冲击成孔工艺在海域回填地层的应用

黄 勇，王雪贞

(中国核工业第五建设有限公司,上海 201599)

漳州核电厂位于福建省漳州市云霄县列屿镇刺仔尾，临近台湾海峡，属滨海厂址。根据地质勘查报告，工程场地主要为第四系地层，包括海积层、残坡积层和人工堆积层等。该厂区采取半挖半填的形式，通过块石回填方式进行“填海造地”，回填材料主要为山体爆破而成的微分化花岗岩碎石，填龄小于5年，属新近填土，人工回填土层均处于欠固结状态，厚度平均厚度约20 m[1]。回填厚度随原地形起伏情况变化大，整体上沿远离海岸线方向厚度逐渐增加。夹层为淤泥和砂质黏性土，物理力学性能较差。区内地下水可分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两类，地下水位较高，且水位受大气降水及潮位影响变化较大。这种块石回填地基块石、孤石较多，淤泥层沿地下岩层差异性分布，给桩基施工带来很大困难，如何保障成孔工序的顺利实施成为首先要解决的问题。

1.1 方案比选

目前工程中应用较为广泛的桩型主要包括泥浆护壁钻孔灌注桩、旋挖成孔灌注桩、冲孔灌注桩、长螺旋钻孔压灌桩以及沉管灌注桩。根据岩土勘察报告结论，经对地基基础条件分析，建议采用冲(钻)孔灌注桩。为选择适当的成桩工艺，确保施工质量，现场进行了试桩工作。经调研分析结合现场施工条件，在试桩时选用了潜孔锤套管护壁成孔方案和冲击钻冲击成孔方案。

1)方案1采用潜孔锤套管护壁成孔方案，该成孔工艺钻机由内、外双动力头分别驱动内部钻杆和外部套管，在掘削钻进时外部套管同时跟进护壁，入岩或凿岩需将螺旋钻头替换为潜孔锤，进行嵌岩或凿岩施工。该工艺属于干作业成孔，施工时无需进行泥浆护壁。

2)方案2采用冲击钻冲击成孔，该工艺冲击钻机采用连杆机构或卷扬机带动钢丝绳提升冲击钻头，利用冲击钻头下落的动能产生冲击作用，破碎岩土实现钻进。成孔过程中的塌孔与否，依赖于土的物理力学性能和施工工艺，而泥浆的静水压力总体上缓解了各个极大剪切面上的应力[6]，进而可以减少成孔过程塌孔现象，维持孔壁稳定。冲孔的同时进行孔内造浆，由于泥浆对孔壁产生的静压力而在孔壁上形成的泥皮，可以有效地防止孔壁坍塌。

根据地质层分布情况，从AB综合仓库子项选取24号、670号、720号桩基执行潜孔锤套管护壁方案，AE棚库子项选取7号、9号、18号桩基执行冲击成孔方案，经统计试验数据分别如表1、表2所示。

表1 潜孔锤套管护壁混凝土数据

表2 冲击成孔混凝土数据

1.2 对比分析

1)方案1在抛石层进尺正常，进入淤泥层时，桩身长度较长，潜孔锤套管护壁进入后被淤泥包裹，导致护筒无法拔出或拔出困难。方案2在抛石层运用泥浆护壁进行成孔，进尺较为顺利，在淤泥层进尺正常。

2)方案1选用了钢套管护壁进行干作业成孔，套管外侧均为裂隙孔洞，混凝土浇筑完进行振动拔管时，混凝土流失严重，造成充盈系数过大。方案2选用了泥浆护壁系统，在成孔的同时用对周边土体进行了填充挤密，并在内侧形成了一层泥皮，有效的防止混凝土流失，因此能把充盈系数控制在一个较低水平。通过试桩最终混凝土数据分析，方案1最终混凝土灌注充盈系数平均值为3.79，方案2最终混凝土灌注充盈系数平均值为1.64。

对成孔工艺的过程分析，潜孔锤套管护壁方案由于复杂地质原因而无法顺利成孔或成孔较为困难，过程质量无法掌控，混凝土充盈系数偏大，经济性较差。冲击成孔工艺方案在该地层中整体上进尺较为顺利，混凝土充盈系数相对较低，经济性较优。因此经综合分析，本工程选用冲击成孔工艺方案。

