淺析洞內(nèi)機(jī)械成孔灌注樁垂直度控制

＊馬 雷

（中化地質(zhì)礦山總局河北地質(zhì)勘查院 河北 050031）

1.項目背景情況

某市地鐵站施工項目根據(jù)整體設(shè)計要求以及為了達(dá)到減小施工對道路交通造成擁堵和施工對城市環(huán)境帶來的污染與破壞，該站的施工設(shè)計方案決定采用全暗挖雙層三跨車站，樁基施工采用“洞樁法”施工。

車站總長為238.1m，標(biāo)準(zhǔn)寬為24.4m，總建筑面積為21093m2。車站在四個象限共設(shè)四個出入口，3組風(fēng)亭及4個緊急疏散口。

該地鐵站邊樁共計327根，直徑1000mm，間距1.6m；中樁共計66根，中樁基礎(chǔ)直徑1.8m，間距6.0m～7.5m。

2.工程基本情況

(1)項目位置

該地鐵站位于西三環(huán)北路和北三環(huán)西路交匯處西北側(cè)，與規(guī)劃中地鐵XXX號線換乘。交叉路口東側(cè)為北三環(huán)西路，南側(cè)為西三環(huán)北路，西側(cè)為XXX路，北側(cè)為XXX路。該地鐵站所處位置道路交錯復(fù)雜，日常車流量大，周圍有學(xué)校、機(jī)關(guān)單位及商業(yè)區(qū)分布，人員密集，人流量大。

(2)項目情況

表1 巖土物理力學(xué)性質(zhì)綜合統(tǒng)計表（1）

某市地鐵站項目為兩條地鐵線路換乘站，車站全長238.1m，為全暗挖車站，采用洞樁法施工，邊樁327根，樁徑為1.0m，中樁66根，樁徑1.8m。該場地地層巖性復(fù)雜，主要巖性為人工填土，粉土，細(xì)沙，卵石中粗砂等，卵石粒徑不均勻，地層巖性硬度較高，地質(zhì)條件復(fù)雜，成孔成樁難度較高。又因洞內(nèi)施工場地空間狹小，正常設(shè)備無法使用，也為施工帶來了難度。

(3)場地工程地質(zhì)情況概況

根據(jù)該場地巖土工程勘察詳查報告，該場地施工鉆孔最大孔深為56m，根據(jù)場地鉆孔編錄資料和取得的室內(nèi)土工試驗分析結(jié)果，根據(jù)地層沉積時代以及成因類型等，將此工程項目場地勘察范圍內(nèi)的地層巖（土）性劃分為人工堆積層（Qml）；第四紀(jì)新近沉積層（Q42+3alp）；第四紀(jì)全新世沖洪積層（Q4laltl）；第四紀(jì)晚更新世沖洪積層（Q4alpl）四大類。并按地層巖性及其物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)步分為粉土及雜填土、粉土、粉質(zhì)粘土層、粉細(xì)砂、卵石、粘土、細(xì)中砂、中粗砂等10個大層。

本工程邊樁及中樁所涉及地層主要為⑤層卵石層、⑥層粉質(zhì)粘土層、⑦2層粉細(xì)砂層、⑦層卵石層、⑧層粉質(zhì)粘土層、⑨層卵石層。各土層物理性質(zhì)概述如下表：

表2 巖土物理力學(xué)性質(zhì)綜合統(tǒng)計表（2）

(4)水文地質(zhì)概況

依據(jù)勘察單位提供的成果資料，勘察過程中觀測到該區(qū)巖土工程勘察最大深度之內(nèi)含有兩層地下含水層，其含水層分別為孔隙潛水（二）和孔隙層間水（三）。

孔隙潛水（二）層：其水位理深為18m-18.68m，水位標(biāo)高為32.12m-33.70m，觀測時間為20XX年X月-20XX年X月，其含水巖層為5層卵石層，該層透水性強(qiáng)，下伏隔水層是6層粉質(zhì)粘層，其水位高出含水層底板約0.2m-0.5m，該含水層主要接受越流補(bǔ)給和側(cè)向徑流補(bǔ)給，排泄方式主要為側(cè)向徑流、越流方式。

