復雜地質條件下嵌巖樁施工工藝研究

張 杰 陳新焱

(山西建筑工程集團總公司，山西太原 030001)

隨著城市、港口、山區建設的發展，越來越多的樁基礎要在地下水位高、地質條件復雜、土質工程性質極不均勻、巖石單軸抗壓強度極高的條件下進行施工［1-3］。合適的施工工藝有助于提高工效，節省資源和成本，因此開展復雜地質條件下的施工工藝研究為類似地質條件下的樁基礎施工積累經驗和提供參考具有重要價值［4-6］。本文以喀麥隆國家體育館樁基礎施工為背景，研究了長螺旋配合潛孔錘成孔入巖，人工挖孔、機械入巖施工工藝。如何在成孔入巖時既能操作更容易、施工機械設備投入更少、效率更高又能使質量有保證且滿足承載力和變形要求，顯得十分必要。

1 工程概況

中國援建喀麥隆國家體育館位于首都雅溫得市中心Wardr地區。具體位置為Wardr地區520大道的北部延長線西南側，擬建場地兩面環山，地處溝谷，場地為一狹長形場地。該建筑物占地面積38 712 m2，分主館和訓練館，建筑場地類別為Ⅱ類，建筑樁基安全等級為一級，工程所在地區為低山地貌，絕對高度在700 m～1 000 m之間，水位在地表下0．8 m～2．4 m，地下水位高且水量豐富，地層中有孤石、廢舊的汽車金屬碎片、流砂，巖面標高不一致，單軸抗壓強度為138 MPa～145 MPa，巖石極硬。樁基設計為嵌巖樁。

2 地質條件場地

根據勘探孔揭露深度(18 m)，從地表往下依次為人工素填土層，第四紀殘積土層，片麻巖層。

2．1 工程場地地層分布

①層殘積土素填土:褐紅色，稍濕～很濕，松散～中密，厚度0．50 m～5．80 m。②層淤泥質粘性土素填土:褐灰色，可塑～軟塑，松散～稍密，厚度0．70 m～5．30 m。③層粘性殘積土:黃綠色，厚度0．20 m～9．40 m。④層微風化片麻巖:墨綠色，巖質新鮮。本次鉆探未鉆穿該層。

2．2 地基土分析評價

①層殘積土素填土:松散～中密，土層物理力學性質在水平方向變化較大，垂直方向略有變化，具有高～中壓縮性。②層淤泥質粘性土素填土:結構松散，物理力學性質很差而不均勻縮模量很低，具有高壓縮性，為軟弱土層，不經處理不宜作為地基持力層。③層粘性殘積土:為第四紀殘積土層，力學性質較好，為微風化—新鮮基巖，是良好樁基礎的樁端持力層。各地層界限比較明顯，成層性較好，但巖土層分布及厚度變化較大，地基土比較不均勻，整個場地屬于不均勻地基。

3 現場成孔試驗

3．1 長螺旋鉆配合潛孔錘成孔入巖

1)經成孔試驗(先成孔兩個)，再由長螺旋鉆鉆好孔提鉆后，孔內隨即坍塌且塌孔嚴重，有2 m～3 m淤土，孔壁水流較快。經分析原因有兩點:a．場地自然靜止水位在地坪下1．5m處，孔內土取出后，孔內水在水頭差較大情況下，以很快的速度向孔內流入，帶動粉土、粉砂流入孔內;b．提鉆桿時，孔內為真空，形成負壓，導致縮頸嚴重，針對此問題，采用了水壓平衡法可以有效減少塌孔和淤泥。2)下護筒清渣后，即用潛孔錘入巖。由于高壓氣流和砂土震動液化的影響，在孔下形成管涌。先用高壓空氣通過導管清除孔內沉渣，雖然此方法能將孔內原有沉渣吹出孔外，但由于孔內水位下去后，孔外水又迅速向孔內流動形成對流砂的搬運，重新補充了沉渣，如此往復循環，不僅沉渣厚度不減少，反使孔壁形成更大的空洞，這就是第一次試樁時，樁基承載力嚴重不夠和混凝土灌注嚴重超量的原因所在。現場清除孔底沉渣的方法采用泥漿循環，此方法可以保持孔內水位維持在一個高位，避免孔外水高于孔內水而形成水頭差，造成流砂現象的發生。經過對泥漿比重的反復調整，最后確定在泥漿比重為1∶1．15時可以有效清除孔底沉渣，用時一般為0．5 h～1 h。

