近海深基礎(chǔ)嵌巖灌注樁施工技術(shù)

段福平，余振剛，李銀，詹國(guó)華

(1.浙江省送變電工程公司，杭州市，310016;2.中交第三航務(wù)工程局有限公司寧波分公司，浙江省 寧波市，315200)

0 引言

舟山與大陸聯(lián)網(wǎng)輸電線路工程螺頭水道大跨越設(shè)計(jì)采用“耐—直—直—直—耐”跨越方式，3基跨越塔分別位于舟山的大貓山島、寧波的涼帽山島和外神馬島東側(cè)約450 m的海中，其中海中高塔全高為199 m，基礎(chǔ)本體采用高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)［1］。本文結(jié)合海中高塔基礎(chǔ)承臺(tái)直徑2200 mm嵌巖灌注樁的施工實(shí)踐，介紹了深基礎(chǔ)無(wú)護(hù)筒支護(hù)嵌巖灌注樁施工技術(shù)。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)尺寸及工程量

海中高塔基礎(chǔ)的本體設(shè)計(jì)采用高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)，塔基由4個(gè)17.6 m×17.6 m的方形鋼筋混凝土承臺(tái)組成，承臺(tái)之間由鋼筋混凝土梁板連接，整體尺寸為56.44 m ×56.44 m，承臺(tái)厚3.0 m。承臺(tái)之間的連系梁由53根2200 mm的灌注樁基礎(chǔ)構(gòu)成，灌注樁嵌入中風(fēng)化巖面3.3 m，其中44根灌注樁鋼護(hù)筒長(zhǎng)35 m(按照地質(zhì)資料估算，護(hù)筒底穿透淤泥質(zhì)涂層基本進(jìn)入粉質(zhì)粘土層)，另9根鋼護(hù)筒長(zhǎng)30.2 ～34.7 m(護(hù)筒底進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖面)。樁基采用C35混凝土，總方量約9500 m3。

1.2 地形地貌及工程地質(zhì)條件

海中高塔基礎(chǔ)所在海域，海底地形平坦，海底標(biāo)高 －2.30 ～ －2.50 m(國(guó)家 85 高程，下同。)，水深2～3 m，表面有厚1.5 m左右的新近沉積浮泥。

塔位淺部地基土主要為沖海積成因的淤泥質(zhì)土和粘性土，下部基巖為凝灰?guī)r，嵌巖樁結(jié)構(gòu)區(qū)地質(zhì)剖面如圖1所示。土層性狀自上而下分別為:

(1)Ⅰ－1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土?；疑?，飽和，流塑，干強(qiáng)度中等，含少量粉粒及有機(jī)質(zhì)，夾有較多粉砂薄層;表面厚1.5 m左右為新近沉積浮泥，性質(zhì)極差。該層塔位均有分布，層厚11.00～16.20 m，層底標(biāo)高－18.41 ～ －13.05 m。

圖1 嵌巖樁結(jié)構(gòu)區(qū)地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological section in RCP area

(2)Ⅰ－2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土?；疑?，飽和，流塑，干強(qiáng)度中等，局部具磷片狀結(jié)構(gòu)，含少量粉粒分、局部混少量腐植質(zhì)。該層塔位均有分布，層厚3.60～15.30 m，層底高程 －30.88 ～ －16.65 m。

(3)Ⅱ?qū)臃圪|(zhì)粘土。灰黃、灰綠色，濕，可塑為主，局部性質(zhì)較好，干強(qiáng)度中等，韌性中等，局部為粘土，含少量粉粒及鐵錳質(zhì)氧化物。該層局部缺失，層厚1.40 ～8.30 m，一般層厚 5.0 m 左右，層頂高程－30.22 ～ －19.41 m。

(4)Ⅲ層粉質(zhì)粘土?；摇⑻m灰色，很濕，軟塑至可塑，干強(qiáng)度中等，韌性中等，含少量粉粒，局部混少量腐植質(zhì)。該層局部缺失，厚度變化大，層厚3.20～23.30 m，層頂高程 －34.07 ～ －23.77 m。

(5)Ⅴ－1層全風(fēng)化凝灰?guī)r?；野字粱揖G色，風(fēng)化成砂土狀，刀可切，碎片手捏易散;該層上部近土狀、性質(zhì)相對(duì)差，下部性質(zhì)較好，局部為全風(fēng)化至強(qiáng)風(fēng)化。該層塔位均有分布，層厚1.00～2.30 m，層頂高程 －51.98 ～ －16.65 m。

