工程技术
高地震烈度地域的火山堆积层、湖积层地质超长钻
帅 勇
（中铁四局集团第一工程有限公司，安徽 合肥 230009）
摘要：本文结合工程实际，介绍了在9度地震烈度地域的火山堆积层、湖积层地质条件下的超长钻孔灌注桩施工技术，经现场应用验证，工程施工质量符合标准要求。
关键词：雅万高铁；火山堆积层；湖积层；钻孔灌注桩；施工
钻孔灌注桩作为一种技术成熟的基础形式因其承载力高、安全可靠性、地质适应能力强等因素广泛应用于各类工程建设之中。在高地震烈度地域的火山堆积层、湖积层等不良地质条件叠加情况的超长钻孔灌注桩施工，较为少见，如何保证施工质量应引起足够的重视，本文将通过工程实例探讨该地质条件钻孔灌注桩的施工技术及质量控制要点。 1 工程概况 本文所述工程为印度尼西亚雅万高铁，是我国高铁全产业链“走出去”的第一单，示范效应显著。西起印度尼西亚首都雅加达，东至西爪哇省首府万隆市，全长145.25km，设计时速350公里。其中位于万隆市境内DK114+545-DK139+700范围的4座特大桥穿过火山堆积层、湖积层等不良地段，设计钻孔灌注桩5930根，桩径有1.0m、1.25m、1.5m、1.8m
共4种，桩长40m-88m 不等，单个桥墩为6根、8根、10根、12根、20根不等的桩基础，设计均为摩擦桩。 2 工程地质、水文、气候条件 2.1 地质条件
本段工程位于9度地震烈度区域，线路途经第四系更新统火山堆积层（Qyt）和第四系全新统湖积层（Q1）。
DK114+545-DK129+667勘探深度范围内广布火山堆积层，以凝灰质黏土、粉土、砂类土等为主，地下水位高，局部地层呈松散饱和状态，为地震液化层。火山堆积层具胶结作用或半成岩地层，夹有火山弹、火山碎屑和块石，地层分部不均、软硬相间；火山沉积岩具有强敏水性，凝灰质黏土等膨胀土具有膨胀性，遇水显著膨胀，软化，崩解，自由膨胀率为40%-79%；存在呈松散饱和状态的粉土、砂类土，为地震液化层，地震、爆破、机械扰动等皆可能引起土体液化。 DK130+967-DK139+700勘探深度范围内地层主要为湖积层，以淤泥、黏土、淤泥质粉质黏土、淤泥质黏土为主，存在深达33.9m 超厚淤泥层，淤泥的流变性大，土体施工性能差。 2.2 水文、气候条件
地下水为孔隙潜水及基岩裂隙水，主要受降雨入渗、地表水补给，以蒸发、地表径流排泄为主。工程沿线地下水埋深3.46-13.70m，水位雨季、旱季的季节变幅2-3m。11月-次年4月为雨季，5月-10月为旱季，年降雨量约2400mm，月平均气温23.1℃，无四季之分。 3 主要施工技术 3.1 工艺流程 本项目钻孔灌注桩均采用湿式（泥浆护壁）成孔、水下灌注工
艺，工艺流程如图1
所示。
图1 钻孔灌注桩工艺流程图 3.2 设备选型
钻机根据地质不同、桩长不等的情况分别选用，本项目选用旋挖钻机和反循环钻机两种，具体钻机选型见表1。 表1 钻机选型表 序号
区段
地质特点
桩长
接触式位移传感器选用钻机 配置数量
备注 205kN.m 旋挖钻机
2 265kN.M 旋挖钻机 4
1
DK114+545-DK129+667
火山灰堆积层：9度地震烈度，膨胀土，黏土、粉土、砂类土，土具有
胶结作用或半成岩，局部液化层，极少数桩入岩2m
40-72m
285kN.M 旋挖钻机
6 增配机锁钻杆1根
285kN.M 旋挖钻机
2 2 DK130+967-DK139+700
锐射湖积层：9度地震烈度，膨胀土，淤泥、黏土、淤泥质粉质黏土、淤泥
质黏土为主，超厚淤泥层
60-88m
FXZ300型反循环
