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64施工技术CONSTRUCTION TECHNOLOGY2010 年 11 月第 39 卷第 11 期江苏 LNG 项目旋挖后注浆挤扩灌注桩施工技术王国辉，祁建永，张彦鹏(河北建设勘察研究院有限公司，河北 石家庄050031)摘要江苏 LNG 项目储罐基础采用旋挖钻孔后注浆挤扩灌注桩。针对工程施工难点，介绍了聚合物泥浆旋挖钻孔、三岔双向挤扩施工、桩端后注浆施工的工艺流程、施工方法和质量控制要点。通过本工程的应用效果，说明了三岔双向挤扩技术和桩端后注浆技术对桩基承载力的影响，以及聚合物泥浆旋挖钻孔技术的快速、环保特性。结果表明，这 3 项技术联合应用可有效缩短施工工期、显著提高桩基承载力，降低工程造价。关键词钻孔灌注桩;旋挖钻孔;聚合物泥浆;后注浆;挤扩桩 中图分类号TU753.3文献标识码A文章编号1002-8498(2010)11-0064-04Construction Technology of Post-grouting and Extrude-expanding BoredPiles with Rotary Drilling in Jiangsu LNG ProjectWang Guohui，Qi Jianyong，Zhang Yanpeng(Hebei Research Institute of Construction and Geotechnical Investigation Co.，Ltd.，Shijiazhuang，Hebei050031，China)Abstract:Post-grouting and extrude-expanding bored pile with rotary drilling technocogy is adopted intank foundation of Jiangsu LNG project.Based on difficulties in construction，technical process，mainquality control points and construction method of rotary drilling with polymer slurry，construction ofexpanded branches and bells by 3-way extruding arms and tip post-grouting are introduced.By theapplication of the technology，influence of expanded branches and bells by 3-way extruding arms and tippost-grouting technology on the pile bearing capacity is described，as well as the fast and environmentallyfriendly features of rotary drilling technology with polymer slurry.The results confirm that combinedapplication of these three techniques can effectively short construction duration，and significantly improvethe bearing capacity of pile and reduce the project cost.Key words:bored pile;rotary drilling;polymer slurry;post-grouting;extrude-expanding pile 收稿日期2010-01-22作者简介王国辉，河北建设勘察研究院有限公司岩土工程公司高级 工 程 师，石 家 庄 市 建 华 南 大 街 58 号050031，电 话:[phone]，E-mail:wghlc666 钻孔灌注桩后注浆技术是混凝土灌注完成后通过预埋的注浆管向桩侧和桩端注入高压水泥浆，提高桩端和桩侧摩阻力的施工技术。