螺杆桩地基处理新工艺技术研究

摘要：根据国家《中长期铁路网规划》，为满足快速增长的客运需求，优化拓展区域发展空间，未来，在“四纵四横”高速铁路的基础上，将增加客流支撑、标准适宜、发展需要的高速铁路，部分利用时速200公里铁路，形成以“八纵八横”主通道为骨架的铁路大格局。

铁路是国民经济大动脉、关键基础设施和重大民生工程，是综合交通运输体系的骨干和主要交通方式之一，在我国经济社会发展中的地位和作用至关重要。加快铁路建设特别是中西部地区铁路建设，是稳增长、调结构，增加有效投资，扩大消费，既利当前、更惠长远的重大举措。

跟着国家《中长期铁路网规划》的步伐，铁路建设已经快速延伸至中西部欠发达地区。而这些地区，往往存在着复杂多变的地形、地貌；湿陷、松软的不良地质；分布广泛的冻土层，恶劣的自然环境，给铁路建设者们带来了新的机遇和挑战。为了能够在确保施工安全、质量的前提下，克服不良地质条件，快速、高效地完成铁路施工建设，我们突破传统施工工艺，进行了“螺杆桩地基处理新工艺技术研究”并在“新建赤峰至京沈高铁喀左站铁路CFSG-6标项目”进行了试验应用。

关键词：螺杆桩；前截法；效率高

1、前 言

螺杆桩是一种新型桩，是一种“上部为圆柱型，下部为螺丝型”组合式桩，该桩及成桩工法简称为螺杆桩技术。

现浇螺杆桩是在施工过程中采用桩机钻具旋转挤压土体泵压砼成桩，与打入式预制桩相比，施工噪音低，无振动，对已施工的桩无影响；与全螺旋钻，普通泥浆护壁成孔的灌注桩相比，无泥浆污染和弃土问题。螺杆桩是一种具有很高实用价值的新型桩，将常识中“螺丝钉比钉子牢固”的道理运用在桩与桩施工中，使其更牢固的特点得以实现。

螺杆桩是采用了变截面的构造形状，成孔过程中桩侧土体受到挤压，加密作用，成桩后部分土体形成螺纹，而桩侧土体形成螺母，桩体螺纹与桩侧土螺母紧密咬合，当桩顶受荷时，螺纹段的桩侧土“螺母”受到压缩，环状“螺母”的根部受到剪切，桩的承载力有直杆段的侧阻力（摩阻力），螺纹段的抗剪强度和桩端的端承载力组成，而螺纹段的抗剪力远远大于同等条件下的侧阻力，满足了附加应力的分布规律和应力分担比及刚度变化的要求，调整了土与桩之间的作用，桩侧土体应力分摊比及应力扩散度提高，桩端荷载减少，使桩身受力与土体受力协调一致。

2、工程概况

新建赤峰至京沈高铁喀左站铁路是赤峰至京沈高铁的联络线，是沈阳铁路局的重点工程。CFSG-6标段，位于内蒙古自治区赤峰市境内，标段所处地区松软土、湿陷性黄土地质分布广泛。项目主要以路基为主，软基处理桩种类繁多，其中螺杆桩桩长从8m到22m不等，所占比例最大，共计41万米。桩顶采用钢筋混凝土桩帽，桩帽设计为直径1.1m，厚度0.35m，其上为碎石垫层。

内蒙地区冬休时间长、年度有效施工时间短，工期压力大，螺杆桩等软基处理桩，严重制约着路基主体工程施工。为了确保工期，尽早完成螺杆桩施工，进行下道工序转换。经过项目部技术部门对螺杆桩施工工艺的潜心研究，制定出一套快速、高效的螺杆桩施工新工艺，“前截法螺杆桩施工”。

本标段线路走行于蒙东境内，属于中温带亚干旱季风气候区。主要特点春季干旱多风；夏季炎热，降水集中；秋季凉爽；冬季干冷。按照对铁路工程影响气候分区为寒冷地区。

3、技术分析

3.1传统螺杆桩施工工艺

3.1.1传统截取桩头的方法

灌注桩施工时，因为是非挤土施工，浮浆、沉渣多，施工桩顶标高须高出设计桩顶标高不少于0.5m；且出土量大，桩头附近堆土多，故只能是采用“后截法”处理桩头，即：桩头截取，是在成桩灌注混凝土 28 天后进行，流程如下：

1）用挖掘机清除桩间土，露出已凝固的桩头。

2）用切割机在桩头上切出缝隙。

3）用钢钎砸入缝隙，将桩头分离。

3.1.2传统截取桩头方法的缺点

1）成桩后桩头高于地面，桩机在进行后续成桩作业时，桩机的履带、液压腿会挤压到已成桩的桩头，造成桩头变形、裂缝。

2）清桩头土时，因为桩头已凝固，并高出地面 50cm以上；挖掘机在桩头间行走时，履带会不可避免地挤压桩身；挖掘机的斗也不可避免地碰撞桩身；故会造成桩身浅部断桩或裂纹。

