困难地层钻孔灌注桩施工技术

毕元顺 张怀仁

（德国宝峨机械设备有限公司北京代表处 100004）

摘要：

本文介绍钻孔灌注桩在紧邻建筑物和地铁隧道、场地狭窄、地层中含大量坚硬孤石

及高粘性“牛肉土”的情形下，采用的施工设备和工艺，并就钻头选择和双护筒隔绝基椿磨擦力的特殊处理作重点说明，供日后基桩设计及施工者参考，冀能使椿基工程品质在国内能更臻完善。 关键词：

新加坡管理大学 困难地层 钻孔桩 施工技术󰊳

本工程于2003年11月19日开始试桩，2004年6月16日完成灌注桩施工，基桩完工数量见表1。

2级施工保护区 BBAEIUJI ERNG M R AEPSCRHESINENAN GTAm TIbHVE OFF ICE 3级施工保护区2级施工保护区地铁隧道中心线维多利亚街 BBAEIUJI ERNG M R AEPSCRHESINENAN GTAm TIbHVE OFF ICE 1 概述

新加坡管理大学维多利亚院区 (SMU) 座落于市中心繁华商业区，紧临已运行的东北地铁

(EAST-NORTH MRT LINE）和面南地铁线（WEST-SOUTH MRT LINE）。工区范围长约115m，宽约45m，距地铁隧道最近的距离仅6m。SMU建筑基础及挡土结构设计采用钻孔灌注桩，需贯入含大量孤石的困难地层最深达15.5m。整个项目的工区依距离地铁隧道的远近，分为地铁施工保护区第1、2、3级 (图1)，基桩施工全程禁用重锤，避免震动影响邻房安全和运行中的地铁。1、2级保护区内钻孔桩护筒埋设（最深达15m），并严格规定不得使用振动锤，仅能以钻机动力头将护筒挤压旋入地层内。

地铁隧道中心线 排桩 800mm 1级施工保护区 图1 新加坡管理大学维多利亚街北侧院区基础平面图

表1 基桩完工数量

桩径 800mm 1000mm 1300mm 1500mm 总计

数量 (支) 141 8 54 68 271

平均深度 (m)

30.0 28.5 34.5 36.5

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进入困难地层 (m)

9.0 7.5

13.5 15.5

2 工程地质

施工区域内地层自上而下简化为六层，各层特征见表2。

表2 施工区地层特性

地层 1 2 3 4 5 6

厚度

󰋋󰋁󰋈󰌀󰊳󰊻󰋚󰋟󰊳󰋃󰋁󰋃󰊳󰌑󰊳󰋀󰋋󰋁󰋈󰌀󰊼󰊳󰋅󰋁󰋈󰌀󰊳󰊻󰋚󰋟󰊳󰋀󰋋󰋁󰋈󰊳󰌑󰊳󰋀󰋄󰋄󰋁󰋃󰌀󰊼󰊳

说明

非常松散的海砂󰊿󰊳粉砂󰊿󰊳及软弱海洋黏土󰊿󰊳标贯值󰊳N< 4 中硬到硬粉质黏土, 标贯值 N= 4 ~ 10 󰊳

松散海砂, 粉砂, 夹砂质黏土, 标贯值 N= 4 ~ 10 󰊳中等紧密的砂及黏土质砂, 标贯值 N= 10 ~ 30 󰊳非常紧密砂层夹砂质黏土, 标贯值 N= 30~100 󰊳标贯值 N> 100, (孤石及漂石含量约占总体积70%) 岩石抗压强度 100 ~ 158 MPa