旋转钻机
6
车载型
3.3 试桩
表2 试桩检测结论
序号
试桩位置
桩号 代表地质
桩径
桩长 设计单桩轴向力
实测单桩轴向力
加载方式
实测桩周摩阻
备注
T1-1
45m 12565KN T1-2 45m 12565KN 1
DK128+650
T1-3 火山堆积层
连续退火炉
1.0m
45m 4487.5KN 12565KN 反力架方案
SZ-1
88m 21229KN SZ-2 88m 21229KN 2
DK138+150
SZ-3
湖积层
1.25m
88m
8501.4KN 21229KN
自平衡方案 ＞设计取值
灵性锁
设计加载为2.3倍，受加载设备所限，6根试桩均未达到承载极
限。
Engineering Technology
120《华东科技》
本项目为印尼首条高铁，没有同类设计施工经验，设计试桩2处，分别对应火山堆积层及湖积层地质；设计试桩主要目的为确定单桩竖向轴向抗压承载力、桩周摩阻力，验证设计参数的可靠性及施工工艺的可行性。现场分别在火山堆积层、湖积层地段选取有代表性位置进行了试桩，试桩完成后经检测单
位检测结果见上表2，设计试桩达到了预期的效果，并初步掌握了施工工艺。 3.4 施工工艺及质量控制要点 3.4.1 施工准备
钻孔灌注桩施工是隐蔽工程，其钢筋焊接及混凝土灌筑等多个工序属于特殊工序，施工质量要求高，施工准备工作必须充足，海外工程尤甚。项目按全面质量管理的“5M+1E”工作方法全面梳理各项准备工作，确保准备充分再开工。 3.4.2 测量定位 桩位放样采用RTK GPS（精度1cm+1ppm），高程测量采用DSZ2水准仪。
吊筋长度需要根据护筒高程及桩顶高程来计算，是控制桩顶高程的重要手段，偏差控制在5cm 以内。
桩位放样和高程测量后应及时交底，开孔对中时应有技术人员校核，孔位偏差应控制在20mm 以内，避免偏孔超差。 3.4.3 钻机平台填筑
钻机平台是保证成孔竖直度的基础，应平整坚实，一般高出原地面30-50cm 左右，四周排水通畅，钻机平台优先考虑就地取材填筑。由于本工程所在地地表土基本为膨胀土，现场采用山皮石填筑；后期发现在火山堆积层少数地层的钻渣含砂率高达80%以上，晾晒干后也可用于钻机平台填筑。 3.4.4 护筒定位、埋设
本项目桩基较多，护筒周转次数多，护筒采用16mm 钢板制作，直径较相应桩径大20cm，长度分为4
m、6m、8m 三种，根据不同地质情况选用，个别墩位护筒甚至加长到了12m，确保钻孔孔口稳定。
旋挖钻机可以在钻机就位后再埋设护筒，反循环钻机需在钻机就位前先埋设。埋设护筒采用扩孔器先成孔，后吊车吊入护筒，护筒入孔后，用旋挖钻机下压护筒到高出钻机平台20-50cm 的高度，护筒周边空隙应用黏性土夯填密实。
护筒埋设后应复核桩位及竖直度，应尽量保证护筒中心与桩中心基本重合，允许偏差20mm，倾斜度应控制在１％以内。严禁利用护筒支撑钢筋笼及灌筑料斗。 3.4.5 钻机就位
钻机就位时应保证钻头、钻杆、桩位三者中心处于同一竖直线上，从而保证桩位及竖直度在标准偏差范围内。在旱季时，要求旋挖钻机履带前半部分下面垫20mm 厚钢板，在雨季时要求履带下全部垫20mm 厚钢板；反循环回转钻机不论季节，均要求机座下垫20mm 钢板，钢板上采用枕木支垫钻机，保证钻机能够平稳作业。铺垫钢板能够有效加强钻机作业平台的稳定性，减少钻机平台下地表膨胀土遇水产生的危害。 3.4.6 钻进成孔