三岔双向挤扩技术是钻孔完成后在桩长范围内选择硬土层部位挤压出一层或多层近似圆锥盘状的扩大头腔，形成由桩身、分承力盘和桩端共同承担上部荷载的施工技术。聚合物泥浆旋挖钻孔技术是近年来兴起的一种快速、环保的桩基成孔技术。江苏 LNG 项目将上述 3 种施工技术应用到同一工程中，充分发挥了这 3 项施工技术的优点，既消除了桩底沉渣对承载力的影响，又充分利用了地基土中的硬土层，大幅度提高了桩基的竖向抗压和抗拔承载力;同时，减少了泥浆排放和对周围环境的污染，加快了施工进度。1工程概况江苏 LNG 项目位于江苏省南通市，由中国石油天然气集团投资建设，一期工程年接收天然气 350 万 t。项目总投资 57.4 亿元。本工程为国家重点工程，抗震设防烈度按 8 度考虑。接收站工程主要由工艺系统、辅助生产系统和公用工程系统组成，包括 3 座储存容积为 16 万 m3的 LNG 全包容储罐及其配套的接收、储存、加压和气化输出设施，以及相关的建(构)筑物等。2工程地质条件场地位于黄海海域潮汐带，距海岸线约 10km。储罐区各层土的主要工程地质特征如下:吹填砂主2010 No.11王国辉等:江苏 LNG 项目旋挖后注浆挤扩灌注桩施工技术65要为粉砂，局部夹粉质黏土，饱和，松散，局部稍密，土质较均匀。粉砂(局部细砂)饱和，稍密 中密，局部夹粉质黏土薄层。粉砂夹粉质黏土、粉质黏土夹粉砂粉砂，饱和，稍密 中密;粉质黏土，软塑 流塑。粉砂饱和，稍密 中密。粉质黏土夹粉砂粉质黏土，软塑 流塑，摇振反应无，干强度、韧性中等，粉砂，饱和，中密。粉砂饱和，中密 密实。粉质黏土软塑，局部可塑，具层理。粉砂，局部粉土饱和，中密 密实。1粉质黏土夹粉砂可塑，摇振反应无，为粉砂的夹层。3工程设计根据本工程的地质条件，LNG 储罐区桩基设计采用旋 挖 钻 孔 后 注 浆 三 岔 双 向 挤 扩 灌 注 桩。桩 径1.40m，3 个承力盘，盘径 2.4m，桩长 60.0 62.7m，粉砂为桩端持力层，每台 LNG 储罐桩 360 根，采用旋挖钻孔施工工艺。基桩承力盘的上、中两盘位于粉砂中，下盘位于粉质黏土夹粉砂中。灌注桩后注浆采用桩端注浆，单桩注浆量为 4.0m3，注浆稳定压力为4.0MPa。4施工难点本工程将桩端后注浆技术和挤扩支盘桩技术同时应用到钻孔灌注桩上，且桩长范围内 4/5 的地层为砂质地层，如何保证钻孔、挤扩的质量和效果以及 60m 长桩的后注浆成功率是难点。项目处于人工岛上，减少泥浆排放和泥浆对周围海洋环境的危害也是必须考虑的。5施工质量控制5.1施工工艺流程桩基定位旋挖钻孔挤扩清孔下设钢筋笼及注浆装置混凝土灌注后注浆。5.2旋挖钻孔施工5.2.1聚合物泥浆为减少泥浆排放量，降低泥浆对周围海洋环境的危害，施工时选用高分子聚合物泥浆。1)聚合物泥浆的主要成分为水、高分子聚合物泥浆材料和水处理剂(Na2CO3)。加入水处理剂的目的是将水的 pH 值提高至 8 10，沉淀水中的钙离子，使聚合物泥浆达到最佳性能。施工时采用的泥浆配合比:黏性土泥浆材料加量 0.6 0.8kg/m3，Na2CO3加量 0.5kg/m3，泥浆黏度 28 31s(马氏漏斗);粉土、粉细砂泥浆材料加量 0.7 0.9kg/m3，Na2CO3加量 0.5kg/m3，泥浆黏度 29 32s(马氏漏斗)。2)聚合物泥浆具有将泥浆中悬浮的泥砂絮凝聚集成较大团块后沉淀的自身净化能力，把需净化的泥浆排入沉淀池中进行沉淀处理。灌注混凝土时通过回浆泵和回浆管将聚合物泥浆回收到泥浆沉淀池中。泥浆回收时不回收在混凝土表面上最后 1 2m 的泥浆(此部分泥浆排入废浆池中)这些泥浆由于与混凝土的接触会受到污染，回收到泥浆沉淀池中会影响整个池中的泥浆性能。