復(fù)雜地質(zhì)中大直徑鉆孔灌注樁成孔施工技術(shù)分析

嚴(yán)燦富

（龍巖交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，福建 龍巖 361000）

0 引言

隨著機(jī)械設(shè)備和工程技術(shù)的高速發(fā)展，大直徑鉆孔灌注樁被廣泛地應(yīng)用到橋梁建設(shè)中，樁徑由原先的2.5m不斷擴(kuò)大到4.5m，采用大直徑鉆孔灌注樁不僅直接有效地提高樁基的承載力，還可以減少設(shè)計樁數(shù)，從而縮短樁基施工工期。由于樁基所在區(qū)域的施工環(huán)境較為惡劣，風(fēng)浪較大，潮差影響較大，地質(zhì)復(fù)雜，巖面傾斜度較大，大直徑鉆孔灌注的成孔難度極大，成孔中容易出現(xiàn)塌孔、漏漿、卡鉆和斜孔等質(zhì)量問題，尤其樁徑為4.5m的鉆孔灌注樁，如果采用全斷面鉆進(jìn)法進(jìn)行成孔，樁孔很容易出現(xiàn)不同程度的斜孔質(zhì)量問題；采用常規(guī)的水下混凝土灌注方法進(jìn)行處理時，不僅影響工期還大大增加了工程造價，對樁基施工極其不利。因此，在復(fù)雜地質(zhì)情況下如何提高大直徑鉆孔灌注樁成孔質(zhì)量成為施工中的難題。本文結(jié)合工程實例，對復(fù)雜地質(zhì)情況下大直徑鉆孔灌注樁成孔施工技術(shù)進(jìn)行分析。

1 工程概況

某項目橋墩基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁徑為4.5m，混凝土強(qiáng)度為C45，平均樁長為58.6m，總樁數(shù)為50根。樁基施工環(huán)境處于水深、浪高和風(fēng)大等典型海洋條件，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，平均潮差達(dá)4.28m。樁基所處區(qū)域的地質(zhì)情況較為復(fù)雜，主要巖土層有中砂、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和微風(fēng)化花崗巖等，地質(zhì)起伏較大。覆蓋層厚度約7～20m，碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖厚度為10～30m，微風(fēng)化花崗巖巖面陡峭和傾斜度較大，巖面高差高達(dá)4m，巖體強(qiáng)度較高，要求樁端嵌入微風(fēng)化花崗巖7m。

2 樁基施工方案的確定

根據(jù)樁基設(shè)計和地質(zhì)分布情況，項目部選擇特制的動力頭回旋鉆機(jī)，型號為KTY5000型，該鉆機(jī)動力充足，總重為286t（不含鉆頭），標(biāo)準(zhǔn)節(jié)鉆桿長度為4m，鉆桿直徑為330mm，最大鉆孔深度為180m，鉆機(jī)采用大型起重船進(jìn)行運輸。鉆孔灌注樁成孔工藝采用常規(guī)的全斷面鉆孔方法，前期施工中發(fā)現(xiàn)，鉆頭進(jìn)入微風(fēng)化花崗巖時，由于巖面強(qiáng)度較大，采用鉆壓較低和鉆速較快的方法繼續(xù)鉆進(jìn)，在成孔質(zhì)量檢查中發(fā)現(xiàn)樁孔的傾斜度較大。為了保證孔壁的垂直度，采用水下混凝土灌注法將C45混凝土灌注到斜孔內(nèi)，待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度再繼續(xù)鉆進(jìn)。鑒于混凝土自身的硬度較大，回旋鉆機(jī)鉆進(jìn)困難，每天約鉆進(jìn)0.5m，混凝土灌注高度約7m，使成孔時間無形中又增加約半個月，極大地影響樁基的施工進(jìn)度。項目部召集參建各方專家對鉆孔灌注樁斜孔的原因進(jìn)行分析，結(jié)果如下：在軟硬交接巖層位置由于巖面的傾斜度較大，在扭矩力的作用下，鉆頭較容易往強(qiáng)度較弱的一側(cè)偏移，從而形成斜孔；由于樁基的成孔深度較大，在鉆頭鉆進(jìn)基巖時產(chǎn)生較大的扭矩，使鉆桿的穩(wěn)定性無法得到保證，從而形成偏孔現(xiàn)象；微風(fēng)化花崗巖本身巖面高差較大，傾斜較為嚴(yán)重，產(chǎn)生斜孔的概率大大增加；巖層中存在較為明顯的裂隙，裂隙中夾雜碎石等物質(zhì)，巖層被鉆穿時，碎石跟著掉落下來，使該位置形成強(qiáng)度較為薄弱的部位，鉆頭容易偏向該位置，形成斜孔現(xiàn)象。

