嵌巖樁樁端超前鉆進(jìn)注漿系統(tǒng)及其施工技術(shù)

周嘉林

（北京市地質(zhì)工程公司，北京 100143）

0 引言

樁基工程設(shè)計中經(jīng)常出現(xiàn)要求樁端進(jìn)入中風(fēng)化、微風(fēng)化甚至新鮮巖體設(shè)定深度的情況，而受鉆進(jìn)能力限制，實(shí)際施工過程中，鉆機(jī)施工至目標(biāo)巖層界面時，鉆進(jìn)效率急劇下降，個別情況還會出現(xiàn)無法鉆至設(shè)計深度的現(xiàn)象，致使施工進(jìn)度減慢、施工造價增加，甚至因基礎(chǔ)樁未能施工到設(shè)計深度而產(chǎn)生樁體承載力無法達(dá)到設(shè)計要求的現(xiàn)象。不僅制約了基礎(chǔ)樁設(shè)計的發(fā)展，也嚴(yán)重制約了巖土施工企業(yè)在類似嵌巖樁工程投標(biāo)及施工過程中的主動性。

樁端超前鉆進(jìn)注漿系統(tǒng)及其施工方法是一種基礎(chǔ)樁施工領(lǐng)域中解決嵌巖樁樁端入巖困難的一種備選技術(shù)。常規(guī)嵌巖樁實(shí)施由于受到設(shè)備鉆進(jìn)能力限制會影響施工進(jìn)度、成本高且可控性差，成樁質(zhì)量不能得到有效地保障。因此，本文描述的一種樁端超前鉆進(jìn)注漿系統(tǒng)及其施工技術(shù)，是可以解決以上問題又能實(shí)現(xiàn)承載力相當(dāng)于入巖水平的樁端處理的系統(tǒng)，可為今后嵌巖樁設(shè)計、施工提供一定的選擇空間，豐富了設(shè)計、施工方法。

1 嵌巖樁設(shè)計施工與問題

1.1 嵌巖樁設(shè)計、施工現(xiàn)狀

對于民用建筑工程，嵌巖樁單樁承載力極限值主要通過靜載荷試驗(yàn)結(jié)合《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011） 計算進(jìn)行確定。從公式（1）可知，嵌巖樁極限承載力主要由土層段側(cè)阻和嵌巖段綜合端阻提供，在樁徑及樁端巖層確定的情況下，嵌巖段綜合端阻只與端阻綜合系數(shù)有關(guān)，而樁端綜合系數(shù)又與嵌巖深徑比有關(guān)，見表1。

式中：Quk、Qrk為分別為土的總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值、嵌巖段總極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Qsik為樁周第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Li、Ap為樁周土層段長度及樁端面積；Frk為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；為樁嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)。

表1 嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)Tab.1 Comprehensive coef fi cient of shaft and tip resistance of socketed pile in rock

在樁體參數(shù)確定的情況下，影響嵌巖樁嵌巖段承載力的因素主要由嵌巖深徑比及樁端巖層強(qiáng)度決定。在工程場區(qū)選定的情況下，嵌巖深徑比是決定嵌巖段承載力的決定因素。從規(guī)范表5.3.9可以看出，對于硬質(zhì)巖，嵌巖深徑比達(dá)到4.0后，再增加嵌巖樁入巖深度對于提高單樁承載力效果便不再明顯。

式中：Ra為單樁承載力特征值；qpa為樁端巖石承載力特征值；ψr為折減系數(shù)，根據(jù)巖體完整程度及結(jié)構(gòu)面的間距、寬度、產(chǎn)狀和組合，由地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定；frk為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

從公式（2）可知，嵌巖樁單樁承載力特征值取決于巖層飽和單軸抗壓強(qiáng)度frk、樁截面積Ap和折減系數(shù) 。折減系數(shù) 根據(jù)樁端巖層的完整程度及結(jié)構(gòu)面的間距、寬度、產(chǎn)狀的組合，由地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定（史佩棟，2015）。

對于嵌巖樁的施工，國內(nèi)目前主要采用大扭矩旋挖鉆機(jī)入巖成樁、沖擊鉆機(jī)沖擊成樁或小扭矩旋挖鉆機(jī)與沖擊鉆機(jī)接力成樁方法，近幾年又出現(xiàn)了風(fēng)動潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)。雖然成樁方法日趨多樣，但每種成樁方法都或多或少存在各自的弊端，影響其在實(shí)際施工過程中的使用。

