7 廖岳陵.烟囱滑模偏扭原因分析及防治J.广西城镇建设，2008（7）：45-48.8 李林浩.谈滑模施工精度控制及常见问题的处理J.山西建筑，2017，43（32）：78-79.类桩占比为2.2%，钻芯取样抽检显示桩身完整密实，混凝土强度达到设计要求，综合判定该项目的施工质量达到工程预期。由此说明，针对本工程制定的施工技术与溶洞处理方案合理可行，具有一定的可借鉴性。参考文献 1 欧阳柱.岩溶地区钻孔灌注桩施工技术用研究D.长春：长春工程学院，2017.2 邓孟炘.建筑工程钻孔灌注桩施工质量管控探究J.中国住宅设施，2021（9）：148-149.3 童世虎.钻孔灌注桩施工技术在房屋建筑工程中的应用J.建筑技术开发，2019（16）：39-41.4 李景阳.岩溶地区钻孔灌注桩施工特点及技术措施J.工程机械与维修，2020（5）：126-128.5 陈占.复杂地质条件下钻孔灌注桩施工技术J.交通世界，2020（S2）：134-135.6 杜帆长护筒在钻孔灌注桩施工中的应用J.建筑机械，2019（4）：119-121，124性较高；换算配筋率法计算出的预应力筋数量最多，结果偏保守，适用于保守设计决策。（3）各截面预应力损失在17.6%24.2%，预应力反拱值最高为14.84 mm，挠度最高为16.84 mm，小于规范规定的l0/300，支座和跨中截面均未出现裂缝，满足规范和设计要求。（4）经过方案比选与优缺点分析，选择了主体结构整浇方案，该方案挡土墙等非预应力构件的受力较小，能够有效减小预应力构件引起的次内力，且提高了挡土墙的防水能力。参考文献 1 杜松，翁方文，周毅.高速铁路无独立合龙段的 T 构桥主梁施工技术J.桥梁建设，2023，53（1）：143-149.2 公晓旭.预应力混凝土连续箱梁桥悬臂法施工关键技术J.科学技术创新，2023（4）：109-112.3 宋彧，李少雄.新型体外预应力加固混凝土框架柱抗震性能研究J.甘肃科学学报，2023，35（1）：37-42.4 邝梦芳，徐采薇，徐其功，等.预应力高强混凝土管桩作为柱的冲击力计算方法研究J.四川建筑科学研究，2023，49（1）：40-48.5 陈圣刚，高峰，耿娇，等.预应力型钢混凝土双坡框架抗震性能试验研究J.建筑结构学报，2023，44（2）：100-108.6 韩志强，刘敬彬，高平原.后张法预应力混凝土箱梁预制施工工艺改进J.中国港湾建设，2023，43（1）：75-78，93.（上接第266 页）（上接第263 页）