專家組在充分分析斜孔成因的基礎(chǔ)上，為了提高樁基的成孔效率和質(zhì)量，提出大直徑樁基采用二次成孔技術(shù)方案，即先采用直徑為3m的鉆頭施鉆至設(shè)計高程，再將3m的鉆頭換成4.5m的鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔直至設(shè)計高程，以確保樁基的施工質(zhì)量符合設(shè)計要求。

3 大直徑鉆孔灌注樁成孔施工技術(shù)分析

3.1 鉆孔設(shè)備確定

樁基鉆孔設(shè)備繼續(xù)選用先前成樁的回旋鉆機(jī)，型號為KTY5000型，該鉆機(jī)動力頭設(shè)計巧妙，能夠有效地鉆孔破巖。首次開孔選用直徑為3m鉆頭的主要原因是后續(xù)的直徑為4.5m的鉆頭的中心體能夠嵌入已成孔的孔洞，首次開孔的鉆頭為W底型，鉆具總重量約為95t；第二次擴(kuò)孔的鉆頭為鍋底型，鉆具總重量約為150t，所選擇鉆具的直徑和重量均滿足鉆具的鉆壓要求，能夠有效地鉆進(jìn)微風(fēng)化花崗巖。

3.2 鉆孔平臺搭設(shè)

鉆孔平臺采用鋼管樁+貝雷梁+預(yù)制混凝土板的結(jié)構(gòu)體系，由于樁基所處區(qū)域具有浪高、風(fēng)大和海浪流速較快等特點，鋼管柱采用斜樁形式來保證鉆孔平臺的穩(wěn)定性與承載力。根據(jù)鋼管樁的樁位采用GPS定位系統(tǒng)測量放線[1]，鋼管樁規(guī)格為1500mm×18mm，采用打樁船將鋼管樁插打入海床，鋼管樁的入土深度及振動錘的激振力應(yīng)符合設(shè)計要求，斜樁的傾斜角度應(yīng)符合設(shè)計要求。鋼管樁插打后應(yīng)及時安裝橫撐和斜撐，保證鋼管樁的穩(wěn)定性。加強(qiáng)對鋼管樁的沉降及側(cè)向位移的觀測，如果個別鋼管樁出現(xiàn)傾斜度超標(biāo)情況，則應(yīng)在樁頂加設(shè)雙層分配梁進(jìn)行調(diào)整。采用400T的浮吊將鋼管樁上的橫梁、分配梁、貝雷梁和連接桿件等吊運到位進(jìn)行安裝或者焊接，構(gòu)件安裝應(yīng)牢固可靠。在鉆孔平臺上按照施工方案規(guī)定安裝門式吊機(jī)，規(guī)格為200T，滿足后續(xù)鉆機(jī)移位和鋼筋籠接長安裝需求。

3.3 鋼護(hù)筒插打

該工程鋼護(hù)筒規(guī)格為4900mm×36mm，為了滿足鋼護(hù)筒插打與吊裝需求，鋼護(hù)筒兩端4m范圍的鋼板厚度增厚到50mm，在頂部設(shè)置雙吊耳，底部設(shè)置單吊耳，并在吊耳位置設(shè)置內(nèi)支撐。在鉆孔平臺上將孔位測放出來，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，樁基施工區(qū)域的風(fēng)力長期＞6級，為了安全施工，待浪高＜2.5m和風(fēng)力＜8級時即可進(jìn)行鋼護(hù)筒插打施工。為了控制鋼護(hù)筒的垂直度，在樁位處的鋼管樁上安裝鋼護(hù)筒的可調(diào)導(dǎo)向架[2]。采用浮吊將鋼護(hù)筒吊至鉆孔平臺處的樁孔位置后進(jìn)行下放安裝，下放時應(yīng)將內(nèi)支撐和底部吊耳全部割除，由可調(diào)導(dǎo)向架輔助鋼護(hù)筒進(jìn)行準(zhǔn)確定位。鋼護(hù)筒進(jìn)入覆蓋層后，采用液壓沖擊錘將鋼護(hù)筒插打進(jìn)入穩(wěn)定地層，鋼護(hù)筒的垂直度偏差≤1%，捶打能量控制在450kJ之內(nèi)，觀測鋼護(hù)筒的貫入度，待貫入度＜5mm，根據(jù)護(hù)筒插打的長度結(jié)合地質(zhì)勘察報告可以推算出來，鋼護(hù)筒底部嵌入碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖達(dá)到1.5m，滿足鋼護(hù)筒進(jìn)入穩(wěn)定地層1～2m的施工要求[3]。