针对上述工程施工的实际难题和紧迫的工期（每日施工时间为早上8点至晚上10点），业主和

2台宝峨旋挖钻机BG 30（图2），动力头扭矩输出达300kNm，不仅可直接迅速的安装护

承商选用了下列主要施工设备： 󰎰1󰎱󰊳

筒，保持精确的垂直度，同时搭配六键锁扣式嵌岩钻杆，粗壮稳定的桅杆及大三角支撑系统，能有效在此种复杂的困难地层中进行钻孔桩施工。

六键锁扣式󰊳

嵌岩钻杆

图2 宝峨旋挖钻机BG 30

󰎰2󰎱󰊳

不同地层中使用的配套钻头（图3），在此项目中每种桩径都选配了4种钻头。 其中的短

BBAEIUJI ERNG M R AEPSCRHESINENAN GTAm TIbHVE OFFICE大三角支撑系统

动力头扭矩 输出300kNm

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BBAEIUJI ERNG M R AEPSCRHESINENAN GTAm TIbHVE OFF ICE 󰋅󰋁󰋈󰌀󰊳󰊻󰋚󰋟󰊳󰋀󰋄󰋄󰋁󰋃󰊳󰌑󰊳󰋀󰋄󰋆󰋁󰋈󰌀󰊼󰊳󰋇󰋁󰋈󰌀󰊳󰊻󰋚󰋟󰊳󰋀󰋄󰋆󰋁󰋈󰊳󰌑󰊳󰋀󰋄󰋋󰋁󰋃󰌀󰊼󰊳󰋆󰋁󰋃󰌀󰊳󰊻󰋚󰋟󰊳󰋀󰋄󰋋󰋁󰋃󰊳󰌑󰊳󰋀󰋅󰋄󰋁󰋃󰌀󰊼󰊳

󰋄󰋌󰋁󰋃󰌀󰊳󰊻󰋚󰋟󰊳󰋀󰋅󰋄󰋁󰋃󰊳󰌑󰊳󰋀󰋇󰋃󰋁󰋃󰌀󰊼󰊳非常坚硬的粉质黏土夹带大量砂岩孤石及漂石,

󰊳

3 设备选用和主要技术措施

3.1 设备选用

螺旋钻SBF-P2适用于护筒内的干孔施工，嵌岩旋挖斗KBF-K主要用于泥浆中破岩取土，岩芯钻KRR及球齿岩芯钻KRR-M分别用于不同程度的坚硬地层的突破。 因为宝峨旋挖钻机凯氏钻掘系统的特性， 可以因应不同地层快速更换钻具, 当遇到艰难地层必须反复使用2~3个不同的钻头时, 可以在1分钟之内迅速更换钻头，维持最佳钻掘效果确保进度。 除了4个主要的挖掘用钻具，为因应严格的成桩质量控制要求󰊿󰊳还配置了特别用于清除孔底淤泥的清底旋挖斗KB-L，在抽砂换浆之前可以迅速的除去大部分的沉淀泥砂，提高工效。

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SBF-P2

KBF-K

3.2 主要技术措施 (1) 困难地层的钻掘

在一般的硬地层挖掘中󰊿 通常以嵌岩旋挖斗KBF-K辅以一般的岩芯钻KRR即可相当有效的掘进。 本项目钻掘过程中最主要困难点在第六层󰊿 大孤石及漂石包覆于坚硬的粉质黏土中󰊿 岩体占整个土体比例高达70%以上󰊿󰊳由于岩石强度非常高󰊿 一般KRR型岩芯钻的锥形齿无法有效的切入岩体。因此特别为此项目搭配了KRR-M球齿岩芯钻󰊿 利用球型齿上的钨钢头对岩体辗压切割󰊿󰊳有效的切断分割岩体󰊿 再利用嵌岩旋挖斗将当中分隔出的岩体绞碎并取出钻孔外 (图4) 。

有时岩芯钻KRR-M可以将整个被切断的岩芯提出󰊿 经钻芯取样送交岩土试验室进行岩体强度岩体󰊿 成了整个钻孔桩项目的重心󰊿󰊳球齿岩芯钻高效能钻进󰊿󰊳对整体工程进度起了至关重要的影响。

