復雜地質條件下斜樁嵌巖護孔技術

沈啟亮，劉秀宏，張校強

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

1 工程概況

某30萬噸級原油碼頭工程為孤島式原油碼頭，碼頭與庫區采用約1.5 km海底管線連接。碼頭為蝶形布置，包括工作平臺1個、靠船墩2個、系纜墩6個、立管平臺1個，泊位長度455 m。工作平臺、2個靠船墩及立管平臺采用64根大直徑、大斜度嵌巖樁（其中鋼管樁φ1 800，嵌巖樁φ1 600），6個系纜墩采用60根大斜度嵌巖樁（其中鋼管樁φ1 500，嵌巖樁φ1 300）。

2 工程地質

該工程施工區地質條件復雜，施工難度大。據地質資料顯示，場地區域內自上而下主要分布：第四系全新統濱海相沉積層、第四系全新統沖洪積相沉積層、第四系殘積層、燕山期晚期花崗巖風化層。中風化花崗巖層頂標高變化較大，據施工過程資料顯示：工作平臺巖面標高-24.3～-37.89 m；4號靠船墩巖面標高-22.1～-33.5 m；5號靠船墩巖面標高-29.8～-42.1 m；立管平臺巖面標高-28.1～-35.9 m；其余6個系纜墩巖面標高變化幅度5～10 m。綜上所述，該區域內巖面變化很大，最大變化幅度達15 m，中風化花崗巖飽和單軸抗壓強度最大為143 MPa，最小為35.5 MPa，平均為96.95 MPa。圖1是該區較典型的地質剖面。

3 施工平臺及設備

3.1 嵌巖樁施工平臺

以工程樁（鋼管樁）為基礎，上下平聯采用2HM588X300型鋼作主橫梁，上平聯橫向分配梁采用I22a，間距750 mm，局部加密，面層采用鋼板網。

3.2 鉆機及鉆頭選型

本項目采用的嵌巖鉆機有2種。

圖1 工程地質剖面圖Fig.1 Engineering geological profile

1）德國寶峨公司BG型旋挖鉆機

由于該鉆機配套設備不齊全，未能解決復雜地質條件下的護孔問題，對斜樁嵌巖效果不理想。

2）反循環鑿巖鉆機

以ZSD-300型鉆機為主，配置相應的發電機、空壓機和滾刀鉆頭。該鉆進工藝靠滾刀刻碎巖面，形成長短約2 cm、厚0.5 cm的碎石，采用氣舉反循環排渣。

ZSD-300反循環鑿巖鉆機雖然鉆進速度較慢，但適應性較強，本項目絕大部分樁都由該型號鉆機完成。

4 不同地質條件嵌巖施工時護孔技術

4.1 覆蓋層和強風化巖層均較厚，鋼管樁已進入強風化巖層

1號、5號、8號系纜墩覆蓋層較厚且鋼管樁已進入強風化巖層，墩臺鋼管樁平均入土深度20.1 m，中風化巖面與鋼管樁樁底平均強風化層厚度約3.5 m。在采用清水鉆進、氣舉反循環排渣時出現塌孔現象。后采用泥漿護壁，泥漿濃度為1.3，約每25 min排渣1次，成孔后稀釋泥漿，直至滿足規范要求的濃度和含砂率[1-5]。

4.2 覆蓋層較薄，強風化層較薄或缺失

立管平臺強風化層薄，巖面高低不平，該墩臺鋼管樁平均入土深度約11.7 m，淤泥層下是6 m厚砂層，強風化巖層平均厚度不到0.5 m。墩臺在鉆進過程有4個孔出現串孔現象，排渣時出現大量中粗砂混貝殼，夾雜極少量中風化顆粒，鉆進速度極其緩慢。這種情況，現場采用壓漿封堵的方法護孔。串孔形成原因：樁尖沒有完全進入強風化巖層，致使樁端與巖面形成約30 cm的縫隙，鉆進工藝采用氣舉反循環排渣，導致樁外中粗砂順著縫隙流入樁內，在樁端外側形成較大的漏斗串孔區。處理方法：采用壓漿處理方案，用φ5 cm常見鋼水管人工順著樁內壁插入樁底，在樁底澆筑2 m厚素混凝土封堵樁底，待混凝土強度達到70%后，采用壓漿工藝順著預埋水管在樁底壓漿，同條件壓漿試塊強度達到70%后開鉆。問題分析及處理方法詳見圖2。

