特殊地质条件下大型冶金工程PHC管桩沉桩工程实践

李朝

宝山钢铁股份有限公司投资管理部 上海 201900

湛江钢铁项目大规模施工前，进行了桩型选择的研究。由于湛江组土层的特殊性能，灌注桩成型后表面泥皮较厚，其承载力与同直径PHC管桩的承载力基本相当。考虑PHC管桩造价低、施工周期短、质量较易控制，符合绿色施工要求，因此被广泛采用。但建设场地部分区域上覆地层存在厚薄不一、埋深不等、强度不同的玄武岩岩层和大小不一的玄武岩孤石，其下还存在致密中粗砂层，这些特殊地质是PHC管桩施工面临的困难。

1 工程地质

湛江钢铁项目位于广东省湛江市东海岛，占地面积12.98km2。整个建设场地下伏地层为湛江组海陆相沉积层，含透镜状薄层密实中粗砂夹层；场地中部上覆地层为风化残积土，含直径0.3-1.95m、强度小于35MPa的玄武岩孤石；场地南部上覆湛江组土，含不连续玄武岩夹层，玄武岩夹层厚度0.5-8.3m、岩石强度6-120MPa，不能作为桩基持力层；场地东部表层为风成细砂坡积层，由西向东逐渐变厚，松散至密实状态；场地北部为近期海相淤泥沉积层，呈流塑或软塑状态[1]。整个建设场地，工程地质较复杂和特殊，玄武岩和密实砂层是PHC管桩施工的难点。

2 特殊地质条件下PHC管桩施工实践

2.1 玄武岩区域PHC管桩引孔

（1）1#、2#转炉设备基础等区域存在强风化玄武岩孤石群，埋深6-12m，开挖清除孤石较困难且成本较高，所以在PHC管桩施工前，采取冲孔引孔后再沉桩。冲孔设备简单，冲孔成本低，冲孔效率较高，约为0.5m/h。冲孔直径比PHC管桩直径大300mm，冲孔后采用无腐蚀性粘土回填再进行PHC管桩施工，处理效果良好。

冲孔施工设备：包括护筒，重锤，卷扬机，底盘，支架，其特征为底盘上固定有大功率卷扬机和小功率卷扬机，底盘前端设有垂直于底盘的支架，支架上端设有滑轮；大功率卷扬机的额定荷载为40kN-80kN，从大功率卷扬机中的伸出的钢丝绳穿绕过支架上端的滑轮后，再穿绕过重锤顶端设置的滑轮，从而实现大功率卷扬机带动重锤进行升降；重锤为可穿入护筒的圆台型钢质重锤，重量为5-10吨；小功率卷扬机额定荷载为20kN-60kN，从小功率卷扬机中伸出的钢丝绳通过穿绕支架上端的滑轮和反向装置，与护筒连接，从而实现小功率卷扬机带动护筒进行升降；护筒为一定长度的两端开口的钢管，护筒的直径大于上述重锤的直径，护筒上端设有垂直度控制装置，护筒上端设有填料口；护筒的上端还可以加设振动装置[2]。

（2）铁水维修跨厂房及设备基础等区域下存在中风化玄武岩，岩石强度6-35MPa，厚度0.5-4.6m，埋深3-13m。由于玄武岩厚薄不等、埋深不一，基本不能作为基础持力层利用，且其开挖清除成本高、难度大，故在PHC管桩施工前，采取旋挖引孔后再沉桩。旋挖引孔成孔速度较快，约1.16m/h，且社会资源较丰富。引孔直径比PHC管桩直径大200mm，成孔后采用无腐蚀性粘土回填再进行PHC管桩，处理效果和工作效率都非常好。