来自钻机的下压力

球齿岩芯钻的球齿自转 钻机的扭力驱动钻头 岩体 󰊳图4 球齿工作原理和球齿岩芯钻取出的孤石

(2) 试桩钻掘 深度

为确认旋挖钻机及选用的钻头能有效克服本工区的困难地层，在钻孔灌注桩正式施工前，首先

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测试󰊿 砂岩孤石的单压强度高达168MPa󰊿 超过了原先的预估值. 钻头能否有效的切割这些高强度的

BBAEIUJI ERNG M R AEPSCRHESINENAN GTAm TIbHVE OFF ICE KB-L KRR KRR-M

图3 不同地层中使用的配套钻头

做了1根试作桩，嵌入困难地层约15.5m。 该试验桩桩径为1300mm󰊿󰊳设计深度34.2m󰊿󰊳在软土区域󰊿󰊳几乎达到每小时10米的进尺󰊻每小时13m󰊼󰊿󰊳进入到含大量孤石的硬地层后󰊿󰊳仍能非常稳定的维持每小时约850mm的平均掘进速度󰊻每小时󰋄󰋁󰋄m󰊼󰊿󰊳此数值包括了用岩芯钻及嵌岩旋挖斗交互搭配的挖掘方式。图5显示着入岩之后钻挖到达要求孔深󰊿 整个钻掘过程一直保持几乎成线性的掘进速度。这些都归功于旋挖钻机的优异性能及搭配钻头的出色表现。

󰋃33

BBAEIUJI ERNG M R AEPSCRHESINENAN GTAm TIbHVE OFF ICE 󰋀󰋅󰋀󰋇󰋀󰋉󰋀󰋋󰣪󰽋󰯧󰪓, 󰱃󰪓󰖗󰯧󰩉󱞙󰕒󰸩󰪓软󰕒层󰕭󰘓󰝁钻󰵺󰺒率 : 9.86m/hr󰋀󰋄󰋃󰋀󰋄󰋅󰋀󰋄󰋇󰋀󰋄󰋉󰋀󰋄󰋋󰋀󰋅󰋃󰋀󰋅󰋅󰋀󰋅󰋇󰋀󰋅󰋉󰋀󰋅󰋋󰋀󰋆󰋃󰋀󰋆󰋅󰋀󰋆󰋇󰋀󰋆󰋉󰋀󰋆󰋋󰋀󰋇󰋃坚󰿏󰱃质󱞙󰕒󰷡度 (M)󰪓󰡿󱋦󰙁坚󰿏󰚆层󰕭󰘓󰝁钻󰵺󰺒率 : 0.85m/hr󰡰󰙁󰖗坚󰿏󱞙󰕒󰪓󰡿󱋦󰙁纯钻时󵐗 :20.14 hrs󰡰󰙁󰖗坚󰿏󱞙󰕒󰋄󰋍󰋃󰋃󰋅󰋍󰋃󰋃󰋆󰋍󰋃󰋃󰋇󰋍󰋃󰋃󰋈󰋍󰋃󰋃BBAEIUJI ERNG M R AEPSCRHESINENAN GTAm TIbHVE OFF ICE 󰋉󰋍󰋃󰋃󰋊󰋍󰋃󰋃󰋋󰋍󰋃󰋃󰋌󰋍󰋃󰋃󰋄󰋃󰋍󰋃󰋃󰋄󰋄󰋍󰋃󰋃󰋄󰋅󰋍󰋃󰋃󰋄󰋆󰋍󰋃󰋃󰋄󰋇󰋍󰋃󰋃󰋄󰋈󰋍󰋃󰋃󰋄󰋉󰋍󰋃󰋃󰋄󰋊󰋍󰋃󰋃󰋄󰋋󰋍󰋃󰋃󰋄󰋌󰋍󰋃󰋃󰋅󰋃󰋍󰋃󰋃󰋅󰋄󰋍󰋃󰋃󰋅󰋅󰋍󰋃󰋃󰋅󰋆󰋍󰋃󰋃󰋃󰋍󰋃󰋃纯钻时󵐗 (HRS)