(6)Ⅴ－2層強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r?；尹S、灰綠色，裂隙發(fā)育，巖芯碎塊狀，錘擊易碎，質(zhì)較硬。該層塔位均有分布，層厚 0.70 ～2.50 m，層頂高程 －54.18 ～－18.55 m。

(7)Ⅴ－3層中等風(fēng)化凝灰?guī)r?；?、灰褐色，裂隙較發(fā)育，巖芯5～10 cm柱狀為主，擊不易碎，質(zhì)堅(jiān)硬。該層塔位均有分布，塔位西北角埋深較淺，東側(cè)埋深較深，已控制層厚6.00 m。

2 樁基施工平臺(tái)搭設(shè)

考慮樁基深度較深，且底部巖石坡度變化較大，經(jīng)比較分析，確定采用沖擊鉆成孔工藝［2-4］。施工平臺(tái)上的主要荷載有:2臺(tái)50 t履帶吊，9臺(tái)CJK－10型鉆孔樁機(jī)，1套泥漿處理器，2臺(tái)柴油空壓機(jī)組，3臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，各類水泵、鉆頭、鉆桿等。其中，鉆機(jī)組合件每臺(tái)重20～25 t，履帶吊每臺(tái)重50 t(施工定位后控制單件起吊量不超過(guò)20 t)。各設(shè)備均分散布置作業(yè)，避免集中在某一樁位處［5］。

樁基施工平臺(tái)利用樁護(hù)筒作為承重基礎(chǔ)［6］，鋼護(hù)筒沉放后在其頂部焊接安裝鋼牛腿，鋼牛腿上安裝鋼箱梁作為主梁，主梁上安裝HM400型鋼@750 mm作為次梁，次梁上安裝10 mm厚鋼板作為面板。吊機(jī)、設(shè)備通道區(qū)域在次梁上擱置厚20 mm、寬1.8 m鋼板2塊，樁周邊非承重區(qū)域在次梁上安裝鏤空式6 mm厚菱形拉格鋼網(wǎng)片.施工平臺(tái)設(shè)計(jì)頂標(biāo)高為+8.70 m，工作平臺(tái)四周設(shè)封閉式安全圍欄。

3 鉆孔灌注樁成樁施工

鋼護(hù)筒長(zhǎng)30～35 m，埋設(shè)較深，除4號(hào)承臺(tái)區(qū)域9根樁基護(hù)筒底部達(dá)到強(qiáng)風(fēng)化層以外，其余樁基護(hù)筒底部?jī)H達(dá)到粉質(zhì)粘土層頂部。該區(qū)域風(fēng)化巖裂隙較發(fā)育，地下水豐富，施工中平均有15 m以上樁身位于粉質(zhì)粘土層和強(qiáng)風(fēng)化層中，選取合適的成孔工藝及泥漿護(hù)壁措施對(duì)成孔質(zhì)量尤其重要。

3.1 正循環(huán)沖擊鉆機(jī)成孔工藝

正循環(huán)沖擊鉆機(jī)選用JK－10型，采用鑄鋼件沖錐，沖錐按形狀分四爪、五爪，沖錐質(zhì)量8 t，直徑1800～2000 mm，焊牙齒后直徑為2150 mm，沖擊鉆機(jī)卷?yè)P(yáng)機(jī)最大提升能力為100 kN。

采用泥漿懸浮排渣、正循環(huán)鉆進(jìn)工藝。鉆渣在泥漿流動(dòng)懸浮作用下被攜帶懸浮出護(hù)筒，在流向沉淀筒的通道槽途中設(shè)置篩網(wǎng)分離大部分鉆渣，泥漿流入沉淀筒中沉淀，再用水泵泵送循環(huán)利用。一般施工鉆進(jìn)中，出渣口泥漿密度控制在1.3～1.4 g/cm3。采用單程鉆機(jī)在正常情況下4～5天成孔，此類鉆機(jī)適應(yīng)性、成孔可靠性較好，但其成孔速度相對(duì)較慢，且需泥漿排渣，成孔后的清孔時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)。