根据试桩情况中，冲击成孔工艺主要在冲击人工回填层和淤泥地层中出现问题，经分析总结有以下几种问题：

1)在人工回填层过程中发生泥浆反复渗漏问题；

2)在人工回填层中屡次发生偏孔问题；

3)在淤泥层进尺慢，泥浆指标不符合要求及易塌孔问题。

因此需进一步对上述成孔质量问题进行研究分析，寻求针对性的解决办法。

3.1 泥浆渗漏质量问题

3.1.1 漏浆质量问题分析

根据资料调查研究，当潮汐当来时，会造成泥浆反向渗漏，当潮汐退后易造成泥浆正向流失，如流失过大就会造成塌孔或埋钻[3]。

根据地质勘察报告显示，东山湾的潮汐属不规则半日潮，潮汐存在日不等现象，即涨潮历时与落潮历时不等，相邻高低潮的潮高不等。平均高潮位标高2.21 m，平均低潮位标高-1.58 m，平均潮差2.30 m，最大潮差4.14 m。一段时间内潮水位观测表明，潮差约3.00 m[1]。通过对连续7天漏浆现象最严重的时间点统计，曲线如图1所示。

图1 漏浆时间统计图Fig.1 Statistical chart of slurry leakage time

经对东山县区潮汐规律进行统计总结，得出涨落潮时间和潮汐峰值关系如图2所示。

图2 潮汐涨落曲线图Fig.2 Tidal fluctuation curve

经数据分析得出漏浆最严重时间点与落潮期较为重合，经判定落潮时地下水位降低，孔侧压力减弱，导致孔内泥浆正向流失严重。随机抽取2#桩基施工数据分析，显示漏浆处位于块石回填区，在淤泥层、砂质黏土层和强分化岩层均未发现漏浆现象。经初步判断由于该回填区域采取花岗岩块(碎)石回填而成，回填粒料级配不满足要求，未进行分层回填和压实，导致回填区空隙较大。冲孔时进行泥浆循环时泥浆从石缝中流失，在混凝土灌注时易造成混凝土充盈系数过大、混凝土浆体流失造成断桩及桩身成型不均等质量缺陷。

3.1.2 预防措施

1)先对近海侧边桩进行施工，冲击成孔工艺对土体有一定的挤密效果，同时泥浆循环时将桩间土的裂隙都封堵严实，利用外排桩基形成一道“止水体”，降低潮汐对内侧桩基的影响。

2)钻进过程中，根据进尺深度、地层地质情况、水位变化情况有效控制泥浆液面高度。根据资料研究，施工期间护筒内的泥浆面应高出地下水位1.0 m 以上，在受水位涨落影响时，泥浆面应高出最高水位1.5 m[2]。在透水层位置处，水头位置越高则水压力就越大，渗透压力也就越大，泥浆漏失量越大，因此根据水位变化情况及时调整泥浆液面高度。

3)根据潮汐表掌握涨落潮规律，及时调整泥浆指标。根据数据统计，总结出一定周期内的涨落潮时间及潮高(高峰和低峰)数据。当涨潮时，水面水位升高，孔壁压力增大，泥浆护壁形成的泥皮厚度较薄，护壁效果较差，因此需加大泥浆稠度和泥浆液面高度，及时向孔内补优质泥浆，防止塌孔。

4)向孔中加入适量碎石，利用冲锤冲孔将较大漏浆孔进行封堵，然后向其中加入黏性土，继续冲孔造浆，保持泥浆稠度。也可使用优质膨润土进行初始造浆，膨润土泥浆是相分散和细分散的混合分散体，对泥粒有选择性絮凝作用，使冲孔钻进过程中的泥粒在泥壁表面堵塞粗空隙，泥浆的分散体堵塞细孔隙，能有效形成致密泥皮滤失量低。

5)将黏土和水泥按照5∶1的配合比进行孔内回填，然后利用冲击锤进行孔内造浆，将黏土和水泥充分拌和，封堵下部漏浆缝隙。

6)退潮时，孔侧压力减弱，地下水对孔壁侵蚀较弱，能有效形成较厚泥皮，护壁效果较好，但泥浆用量较大。高潮位时孔侧压力与孔内保持平衡，此时适宜进行混凝土浇筑作业，能有效控制混凝土充盈系数。

3.2 偏孔质量问题

3.2.1 偏孔质量问题分析

偏孔问题易导致上部结构的偏心受力，对桩基承载力会产生较大影响。对偏孔原因分析，产生的原因主要有：在冲孔桩施工作业中，操作人员为了提高进尺，在冲孔过程中不管实际地质情况如何，都采用大冲程，一味追求成孔速度，容易造成桩孔偏斜；
钻进遇孤石、大漂石或半岩体，钻头受力不均偏向导致偏孔；
基岩面不平，倾斜；
钻机底座不平或产生不均匀沉降，长时间冲钻作业导致桩基偏位形成偏孔。

3.2.2 预防措施

对偏孔质量问题的分析措施有：

1)冲孔桩施工时，开始时宜采用低锤间断冲击法，进入不均匀地层、倾斜状岩层或遇到孤石时，则宜采用高锤冲击。

2)及时向桩孔内回填块石和黏土块至偏孔位置以上至少0.5 m，保持冲锤的作业面强度均匀，然后采用低锤密冲，反复校正，直到将偏孔校正好。

3)冲孔过程中平台反复冲击地面，造成钻机平台倾斜，致使冲锤、牵引钢丝绳、钻机支架不在同一直线上，因此在冲孔过程中必须随时监测钻机平台平整度并及时调整，保持冲孔设备冲击方向始终与桩基轴线保持重合。

