硬質(zhì)基巖層鉆孔灌注樁成孔新技術(shù)及應(yīng)用分析

姚雪軍 張海鋆 潘旭正

(溫州浙南地質(zhì)工程有限公司，浙江溫州 325006)

隨著我國(guó)工程建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，鉆孔灌注樁已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高層建筑、重型廠房、橋梁、港口等工程中。在實(shí)際工程中，由于具體地質(zhì)狀況不同，采用的成孔施工方法也會(huì)不同。當(dāng)施工持力層為硬質(zhì)基巖層的鉆孔樁時(shí)，由于巖層堅(jiān)硬，施工難度大，傳統(tǒng)方法是采用沖擊鉆機(jī)進(jìn)行沖擊成孔，但該成孔方法存在造價(jià)高、鉆孔沖盈系數(shù)大、鉆孔垂直度偏大、容易發(fā)生偏孔卡鉆等事故影響鉆孔質(zhì)量，更重要的是施工時(shí)對(duì)周邊環(huán)境有明顯振動(dòng)影響和噪聲污染，造成不良的社會(huì)影響。為了更好更快地在硬質(zhì)基巖上成孔，需要對(duì)鉆孔灌注樁技術(shù)進(jìn)行一定的改進(jìn)。采用回旋鉆機(jī)進(jìn)行硬質(zhì)基巖層鉆進(jìn)成孔便是一種改良后的新方法。

1 硬質(zhì)基巖層回旋鉆進(jìn)成孔技術(shù)

1.1 技術(shù)的提出

目前，對(duì)于硬質(zhì)基巖持力層的樁基施工，相當(dāng)部分還是采用沖擊鉆沖擊成孔，由于昂貴的樁基造價(jià)，對(duì)周邊環(huán)境的振動(dòng)影響、噪聲污染以及不穩(wěn)定的鉆孔質(zhì)量等使其具有一定的局限性。與傳統(tǒng)施工方法相比，回旋鉆進(jìn)成孔技術(shù)顯示出其優(yōu)越性，造價(jià)更低、鉆孔質(zhì)量更穩(wěn)定、明顯減少對(duì)周邊建筑物的振動(dòng)影響等，產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，取得了良好的社會(huì)效益。

1.2 工藝原理

硬質(zhì)基巖層回旋鉆進(jìn)成孔施工工法是指在復(fù)雜地質(zhì)條件地層(硬質(zhì)基巖)施工時(shí)，采用回旋鉆機(jī)配備牙輪鉆頭進(jìn)行鉆孔灌注樁成孔施工的方法。其原理是鉆孔樁鉆孔上部鉆進(jìn)使用普通三翼刮刀鉆頭鉆進(jìn)，在遇到硬質(zhì)基巖層或硬質(zhì)基巖殘留體時(shí)更換成牙輪鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)成孔至設(shè)計(jì)要求。在鉆進(jìn)過(guò)程中，合理調(diào)節(jié)泥漿性能，選擇合適的鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行回旋鉆進(jìn)成孔。

對(duì)于硬質(zhì)基巖鉆進(jìn)，選擇合適的鉆頭非常關(guān)鍵，鉆頭形式?jīng)Q定地層的可鉆性與鉆進(jìn)效率。若使用常規(guī)三翼刮刀鉆頭有以下幾個(gè)方面的不足:1)鉆頭在硬質(zhì)基巖層旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于受力不均勻，導(dǎo)致鉆具上下跳動(dòng)，對(duì)鉆具及主機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生機(jī)械損傷，維修成本高;2)盡管釬頭合金硬度高，但非常脆，容易崩離，合金消耗大，影響鉆進(jìn)成本與效率;3)對(duì)硬質(zhì)基巖破碎效率低，能耗高。牙輪鉆頭可克服上述缺陷，硬質(zhì)基巖鉆進(jìn)時(shí)采用牙輪鉆頭。

本技術(shù)適用于各種復(fù)雜地質(zhì)條件(地層中含基巖殘留體、持力層為中風(fēng)化基巖層)下各類工業(yè)與民用建筑的鉆孔灌注樁施工。

1.3 施工工藝

硬質(zhì)基巖層回旋鉆進(jìn)成孔施工工藝流程見圖1。

1.4 技術(shù)要點(diǎn)