3.2 泥漿護(hù)壁措施

施工區(qū)域位于遠(yuǎn)離岸基的海中，淡水奇缺，鋼護(hù)筒內(nèi)的海水及淤泥其Cl－、SO2－4、Ca2+、Mg2+等含量較高，若按常規(guī)方法使用普通黃泥、膨潤(rùn)土等造漿材料，用量大、成本高［7－8］。為此，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了泥漿配比試驗(yàn)，就近利用現(xiàn)場(chǎng)取樣的較軟海泥，添加粘性黃土、純堿及特制造漿添加劑，解決了利用海水造漿的難題。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該方法護(hù)壁效果較好，且可就近取材制作，成本較低，后續(xù)施工中始終使用該配方制作泥漿。泥漿性能指標(biāo)如表1所示。

表1 泥漿性能指標(biāo)Tab.1 Index of mud performance

3.3 清孔及成孔檢測(cè)

鉆進(jìn)至巖面后，經(jīng)地勘人員比對(duì)巖樣確定中風(fēng)化巖層起始面后，即加大鉆機(jī)沖程鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)標(biāo)高終孔。終孔后及時(shí)下放φ 300 mm導(dǎo)管，并在導(dǎo)管內(nèi)設(shè)置1根φ 50 mm鍍鋅管作為高壓氣舉反循環(huán)二次清孔的送風(fēng)管，通過(guò)高壓氣舉反循環(huán)工藝將泥漿帶到3PNL泥漿分離器進(jìn)一步做過(guò)濾分離處理。清孔后，最終剩余泥漿內(nèi)顆粒最大粒徑為0.5～0.3 mm，隨即下放JJC－1D孔徑探測(cè)儀進(jìn)行成孔質(zhì)量和成孔深度檢測(cè)，檢測(cè)合格進(jìn)行鋼筋籠安裝。

3.4 鋼筋籠安裝

每根灌注樁設(shè)計(jì)采用28根通長(zhǎng)的φ 32 mm主筋及28根長(zhǎng)度約30 m的φ 32 mm加強(qiáng)筋，單樁鋼筋籠總質(zhì)量為14～19 t，分4～6段制作，段與段之間鋼筋采用輥壓直螺紋套筒連接，以加快現(xiàn)場(chǎng)安裝進(jìn)度，并利于現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量控制。

3.5 二次清孔與水下混凝土灌注

鋼筋籠安裝完成后，水上混凝土攪拌船進(jìn)場(chǎng)前3 h開始下混凝土澆筑導(dǎo)管(φ 300 mm導(dǎo)管，下管前須做水密性試驗(yàn)確保導(dǎo)管完好)，二次清孔，同時(shí)用泥漿泵向樁內(nèi)補(bǔ)充稀釋泥漿液以降低樁孔內(nèi)泥漿密度。船機(jī)就位1 h前停止清孔，并拔出φ 50 mm鍍鋅管，從導(dǎo)管內(nèi)下放沉渣檢測(cè)儀檢測(cè)沉渣厚度。若檢測(cè)不合格，加大高壓氣體壓強(qiáng)并使用吊機(jī)提升下放導(dǎo)管，通過(guò)導(dǎo)管上下串動(dòng)攪動(dòng)底部沉積泥漿，使之分散并上下拌合均勻。若檢測(cè)合格則準(zhǔn)備澆筑水下混凝土，初灌施工時(shí)控制導(dǎo)管底部距離孔底0.4～0.5 m，以確保初灌料以適當(dāng)壓力沖擊孔底并合理擴(kuò)散排除孔底沉渣。

水下混凝土澆筑著重加強(qiáng)水灰比控制，由施工員和試驗(yàn)員在攪拌船上監(jiān)控計(jì)量系統(tǒng)儀表參數(shù)并適時(shí)調(diào)整?，F(xiàn)場(chǎng)灌注重點(diǎn)在于初灌料的控制。在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置雙料斗，初始施工時(shí)先灌注大料斗(8 m3)，再灌注附加在灌注導(dǎo)管頂部的小料斗(1 m3)，小料斗灌注至2/3容量時(shí)拉開隔離柵并打開大料斗連接到小料斗的輸送閥，連續(xù)澆筑完成初灌料澆筑。整個(gè)施工過(guò)程約持續(xù)6 min，加上此期間攪拌船仍在不間歇的輸送混凝土(輸送能力1 m3/min)，初灌量約15 m3，可灌注約3.5 m高度。該灌注過(guò)程連續(xù)進(jìn)行，能有效避免樁底殘?jiān)z留，確保成樁質(zhì)量。后續(xù)灌注應(yīng)確保導(dǎo)管埋深3～4 m，每灌注6～8 m拔拆導(dǎo)管1次，直到灌注到設(shè)計(jì)標(biāo)高，翻漿超灌至露出新鮮混凝土方可停止灌注。