第一階段試驗的結論為:a．泥漿清渣效果明顯。b．螺旋鉆機成孔工藝流程為:螺旋鉆機成孔→提鉆注漿→下護筒裝載機壓護筒→潛孔錘壓護筒→接長護筒→潛孔錘對中、找垂直→高壓空氣清孔底淤泥→接鉆桿→入巖→拆鉆桿→注泥漿(水)→安導管→清沉渣→提導管→放鋼筋籠→測沉渣→再安導管、料斗→澆灌混凝土→提護筒。c．工藝工序多且復雜，現場工作條件極差，入巖過程的泥漿能噴出地面10 m之高，會造成雨天滿地水、晴天一地泥。螺旋鉆機、裝載機、潛孔錘、吊車幾臺大型設備圍著一個孔，如有一臺設備出現故障，就會造成整體癱瘓，工效極低。d．質量難以保證。除混凝土澆筑過程容易造成質量事故外，由于巖面傾斜的千變萬化，最小入巖深度1 m從技術上難以保證，為保證質量，只能用加深入巖長度的辦法，但又會造成材料和時間的浪費。e．由于超灌混凝土的流向性、形狀不確定，當施工至同承臺第3根甚至第4根樁時，會增加施工困難和對巖面判斷的困難。f．上覆土層的成孔是長螺旋鉆機成孔，遇到地下孤石、亂石、廢棄的汽車金屬碎片時很難鉆進，工效極低，當潛孔錘入巖鑿巖時，會使砂土液化，泥漿循環清孔時孔底沉渣連同流砂源源不斷地排出，其結果形成空穴，澆灌混凝土無法計算，所以此施工工藝不能適用于基巖上有砂層的成樁工藝。

3．2 人工挖孔機械入巖

根據第一階段的試驗情況，特進行第二階段的現場試驗。施工工藝將本工程樁基原來的機械成孔改為人工挖孔，機械入巖維持不變。樁數總量由原來的843根改為399根，樁徑由原來的600 mm變更為1 000 mm，入巖深度由原來的1 m變更為1．5 m。樁端持力層選擇四層微風化片麻巖，樁頂嵌入承臺。

人工挖孔、機械入巖的主要工序為:人工挖孔→護壁鋼筋網綁扎→混凝土澆筑護壁→機械入巖成孔→樁身混凝土澆筑。人工挖孔時采取每兩個人為一單位，共20個人，10組。挖深1m，即每根樁開挖1 m后，轉入下一根樁。孔徑采用拔梢樁，以利于護壁混凝土澆筑。拔梢樁示意圖如圖1所示。

圖1 拔梢樁示意圖

施工時會遇到三種問題:1)場地地下水位高;2)巖面標高不一致;3)巖石單軸抗壓強度高、巖石極硬。

經過現場試驗，解決以上三種情況的方法是:

1)解決地下水對挖孔樁影響的處理辦法。地下水是深基礎施工中最常見的問題，也使施工難度加大。含水層中的水在開挖時其平衡狀態被破壞，針對此問題，施工時選擇先沿基礎周圈方向打2排深層攪拌樁止水帷幕，相鄰兩根帷幕樁互相咬合，阻止帷幕范圍外的水流入和水壓及泥土壓力對成孔的影響。然后在基礎范圍內在布置相應數量的降水井(井底至巖層)，安放潛水泵，逐步降低地下水位。由于樁長不一致，且降水井使用過程中會因周圍泥土的滲入和沉淀而不能滿足要求，又選用部分已完成入巖成孔的且深度較大的樁(暫且未灌入混凝土)作為降水井使用。考慮場地泥濘使入巖機械(氣動潛孔錘)移動不便、氣動潛孔錘移動時對成孔的影響、下雨時的地面水滲透等各種因素，將基礎墊層提前施工，改在基樁開挖前進行，在基礎墊層上預留樁位孔，且厚度由100 mm加厚200 mm。