鉆孔上部鉆進(jìn)使用三翼刮刀鉆頭鉆進(jìn)，與普通地層鉆進(jìn)相一致，至孔深基本接近勘察報(bào)告基巖層深度且鉆機(jī)產(chǎn)生抖動(dòng)時(shí)提鉆，用牙輪鉆頭或滾刀鉆頭更換刮刀鉆頭，下鉆繼續(xù)鉆進(jìn)直至設(shè)計(jì)孔深(滾刀鉆頭在超深孔施工時(shí)使用)。

硬質(zhì)基巖鉆進(jìn)，鉆頭的選擇非常關(guān)鍵，同時(shí)科學(xué)合理地判定中風(fēng)化基巖也是關(guān)鍵之一。根據(jù)多年的基巖鉆進(jìn)施工經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了現(xiàn)場(chǎng)基巖面判定的三個(gè)原則:1)以地質(zhì)勘察報(bào)告數(shù)據(jù)為參考;2)以鉆機(jī)相似抖動(dòng)為暫定界面;3)先停止鉆進(jìn)，開啟循環(huán)泵清孔10 min清理孔內(nèi)鉆渣，再鉆進(jìn)30 min后，經(jīng)泥漿循環(huán)取樣鑒定巖屑是否屬中風(fēng)化基巖巖性。同時(shí)符合上述三個(gè)原則后可判定為中風(fēng)化基巖界面。

1.5 施工難點(diǎn)

1)成孔。在復(fù)雜地層中鉆進(jìn)，易產(chǎn)生孔斜、縮徑等事故，且難以鉆進(jìn)，以致后續(xù)工作比如放鋼筋籠、下導(dǎo)管等不能正常進(jìn)行，所以在施工過(guò)程中成孔是各工序的關(guān)鍵。2)清孔。鉆孔灌注樁施工中能否控制好孔底沉渣厚度，是影響樁端承載力的一個(gè)重要因素。根據(jù)施工設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)定要求，本技術(shù)采取二次清孔技術(shù)方案，第一次清孔采用正循環(huán)法，第二次清孔采用氣舉反循環(huán)法。其中，技術(shù)參數(shù)的選用及泥漿的調(diào)配是難點(diǎn)。3)鋼筋籠的制作及安裝。鋼筋籠在現(xiàn)場(chǎng)分節(jié)制作，主筋與加強(qiáng)筋、螺旋筋與主筋之間的連接制作應(yīng)符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。在安裝過(guò)程中，導(dǎo)管埋深過(guò)大、泥漿比重過(guò)大或泥漿中含砂率過(guò)大等會(huì)導(dǎo)致浮籠。由于導(dǎo)管接頭法蘭外突，故在提管過(guò)程中也會(huì)造成浮籠。4)混凝土澆筑。在混凝土澆筑的整個(gè)過(guò)程中必須要確保導(dǎo)管內(nèi)暢通無(wú)阻，澆筑前導(dǎo)管內(nèi)壁不干凈、初灌量過(guò)大或過(guò)小、泥漿比重過(guò)大、骨料較粗、混凝土制作時(shí)攪拌時(shí)間不夠造成混凝土和易性降低等均可能造成混凝土在澆筑過(guò)程中受阻。

1.6 質(zhì)量控制

1)利用GPS-15型鉆機(jī)配備牙輪鉆頭鉆進(jìn)，鉆進(jìn)參數(shù)選擇鉆壓250 kN，轉(zhuǎn)速12 rpm，泥漿泵量108 m3/h。在軟硬地層交界處，應(yīng)嚴(yán)格控制鉆進(jìn)速度，進(jìn)尺保持在0.1 m/h～0.2 m/h左右，避免孔壁產(chǎn)生臺(tái)階，保證樁孔垂直度，確保鉆孔質(zhì)量。

2)為保證鉆孔垂直度與完整性及鉆孔質(zhì)量，鉆頭的導(dǎo)向裝置有以下要求:導(dǎo)向保護(hù)圈距牙輪鉆頭底部(h)以上2.5 m～3.0 m處，圈外徑(d)比孔徑(D)小10 mm～15 mm，見圖2。

3)每完成一個(gè)孔對(duì)牙輪鉆頭一定要認(rèn)真檢查，檢查牙苞與底座連接是否穩(wěn)固，合金磨損是否嚴(yán)重，一般每2個(gè)～3個(gè)孔都須進(jìn)行加固或更換。

4)成孔時(shí)每臺(tái)班應(yīng)測(cè)量?jī)纱我陨夏酀{比重，泥漿比重控制在1.25～1.35為宜。根據(jù)施工實(shí)際情況決定是否在泥漿中添加黃泥或摻加鈉羧甲基纖維素(Na-CMC)，以改善泥漿性能，起到防止縮徑、孔壁坍塌、漏漿等事故，提高成孔效率和成孔質(zhì)量。

