淺談液化地層鉆孔灌注樁施工質量控制

劉桂萍

（中鐵二十局集團 第四工程有限公司，山東 青島266000）

1 工程地質情況

青島藍色硅谷城際軌道交通工程10 標段線路起訖樁號K61+901～K68+400，線路整體位于鰲山灣西側，臨近海灘。 本段場地地震基本烈度為六度，地震動峰值加速度為0.05g，地質地層自上而下主要由第四系全新統人工填土、全新統沖洪積層、上更新統沖洪積層、白堊系砂巖、煌斑巖、花崗巖組成。其中，第四系全新統海積層揭示為中粗砂，飽和，稍密為主，厚度為2.7m～3.2m。 第四系全新統沖洪積層揭示為中粗砂，以長石、石英質砂、花崗巖碎屑為主，含少量礫石和黏性土，飽和，稍密，厚度3.2～3.9m。 以上兩種中粗砂層均屬于可液化地層，深度均不大于4m，縱向影響范圍960m，占全線14.8%。 受持力層地質堅硬影響，樁基施工無法選用振動較小的設備，均采用沖擊鉆進行樁基施工，鉆頭對樁孔的反復沖擊振動造成了樁孔砂層液化，極大地增加了樁基的施工安全風險。 液化地層樁基施工也是本項目前期施工的難點，具備了范圍廣、安全風險高、處理措施復雜的特點，對該工藝的改善有利于本項目的施工安全有序進行。

2 砂層液化機理及危害

飽水砂土受到振動時，顆粒之間無內聚力或內聚力很小，受慣性力反復作用下，各顆粒處于運動狀態，必然產生相互錯動并調整位置，以便達到最穩定位置。 孔隙度的減小產生剩余孔隙水壓力，隨著周期性的反復作用，剩余孔隙水壓力會不斷累積增大，最終導致砂土的抗剪強度降為零，完全不能承受外荷載達到液化狀態，產生振動液化。隨著孔隙水壓力上升，產生上下水頭差和孔隙水自下而上的運動，動水壓力推動砂粒向懸浮狀態發展，形成滲流液化。

2.1 塌孔

樁基塌孔是液化地層施工較為常見的現象，也是一直以來困擾樁基施工的難題，主要表現在其突然性、危害性大及塌孔后的處理周期長且費用很高，往往需要進行回填重鉆方能解決問題，大大的增加了項目的施工安全風險、成本和工期壓力。

鋼護筒的埋設一般采用挖除護筒中心土的方式，護筒外側周邊重新回填粘性土或素填土進行夯實。 若砂土層埋深大時，鋼護筒埋設無法穿過整個液化層，底部位于中粗砂層中。在沖擊鉆鉆進過程中，鉆頭對底部巖層的振動及樁孔內部泥漿反復的沖刷造成砂層液化流動，從而將護筒底部及外側大面積掏空， 導致鋼護筒失穩及周邊地層塌陷。鋼護筒失穩直接導致樁孔鎖口崩潰， 影響鉆頭無法上下正常作業，同時使孔口隨時面臨繼續坍塌的危險，孔口周邊作業存在巨大的安全風險，無法保證作業人員施工安全。 周邊地層的不斷塌陷易導致鉆機傾覆、樁孔偏位過大等嚴重后果。

2.2 孔底沉渣過厚

砂層液化造成泥漿中含砂率增大，增加了樁孔砂質沉渣的清理難度及泥漿配置要求。清孔完成直至水下混凝土灌注這個過程的底渣沉淀以及鋼筋籠對護壁的刮蹭也是沉渣厚度增大的原因。鉆孔樁水下混凝土灌注過程中，依靠混凝土擠壓導管內泥漿產生的沖擊力使孔底沉渣翻涌上浮，若孔底沉渣過厚易導致孔底沉渣因重量過大無法上浮或摻雜在混凝土之中，發生樁底沉渣大或夾泥的現象，導致后期沉降大或成樁質量不合格等問題。孔底沉渣厚度超出規范標準將導致以上兩種質量問題， 其中樁基礎的大幅沉降將直接導致上部構造變形開裂，直接影響線路平順及結構安全。

3 質量控制措施

3.1 注漿

液化地層鉆孔施工的最大安全隱患在于其地層的振動流動性，要確保地層的穩定必須在防水和改善地層穩定特性兩方面采取控制措施防止砂層液化。由于特殊地質特征造成施工現場必須選用沖擊鉆進行施工，主要預防措施采用了地表注漿的辦法，即在樁孔鋼護筒安裝前對周邊地質進行環形均勻注漿處理（如圖1），注漿管前端穿過砂質地層進入底層巖層30cm 以上，采用后退式分段注漿，分段長度為40～60cm，以確保樁孔周邊整個液化地層的注漿滲透擴散效果。

圖1 樁孔注漿示意圖

樁孔孔位地質情況顯示中粗砂層最大埋深深度一般為3～5m，且表層為素填土，注漿孔鉆孔采用機械頂進成孔或鉆機成孔，樁孔注漿采用后退式分段注漿，在孔口采用止漿塞進行止漿。 注漿材料選用超細水泥單液注漿， 漿液在地層中根據注漿壓力大小表現為滲透擴散、劈裂擴散，對地層固結、防滲效果較好。 注漿工藝流程：施工準備→測量布孔→制孔口管→安裝孔口管→鉆孔至設計深度→安裝注漿系統制漿→注漿→效果檢查→結束。施工時，水灰比控制范圍：0.6:1～0.8:1，可根據現場地層富水情況適當調整。