4)控制冲进钢丝绳的对中，在四周做好保护桩，拉线呈“十”字形校核钢丝绳，检查钢丝绳是否偏位。

5)当采用回填块石进行纠偏后，应及时清理泥浆池沉渣，以避免影响正常反渣，造成持力层误判。

6)纠偏前应修复已损坏的桩锤，补焊好桩锤齿头。

3.3 淤泥层钻进质量问题

3.3.1 进尺质量问题分析

根据资料显示，当土层塑性指数大于25时，可采取自成泥浆，否则要用膨润土造浆[4]。进入淤泥层时，钻头容易被淤泥包裹导致无法提锤，同时塌孔率也较高。根据地质报告，淤泥层塑性指数Ip值为18.39，为保证护壁效果，使用膨润土进行造浆最为适宜。

受场抛填挤淤影响，厚度变化大，且空间分布不连续，层厚0.40～2.20 m。根据地质报告，淤泥、淤泥质粉质粘土属于微～极微透水，属于可液化地层，当冲孔至该地层时，孔壁极不稳定，冲击过程中可能致使底部淤泥液化，导致局部扩径过大，从而增加上部塌孔风险。此时冲孔钻已穿过抛石层，冲程高度较大，孔径较小，提钻的过程中孔侧易被扰动。

3.3.2 预防措施

进厂质量问题的预防措施有：

1)泵管离孔底的距离为100～200 mm，输入新泥浆进行循环，将桩孔内的冲渣替换出来，并进行清理孔底，泥浆上返流速不应小于0.25 m/s。

2)通过冲锤冲击，并加入碎石及黏土进行填充，对周围孔壁淤泥土进行置换，后用黏土和膨润土调配造好的泥浆进行护壁。黏土选用塑性指数不小于15、粒径小于0.074 mm的黏粒含量大于50%。通过工地试验确定泥浆质量配比为水：黏土：膨润土=1∶0.4∶0.08，并加入适量的离子膜烧碱提高泥浆性能，掺入量约为孔内泥浆土量的0.1%～0.4%。

3)采用重锤轻击加块石护壁加厚施工法[4]。对于承载力fk<80 kPa的淤泥层，冲击成孔施工到位时，其深度填入2倍淤泥层高度的颗粒较大块石、硬塑黏土等，并进行重锤轻击。

4)当冲至淤泥含砂层时，开启泥浆分离器降低含砂率，如图3所示。

图3 泥浆分离器Fig.3 Mud separator

AE棚库位于海域回填区，基底整体标高-2.000 m，地基处理方式采用混凝土灌注桩，基总数为64 根，桩身直径600 mm。成桩作业需穿越人工回填层和淤泥层。

4.1 成孔工艺实践

在成孔作业过程中成功应用了潮汐规律，通过调泥浆稠度及泥浆液面高度等措施，减弱了潮汐变化对成孔作业的影响，极大的减少了成孔过程中的漏浆频次。成孔完成后按照检验工艺流程，对桩基孔进行了孔径、桩基垂直度、孔深及沉渣等检测，均满足设计要求。通过优化对泥浆的运用管理，采用优质泥浆进行护壁，通过对AE棚库15根桩基的记录分析，对泥浆比重、含沙率及黏度等泥浆关键指标记录如图4～图6所示。根据施工数据得出，在淤泥层冲孔钻进时，使用黏土配合膨润土进行造浆，护壁效果较好，指标符合规范要求，在此范围内成型的混凝土桩混凝土充盈系数在规范允许范围内，效果较好。

图4 泥浆比重曲线图Fig.4 Mud specific gravity curve

图5 含沙率统计图Fig.5 Statistical chart of sediment concentration

图6 黏度曲线图Fig.6 Viscosity curve

4.2 成桩检测

在成桩完成后，根据设计图纸要求进行成桩质量检测。先对全部桩基采用低应变法进行桩身完整性进行检测，再用单桩竖向抗压静载试验进行承载力检测，检测抽取数量为总桩数的1%(且不少于3根)。AE棚库桩基施工完成后，桩基低应变(桩身完整性)检测全部合格，均为I类桩，无桩身质量缺陷，单桩竖向抗压静载试验结果符合设计和规范要求。

文章以实际案例为研究对象，对混凝土灌注桩成孔工艺施工难点及原因分析进行了详细论述。结合现场情况，提出了针对性的解决办法，验证了冲击成孔工艺在海域回填层中的良好应用。通过工程实践，在海域块石回填地质情况下，冲击成孔工艺成孔效果较好。

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