5)在鉆進(jìn)至中風(fēng)化基巖時(shí)應(yīng)及時(shí)取樣，巖樣判定應(yīng)結(jié)合勘察報(bào)告及附近樁孔施工情況綜合判定。每鉆進(jìn)200 mm～300 mm取樣一次留置現(xiàn)場(chǎng)各方確認(rèn)，以防誤判。

6)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)要求孔深后，鉆具上提1 m～2 m，慢轉(zhuǎn)清孔30 min～1 h，最大限度清理孔內(nèi)鉆渣，確保后續(xù)工序保質(zhì)保量完成。

1.7 工程實(shí)例

硬質(zhì)基巖層回旋鉆進(jìn)成孔技術(shù)于2008年7月形成，至2010年6月已經(jīng)歷兩個(gè)工程項(xiàng)目應(yīng)用，分別是溫州市方正地塊安置房樁基工程4號(hào)～7號(hào)樓，溫州市鹿城廣場(chǎng)350 m塔樓樁基工程。

1)溫州市方正地塊安置房樁基工程4號(hào)～7號(hào)樓。該工程位于飛霞南路與溫瑞塘河交叉口的北側(cè)，為4幢高層商住樓，主樓31層和32層，附2層裙樓商場(chǎng)，地上總建筑面積129 911 m2，基礎(chǔ)采用機(jī)械鉆孔灌注樁，樁總數(shù)為625根，入巖長(zhǎng)度要求為樁端進(jìn)入中風(fēng)化基巖不少于1倍樁徑，單樁承載力設(shè)計(jì)值最大為4 300 kN。該項(xiàng)目初期施工時(shí)，采用了3臺(tái)沖擊成孔鉆機(jī)施工，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，混凝土充盈系數(shù)達(dá)到1.32，而且經(jīng)常造成鋼筋籠無(wú)法正常下放至孔底，采用本技術(shù)后，混凝土充盈系數(shù)下降到1.22，鋼筋籠下放遇阻情況也極少出現(xiàn)，驗(yàn)收良好。該項(xiàng)目被評(píng)為溫州市標(biāo)化工地。

為了驗(yàn)證該工程中鉆孔灌注樁的承載能力，對(duì)樁基進(jìn)行了單樁豎向(抗壓、抗拔)靜載荷試驗(yàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本工程選擇10根工程樁進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，其反力采用壓重“水泥塊配重”平臺(tái)反力裝置(7根樁)和硬地平支撐反力裝置(3根樁)。

對(duì)于進(jìn)行豎向抗壓的靜載荷試驗(yàn)采用堆載法，反力裝置為堆載平臺(tái)，用鋼梁搭一個(gè)平臺(tái)，上面堆滿約6 000 kN～9 000 kN的混凝土塊，樁頂鋪一塊φ1 000 mm鐵板，用兩臺(tái)YS630型千斤頂進(jìn)行并聯(lián)加載，壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)控和測(cè)讀，沉降觀測(cè)用四只固定在基準(zhǔn)梁上的位移傳感器對(duì)稱布置在樁頭上進(jìn)行測(cè)讀。在逐級(jí)等量加載過(guò)程中，定時(shí)測(cè)讀樁頂沉降，當(dāng)沉降達(dá)到規(guī)范或設(shè)計(jì)要求時(shí)終止加荷。實(shí)測(cè)累計(jì)沉降量在10 mm～15.5 mm之間，荷載—沉降曲線正常圓滑，沉降—時(shí)間曲線平直均勻，曲線間距離基本一致或逐漸略有增大。卸載后沉降回彈率在40%～60%之間，見圖 3，圖 4。

對(duì)于豎向抗拔的靜載荷試驗(yàn)則采用了硬地平支撐反力裝置。用四塊水泥塊配重搭建兩個(gè)平臺(tái)，用一根7.3 m的主梁架在兩個(gè)平臺(tái)上，主梁上放置一臺(tái)YS630型千斤頂。試驗(yàn)時(shí)采用此千斤頂進(jìn)行加載，兩只位移感應(yīng)器對(duì)稱安裝在樁頂處，觀測(cè)試樁的上拔情況，加載量大小由油泵上的壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)控和測(cè)讀。當(dāng)樁頂沉降達(dá)到規(guī)范或設(shè)計(jì)要求時(shí)即可終止加荷。試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)行豎向抗拔試驗(yàn)的3根試樁全部滿足設(shè)計(jì)要求，其最大累計(jì)上拔量達(dá)13.96 mm，卸載后的回彈率在51%～78%之間，荷載—累計(jì)上拔量曲線正常圓滑，累計(jì)上拔量—時(shí)間曲線平直均勻，曲線間距離逐漸略有增大，見圖5，圖6。

