淺談中～硬質巖層鉆孔樁快速施工技術

湯文濤

廣州市地下鐵道總公司，廣東省 廣州市 510380

1 概述

旋挖鉆機是一種專門的灌注樁成孔作業施工機械，廣泛用于市政建設、公路和鐵路橋梁、高層建筑等基礎施工。近年來，旋挖鉆機作為鉆孔灌注樁施工中一種較為先進的施工機械，因其適應樁徑范圍廣、樁位定位準確、成孔速度快質量好、自動化程度高、移動靈活方便等優點，特別是其具有高環保性和工作效率，在市政及高速公路橋梁樁基施工中，顯示出明顯的優越性。旋挖鉆機配以適宜的鉆具可在填土、黏土、粉土、砂性土、砂卵礫石層以及軟～中硬質裂隙層理較發育的基巖等地層進行成孔作業。但對于較完整、層理裂隙不發育的中～硬質的巖層，采用旋挖鉆機施工鉆孔樁存在較大的困難。為了更好地發揮旋挖鉆機施工的優點，豎井圍護結構鉆孔樁采用潛孔鉆機配合旋挖鉆機進行硬巖段鉆孔樁施工，取得了良好的效果。

2 工程概況

豎井圍護結構鉆孔樁共有40根，設計樁長為17.75m，樁徑為800mm。樁設計入巖深度不得小于1m。因巖面分布差異較大，樁入巖平均深度為6m。根據地質鉆孔資料揭示，豎井范圍內從上至下依次有：人工填土層（2.02m）、殘積土層（1.8m）、花崗巖全風化帶（11.8m）、花崗巖中風化帶（12.998m）。根據場區地層情況，首先進行了4根試樁施工。在試樁施工中風化和微風化砂巖段的過程中，采用螺旋鑿巖鉆頭進行施工。由于巖石整體性好、硬度大，鉆孔樁鉆進速度緩慢，入巖鉆進速度僅有1m/天,旋挖鉆機成孔速度快的優點沒有得到充分的發揮，同時在施工過程中因鉆進阻力較大，鉆機和鉆具損耗太大，硬質合金鉆齒更換太頻繁，綜合運轉成本太高。為了確保鉆機安全施工并保證施工進度，經研究決定采用MDL-135D錨固鉆機成孔配合旋挖鉆機進行硬巖段鉆孔樁施工。

3 施工工藝

初勘地質報告顯示：鉆孔樁由上至下地層為人工填土層、可塑狀殘積土層、硬塑狀殘積土層、全風化花崗巖層、中風化花崗巖層，最大巖石強度約30MPa。

鉆孔樁施工前對豎井四個角點位置進行補勘，探明豎井8m*10m范圍內中風化花崗巖巖面高差達4.5m，其中豎井東北角鉆孔樁已進入微風化地層4m，巖石強度達63MPa，這給施工帶來了極大困難。現場鉆芯取樣照片見圖1所示。

圖1 鉆芯取樣照片

通過對地層巖性、深度進行分析研究，認為僅采用旋挖鉆無法發揮旋挖機成孔快的優勢，決定采用潛孔鉆配合旋挖鉆機成孔。具體施工工藝流程如圖2所示。

3.1 施工準備

施工前，先清除設計樁位范圍內場地的雜物，平整施工場地，保證潛孔鉆機及旋挖鉆機底座場地平整、夯實，避免在鉆進過程中鉆機產生沉陷。

3.2 測量放線

根據設計圖紙，現場測量放樣定出鉆孔樁位置。

3.3 護筒埋設

樁位確定后，利用十字線放出四個控制樁位，并以四個控制樁為基準埋設護筒。護筒直徑比樁基孔徑大100mm～150mm，長2m，護筒至少高出地面300mm。挖埋護筒時坑底應整平，然后找出護筒的圓心位置，用十字線定在護筒頂部或底部，然后移動護筒使護筒中心與鉆孔中心位置重合，用水平尺或錘球檢查，保證護筒垂直度。

3.4 潛孔鉆成孔

結合現場實際情況選擇合適的潛孔鉆施工機械。本工程采用了MDL-135D錨固鉆機進行潛孔鉆施工。

（1）鉆孔布置

在樁孔內施工足夠數量的不小于鉆孔樁設計孔深的小口徑梅花形布置的鉆孔（本工程每樁布置3～5個孔），以便在孔底形成便于旋挖鉆機進行全面破碎的結構面。潛孔鉆成孔直徑為130mm，按5個孔計算，潛孔破碎面積為0.066m2，占鉆孔樁面積的13.2%。現場潛孔鉆鉆孔布置見圖2所示。

（2）鉆進成孔

鉆機就位對準布置好的孔位，然后開始鉆進。每節鉆桿長度為3米，鉆進過程中通過依次添加鉆桿達到設計孔深。鉆機配套動力為一臺15m3空壓機。鉆機鉆進過程中一方面通過活塞桿往返運動，使回轉供風機構向前滑動，鉆具以一定軸壓作用于孔底，實現鑿巖推進；另一方面，通過其空心軸把高壓風送入鉆桿直達沖擊器，經由鉆頭通風孔完成孔底吹碴動作，將孔底雜物吹出孔外。鉆頭構造見圖3所示。

圖2 現場潛孔鉆鉆孔布置圖

圖3 鉆頭構造圖

3.5 鉆孔樁成孔

鉆孔樁內的潛孔鉆施工完成后用旋挖鉆機鉆進施工。本工程采用SR-150C旋挖鉆機進行鉆孔樁成孔施工。鉆孔進行前，司鉆人員必須先熟悉地質狀況，從而確定所處地層，調整鉆進參數。在鉆進過程中鉆機不能產生位移或沉陷，否則應及時處理。處理孔內事故或因故停鉆時，必須將鉆頭提出孔外。