孔隙層間水（三）：其水位理深28.15m-30.4m，水位標(biāo)高21.9m-23.04m，其含水巖組為0層卵石層，觀測時間為20XX年X月，其補(bǔ)給來源主要接受越流補(bǔ)給和側(cè)向徑流，排泄方式主要以人工開采方式和側(cè)向徑流排泄。

根據(jù)勘察報告，車站范圍內(nèi)有兩層含水層，為潛水 （二）和層間水（三），潛水（二）水量較小，開挖過程中根據(jù)水量情況采取抽排或疏干等措施：層間水（三）大部分位于車站底板以下，局部在底板范圍內(nèi)，施工期間采取抽排措施。同時設(shè)置水位觀測孔，根據(jù)設(shè)置的水位觀測孔，對地下水位進(jìn)行觀測，如果地下水位上升，應(yīng)及時通知設(shè)計、業(yè)主及勘察單位，以便采取有效措施。

(5)抗浮及抗?jié)B設(shè)防水位

通過對其進(jìn)行場地的巖土工程勘查工作，報告建議：該場地的抗浮驗算的設(shè)防水位應(yīng)按不低于水位標(biāo)高41m考慮。

(6)該場地地下水對混凝土及鋼筋的腐蝕性評價

依據(jù)勘察報告，本場地的地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性，對工程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性，對鋼筋長期浸水環(huán)境條件下通過干濕交替的影響下具有微腐蝕性。

(7)結(jié)構(gòu)所處環(huán)境類別及其作用分級

①一般環(huán)境。根據(jù)水位觀測資料以及結(jié)構(gòu)埋深和水位關(guān)系，本車站結(jié)構(gòu)環(huán)境條件為干濕交替環(huán)境，環(huán)境作用等級為I-C。②凍融環(huán)境。根據(jù)北京地區(qū)1971年至2000年統(tǒng)計的最冷月平均氣溫為-3.7℃，主體結(jié)構(gòu)位于凍融線（地面下0.8m）以下，不屬于凍融環(huán)境。出入口等地上部分凍融環(huán)境作用等級為11-D。③海洋氯化物環(huán)境。本工程不屬于海洋氯化物環(huán)境。④除冰鹽等其他氯化物環(huán)境。本工程結(jié)構(gòu)位于地下水中，屬于地下水中構(gòu)件。地下水環(huán)境氯離子濃度為24.6mg/L-59.1mg/L（氯離子濃度＜500mg/L），環(huán)境作用等級為IV-C。⑤化學(xué)腐蝕環(huán)境。根據(jù)本站水、土腐蝕性分析結(jié)果，本工程化學(xué)腐蝕環(huán)境為v-C級。

(8)場地與地基地震效應(yīng)評價

①抗震設(shè)計參數(shù)。根據(jù)該場地巖土工程勘察報告，項目擬建場區(qū)的地震抗震設(shè)防烈度為8度，其設(shè)計地震分組應(yīng)為第一組，其設(shè)計基本地震加速度值為0.20g。②場地類別。根據(jù)勘察報告，本場地場地類別為11類。

(9)液化判別

根據(jù)勘察報告，當(dāng)?shù)卣鹆叶葹?度時，本場地自地面下20m深度范圍內(nèi)的飽和粉1及砂類上：不液化。

(10)不良地質(zhì)作用和特殊地質(zhì)現(xiàn)象

本場地?zé)o其他不良地質(zhì)作用和特殊地質(zhì)現(xiàn)象。

綜上所述，根據(jù)項目設(shè)計要求、現(xiàn)場地層情況、場地空間情況以及施工現(xiàn)場對文明施工的要求條件，我們?yōu)樵擁椖扛倪M(jìn)了反循環(huán)鉆機(jī)，用來施工該項目的洞樁成孔、成樁灌注工作。

因洞內(nèi)機(jī)械成孔灌注樁施工工藝在城市地鐵施工中尚屬首次，無以往類似項目施工經(jīng)驗，同時因地層條件復(fù)雜，施工空間狹小，為此次施工增加不少難度。在初期施工階段，雖經(jīng)過周密安排部署，但施工成樁、成孔速度較慢，而且成樁質(zhì)量與相應(yīng)技術(shù)要求有所差距，最嚴(yán)重的為樁身垂直度不易控制，難以達(dá)到規(guī)范要求，出現(xiàn)超差現(xiàn)象。