注漿量計算公式:Q=ПR2hαn (1+β), 其中：Q—注漿量，R—擴散半徑， 取0.8m，h—注漿深度，α—地層充填率， 取0.7～0.8，n—地層空隙率，取0.3～0.4，β—損失率，取20%。 注漿壓力取水壓+2.5Mpa。 注漿速度取40L/min。 鉆孔及注漿設備根據注漿深度、注漿量、注漿速度等參數進行選取。

該工藝適用于砂層等軟弱地層埋深較深的部位，其優點為漿液顆粒細，中粗砂層的可注性較好，固結體強度高、均勻，膠凝時間較長，易于操作控制，缺點為處理費用較高，處理效果較依賴于作業人員作業熟練程度。

3.2 護筒接長

對于液化地層厚度較小且埋深小于3m 的樁孔，可采取加長鋼護筒長度的辦法使其穿過砂層，確保鋼護筒底部嵌入穩定巖層，起到隔離作用。 鋼護筒采用1cm 厚鋼板卷制而成，護筒最大高度為4m，直徑比設計孔徑大30cm，護筒高于地面50cm，護筒底部埋置在砂層下地層中至少50cm，確保護筒根基穩固。 埋設前，應先用挖機配合人工將樁孔中心土挖除， 埋設時采用水泥-水玻璃雙液砂漿對護筒底部進行防水處理，護筒四周回填黏土并分層夯實，分層回填時可加設土工格柵增加橫向拉力確保回填土層與原狀土之間的結構穩定性。

護筒的埋設可根據現場現有條件及機械采用錘擊、加壓或振動等辦法進行下沉。 為確保護筒不變形，埋設護筒前應對護筒頂部采用加焊1cm 厚、30cm 高鋼板進行加固處理。埋設護筒過程應注意通過護樁經常校核護筒中心偏位情況，確保護筒豎直，中心偏位不超過5cm，發現偏差過大，及時進行調整。鉆孔過程中鉆頭、鋼筋籠上下作業時應注意放慢速度，并由作業人員輔助穩定，避免碰撞護筒造成鎖口坍塌。樁孔混凝土灌注完成后，應及時松動、拔除護筒，避免混凝土凝固后導致護筒無法拔除。

接長護筒的辦法適用于砂層埋深淺的部位，其優點主要為：施工工藝傳統，成本較低。 缺點主要為：鋼護筒制作及埋設難度較大，護筒穩定性較差，護筒拔除難度較大，易造成浪費。

3.3 控制泥漿質量

鉆孔樁施工過程中泥漿的主要用途在于護壁和浮渣，由于孔樁部分地質情況為中粗砂，地層穩定性較差，主要依靠泥漿對樁周圍土層的側壓力及泥皮進行護壁，對泥漿的粘度、比重等技術參數要求較為嚴格。 初始泥漿配置時選用優質膨潤土， 泥漿比重控制在1.2～1.3， 黏度控制在20～28s， 含砂率不大于4%， 鉆頭鉆進至砂質地層時應相應提高泥漿比重及黏度以確保護壁穩定，同時盡量減少對該部分地層的擾動。 泥漿池使用前應注意與砂層進行隔離處理，隨著樁孔的鉆進，砂層中的砂土不可避免的會進入到泥漿中，應在泥漿池設置排渣、除砂等裝置，避免砂土回流至樁孔內，導致孔內泥漿含砂率提高。同時，應加強泥漿比重、黏度、含砂率等檢測，根據需要及時添加新制泥漿進行優化調整。

3.4 施工協調

鉆孔樁孔底沉渣厚度與泥漿停止時間成正比， 停止時間越長，孔底沉渣厚度越大，尤其砂質地層樁孔含砂率較大，泥漿靜止容易導致泥漿中砂的分離下沉，沉渣不易清除。因此，連續緊湊的工序銜接顯得尤為重要，鋼筋籠盡量事先制作成整體一次性下放安裝，導管亦可根據實際情況事先兩節聯裝， 鉆孔、 清孔完成后應立即安裝鋼筋籠、導管。樁孔的二次清孔采用泥漿泵連接導管沉至孔底進行沖洗確保孔底沉渣翻涌上浮，并保持孔內泥漿循環活動直至混凝土澆筑。

4 小結

混凝土灌注方量相對設計方量充盈系數控制在1.1 左右，孔底沉渣厚度也控制在5cm 范圍內。 通過對孔位周邊地質的注漿及加長護筒等質量控制措施，液化地層鉆孔樁施工安全、質量均得到較好控制，未出現塌孔等問題，同時，樁孔泥漿質量控制及施工工序銜接緊湊也是確保液化地層樁基正常施工的主要控制措施。

［1］趙旭榮.砂土液化機理及其判別方法研究[J].水利科技與經濟，2008，14(9):693-695.

［2］魯曉兵，談慶明，王淑云，張金來.飽和砂土液化研究新進展[J].力學進展，2004,34（1）：87-92.