火山堆积层地质：该地质区域代表桩长范围为40-72m，土层为：①地面以下0-12m 以黏土为主，80-100KPa，具有膨胀性；②12m-20m 以细沙为主，100-160KPa；③20m-26m 以粉质黏土为主，150-200KPa；④26m-45m 以中砂为主，有胶结作用或半成岩，160-450KPa；⑤45m 以下一般为细沙、粉砂层，200-300KPa，局部液化。
化学泥浆该地段选用旋挖钻机为主、反循环钻机为辅施工。入岩桥台桩基及半成岩底层旋挖钻机更换机锁杆钻杆及嵌岩钻头，反循环钻机也准备了相应的嵌岩钻头。
针对火山堆积层地质易缩孔、塌孔的情况，钻进过程中控制要点如下：
（1）一是控制钻进速度及提、下钻头速度。要求旋挖钻机钻进速度控制在6-10m/h 内，易塌地层控制钻头转速＜10r/min；单桩钻孔时间控制在8-10h，让膨胀土有时间自由膨胀并达到基本稳定；提、下钻头主卷扬机速度控制在15-20m/min 以内，钻头上、下速度忌突然变速，要保持平稳，并注意观察钻头连通孔是否堵塞，减小对孔壁的扰动，避免塌孔。反循环钻机钻进速度控制在5m/h 以内（含接钻杆时间）。
（2）二是根据地质条件控制好泥浆质量。旋挖钻机采用化学泥
浆，反循环钻机采用膨润土造浆；钻孔桩施工全过程要求重点控制好泥浆质量，现场泥浆性能检测不超过2h 一次，重点控制泥浆比重、黏度、含砂率、胶体率，试验人员负责每天随机取样。泥浆性能见表3。
表3 泥浆性能指标
序号 泥浆类别 比重 （g/cm ） 黏度 （s） 含砂率 胶体率 1 化学泥浆 1.01左右 18-22 ＜1% / 2
膨润土泥浆
1.05-1.1
一般18-22 易塌20-24
＜2%
≥95%
泥浆性能不达标往往都是材料用量不足及泥浆池过小造成的，泥浆池宜达到桩孔体积的3倍左右为好，并经常性的补偿流失的泥浆。
（3）三是适当加大钻头。钻机出场的钻头直径一般都比设计桩径小20mm 左右，可以通过在钻头表面对称加焊钢条来增加钻头大小。一般地质情况下钻头比设计孔径小20mm 左右即可保证设计孔径，膨胀土地质需要适当加大钻头，现场通过摸索总结，钻头一般需要加大30mm 左右，具体需要加大多少跟成孔快慢、成孔到灌注时长有关系，需要现场试钻总结，保证成桩直径不小于设计桩径。
湖积层地质：该地质区域代表桩长范围为60-88m，土层为：①地面以下0-3m 为素填土及於质黏土，0-80KPa；②3m-40m 基本为淤泥，60KPa；③40m-50m 为沙土和黏土交替层，砂层承载力较高一般
在350KPa 左右，黏土层160-250KPa，砾砂在430KPa 左右；④50m 以下基本为黏土，160-250KPa，具有膨胀性。
该地段选用反循环钻机为主、旋挖钻机为辅施工。特别在70-88m 超长桩基施工中，经试验总结出了旋挖钻先施工50m 左右，剩余部分采用反循环钻机接力，现场1台旋挖钻机匹配2-3台反循环钻机，采用这种钻机组合方式提升了施工效率，保证了施工质量。
该地层桩基施工泥浆选用膨润土造浆，成孔作业除要遵循上述火山堆积层地质控制要点以外，还应采取如下措施：
（1）反循环钻进速度控制在4m/h（含接钻杆时间）以内，现场桩长88m（实际成孔深度约90.5m）桩基反循环成孔时长一般为24-28h。
（2）泥浆中掺入适量火碱（或代替品）、纤维素及防渗剂以增强浆体性能，浆体黏度控制在20-28s 范围。
成孔后如沉渣过厚，需要利用钻机清除桩底沉渣，清理到沉渣厚度10cm 以内。
不论何种地质、何种钻机施工，钻孔严禁刻意超钻，严禁以超钻代替清孔。实践中超钻也是避免不了的，特别是反循环钻机，解决办法就是按实际孔深来安装导管及清孔，所以提钻后应第一时间测量孔 深，掌握实际孔深。 3.4.7 成孔检测及第１次清孔