图5 试挖桩钻掘记录

(3) 泥浆循环除砂

为确保成桩质量和满足灌注混凝土前泥浆含砂量＜3%的严格要求，成孔后不仅先以清底钻清除孔底淤泥，并使用潜水泵搭配除砂器（BE250，能量250m3/hr）进行泥浆循环除砂，避免淤泥积存桩底，甚至被混凝土推挤至桩身周围，损及桩身下段之磨擦力及桩端之点承力。

(4) 双护筒隔绝基桩磨擦力

依据新加坡地铁施工规范，在1、2级施工保护区内，钻孔灌注桩上段需设置双层钢护筒隔绝基桩磨擦力，其目的是为了避免地铁隧道将来受到基桩的荷重影响，承受额外的应力甚至产生沉陷问题，危及地铁隧道的安全性。本项目采取的施工方式为设置三支注浆管于内外层钢护筒之间（图6），在钻孔桩浇注混凝土期间同时进行水泥浆灌注。

󰋄号注浆管 󰋅号注浆管 󰋆号注浆管󰋄号注浆管浇注高程 双护筒󰊳隔绝底部 海绵 剖面 A-A

图6 双层钢护筒隔绝基桩磨擦力

󰊳

BBAEIUJI ERNG M R AEPSCRHESINENAN GTAm TIbHVE OFFICE󰋅号注浆管内护筒󰋆号注浆管 外护筒 4 施工进度（图7）

图6显示着整体钻孔桩项目的施工进度。 在有效率的工地调配安排󰊿󰊳旋挖钻机的高运转率搭配适当的嵌岩钻头，在2003年11月中旬到2004年四月中旬，这短短的5个月时间即完成整个项目95%的钻孔桩。而后由于剩余钻孔桩数量减少，部分机具出场，并且剩余的钻孔桩因距离地铁非常近，都是双护筒隔绝式施工，钻孔完成后的后续工作繁多，造成工进减慢。然就整个钻孔桩项目而言，仍是在要求工期之内顺利完工。

BBAEIUJI ERNG M R AEPSC挖掘方数 (m3)RHESINENAN GTAm TIbHVE OFF ICE 90008000󰻍󰜇󰕠󰿓量󳴈󰖟󰊿󰺝󰙝󵅐󴩥陆续󰗠场7000󰙥󰝙󰚫󰋊󰋌󰋌󰋈立󰖱󰛏钻󰖞桩󰨜󰕠6000500040003000旧历年󰳗󰽚1000011/19/0312/19/03BBAEIUJI ERNG M R AEPSCRHESINENAN GTAm TIbHVE OFF ICE 01/18/0402/17/0403/18/0404/17/04200005/17/0406/16/04󰖲󰽚

图7 新加坡管理大学维多利亚街北侧院区钻孔桩施工进度󰊳

󰊳

5 结语

BG30型大扭力旋挖钻机，动力头埋设护筒、六键扣锁式凯利钻杆，慎选的嵌岩钻头，泥浆循环和除砂装置，这些设备的选用，证明是非常适合新加坡管理大学维多利亚院区困难地层钻孔灌注桩施工工艺的要求，并保质保量地在要求工期内完成了全部钻孔桩工程。要在邻近地铁隧道和遭遇困并根据现场试作桩的施工情形和工期，来选择恰当的挖掘设备和配套工艺。

国内设计和施工单位在日后类似条件下基桩工程的参考。 参考文献

Singapore Management University.

本文藉由一个在地层中含有大量孤石且邻近地铁隧道的钻孔桩施工案例，提出说明与探讨，供

1 Bauer Technologies Taiwan Limited (2003), Comprehensive Proposal for Construction of Bored Pile at

BBAEIUJI ERNG M R AEPSCRHESINENAN GTAm TIbHVE OFFICE难地层的情况下进行钻孔桩施工，项目开始之初，需有着充分且详细的地勘报告和岩石抗压强度，