3)净化后泥浆的黏度和 pH 值一般会有所降低，重复利用前应再加入少量纯碱来调整泥浆的 pH 值，为补充其黏度损失，在回收的泥浆中加入新的聚合物泥浆材料以达到需要的黏度。4)在工程施工结束后，在废浆池和剩余的泥浆中添加适量的强氧化剂，并通过空压机供气系统使氧化剂与泥浆混合均匀，破坏聚合物的化学链，使其完全降解，泥浆完全降解后可直接排放，对排放地环境无污染。5.2.2钻具钻进时采用双底钻头，钻头底板与筒体的间隙要小，筒体上少开溢水口，间隙过大时应及时调整或修补，防止钻头提升时泥砂从钻头底盖或溢水口处漏失到孔内，增加孔底沉渣。5.2.3钻进操作控制钻进过程中，钻头中泥砂的漏失不能完全避免，为了使终孔后钻渣尽快沉入孔底，应对钻进过程进行控制。1)开钻马上注入聚合物泥浆，并且保证孔内泥浆的液面高于地下水位 1m 以上，以保证孔壁稳定。2)钻机施工时注意控制钻具的提起和下放速度，尤其是在初提钻和出入孔口时，以便加快泥浆中钻屑的沉降，减少对孔壁的扰动，保证孔壁稳定。钻头提出后应直接转离孔口弃土，不要在孔口停留，避免泥砂泄流到钻孔内。3)每次起下钻要尽可能满的打捞泥砂和钻屑，保证钻头中填满泥砂，从而减少在泥浆中分散的钻屑，减少絮状沉渣的产生。4)在距离终孔深度 100 200cm 时，暂时停止钻进，将孔内泥浆沉淀一段时间，待沉渣不再增加后再行捞渣，然后进行挤扩施工。5.3挤扩施工挤扩施工的质量控制重点为挤扩位置的选择和挤扩压力的控制。5.3.1挤扩设备挤扩施工采用 DX-1000 型专利三岔双向挤扩机(见图 1)，该设备由电动机拖动高压柱塞泵工作，工作电压 380V，功率为 37kW，盘径 2.4m，挤扩臂宽 0.25m。5.3.2挤扩施工钻孔至设计桩底标高上 1.0m 时停止钻进，将挤扩66施工技术第 39 卷图 1挤扩装置Fig.1Extruding device机沿钻孔中心慢慢放入孔内。根据护筒顶标高、地层标高和承力盘标高将挤扩机下至底盘设计位置，自下而上实施挤扩。1)为保证挤扩位置底层的一致性，要合理控制首次挤扩压力。3 个承力盘首次挤扩压力值分别为上盘19MPa、中盘 19MPa、底盘 20MPa。若各盘首次挤扩压力值比上述数值低 5MPa 或以上，则应将盘位作适当调整，以使承力盘设置于同一持力层中。2)挤扩时认真观察和记录压力值，符合设计挤扩初始压力值后开始正式挤扩。根据挤扩臂宽度和设计盘径计算每盘挤扩 11 次，第 1 次挤扩后，参照孔口角度盘转动挤扩机约 11后再进行挤扩，每盘共完成 10次转角，11 次挤扩，最后形成承力盘腔。3)完成下盘的挤扩后提升挤扩机至中盘和上盘位置，按上述步骤完成两盘的挤扩。挤扩过程中认真观察泥浆面高度并及时补浆，保持孔内水头以防止坍孔。4)挤扩设备出孔后用专用设备进行盘径检测。5.3.3清孔盘径检测合格 1h 后，旋挖钻机重新就位，将钻孔挖至设计孔深。这样可把挤扩作业时散落到孔底的渣土有效清除。5.4钢筋笼加工及孔口对接施工本工程配筋量较大，主筋为 4228，螺 旋 箍 筋 为14 100/200。主筋采用滚轧直螺纹连接技术，钢筋笼分 5 段制作，在孔口采用滚轧直螺纹对接，有效保证了钢筋连接质量和施工进度。5.5桩端后注浆施工保证桩端后注浆质量的关键是注浆喷头的开塞成功率和注浆终止条件的控制。5.5.1注浆管和注浆喷头注浆管采用 DN20 2.2 普通焊管，沿钢筋笼内侧圆周对称设置 3 根。注浆管底部与笼底加劲筋焊接固定，其余部分与加劲筋绑扎固定。注浆管间接头连接采用焊接，连接时用套管套住两根管的接头，在套管两头进行焊接，注浆管上端口用丝密封好，底口砸扁焊死，以保证注浆管的密封性。注浆管的最下部 30cm 制成注浆喷头，喷浆头部分设置间距 5cm、直径 5mm 的喷浆孔 3 排，喷浆孔外面用高压胶带缠裹，高压胶带外用透明胶带缠裹一层进行保护(见图 2)。注浆管底端伸出钢筋笼底 30cm，使喷浆头埋入桩端土内。