旋挖引孔设备：主机配备机锁钻，钻杆长度根据设计图纸要求进行配备。中微风化岩层强度高，入岩主力机型为280-360机型区间，大直径入岩桩可配400型以上大机型，由于大机型可输出更大的加压力，提升钻齿的接地比压，破碎入岩效果好，机器损耗小。当岩芯抗压强度在30MPa以内以截齿捞砂斗+截齿筒钻钻进为主；当岩芯抗压强度在30-60MPa时选用全断面取芯截齿筒钻钻进；当岩芯抗压强度大于60MPa选用牙轮筒钻钻进。由于牙轮本身成本较高，采用牙轮进行入岩的施工时，应对牙轮本身的质量、焊工的焊接技术水平、机手的操作水平等要求作业总体评价，核算经济成本。中风化岩层本身具有很高的强度，不存在塌孔缩径现象，但在入岩施工时，由于钻具与岩层的摩擦会使合金头发热，造成钻齿的磨损加剧，所以入岩施工时须在孔内加注清水或泥浆给钻齿降温。此外清水或泥浆有助于分解岩屑，降低夹钻、托钻的附加阻力，保护钻体，缓冲振动等[3]。

（3）热轧等区域玄武岩分布范围较广泛，多数为中风化-微风化玄武岩，岩石强度35-120MPa，埋深不同，局部埋深在地面下近20m，厚度不一、局部达到8.3m。由于清除非常困难且成本非常高，所以施工中采用了大直径潜孔锤与长螺旋多功能桩机组合引孔技术。潜孔锤以长螺旋多功能桩机（或旋挖桩机）做桩架，以长螺旋动力头（或旋挖桩机动力头）做旋转动力，在特制的钻杆下悬挂风动式潜孔锤，潜孔锤冲击破碎岩石的同时，动力头带动钻杆及潜孔锤进行适度的钻压与回转钻进，既能研磨刻碎岩石，又能使潜孔锤击打位置不停的变化，使潜孔锤底部的合金突出点每次都击打在不同位置，风动潜孔锤的空气既能冷却钻头又能将破碎的岩屑吹离孔底并排出孔口，达到快速破碎岩石的作用。对高强度岩层，潜孔锤成孔速度快，约3.39m/h。成孔直径比PHC管桩直径大200mm，引孔后采用无腐蚀性粘土回填再进行PHC管桩施工，沉桩顺利。

2.2 密实中粗砂层PHC管桩施工

加热炉、粗轧、精轧大部分区域分布密实中粗砂层，于地面下15-36m范围内分层分布，厚度大部分为2m左右，局部高达4m，其标贯值较高，部分区域标贯值高达60，由于不能作为桩基持力层，必须穿越，但沉桩困难。通过桩身两端结构强度提高、桩尖型号改进、合理选择打桩锤等措施，实现顺利沉桩。

（1）桩身两端结构强度提高：桩两端增加锚固筋，添加钢纤维等。

（2）十字型桩尖进入该层后沉桩困难，锤击数集中升高，贯入度减小，沉桩质量不易掌控，桩头易损坏，严重制约着施工进度。后续改进采取四棱锥型桩尖，重锤低击，控制打桩档位，全程采用一档打桩；详细分析地勘报告，避免接桩时桩停留在砂层中造成沉桩困难；将上节桩壁厚加大，如第一节、第二节桩采用PHC600AB110桩型，顶节桩采用PHC600AB130桩型等措施，但沉桩效果还是没有达到要求。最后继续桩尖改进，改为炮筒式桩尖，在热轧加热炉区域、粗轧区域、精轧区域，共试打了9套使用炮筒式桩尖的桩，其沉桩总锤击数比相邻使用十字架桩尖的桩的总锤击数，降低了300-400击，桩比较容易穿越密实中粗砂层，沉桩效果良好。

（3）湛江钢铁直径400mmPHC管桩采用6.2吨锤；直径500mmPHC管桩采用8吨锤；直径600mmPHC管桩采用10吨锤。

3 结语

本文根据工程实践，采用冲孔设备、旋挖引孔设备和大直径潜孔锤等引孔后实现了玄武岩特殊地质条件下PHC管桩沉桩的可能性；通过桩身两端结构强度提高、桩尖型号改进、合理选择打桩锤等措施，实现了密实中粗砂层地质条件下的顺利沉桩，为今后类似地质条件下桩基施工提供参考。