3.施工質(zhì)量偏差原因分析

通過對各個垂直度出現(xiàn)偏差，不合格施工鉆孔的鉆機(jī)、鉆桿、鉆頭、操作人員、操作方式等方面進(jìn)行綜合檢查分析，其總結(jié)分析原因如下：

（1）施工鉆機(jī)設(shè)備底盤基礎(chǔ)部位欠牢固穩(wěn)定，在長期施工中，受震動影響出現(xiàn)不均勻沉降，未能及時發(fā)現(xiàn)問題。施工過程中對監(jiān)測鉆機(jī)水平工作，未能按要求進(jìn)行；（2）鉆機(jī)動力頭上方的出渣水龍頭及排漿管較重，施工作業(yè)時，出渣水龍頭及排漿管的重力造成鉆桿在孔內(nèi)進(jìn)尺傾斜；（3）鉆頭結(jié)構(gòu)不夠合理，垂直導(dǎo)向性存在一定欠缺，其穩(wěn)定程度較差，當(dāng)遇到軟硬不均的地層時未曾及時更換調(diào)整鉆頭，以致成孔后鉆孔出現(xiàn)孔斜現(xiàn)象；（4）鉆機(jī)工人操作方式不當(dāng)，盲目追求鉆進(jìn)速度，回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速較高，鉆進(jìn)速度過快，鉆頭壓力過大，鉆進(jìn)中未能進(jìn)行合理減壓鉆進(jìn)，導(dǎo)致在施工過程中，遇到軟硬地層換層或者地層不均勻時出現(xiàn)孔斜。（5）成孔完成后，對鋼筋籠的安裝定位出現(xiàn)偏差，未嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)操作要求。

4.改進(jìn)措施

(1)技術(shù)及管理措施

①設(shè)備進(jìn)場前，應(yīng)對設(shè)備性能及狀況進(jìn)行檢查，確保設(shè)備良好運(yùn)行；開鉆前，應(yīng)對施工場地進(jìn)行平整，便于設(shè)備安裝。②開鉆前采用經(jīng)緯儀和水平尺對鉆盤和塔架進(jìn)行調(diào)試，嚴(yán)格按照測量結(jié)果進(jìn)行操作，確保轉(zhuǎn)盤水平，塔架垂直。③開鉆前對其鉆機(jī)支腿下方墊木進(jìn)行加寬加長，增大其與地面的接觸面積，開鉆前對鉆機(jī)四個各個支腿的初始值及鉆塔的垂直度進(jìn)行嚴(yán)格測量，同時在鉆進(jìn)過程添加鉆桿的時候，需測量每個支腿高度及鉆塔垂直度，時時進(jìn)行監(jiān)測，確保支腿和鉆塔不發(fā)生變化。④就位時應(yīng)保持底座平穩(wěn)，不發(fā)生傾斜移位。鉆頭中心采用樁定位器對準(zhǔn)樁位，誤差不大于2cm。為保證鉆孔的垂直度，在鉆進(jìn)過程中，設(shè)置鉆機(jī)導(dǎo)向裝置，確保鉆桿垂直。⑤用副卷揚(yáng)將出渣水籠頭及管路適當(dāng)?shù)牧业跗饋?，保證鉆機(jī)動力頭部分少受力或不受力。⑥對鉆機(jī)操作手進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)并作好技術(shù)交底工作，提高其對施工質(zhì)量意識，嚴(yán)謹(jǐn)蠻干施工；同時現(xiàn)場技術(shù)人員應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控和考核，確保施工全過程按設(shè)計要求及鉆探操作規(guī)程鉆進(jìn)。