图 2注浆喷头Fig.2Grouting sprinkler5.5.2浆液配合比后注浆采用强度 42.5 级普通硅酸盐水泥制作的水泥浆，水灰比 0.5 0.6。水泥浆搅拌时添加适量减水剂和膨润土，以保证水泥浆的均匀性。5.5.3开塞混凝土浇筑后 24 48h 内用注浆泵将压力水从注浆管中 压 入，开 塞 压 力 一 般 为 2 5MPa，有 时 可 达10MPa。当压入水的压力突然下降时表示注浆管的喷头已打开，此时保持注水 3 5min，并均匀减小进水压力，以防止高压水回流夹带杂质堵塞喷浆孔。5.5.4注浆钻孔桩成桩 48h 后开始桩端后注浆，注浆时对同一根桩的各注浆管依次实施等量注浆:第 1 根注浆管的注浆量达到 1.4m3或压力达到 4MPa 并持续 5min，停止该管注浆进行下一注浆管的注浆，第 2，3 根注浆管的注浆量为 1.3m3。5.5.5注浆终止条件当满足下列条件之一时终止注浆:注浆总量和注浆压力均达到设计要求。注浆总量已达到设计值的 75%，且注浆压力超过设计值。5.5.6注意事项1)若出现异常情况注浆压力不上升，暂停该管的注浆，进 行 下 一 根 管 或 下 一 根 桩 的 注 浆，间 隔 30 60min 后对该管实施第 2 轮压浆，直至满足注浆终止条件。2)注浆过程中若发生地面冒浆或注浆管间串浆时，采用间歇注浆的方法，间歇注浆不奏效时封闭此根注浆管，进行另一根注浆管的注浆，最终保证单桩的注浆总量。3)注浆作业与成孔作业点的距离应 10m，以保证成孔作业的安全。4)按此注浆工艺进行桩端后注浆，注浆成功率达98%。6应用效果6.1后注浆和挤扩技术工程桩开始正式施工前，采用自平衡法对 6 根试2010 No.11王国辉等:江苏 LNG 项目旋挖后注浆挤扩灌注桩施工技术67桩进行载荷试验，工程桩完成后，采用堆载法对 3 根桩进行载荷试验，载荷试验结果如表 1 所示，3 根工程桩载荷试验 Q-s 曲线如图 3 所示。表 1载荷试验结果Table 1Load test result编号桩径/mm承力盘数桩底压浆后注浆量/m3桩身混凝土量/m3极限承载力/kN11 400无否0113.912 98521 400无否0113.912 38031 400无否0113.914 61441 4003是4.0118.124 45651 4003是4.0118.124 45661 4003是4.0118.126 39871 4003是4.089.316 20081 4003是4.089.316 20091 4003是4.089.316 200注:1 6 号为试验桩，桩长 74m;7 9 号为工程桩，桩长 55.3m图 3工程桩载荷试验 Q-s 曲线Fig.3Q-s curves of load test for working piles由试验结果可得出如下结论。1)同一地质条件下，采用桩端后注浆和三岔双向挤扩技术后，与直孔桩相比，混凝土体积增加了3.7%，同时增加了 4.0m3的水泥浆，而单桩承载力提 高 约88%，这表明桩端后注浆和三岔双向挤扩技术是一种经济效果较显著的施工技术。2)加载至设计极限承载力16 200kN后，Q-s 曲线未出现明显陡降，对应的沉降量分别为:26.05，24.29，27.26mm，相同荷载下的差异沉降为 4.4%10.8%，这表明采用桩端后注浆和三岔双向挤扩技术后可显著降低基桩的差异沉降量。6.2聚合物泥浆旋挖钻孔技术每个储罐基础 360 根钻孔灌注桩，设计混凝土量33 181m3，施工时投入 4 台旋挖钻机，仅用 35d 即完成了桩基施工。施工中产生的废弃泥浆量约 850m3，施工完成后泥浆坑剩余泥浆约 150m3，每个储罐基础产生的泥浆排放量仅1 000m3，经氧化剂处理后废弃泥浆可直接排放。由此可见，聚合物泥浆旋挖钻孔技术能显著加快施工进度、减少泥浆污染，是一项值得大面积推广的施工技术。7结语钻孔灌注桩桩端后注浆技术可有效降低桩底沉渣对基桩承载力的负面影响，而钻孔灌注桩三岔双向挤扩技术可充分利用桩长范围内硬土层对基桩承载力的贡献，使较短的桩长提供较大的承载力。