首先是通過鉆機自有的行走功能和桅桿變幅機構使得鉆具能正確的就位到樁位，利用桅桿導向下放鉆桿將底部帶有活門的桶式鉆頭置放到孔位，樁機就位后開始鉆孔。在護筒底處應低壓慢速鉆進，鉆至護筒底下1.0m左右后開始正常鉆進。鉆機動力頭裝置為鉆桿提供扭矩、加壓裝置通過加壓動力頭的方式將加壓力傳遞給鉆桿鉆頭。土層段一般采用筒式鉆頭，施工時在孔內將鉆頭下降到預定深度后，轉鉆頭并加壓，旋起的土擠入鉆筒內，泥土擠滿鉆筒后,反轉鉆頭，鉆頭底部封閉并提出孔外，然后自動開啟鉆頭底部開關，倒出棄土。巖層段成孔采用螺旋破巖鉆頭回轉破碎巖體，并直接將其裝入鉆頭內，然后再由鉆機提升裝置和伸縮式鉆桿將鉆頭提出孔外卸土，這樣循環往復，直至鉆至設計深度。鉆進過程中注意調整成孔垂直度，樁深度不得小于設計深度。

3.6 吊裝鋼筋籠、下放導管、澆筑砼

鋼筋籠吊放采用25T汽車吊車一次性下放，采用兩點起吊法。鉆孔樁身混凝土采用導管法灌注水下混凝土。具體施工方法與鉆孔灌注樁施工方法相同。

4 常見問題及相應的對策

4.1 卡鉆及處理措施

在施工過程中入較深的中風化花崗巖或微風化花崗巖巖層時，會出現鉆頭卡鉆情況，卡鉆后鉆桿拔出困難，導致無法繼續施工，旋挖鉆無法施工到設計深度，如下圖。

原因：1）機手操作不熟練，非專業司鉆工；2）在入較深的花崗巖或比較破碎的巖層時沒有來回反復的提拔，而是一味地鉆進。

預防措施：

1）在施工前進行崗前培訓，積累施工經驗。

2）在入花崗巖巖層較深或巖層比較破碎時采用來回反復提拔，多次利用高壓風把打碎的巖碴（粉）吹出孔內，防止巖碴填滿鉆桿與孔壁之間的空隙出現卡鉆現象。

圖4

4.2 潛孔鉆數量不夠導致旋挖機無法鉆到設計深度

潛孔鉆卡鉆后未繼續施工到設計深度，以及潛孔鉆施鉆時相鄰兩孔在巖層位置偏斜造成串孔，這兩種現象均導致潛孔鉆數量不夠，旋挖鉆鉆不到設計深度；而旋挖鉆施工又未達到設計深度且出現中間低四周高現象，二次使用潛孔鉆施工時造成滑鉆現象，導致工藝失敗。

措施：必須將所有潛孔鉆施工到設計深度后，再采用旋挖鉆施工，嚴格執行潛孔鉆與旋挖鉆的施工順序。

4.3 砂層串孔導致砼超灌及其對策

潛孔鉆與旋挖鉆同時施工時，潛孔鉆鉆頭處的高壓風對砂層擾動破壞嚴重，出現與正在施工的鉆孔樁之間地層串通，導致砼超灌嚴重。

措施：旋挖鉆與潛孔鉆盡量避免同時施工。

4.4 砂層塌方及處理措施

潛孔鉆施工至砂層位置時，潛孔鉆鉆頭處的高壓風破壞擾動該地層，極易造成塌方。

措施：

1）潛孔鉆鉆孔時下套管護壁，對土層擾動較小，塌方的幾率較小；

2）采用跳孔施工，潛孔鉆施工完成后，立即完成旋挖鉆施工，潛孔鉆不宜連續施工；

3）旋挖鉆施工時采用泥漿護壁施工，對砼超方有了明顯的改善。

5 與沖擊鉆成孔的工期造價對比

5.1 工期對比

施工歷時共50天，累計完成鉆孔樁40根，共計成樁710.95m，其中入中風化巖巖層成樁約240m，樁均長入中風化巖層6m。

現場潛孔鉆鉆進速度約為0.7m/min，每孔鉆進時間約為30min，拔出鉆桿時間約為15min，包括鉆機就位、維修等耗費時間，每孔用時約1h。每根樁按5個孔計算，潛孔鉆施工需用時5h。潛孔鉆完成后采用旋挖鉆成孔時間約為5h，包括下鋼筋籠和混凝土澆筑時間在內，成樁約14h/根。而采用沖擊鉆機成孔，入巖約1m/天，成樁約4天/根，速度比潛孔樁配合旋挖鉆施工慢得多。

5.2 造價對比

采用潛孔鉆配合旋挖鉆進行嵌巖樁施工，成孔成本約300元/m，而采用傳統的沖孔施工成本約200元/m，采用潛孔鉆配合旋挖鉆進行嵌巖樁施工成本為傳統施工工藝成本的1.5倍。

6 結語

潛孔鉆配合旋挖鉆機鉆進行中～硬質巖層鉆孔樁施工，充分發揮了潛孔錘對硬、脆、碎基巖地層施工小口徑速度快的優越性，也發揮了旋挖鉆機施工大口徑速度快的優越性，解決了僅采用旋挖鉆機在中硬巖地層施工難題，達到了中硬巖層快速施工的目的，可供今后類似工程施工借鑒。本工程鉆孔樁直徑較小，僅800mm，對于大直徑、更高強度硬巖層中采用潛孔鉆與旋挖鉆相結合施工是否適用，需要進一步實踐。