本工程基礎(chǔ)采用機(jī)械鉆孔灌注樁，遇到硬質(zhì)基巖層時(shí)采用回旋鉆進(jìn)成孔技術(shù)，樁總數(shù)達(dá)625根之多。為了檢查樁質(zhì)量是否達(dá)到要求，工程中對(duì)4號(hào)樓及裙樓、5號(hào)樓及裙樓和7號(hào)樓進(jìn)行了低應(yīng)變動(dòng)測(cè)檢測(cè)。動(dòng)測(cè)試驗(yàn)采用先進(jìn)的ZK-7E智能測(cè)樁儀，采用反射波檢測(cè)樁身完整性，推定缺陷類型及在樁身中的部位，對(duì)樁長(zhǎng)進(jìn)行核對(duì)，對(duì)樁身質(zhì)量等級(jí)作出估計(jì)。對(duì)每一根被檢測(cè)的單樁均進(jìn)行三次以上重復(fù)測(cè)試，出現(xiàn)異常波形及時(shí)排除，重復(fù)測(cè)得波形與標(biāo)準(zhǔn)形應(yīng)有較好相似性。根據(jù)所測(cè)波形曲線及有關(guān)資料(見圖3～圖8)，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理即可得到樁的測(cè)試結(jié)果。檢測(cè)結(jié)果表明，其中Ⅰ類樁占90%左右，無(wú)Ⅲ，Ⅳ類樁，符合驗(yàn)收規(guī)范與設(shè)計(jì)要求，見圖 7，圖 8。

2)溫州市鹿城廣場(chǎng)350 m塔樓樁基工程。該工程地上建筑面積為22萬(wàn)m2，塔樓層數(shù)為78層(地下室4層)，樓高為350 m，建成后將成為浙江省第一高樓。樁型為鉆孔灌注樁，樁徑為1 100 mm，樁數(shù)為287根，孔深為103 m～122 m，樁端進(jìn)入中風(fēng)化閃長(zhǎng)巖500 mm，并進(jìn)行樁底高壓注漿，單樁極限承載力為2 800 t。硬質(zhì)基巖層回旋鉆進(jìn)成孔技術(shù)在本工程應(yīng)用過(guò)程十分順利，未發(fā)生任何質(zhì)量與安全事故。經(jīng)樁身完整性檢測(cè)，結(jié)果均符合驗(yàn)收規(guī)范與設(shè)計(jì)要求，Ⅰ類樁比例達(dá)94.1%，無(wú)Ⅲ類樁。

2 結(jié)語(yǔ)

目前鉆孔灌注樁已廣泛運(yùn)用于公路、鐵路、水利、房屋建筑等多個(gè)領(lǐng)域，而硬質(zhì)基巖層回旋鉆進(jìn)技術(shù)作為鉆孔灌注樁的一種新的成孔技術(shù)，采用本工法成孔造價(jià)低，與傳統(tǒng)沖擊鉆機(jī)成孔相比，每施工10 m基巖，節(jié)省成本2 000元以上;電耗低，耗電節(jié)省，正常施工每24 h可節(jié)電312 kW·h;混凝土用量省，每10 m3混凝土(理論方量)可節(jié)省1 m3混凝土實(shí)際用量，經(jīng)濟(jì)效益顯著。在鉆進(jìn)效率與沖擊成孔基本持平的情況下，樁孔垂直度高，樁孔充盈系數(shù)小，樁孔質(zhì)量穩(wěn)定。施工噪聲低，對(duì)周邊建筑物基本無(wú)振動(dòng)影響，社會(huì)效益良好。

因此，該技術(shù)具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性，已得到成功應(yīng)用，推廣應(yīng)用前景廣闊。

［1］JGJ 94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］舒 欣.淺談軟弱土層鉆孔灌注樁質(zhì)量控制［J］.山西建筑，2011，37(6):196-197.

［3］嚴(yán)錫龍.關(guān)于橋梁樁基回旋鉆成孔技術(shù)的若干探討［J］.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2009(3):92.