(2)預(yù)制鋼筋籠的運(yùn)輸與吊裝

①在預(yù)制鋼筋籠吊裝過程中，為了保證其預(yù)制鋼筋籠的質(zhì)量，必須注意在運(yùn)輸過程中鋼筋籠不得碰撞變形。在導(dǎo)洞內(nèi)吊裝預(yù)制鋼筋籠時，每節(jié)鋼筋籠之間采用直螺紋絲扣連接。為了保證其鋼筋籠質(zhì)量滿足要求，在運(yùn)輸過程中采取加固措施以保證預(yù)制鋼筋籠不變形。待預(yù)制鋼筋籠豎直吊起后，檢查其垂直度。骨架進(jìn)入孔口后，將其扶正慢慢下放，一定嚴(yán)格禁止鋼筋籠來回擺動碰撞孔壁，同時慢慢下放，快速拆除內(nèi)撐并嚴(yán)禁內(nèi)斜撐掉進(jìn)成好的樁孔內(nèi)。當(dāng)?shù)谝还?jié)鋼骨架下放到最后一節(jié)加強(qiáng)筋位置時，立即穿入工字鋼，將預(yù)制鋼筋骨架支撐在孔口的工字鋼上，再陸續(xù)起吊其他骨架，使它們在同一豎直軸線上采用直螺紋套筒連接好，連接牢固后抽出支撐工字鋼并下放骨架。如此反復(fù)循環(huán)，使鋼筋籠下放至設(shè)計標(biāo)高后，定位于孔中心上，完成鋼筋籠的安裝。待最后一節(jié)鋼筋籠安裝就位后，用圓鋼鋼筋把組裝好的鋼筋籠焊接固定于孔口護(hù)筒上部；②預(yù)制鋼筋籠吊放時施工質(zhì)檢人員、值班工長及安全人員必須在場，并由值班工長統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮；③待整個預(yù)制鋼筋籠安裝完成以后，必須保證鋼筋籠軸線與樁軸線吻合，以保證鋼筋保護(hù)層符合設(shè)計要求。

(3)工藝措施

工程開始采用的是單腰帶式三翼刮刀鉆頭。該鉆頭翼板與鉆頭芯管的夾角角度較大，且鉆頭前端頂部鋼板厚度較薄，在遇到堅硬地層時容易發(fā)生形變及破損。為了使鉆頭在正常鉆進(jìn)過程中更加平穩(wěn)安全，對鉆頭結(jié)構(gòu)及制作材料進(jìn)行了改進(jìn)和替換，具體改進(jìn)如下：

①在原鉆頭材質(zhì)基礎(chǔ)上，提高其材質(zhì)厚度及材質(zhì)強(qiáng)度，使其制作的鉆頭堅固耐用不易變形；②將單腰帶鉆頭改為雙腰帶鉆頭，并加大腰帶的高度，增加了其導(dǎo)向性和孔內(nèi)穩(wěn)定性；如下圖2。③還可以將單腰帶鉆頭改為桶式鉆頭，使鉆頭外部、垂直空間方面形成一個統(tǒng)一整體；如下圖3。④鉆頭采用30mm厚鋼板制作，遇到大的或者卵石較多的地層時不易變形。

圖2

圖3

5.應(yīng)用效果

通過不斷試驗，調(diào)整設(shè)備及設(shè)備用材、嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)要求和措施方案，經(jīng)采取上述措施，后續(xù)施工完成的樁孔質(zhì)量經(jīng)開挖測量后，鉆孔垂直度基本都控制在規(guī)范要求內(nèi)，其成樁驗收通過率達(dá)到99%，保證了工程工期要求及工程質(zhì)量，確保了洞樁工程保質(zhì)保時的完成。

6.總結(jié)

（1）鉆機(jī)的轉(zhuǎn)盤和鉆塔在出廠和使用一段時間后，不一定都相互垂直，在投入新工程前，一定要再次對轉(zhuǎn)盤和鉆塔進(jìn)行檢查和精準(zhǔn)調(diào)試，尤其是對垂直度要求高的工程，以確保滿足工程使用要求。（2）加強(qiáng)對施工鉆機(jī)操作人員的技術(shù)培訓(xùn)和技術(shù)交底工作，在地質(zhì)條件發(fā)生變化，易出現(xiàn)孔歪孔斜的軟弱不均勻地層加強(qiáng)掃孔及采取相應(yīng)措施，并保證全過程采用減速、減壓鉆進(jìn)，同時吸漿泵可間斷性啟動或停止工作（已施工實際情況操作人員根據(jù)經(jīng)營把控），以防出現(xiàn)塌孔事故。（3）多采用雙護(hù)圈鉆頭和桶式鉆頭進(jìn)行施工鉆進(jìn)要比單護(hù)圈鉆頭導(dǎo)正效果要好。（4）在每次添加鉆桿過程中都要校正鉆塔的垂直度。