这两种施工技术在工程中联合应用能够在“软硬互层”的地质条件下有效提高基桩的承载能力，降低工程造价。后注浆技术和三岔双向挤扩技术是提高钻孔灌注桩竖向承载力、减小承载力离散性的一项有效措施，在差异沉降和承载力要求高的工程中可优先考虑推广应用这两项技术。同时，聚合物泥浆旋挖钻孔技术能显著加快施工进度、减少泥浆污染，尤其适用于粉土、砂性土地基，是一项值得推广的桩基施工技术。参考文献:1 中国建筑科学研究院.JGJ94-2008 建筑桩基技术规范S.北京:中国建筑工业出版社，2008.China Academy of Building Research.JGJ94-2008 Technical codefor building pile foundations S.Beijing:China Architecture Building Press，2008.(in Chinese)2 北京中阔地基基础技术有限公司.JGJ171-2009 三岔双向挤扩灌注桩设计规程S.北京:中国建筑工业出版社，2009.Beijing Zhongkuo Foundation Technology Co.，Ltd.JGJ171-2009 Design specification for cast-in-place piles with expandedbranches and bells by 3-ways extruding armsS.Beijing:ChinaArchitecture Building Press，2009.(in Chinese)3 中国建筑科学研究院.JGJ106-2003 建筑基桩检测技术规范S.北京:中国建筑工业出版社，2003.China Academy of Building Research.JGJ106-2003 Technicalcode for testing of building foundation pilesS.Beijing:ChinaArchitecture Building Press，2003.(in Chinese)4 中国建筑科学研究院.GB50007-2002 建筑地基基础设计规范S.北京:中国建筑工业出版社，2002.China Academy of Building Research.GB50007-2002 Code fordesign of building foundationS.Beijing:China Architecture Building Press，2002.(in Chinese)5 龚晓南.地基处理手册(3 版)M.北京:中国建筑工业出版社，2008.Gong Xiaonan.Foundation treatment handbook(3rd ed.)M.Beijing:ChinaArchitectureBuildingPress，2008.(inChinese)6 顾晓鲁，钱鸿缙，刘惠珊，等.地基与基础(3 版)M.北京:中国建筑工业出版社，2003.Gu Xiaolu，Qian Hongjin，Liu Huishan，et al.Subgrade andfoundation(3rd ed.)M .Beijing:China Architecture Building Press，2003.(in Chinese)7 孙丙伦，曲红专，栾国栋.大直径超深人工挖孔扩底灌注桩施工技术J.施工技术，2007，36(S1).Sun Binglun，QuHongzhuan，LuanGuodong.Constructiontechnology of large diameter and super-deep hard-dug drillingbottom-enlarged grouting pile J .Construction Technology，2007，36(S1).(in Chinese)