2)解決巖面標高不一致對挖孔樁施工影響的處理辦法。由于該工程巖頂標高起伏較大，即巖頂經常為非水平面，且經常與地勘報告上的標高不一致，這就造成部分樁最下一節護壁不規則形狀，且部分樁長較大的樁開挖時水位較高，不易成孔。為此遇到部分難以成孔和澆筑護壁的樁時，按照采用將直徑為1 m，長度大于剩余樁長的鋼護筒用千斤頂壓入樁內土中，壓一段，挖一段的方法，直至鋼護筒底部接觸巖面最高端，然后用鐵皮卷成半圓狀或使用護筒模板(每節4塊，用螺栓連接并緊固)中的一塊將堵漏劑和水泥混合物堵入護筒和巖頂未接觸的部位，防止周圍泥漿涌入。若安裝套筒后流砂仍然上涌，則可采取突擊挖土后立即用混凝土封閉孔水泥漿、提高周圍及底部土壤的不透水性，解決泥漿底和孔壁，待混凝土終凝后將樁身部位的混凝土鑿除以形成樁孔。或者在已完成混凝土護壁的最下端鉆孔，壓力注入涌入的問題。

3)極硬巖入巖的處理方法。對于極硬巖入巖的理念沒有突破降低巖石的強度改善入巖機具，國內外對于利用改變樁身形式的理念來達到入巖目的嵌巖樁幾乎沒有。本樁基施工就是通過在基巖中變截面來實現極硬巖的入巖，由于樁數的減少，樁徑也由600mm改為1 000mm，氣動潛孔錘(錘徑508mm)鑿巖次數由原來的一次改為數次。計劃采用孔孔咬合的辦法。但施工中因巖石強度高，單樁抗壓強度可達145 MPa，巖面變化較大且不水平，故錘頭定位較難，總是朝巖面低的位置移動，經常有斜孔產生。故選擇氣動潛孔錘(錘頭直徑550 mm)鑿眼后再由人工用風鎬打眼進行爆破，要求入巖深度1 m。爆破入巖示意圖如圖2所示。本步須待樁成孔至巖頂時才可進行。首先潛孔錘定位后，在巖石上鑿出1個1 m深的孔后，再由人工在該孔中沿水平方向和高度方向用風鎬鑿出幾排炮眼，然后用雷管炸藥進行爆破，保證入巖深度和孔底直徑。爆破完成后的嵌巖樁示意圖如圖3所示。

圖2 爆破入巖示意圖

圖3 爆破完畢后的嵌巖樁

“變截面”入巖。“變截面”嵌巖樁的入巖技術為:潛孔錘入巖1 m改為1．5 m，爆破入巖1 m改為0．508 m，這樣就形成了基巖下0．5 m為樁徑1 m，基巖下0．5 m～1．5 m為樁徑0．508 m 的變截面嵌巖樁。“變截面”樁身配筋圖如圖4，圖5所示。

圖4 變截面樁身配筋圖

圖5 變截面樁身截面圖

4 嵌巖樁單樁水平、抗拔靜載試驗

擬建工程場址處對采用人工挖孔、機械入巖施工工藝完成的三根基巖中“變截面”嵌巖樁進行了水平靜載試驗。單樁水平靜載試樁施工參數如表1所示。樁身混凝土強度等級為C35，鋼筋保護層厚度為70 cm。嵌入基巖混凝土保護層為30mm。設計要求為:單樁水平承載力設計值(樁頭水平變位6 mm):Rh=140 kN。

首先，將整個城市空間依據四叉樹的構建原則進行劃分，然后自頂而下、依次建立各級R+樹的空間索引。空間索引采納與否以及空間索引性能的優劣直接影響場景調度的整體性能[9]。