4 嵌巖樁質(zhì)量檢測(cè)

設(shè)計(jì)樁身混凝土強(qiáng)度為C35，每根樁均在現(xiàn)場(chǎng)取樣制作抗壓強(qiáng)度試塊，標(biāo)養(yǎng)28天后，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢驗(yàn)。經(jīng)檢測(cè)，53根樁混凝土試塊的平均強(qiáng)度為44.1 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差 3.5 MPa，符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求［8］。

采用超聲波對(duì)53根嵌巖灌注樁進(jìn)行完整性檢測(cè)，檢測(cè)表明:嵌巖樁樁深反饋波速較穩(wěn)定，成樁質(zhì)量良好，53根樁樁身完整性全部為Ⅰ類樁。

對(duì)其中1根嵌巖灌注樁進(jìn)行了鉆芯取樣檢測(cè)，檢測(cè)表明:混凝土與巖面銜接良好，樁底無(wú)沉渣出現(xiàn)，施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)3根典型樁進(jìn)行了樁基自平衡承載力測(cè)試，檢測(cè)表明樁基承載力滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

多種檢測(cè)結(jié)果綜合顯示，嵌巖灌注樁施工達(dá)到了預(yù)期的質(zhì)量控制目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

工程實(shí)踐證明，在近海較深軟土地基中進(jìn)行護(hù)筒埋深至粉質(zhì)粘土層的嵌巖灌注樁施工是合理可行的，可有效降低鋼管材料使用量，減少大型打樁設(shè)備臺(tái)班，避免水下作業(yè)，技術(shù)合理，經(jīng)濟(jì)節(jié)約。利用鋼護(hù)筒作為鉆孔平臺(tái)的支撐是可靠的，可以節(jié)約大量支撐平臺(tái)鋼材，平臺(tái)面板采用鋼板與鋼網(wǎng)片聯(lián)合布設(shè)是合理的，兼顧了平臺(tái)行車和施工作業(yè)排水的實(shí)際需要。

高含水率的粉質(zhì)粘土層通過(guò)配置適當(dāng)?shù)淖o(hù)壁泥漿，仍可滿足沖擊成孔工藝的要求，但施工過(guò)程中須關(guān)注泥漿濃度和泥漿的均勻性。采用泥漿分離器清孔，能有效提高清孔效率，清孔殘余可以直觀檢測(cè)，清孔質(zhì)量有了較大提高，可為類似大直徑嵌巖灌注樁施工提供方法借鑒。嵌巖灌注樁施工中，須密切注意各道工序的連續(xù)和合理銜接，一旦開鉆應(yīng)及時(shí)將成孔進(jìn)行到底，并立即進(jìn)行鋼筋籠安裝和水下混凝土施工，工序安排應(yīng)當(dāng)緊湊，盡量縮短施工周期，防止孔壁因浸泡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而松軟穿孔，導(dǎo)致發(fā)生坍孔等事故。

［1］朱天浩，徐建國(guó)，葉尹，等.輸電線路特大跨越設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)［J］.電力建設(shè)，2010，31(4):25-31.

［2］吳新孟.沖孔灌注樁施工經(jīng)驗(yàn)簡(jiǎn)介［J］.電力建設(shè)，2000，21(2):56-57.

［3］JTJ 285—2000港口工程嵌巖樁設(shè)計(jì)與施工規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，2000.

［4］王偉明，余振剛，呂小勇.外海深水裸露基巖大直徑嵌巖樁施工關(guān)鍵技術(shù)［C］//國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)2008年年會(huì)暨國(guó)際航運(yùn)技術(shù)研討會(huì)論文集.北京:人民交通出版社，2008:29-37.

［5］JTJ 215—98港口工程荷載規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，1998.

［6］JTG D63—2007公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［7］黃偉東.泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁的施工［J］.電力建設(shè)，1999，20(1):58-59.

［8］JTJ 270—98水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，1998.