3）截桩头时方式原始粗暴，容易造成桩头破裂甚至断桩。

4）成桩时桩头的气泡较多，没有捣振密实，容易使桩头有气孔质量不佳。 因为有以上工艺缺点，故传统长螺旋的小应变检测时，会有较多的桩头问题及浅部断桩，这是一个长期以来存在的困挠。

5）按照传统螺杆桩施工工艺，进行挖桩间土、桩头环切、绑扎钢筋、立模浇筑桩帽混凝土、回填桩间土等工序施工，工序繁多、人员、机械、模板材料投入巨大且施工效率低下，既不能满足工期需要，又增加了大量的施工成本。

4、施工方案优化

通过技术研究、工期分析发现：要想在保证螺杆桩桩身质量的前提下，提高螺杆桩施工效率，可以在桩帽施工过程中进行方案优化，减少工序、提高功效。

4.1优化后螺杆桩施工工艺

4.2优化后螺杆桩桩帽尺寸对比

4.3“前截法”螺杆桩施工

4.3.1施工准备

（1）施工前查明地下管線、电力线等设施，迁改完成或采取必要的防护措施对既有管线进行防护。

（2）对施工场地进行清表，清除坡脚范围内的垃圾土、腐殖土、种植土等，按照设计要求对施工场地整平至设计桩帽顶标高，并碾压密实。做到”三通一平”即水通、路通、电通、场地平整。

（3）施工材料及钻孔施工的各类机械设备准备就绪。

（4）测量人员按照设计桩位图进行桩位放样，并做好标记。

（5）施工技术交底及施工图已经下发作业队，并对相关技术员进行了岗前培训.

4.3.2成桩工艺性试验

选取地质条件代表性段落进行成桩质量试验。

（1）确定螺杆桩的施工参数

①钻进速度、钻杆提升速度、同步技术参数、非同步技术参数。

混凝土塌落度、泵送速度等各项工艺参数。

②检验钻杆外径及芯管直径是否满足设计要求，成孔深度能力和成孔终孔的控制电流、每根桩的混凝土用量等。

③确定作业队的人员配合和施工设备是否能够满足施工要求。

（2）确定设计参数

成桩7d内桩身完整性检测符合设计要求。

28d后单桩地基静荷载试验满足设计要求。

4.3.3钻机就位

应使钻杆垂直对准桩位中心，确保螺杆灌注桩垂直度允许偏差不大于1%，桩位允许偏差不大于5cm。现场控制采用在钻架上挂垂球的方法测量该孔的垂直度，也可采用钻机自带垂直度调整器控制钻杆垂直度。每根桩施工前现场工程技术人员进行桩位对中及垂直度检查，满足要求后，方可开钻。

4.3.4钻孔参数设置

根据实验结果，不同的地质条件，按照设计施工图，设置孔径、孔深、钻进速度、提钻速度等相关参数。

4.3.5钻进成孔

下钻过程中桩机自控系统严格控制钻杆下降速度和旋转速度，充分利用桩机的自动控制系统，使二者匹配，要求钻杆旋转二周以上，螺杆钻杆下降一个螺距，钻至螺杆桩直线段设计深度，在土体中形成圆柱状；钻杆旋转一周，螺杆钻杆下降一个螺距，钻至螺杆桩螺纹段设计深度，在土体中形成螺纹状。钻头到达设计深度，停止钻进，于动力头底面停留位置相应的钻机塔身处作醒目标记，作为施工时控制桩长的依据。桩长允许偏差不大于10cm，桩径允许偏差不大于2cm。

4.3.6混合料的拌合及运输

混合料要求按配合比进行配料，计量要求准确，上料顺序为：先装碎石或卵石，再加水泥、粉煤灰和泵送剂，最后加砂，使水泥、粉煤灰和泵送剂夹在砂、石之间，每盘料搅拌时间不应小于60s。在泵送前混凝土泵料斗、搅拌机搅拌桶应备好熟料。混凝土现场施工的坍落度宜控制在180mm～220mm，混凝土搅拌运输车集中运输到施工现场。

4.3.7桩体混凝土灌注

钻头钻至设计标高后，停止钻进，开始泵送混凝土，当钻杆芯管充满混凝土后钻杆开始反向旋转提升钻杆，提钻过程中应严格控制提升速度与旋转速度，使二者匹配，严禁先提管后泵料。成桩的提拔速度宜控制在每分钟2～3m，成桩过程宜连续进行，应避免因后台供料慢而导致停机待料，施工完桩顶标高应高出设计桩顶标高不少于0.2m。灌注达到控制标高后，钻机移位进行下一根桩施工时，采用连续法施工。

4.3.8清除桩顶浮土、浮浆

在混凝土初凝之前，对桩头超灌部份的混凝土与虚土进行清理，将桩头清理至设计桩顶标高；桩头内部的混凝土需由人工检查清理，保证桩头内部无异物浮浆。

4.3.9桩头捣震

桩头清理至设计标高完成后，人工采用插入式振捣器，对桩头混凝土进行振捣，振捣时插入深度不小于1m，振捣器插入桩头内部反复震捣，直至混凝土密实，表面不再产生气泡为止。