表1 被測樁體施工情況一覽表

根據JGJ 106-2003建筑基樁檢測技術規范與J 256-2003，單樁水平靜載試驗方法采用單向多循環加卸載法，單樁抗拔靜載試驗方法采用慢速維持荷載法，測試結果為:

1)基巖中“變截面”嵌巖樁水平靜載測試結果:6號工程樁:加載至140 kN水平位移為0．22mm，加載至220 kN時水平位移為0．45 mm，該樁最大加荷至280 kN，相應最大水平位移為1．22 mm。在各級荷載作用下，水平位移緩慢、勻速平緩下降，未出現任何破壞特征。327號工程樁:加荷至140 kN水平位移為0．33 mm，加荷至200 kN水平位移為0．80 mm，該樁最大加荷至280 kN，相應最大水平位移為1．82mm。在各級荷載作用下，水平位移緩慢、勻速增加，曲線平緩下降，未出現任何破壞特征。71號工程樁:加荷至140 kN水平位移為0．74mm，加荷至200 kN水平位移為1．45mm，該樁最大加荷至280 kN，相應最大水平位移為2．89 mm。在各級荷載作用下，水平位移緩慢、勻速增加，曲線平緩下降，未出現任何破壞特征。

2)基巖中“變截面”嵌巖樁抗拔靜載測試結果:單樁抗拔設計值為1 000 kN，在2006年4月25日水平試樁7號做完水平試驗后，其最大試驗荷載320 kN，最大水平位移1．77 mm，未對該樁造成破壞，在該樁放置了20 d后，又對該樁進行了抗拔試驗。通過對試驗數據進行計算整理，其檢測結果分析如下:該樁最大加荷至設計值1 000 kN時的2倍2 000 kN時，隨即終止加荷。從圖6中U—δ曲線分析:該樁的U—δ曲線為緩變形曲線，逐級加載至1 400 kN時，各級水平位移基本緩慢、勻速增加，曲線平緩上升(加荷至1 400 kN時其累計上拔量為0．59 mm;加荷至1 600 kN和1 800 kN時，其累計上拔量為1．80 mm，其樁頂上拔量為上一級荷載作用下的1．6倍＜5倍，未出現任何破壞特征)。

5 沉降觀測

采用人工挖孔機械入巖變截面嵌巖樁施工工藝完成的喀麥隆體育館，從2006年12月18日至2008年7月18日，歷時20個月對建筑5個沉降觀測點進行了沉降觀測，各觀測點的累計沉降量均未超過2 mm，各觀測點的累計沉降量圖如圖7所示。

6 結語

本文對地下水位較高、土質情況復雜、巖石單軸抗壓強度極大復雜地質條件下的成孔入巖施工工藝進行了研究，進行了兩套施工工藝方案的現場工藝試驗，一套是長螺旋鉆配合潛孔錘成孔入巖，另一套是人工挖孔、機械入巖，通過現場試驗、承載力檢測以及沉降實測得出主要結論:

圖6 7號樁抗拔靜載試驗U—δ曲線

圖7 各觀測點累計沉降量

2)人工挖孔機械入巖施工工藝所使用的機械設備少，工序少，操作簡便、工期易控制。

3)6號，327號，71號工程樁的水平靜載測試和7號工程樁的抗拔靜載試驗結果表明第二套施工工藝下的嵌巖樁不僅工藝滿足施工要求而且質量滿足設計要求。

4)通過對已建成建筑物5個不同沉降觀測點的沉降曲線進行分析，可以得出基巖下0．5 m為樁徑1 m，基巖下0．5 m～1．5 m為樁徑0．508 m的變截面嵌巖樁抗壓完全能夠滿足體育館建筑使用要求。

［1］張忠苗，宋仁乾，張功獎，等．影響嵌巖樁主要因素的分析［A］．中國土木工程學會第九屆土力學及巖石工程學術會議論文集［C］．2003．

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