1.2 存在的問題與不足

對于樁端入巖基礎(chǔ)樁工程，當(dāng)巖體硬度較大時，解決大直徑樁入巖問題往往采用大扭矩旋挖鉆機(jī)成樁、沖擊鉆機(jī)成樁、小扭矩鉆機(jī)與沖擊鉆機(jī)或風(fēng)動潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)接力成樁的方法，以上各種方法都具有相應(yīng)的不足之處。

大扭矩旋挖鉆機(jī)入巖成樁：旋挖鉆進(jìn)成樁已是成熟工法，但由于大扭矩旋挖鉆機(jī)造價高昂，市場保有率低，對于體量較大的工程，常出現(xiàn)因無法組織足夠數(shù)量的鉆機(jī)進(jìn)行施工而影響施工進(jìn)度的情況。

沖擊鉆機(jī)沖擊成樁及小扭矩鉆機(jī)與沖擊鉆機(jī)接力成樁：沖擊成樁就是通過沖擊鉆機(jī)將帶刃的沖擊錘提升到一定高度，通過沖擊錘沖擊震碎及切削孔底巖層實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)。該工藝沖擊成樁效率低下，所排泥漿容易造成污染。

風(fēng)動潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)接力成樁：通過大直徑潛孔錘巨大的沖擊能量實(shí)現(xiàn)了對硬質(zhì)巖的高效鉆進(jìn)，解決了大直徑樁在硬質(zhì)巖層鉆孔困難的問題（趙大軍，2012），但鉆進(jìn)過程中需要配備大功率、高風(fēng)量空壓機(jī)、形成泥漿循環(huán)系統(tǒng)，因此鉆進(jìn)成本及環(huán)境污染增加，目前在華北區(qū)域還鮮見采用。

2 系統(tǒng)組成及技術(shù)

2.1 原理及系統(tǒng)的組成

樁端超前鉆孔注漿技術(shù)，適用于嵌巖樁入巖困難時，樁端施工至相對較為軟弱巖層后，通過采用成樁后在樁端鉆進(jìn)一定深度的超前注漿孔，形成注漿通道，然后沿著注漿通道向樁端巖層裂隙內(nèi)壓入水泥漿等可固結(jié)巖層裂隙的化學(xué)漿液，使樁端巖層形成一個整體，并與基礎(chǔ)樁有效結(jié)合，提高施工效率的同時，實(shí)現(xiàn)提高單樁承載力的目的。因只在樁端以下巖層鉆進(jìn)小直徑鉆孔，其對樁端巖層做功較小，能耗損失小，相應(yīng)降低了施工成本。超前鉆孔注漿是在基礎(chǔ)樁成樁后鉆進(jìn)，不僅對基礎(chǔ)樁的施工不產(chǎn)生任何影響，還有利于施工過程中形成流水作業(yè)，相對普通嵌巖樁施工進(jìn)度更快（圖1）。

圖1 樁端超前鉆進(jìn)注漿系統(tǒng)剖面示意圖Fig.1 Sketch map of drilling and grouting at the bottom of the socketed pile

超前鉆進(jìn)注漿系統(tǒng)主要包括：綁扎在基礎(chǔ)樁鋼筋籠上的超前鉆進(jìn)注漿管、地質(zhì)鉆機(jī)、高壓注漿泵、地質(zhì)鉆機(jī)的鉆桿經(jīng)綁扎在基礎(chǔ)樁鋼筋籠上的超前注漿鋼管下放至樁端與巖層接觸并在強(qiáng)度較高巖層鉆進(jìn)形成的超前注漿孔。超前鉆進(jìn)注漿管可采用普通焊管或無縫鋼管等，內(nèi)徑為30～150mm，與擬采用的超前鉆進(jìn)地質(zhì)鉆機(jī)鉆具匹配為準(zhǔn)；管口上端套絲，絲扣間距與注漿閥匹配。根據(jù)基礎(chǔ)樁直徑的不同，可布設(shè)2～3根超前鉆進(jìn)注漿管。超前鉆進(jìn)注漿管在注漿前不僅可以作為聲測管使用，而且可算入工程樁配筋，不單獨(dú)增加造價，在施工時下入容易，避免了沿樁身鉆孔的無效工作，而且便于注漿作業(yè)。