3.4 鉆機(jī)安裝

回旋鉆機(jī)的相關(guān)組件采用運輸船運送到鉆孔平臺處再現(xiàn)場進(jìn)行拼裝與調(diào)試。為了保證鉆機(jī)底座的平穩(wěn)與受力均勻，在鉆機(jī)安放位置上增設(shè)工字鋼框架，確保鋼框架與鉆機(jī)和鉆孔平臺能夠連接牢固與可靠[4]。鉆孔平臺上的鉆機(jī)采用龍門吊進(jìn)行拼裝，鉆機(jī)的軸線偏差應(yīng)控制在5mm之內(nèi)，樁心、鉆桿和鉆頭應(yīng)保證處于同一直線上，鉆機(jī)底座應(yīng)穩(wěn)定和水平，鉆桿的垂直度偏差≤1%，確保樁孔位置準(zhǔn)確。

3.5 泥漿循環(huán)系統(tǒng)

由于該工程地質(zhì)情況較為復(fù)雜，中砂層和碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖等地層在鉆進(jìn)過程中孔壁很容易出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，需要制備優(yōu)質(zhì)泥漿進(jìn)行護(hù)壁。護(hù)壁泥漿采用PHP優(yōu)質(zhì)泥漿[5]。泥漿制備采用兩種方式結(jié)合：一種是護(hù)筒內(nèi)直接制漿，在護(hù)筒內(nèi)注入一定量海水，將空壓機(jī)的風(fēng)管沉入孔底，接著打壓空氣使海水不斷翻滾，按照6%～10%的比例摻入優(yōu)質(zhì)膨潤土，使海水與膨潤土充分混合形成膨潤土泥漿，再按照0.3%～0.5%的比例摻入純堿，繼續(xù)攪拌，最后再根據(jù)泥漿性能需求摻入適量的PHP水解液，從而形成PHP優(yōu)質(zhì)泥漿；另一種是泥漿船上制漿，在泥漿船上放置泥漿制備桶，根據(jù)前面介紹的各種材料的比例和順序采用海水制備泥漿，攪拌方式均為機(jī)械強(qiáng)制攪拌，制備好的泥漿再排放到船艙內(nèi)，鉆孔時需要泥漿護(hù)壁時即可采用泥漿泵將泥漿注入樁孔。各個鋼護(hù)筒采用平聯(lián)管進(jìn)行連接互通，從而形成泥漿沉淀池。為了加快泥漿中鉆渣分離，該工程在出漿管位置加設(shè)泥漿凈化器，使泥漿中鉆渣在通過旋流器時被旋分出來，鉆渣再通過皮帶運輸機(jī)排放到準(zhǔn)備好的泥漿船上，待達(dá)到一定數(shù)量再運至指定的棄渣點進(jìn)行處理。經(jīng)過處理后的泥漿流入鋼護(hù)筒中進(jìn)行沉淀，可用的泥漿通過連通槽回流到樁孔內(nèi)使用，安排專人對泥漿的指標(biāo)進(jìn)行檢測，確保泥漿性能符合護(hù)壁的需求。