成孔后需要检测孔深、孔径、垂直度及沉渣厚度，本工程采用超声波成孔检测仪检测，能够一次性采集上述各项指标。一般来说泥浆控制到位，孔径和沉渣厚度是有保证的，孔深和垂直度主要依靠作业人员的素质，通过加强培训及管理来实现。
检测后孔深、孔径、垂直度超标需要修孔，沉渣过厚需要在下钢筋笼前进行第一次清孔，否则将影响钢筋笼安装。成孔检测见图2，成孔检测报告样式见图3。
图2 成孔检测现场图 图3 成孔检测报告
工程技术
3.4.8 安装钢筋笼
本工程处于万隆市9度地震烈度区域，桩基钢筋抗震设计等级高，螺纹钢采用HRB500钢筋，盘条（圆钢）采用HPB300钢筋，钢筋笼主筋为直径25mm或29mm的双筋或三筋（顶部40m，下部为单筋到桩底），项目平均钢筋笼重达167kg/m，最重的达到430kg/m，钢筋标准采用美国标准，钢筋用量、规格、型号及标准跟国内差异比较大。
钢筋笼安装采用50t履带吊，保证提供足够的起重量，钢筋笼安装作业要点如下：
（1）由于钢筋笼比较重，钢筋笼吊装点必须设于加强圈与主筋焊接处，且需采用L形钢筋焊接加强，吊装点卸扣安装应采用缠绕式（缠绕主筋及加强圈）连接，避免卸扣直接挂在加强圈上。
（2）钢筋笼吊装时声测管务必固定牢靠，避免声测管掉落伤人或掉入桩孔中。
（3）尽量缩短下钢筋笼的时间，钢筋笼按12m一节集中加工，运输到工地后在地面焊接成24m笼子再安装，减少安装焊接时间。一般一个钢筋笼接头焊接需要约1.5h，最长的钢筋笼需要焊接4次，钢筋焊接时长一般在3-6h，现场统计3根88米试桩时更是平均用时达15.2h，可见钢筋焊接作业在钻孔桩施工中重要性。
（4）声测管采用套管焊接，项目尝试过卡扣连接，效果不理想，声测管焊接质量必须要严格控制，严防漏水，可采用灌清水观察液面是否下降来检查密闭效果。
（5）检查垫块是否破碎或缺失，及时补齐，以保证钢筋笼的保护层厚度；破碎、有开裂的垫块应更换，防止吊装钢筋笼时掉落伤人。
（6）由于钢筋笼安装过程时间长，其间务必用泥浆泵保持孔内泥浆循环及保持水头，在每节钢筋笼下放到位、下节笼子吊装前下放泥浆泵到桩底部抽出泥浆，泥浆池的泥浆泵抽浆再流回桩孔，每1-2h循
环10-15min。
3.4.9 导管安装及第2次清孔
导管安装：桩长比较长时（如＞40m），宜采用300mm内径导管，导管使用前应按标准进行闭水试验合格方可使用，导管接头采用螺旋丝扣型接头。
导管的底节管长一般为4m，中间标准节一般长为2-3m，有利于控制灌注过程的导管埋深，并配置2-3根0.5m、1m、1.5m长的导管，用于调节总体导管的连接长度，短管节安装在导管上部与料斗连接，导管底部距桩底按40cm控制。
导管安装长度要求现场人员或技术人员全程旁站，记录清楚，不能出一点差错。一般可以先查清楚现场有多少导管，再根据需要安装量及安装完后剩余量来核验。
导管切忌漏水，管节间胶圈每节导管连接时均应检查，丝扣接头安装需紧密、牢固，导管漏水将使混凝土离析从而导致堵管，极易造成断桩事故。
导管宜用5-8mm壁厚钢管加工；根据现场经验，导管连接处壁厚薄于3mm时易在灌注过程中在连接处拔脱，应经常检查、及时更换。导管内壁应光滑，接头平顺，保证灌注混凝土砍球时，隔水球（或其他装置）能够顺利穿过导管。
施工中发现不少作业班组有将底节导管的底部切一个单向楔口的习惯。应该制止该行为，这将使导管在灌注过程中偏离中心位置，增加了导管触碰钢筋笼及声测管的风险，严重时将导致导管挂钢筋笼或碰坏声测管。