2.2 工藝流程

嵌巖樁鉆孔至目標(biāo)巖層界面后，樁孔內(nèi)下入綁扎有超前注漿管的鋼筋籠，然后澆筑混凝土成樁，待樁身混凝土終凝后，將地質(zhì)鉆機(jī)鉆桿沿超前注漿管下入至樁端，啟動地質(zhì)鉆機(jī)在樁端鉆進(jìn)巖層，施工超前注漿孔，終孔向超前注漿管內(nèi)壓入高壓水，通過高壓水沖洗基礎(chǔ)樁樁端巖層裂隙，最后用高壓水泥漿或混合漿液注漿。具體施工工序如下：①基礎(chǔ)樁施工至目標(biāo)巖層；②下入綁扎有超前鉆進(jìn)注漿鋼管（端口柔性密封）的鋼筋籠后澆筑混凝土；③樁身混凝土終凝后，地質(zhì)鉆機(jī)（含錨固鉆機(jī)、潛孔錘鉆機(jī)、背包鉆機(jī)等）鉆桿沿著超前注漿管下入基礎(chǔ)樁樁端進(jìn)行樁端鉆進(jìn)造孔（一般鉆進(jìn)深度3～5m，約3～4倍基礎(chǔ)樁直徑）；④超前注漿管管口接高壓水，沖洗、擴(kuò)張基礎(chǔ)樁樁端巖層裂隙；⑤超前注漿管管口接高壓水泥漿或混合漿液進(jìn)行壓力注漿；⑥樁端超前鉆進(jìn)注漿的注漿量或注漿壓力達(dá)到設(shè)計要求，終止注漿（圖2）。

實(shí)施案例提供的樁端超前鉆進(jìn)注漿系統(tǒng)，構(gòu)成簡單、結(jié)構(gòu)合理，將目前較為成熟的巖層注漿技術(shù)與基礎(chǔ)樁樁端注漿工藝相結(jié)合，通過采用樁端超前鉆進(jìn)，在鉆孔內(nèi)高壓注漿，通過充填、固結(jié)樁端巖層的裂隙，使樁端與樁端巖層成為一個整體，充分發(fā)揮巖層固有承載力，來實(shí)現(xiàn)在樁端不充分入巖的情況下，起到樁端入巖的效果，在提高施工效率、控制施工造價的同時，提高基礎(chǔ)樁承載力。

3 施工參數(shù)的確定

3.1超前注漿孔深度及直徑的確定

依據(jù)上述文獻(xiàn)，對于硬質(zhì)巖，嵌巖深徑比達(dá)到4.0后，再增加嵌巖樁入巖深度對于提高單樁承載力效果便不再明顯,因此，一般超前鉆進(jìn)注漿孔深度宜為3～5m，約3～4倍基礎(chǔ)樁直徑。超前鉆進(jìn)注漿孔內(nèi)徑宜為30～150mm，可根據(jù)基礎(chǔ)樁的直徑進(jìn)行調(diào)整。

圖2 樁端超前鉆進(jìn)注漿施工流程圖Fig.2 Construction fl ow chart of drilling and grouting at the bottom of the socketed pile

3.2 注漿材料的選擇

注漿材料主要選用水泥漿，其主要特點(diǎn)是結(jié)石力學(xué)強(qiáng)度高，耐久性好且無毒，成本較低。但因普通水泥漿液容易離析和沉淀，穩(wěn)定性較差且硬化時伴有體積收縮，因此可摻入速凝劑、緩凝劑、膨脹劑、流動劑、防析水劑等不同的附加劑改善水泥漿液的性質(zhì)。

3.3 注漿參數(shù)的確定

注漿參數(shù)包括水灰比、終止注漿壓力、注漿量、注漿時間等參數(shù)，注漿作業(yè)開始前，應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)性注漿，不斷優(yōu)化并最終確定注漿參數(shù)。

（1）注漿壓力的確定

注漿壓力應(yīng)根據(jù)前期沖洗、擴(kuò)張巖層裂隙的注水壓力結(jié)合相鄰注漿導(dǎo)管返漿情況確定，為確保漿液在巖層裂隙間的擴(kuò)張及填充效果，最小注漿壓力不宜小于3MPa。漿液的擴(kuò)散能力與注漿壓力的大小有關(guān)，在保證漿液能夠注入的前提下，宜采用相對較低的注漿速率，注漿流量不宜超過75L/min。