4.3.10桩头保护

为保证桩头混凝土质量，对振捣完成后的桩头，采用小型机具进行压光平整处理。混凝土初凝后，用塑料膜将桩头裸露的混凝土全部进行隔离、覆盖，塑料布上方敷设一层细粒土以固定塑料膜。

4.3.11开挖桩帽

桩身砼强度达到设计要求强度的70%后，清除桩顶浮土并对地面碾压密实，采用桩帽成孔设备，形成土模。人工配合机械，清除土模内的浮土，以保证土模尺寸达到设计要求。

4.3.12桩体质量检测

①桩身混凝土强度满足设计后，采用电镐和角磨机对桩顶进行凿平、打磨处理。

②成桩7天后，进行桩身完整性检测，检测数量为总桩数的百分之十，且不小于3根。

③成桩28天后，进行单桩承载力检测，检测数量为总桩数的千分之二，且不小于3根。

4.3.13桩帽混凝土浇筑

桩体质量检测合格后，进行桩帽混凝土浇筑。混凝土在拌合站集中拌和，砼运输车运输，汽车泵泵送入模。

浇筑砼时，采用插入式振捣棒振动捣实。振动器振动捣实，应符合下列规定：

①使用插入式振动器时，先快后慢。移动间距不超过振动器作用半径的1.5倍；与侧模保持5～10cm的距离；插入下层砼5～10cm；每一层振动完毕后边振动边徐徐提出振动棒；避免振动棒碰撞侧模。

②对每一振动部位，必须振动到该部位砼密实为止。密实的标志是砼停止下沉、不再冒出气泡、表面呈现光泽、泛浆。

③混凝土初凝前，对混凝土年进行平整、压光处理。

4.3.14混凝土养生

①混凝土浇筑完毕后必须采用覆盖、洒水养护，使其芯部混凝土与表层、表层与环境之间的温度不得大于15℃。

②当阳光直射并且温度T≥20℃ 时养护时间不得少于10天；阳光直射并且10℃≤T<20℃时养护时间不得少于14天，碎石垫层铺设前，确保桩帽混凝土强度达到设计要求。

5、施工工艺比选

5.1优化后“前截法”桩帽施工的优点

①钻机采用挤土工艺施工，几乎无沉渣，且浮浆少，比设计桩顶高程超灌 20cm 即可，且出土量少，可在混凝土凝固之前截取桩头。桩机后续成桩施工时不会对已施工的桩造成干挠。

②清理桩弃土时，因桩头不高于地面，故挖掘机不会触碰桩身，造成桩体浅层断桩进而影响桩身质量。

③成桩后对桩头进行有效振动捣实，故桩头密实，质量得到可靠保证，桩头在未初凝前就进行修整，凝固后，桩头平整光滑，形状规整不变形。

④通过桩帽机械开挖设备，加快了桩帽开挖，提高了工作效率，减少了材料、设备、人员的投入。 特别是钻桩帽过程中，钻机自带套筒套在桩帽上，保护桩头不被扭断，较挖掘机挖桩间土的工艺极大的保护了桩身的完整性。

因此通过以上的工艺优化改进，螺杆桩施工不仅减少了施工工序，缩短了施工时间，而且在提高效率的同时，桩身、桩头的质量得到有效保證；故在成桩后的桩身质量检测中，I类桩率远远高于传统施工工艺。

5.2经济社会效益

新工艺减少了桩帽土方外弃量，降低了环境污染，节约了人力资源投入。

除少量人工外（每台设备配备3-4人），投入的设备为桩帽成孔器，单价为2万元/台，租赁挖掘机费用为4.5万元/台月。单机投入固定费用2万，其余费用为4.5万/月，投资可控。

最主要的，极大提高了施工效率。单机生产率约为400-500个/台班。

6、结论

通过对“螺杆桩地基处理新工艺技术研究”，相比较传统螺杆桩施工工艺，优化后的“前截法”螺杆桩施工工艺，工序少、效率高、成本低、操作简单。既避免了传统工艺施工中的缺点，保证了成桩质量，又创造性地开发了一项新技术的推广与应用。这项研究对传统螺杆桩施工，将是一场技术革新。

参考文献：

[1]蒙辽铁路客运专线有限责任公司发布的有关设计图纸和技术资料

[2]《高速铁路路基工程施工技术规程》（Q/CR9602-2015）

[3]《高速铁路路基工程施工质量验收标准》（TB10751-2010）

[4]《铁路路基设计规范》（TB10001-2005）

[5]《铁路混凝土工程施工技术指南》铁建设[2010]241号

[6]《铁路混凝土工程施工质量验收标准》（TB10424-2010）

作者简介：

宋国映，男，30岁，工程师，从事铁路工程施工6年，曾研究课题有特大溶洞级暗河处理施工技术研究、隧道溶洞特大体积混凝土施工技术研究、岩溶地质条件下的桥梁挖孔桩施工技术探讨、路基岩溶整治施工技术研究、350公里时速铁路沉降变形技术研究等，中铁三局集团第二工程有限公司。