清孔：本工程具有桩长比较长（平均桩长57.1m）、砂层较多（大多胶结，砂粒较粗）的特点，据此采用吸泥法清孔。利用导管做吸泥管，高压风管设于导管内，利用0.7MPa空压机提供高压风，风管入水深度30m。
沉渣的产生主要是在钢筋笼、导管安装期间泥浆沉淀，以及钢筋笼安装过程不可避免会触碰孔壁，使土块掉落，所以在混凝土浇筑之前必须检验沉渣厚度，超标就要进行2次清孔。
本工程中钢筋笼安装完后的沉渣基本在0.5-1m左右，沉渣主要以砂粒为主，清孔时间一般需要0.5-1小时。清孔装置见图4。
图4 清孔装置
清孔应连续进行，避免沉渣在导管内出现“只坐电梯上下，不出电梯”的情况，易误判清孔效果。清孔时要调整好风压，控制孔内液面下降速度并及时补浆，易塌地质孔内液面下降速度控制在3m/s以内，减小孔内泥浆流速过快对孔壁的冲刷作用 。要求清孔全过程泥浆稠度≥20s，其他要求同表3。
清孔合格后方可进行混凝土浇筑。
3.4.10 水下混凝土灌注
本项目桩基直径最大为1.8m，各桩径桩基灌注混凝土均采用单根导管。宜混凝土到现场后再停止清孔并拆除清控装置，再安装料斗。
灌注应连续进行，混凝土供应必须有备用措施，等待期间应上下活动导管。灌注混凝土质量控制点如下：
（1）导管安装长度是否合适应再次核验，检查导管是否可以上下自由活动。
（2）首斗料的料斗忌坐在护筒上；首斗料体积确保满足标准规定的埋管要求，宜大不宜小；料斗上口需安装8cm*8cm的钢筋网片，防止混凝土夹杂较大硬块物进入导管内，易造成堵管。
（3）首斗料灌注时需有砍球装置，避免混凝土在泥浆中“洗澡”后到达桩底，将影响桩底成桩质量。本工程使用“隔水球+料斗的下料口锥形塞”方案实现砍球；隔水球为橡皮球，预先放入导管内，浮于导管内泥浆表面，首斗料装满后提起锥形塞，实现砍球，橡皮球一般都能顺利浮出；实践表明橡皮球直径比导管内径略大或略小10-20mm对密封及隔水效果从桩检结果上看不出差别。
（4）导管埋深是要重点控制的，埋深应控制在2-6m，桩越长时导管埋深越要严格控制。出现导管拔不动的情况往往因为埋深过深（＞8m）。
（5）桩头标高控制。跟混凝土质量息息相关，混凝土质量好，浮浆少，桩头即可控制短点，浮浆厚时桩头必然比较长。一般的桩头控制在0.5-1m是比较容易做到的。
3.4.11 桩头处理
本工程采用后开挖截除桩头的方法施工，破桩头采用传统的环切两道及人工用风镐凿除的工艺，该传统工艺的特点是劳动密集、效率较低，但质量是有保证的，适合当下印尼国情。
4 质量检测
本工程桩基检测采用超声波法逐根检测，共检测5445根桩，其中Ⅰ类桩5408根，占比99.32%，Ⅱ类桩37根，占比0.68%，未出现Ⅲ、Ⅳ类桩，符合验收标准要求。
5 结语
发光管
钻孔灌注桩施工早已形成成熟工艺，针对不同地质条件，特别是海外工程，更需要认真分析、不断摸索、不断总结、不断创新，出合适的、有针对性的应对措施，本文通过雅万高铁的工程实践，总结
提出了一套适合火山堆积层、湖积层等不良地质条件的钻孔灌注桩施工工艺和操作要点，望能给同类工程提供借鉴。
参考文献：
[1]TB 10752-2018 高速铁路桥涵工程施工质量验收标准.
[2]Q/CR 9212-2015铁路桥梁钻孔桩施工技术规程.
[3]TB 10218-2019 铁路工程基桩检测技术规程.
[4]雅加达至万隆高速铁路工程试桩及桩基图纸.
[5]雅加达至万隆高速铁路地勘资料.
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