（2）注漿量的確定

最小注漿量可根據(jù)式（3）估算。

式中：R為擴(kuò)散半徑，h為超前注漿段深度，μ為樁端巖層裂隙率，β為有效填充系數(shù)，γ為樁端巖層裂隙填充率。

注漿過程中，如出現(xiàn)水泥漿液從該樁其他注漿孔大量返出的現(xiàn)象時，可暫停注漿，采用間歇補(bǔ)漿的方式進(jìn)行注漿，直至最小注漿量達(dá)到預(yù)估注漿量。

（3）注漿時間的確定

注漿作業(yè)應(yīng)在樁身混凝土終凝后進(jìn)行，宜于成樁兩天后開始。當(dāng)樁身超前注漿管兼作聲測管使用時，應(yīng)先完成聲波測試后再行注漿。

4 應(yīng)用實(shí)例

柬埔寨金邊某基礎(chǔ)樁項目，設(shè)計樁端穿透全風(fēng)化砂巖，嵌入下伏強(qiáng)度較高中風(fēng)化砂巖，樁端區(qū)域巖、土層埋深及特性見表2。

表2 項目第BH-5#鉆孔樁端區(qū)域地層描述Tab.2 Project section of BH-5# borehole end regional stratigraphic description

計算項目基礎(chǔ)樁抗壓承載力特征值時忽略樁側(cè)土層側(cè)摩阻力，只計入樁端位于巖層內(nèi)的側(cè)摩阻及端阻；抗拔承載力計算時，考慮樁側(cè)土層提供的側(cè)阻。基本設(shè)計參數(shù)：混凝土抗壓強(qiáng)度35MPa，樁端砂巖承載力特征值5.5MPa，巖層段側(cè)摩阻標(biāo)準(zhǔn)值350kPa，巖層段抗拔側(cè)摩阻標(biāo)準(zhǔn)值200kPa（表3）。

表3 基礎(chǔ)樁設(shè)計參數(shù)Tab.3 design parameters of foundation piles

試樁施工階段，鉆進(jìn)至中風(fēng)化以下巖層后，受到鉆機(jī)鉆進(jìn)能力限制，個別樁孔無法鉆進(jìn)至目標(biāo)深度，采用樁端超前鉆進(jìn)注漿工藝施工后，經(jīng)檢測承載能力能夠滿足設(shè)計要求（圖3）。

圖3 現(xiàn)場注漿Fig.3 Site grouting

現(xiàn)場超前鉆進(jìn)注漿鉆孔由KLM803套管鉆機(jī)鉆進(jìn)完成，樁端鉆孔深度5m，鉆孔直徑100mm。超前注漿孔施工前已在樁身鋼筋籠上綁扎有與鋼筋籠等長的內(nèi)徑100mm鋼管，作為鉆進(jìn)通道，避免了在樁身鉆孔。需注意的是，樁孔內(nèi)下入鋼筋籠前，應(yīng)將注漿鋼管采用泡沫塞封底并用膠帶進(jìn)行二次密封，防止灌注樁身混凝土?xí)r混凝土漿液進(jìn)入管道。

5 結(jié)論

樁端超前鉆進(jìn)注漿系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計合理，將較為成熟的巖層注漿技術(shù)與基礎(chǔ)樁樁端注漿工藝相結(jié)合，采用樁端超前鉆進(jìn)，在鉆孔內(nèi)高壓注漿，通過充填、固結(jié)樁端巖層的裂隙，使樁端與樁端巖層成為一個整體，充分發(fā)揮巖層固有承載力，實(shí)現(xiàn)了在樁端不充分入巖的情況下，達(dá)到樁端入巖的效果，在提高施工效率、控制施工造價的同時，提高基礎(chǔ)樁承載力，非常具有推廣意義。目前，限于應(yīng)用實(shí)例較少，超前鉆進(jìn)注漿系統(tǒng)的施工參數(shù)還有待根據(jù)大量的實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)反饋進(jìn)一步完善，通過大量的極限荷載對比試驗(yàn)，統(tǒng)計出采用樁端超前鉆進(jìn)注漿技術(shù)的微嵌巖樁與相同場地條件下常規(guī)嵌巖樁極限承載力的對比參數(shù)，總結(jié)出根據(jù)樁端巖石抗壓承載力標(biāo)準(zhǔn)值與巖層完整程度及超前注漿參數(shù)估算基礎(chǔ)樁承載力的經(jīng)驗(yàn)公式，便于該工藝的推廣使用。