4.3 中風化巖層很淺或裸露，采用人造地基穩樁

工作平臺及4號靠船墩巖層較薄，基本處于裸露狀態，需拋填碎石及砂作為穩樁層。出現鋼管樁尖卷邊，這些卷邊的鋼管樁進行水下切割后均出現塌孔現象。

造成串孔主要原因：覆蓋層為松散層，摩擦力小，再加上打樁船采用D180錘，在很少的擊數下樁尖即達中風化巖層，導致鋼管樁卷邊。采用反循環法清除樁內砂土后，潛水員進行水下切割。由于水下很難準確控制切割塊體尺寸，切割尺寸普遍偏大，形成較大的漏斗塌孔區。

經試驗，采用泥漿、壓漿、旋噴等方法無效后，采用鋼內護筒的護孔方法。由嵌巖鉆機把鋼內護筒鉆進一定深度中風化巖層中，其中鋼內護筒外徑略小鋼管樁內徑15 cm，壁厚2 cm，底端加焊合金鉆頭，鋼內護筒上部與鉆桿加4個支撐焊接，鉆桿下放完畢后鉆機保持適當加壓下鉆，轉動速度不宜過快，防止鉆桿扭壞內護筒，待鋼內護筒全截面進入中風化巖層50 cm后停止鉆進，潛水員水下分離鉆桿與內護筒，然后提起鉆桿重新下鉆頭順著鋼內護筒開鉆，從而阻斷漏斗區的砂石落入孔內。具體處理方法見圖3。

圖2 壓漿法處理串孔Fig.2 String hole grouting treatment

圖3 鋼內護筒護孔工藝Fig.3 Hole protecting technology of steel inner casting

個別孔在進入2 m中風化巖層后，還有1 m多的強風化巖夾層，采用回旋鉆進法難以抵達下層中風化巖層。這種情況，現場采用跟管鉆進的方法，即滾刀鉆頭與鋼內護筒同時鉆進，待鋼內護筒到達下層中風化巖層后，滾刀鉆頭鉆具與鋼內護筒分離。

4.4 塌孔樁處理效果

4.4.1 泥漿護壁

1號、5號、8號系纜墩采用該工藝成孔比較順利，未出現塌孔現象，平均15 d完成1根嵌巖樁，并且泥漿還可以部分重復使用，處理費用較低。

4.4.2 壓漿法處理

該護孔工藝主要在壓漿處理上花費約10 d時間，平均20 d完成1根嵌巖樁，過程中還出現個別樁一次壓漿不成功還要再壓一次，主要由于壓漿量大小及壓漿后強度很難掌控，處理費用較低、時間較長。

4.4.3 鋼內護筒工藝

該工藝成孔比較順利，鋼內護筒下放時間約3 d，平均13 d完成1根嵌巖樁，其中需要潛水員在約40 m水下分離鉆桿與鋼內護筒工作，每根處理費用約10萬元，處理時間較短。

4.4.4 塌孔樁處理后試驗結果

塌孔樁處理后試驗結果見表1。

檢測結果表明，經過護孔處理后的嵌巖樁，滿足設計及相關規范要求。

表1 塌孔處理后樁檢測統計表Table1 Piletest after holecollapsetreatment

5 結語

本項目出現塌孔現象較多，主要是由于項目所在地的地質條件復雜造成。本項目的嵌巖鉆孔過程中，由于對困難預測不充分，在前期花了大量時間摸索。為此建議在進行復雜地質條件下的鋼管樁嵌巖施工時，應注意如下問題：

1）對鋼管樁沉樁區域進行加密地質鉆孔，以便摸清地層變化和各巖土層的物理力學性質。

2）在覆蓋層較薄的情況下，鋼管樁應以到達巖面控制沉樁標高，不能按貫入度控制，以免鋼管樁發生卷邊。

3）應根據不同的地質情況合理選用不同的護孔工藝，特別是在覆蓋層較薄時，盡量避免采用氣舉反循環清渣，該清渣工藝在孔底形成較大負壓區，極容易造成樁端覆蓋層擾動。

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