3.6 鉆進(jìn)成孔

覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化巖層的鉆頭選用楔齒鉆頭，微風(fēng)化巖層的鉆頭選用球齒鉆頭，一般待鉆進(jìn)速度＜6cm/h即可將鉆頭更換成球齒鉆頭。由于作業(yè)環(huán)境受到潮水漲落的影響較大，根據(jù)護(hù)筒外側(cè)海洋面的高程來調(diào)整護(hù)筒內(nèi)泥漿面的高程，要求護(hù)筒內(nèi)泥漿高出護(hù)筒外水面約2.5m，從而保證孔壁的穩(wěn)定性。由于直徑為3m的鉆頭的穩(wěn)定器直徑大于鉆頭直徑，拆除原配的穩(wěn)定器，將刨管均勻地焊接在配重上，從而形成直徑為3m的穩(wěn)定器，加裝鉆頭后采用鉆壓為100kN和鉆速為5r/min進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)。鉆至傾斜巖層時，適當(dāng)?shù)靥岣咩@壓至300kN，鉆速調(diào)整為7r/min，采用低壓快速的方法鉆穿傾斜巖層[6]。待全斷面進(jìn)入微風(fēng)化花崗巖時，將鉆壓調(diào)整為500～700kN，鉆速調(diào)整為5r/min，鉆進(jìn)直至設(shè)計高程。在鉆桿加接時，為了清除管內(nèi)鉆渣和孔底沉渣，將鉆頭往上提約0.1～0.2m，接著保持泥漿繼續(xù)不斷循環(huán)約5min，再對接鉆桿。將直徑為3m的鉆頭和穩(wěn)定器更換成直徑為4.5m的鉆頭和配置的穩(wěn)定器，以鉆壓為150kN和鉆速為6r/min進(jìn)行鉆孔，待穩(wěn)定器發(fā)揮作用時，即可適當(dāng)調(diào)整鉆壓和鉆速，鉆壓調(diào)整為450～750kN，鉆速調(diào)整為4r/min，在鉆進(jìn)成孔過程中，鉆渣會掉入先前的鉆孔中，待鉆進(jìn)至鉆渣填滿鉆孔時，可能會出現(xiàn)跳鉆等現(xiàn)象[7]，此時應(yīng)適當(dāng)減小鉆速。待鉆進(jìn)距離設(shè)計高程約7m時，巖層質(zhì)地堅硬和均勻，為了增強(qiáng)破巖能力，可以將鉆壓提高至1200kN，鉆速控制為4r/min，直至鉆至設(shè)計高程。終孔后采用超聲波檢測儀對孔徑、孔深和垂直度偏差等指標(biāo)進(jìn)行檢查，檢查結(jié)果應(yīng)符合設(shè)計和施工規(guī)范要求。

4 成孔施工中遇到的問題及解決對策

4.1 鉆頭和刀座出現(xiàn)開裂變形

由于直徑為4.5m的鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔時，鉆頭外圈磨損較大，鉆頭和刀座之間容易出現(xiàn)開裂變形等問題。為了減少該問題的出現(xiàn)，采用鋼板將鉆頭和刀座牢固地焊接在一起，在鉆頭外圈加焊加勁板，從而提高鉆頭與刀座的整體受力和耐磨損能力。

4.2 跳鉆

直徑為4.5m的鉆頭施鉆時，容易和已成孔的直徑為3m的孔壁內(nèi)的鉆渣發(fā)生碰撞現(xiàn)象從而演變成跳鉆。在下鉆之前應(yīng)嚴(yán)格檢查鉆具的螺栓連接的牢固性與可靠性，嚴(yán)格按照審批好的施工方案中的鉆壓和鉆速等施工參數(shù)控制鉆進(jìn)質(zhì)量，遇到跳鉆時應(yīng)立即減小鉆速，直至施鉆正常。

4.3 鉆頭管道堵塞

直徑為4.5m的鉆頭擴(kuò)孔時，鉆渣將會不斷地掉入孔底，不可避免地會出現(xiàn)塊徑較大的石塊，當(dāng)石塊在吸渣口被吸入時就會出現(xiàn)管道堵塞現(xiàn)象。為了防止出現(xiàn)鉆頭管道堵塞現(xiàn)象，在鉆頭吸渣口位置焊接1根直徑為48mm的鋼管。如果出現(xiàn)鉆頭管道被堵塞現(xiàn)象，可以采取調(diào)大鉆壓進(jìn)行原位碾壓，待石塊被碾碎后再采用空壓機(jī)輸送風(fēng)進(jìn)行清理。

5 結(jié)束語

在碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖與微風(fēng)化花崗巖交界處存在軟硬不均和巖面高差與傾斜較大等復(fù)雜地質(zhì)情況，前期采用全斷面成孔法出現(xiàn)斜孔嚴(yán)重等質(zhì)量缺陷，成孔效率較低。項目部組織參建各方專家進(jìn)行研究與討論后，建議采用二次成孔方法。該方法實施后，樁孔未出現(xiàn)斜孔現(xiàn)象，成孔效率大大提高，經(jīng)過超聲波檢測發(fā)現(xiàn)，成孔質(zhì)量滿足設(shè)計及施工規(guī)范要求。實踐表明，二次成孔法能夠有效解決大直徑樁基在巖面高差與傾斜較大地質(zhì)情況下的斜孔質(zhì)量問題，值得在類似項目中進(jìn)行推廣。