預應力混凝土管樁在玄武巖地質條件下的施工應用與研究

劉 炳 安會麗 張俊國 沈 朗

中建二局第二建筑工程有限公司 廣東 深圳 518052

目前，廣大學者和技術人員為解決預應力混凝土管樁在硬質土或巖性地質條件下適用性，進行了廣泛的研究與實踐[1]，并取得了豐碩的成果。張生雨等[2]通過預應力管樁綜合引孔技術，實現了中密-密實板結砂層的預應力管樁的沉樁，管樁承載力滿足要求。張蘋[3]通過大直徑風動潛孔錘引孔＋靜壓管樁工程技術，在硬質巖層區域，使預應力管樁順利成樁。施鳴升等[4]對5個工程試驗進行研究，研究表明采用改進型攪拌樁機配合水泥漿與土體混合而成的流狀體進行機械切削，不僅解決了預制樁穿越密實砂層的難題，提高單樁承載力，還節約了工程成本。馮永林等[5]采用大噸位液壓樁機靜壓預應力管樁，在國內首次實現管樁在石灰巖地區的應用，并對施工過程中存在的問題提出了相應的解決措施。

1 工程概況

工程位于湖南省益陽市益陽大道與羅溪路的交匯處，采用框架結構，設置2層地下室。工程預應力錘擊管樁約2 083根，樁型為PHC-800(130)AB-C80，為摩擦端承樁，端承荷載約占單樁承載力的30%。1區、2區預應力管樁施工在穿越粉質黏土土層后，部分區域會遇到中風化玄武巖透鏡體或夾層，錘擊難以取得預計效果。在施工前采用1#、2#試驗樁進行嘗試性施工，1#樁錘擊過程中發生斷樁現象，沉樁深度為9.8 m，2#樁錘擊后樁身完整性不滿足規范要求。基于上述問題，通過論證后，決定對風化玄武巖透鏡體或夾層集中區域內的預應力管樁采用大直徑風動潛孔錘引孔技術穿越中風化玄武巖透鏡體，完成預應力管樁的施工。通過現場勘測，場地具體土層分布從上至下為：黏土、全風化玄武巖、中風化玄武巖、弱風化玄武巖。

本項目中風化玄武巖透鏡體或夾層集中區域大約有209根預應力管樁需要引孔，安排3臺（根據規定完成時間調整樁基數量）潛孔錘鉆機進場施工，每臺潛孔錘鉆機每天能引孔約14根，約7 d內完成該區域的引孔工作。該部分引孔作業完成后，設備暫不退場作為備用，當其余管樁施工區域需要引孔時進行引孔作業，在整個樁基項目結束后再組織退場。施工過程中可以根據實際情況進行調整，增加引孔設備數量，以確保總工期目標的實現。

2 施工準備

根據施工工藝要求，本工程實施階段的鉆孔、清渣、壓樁具有一定的連續性，擬安排的3臺風動潛孔錘同時施工，因此需要在各施工機械調度和人員安排上保證均衡協調，避免相互干擾、影響。為保證各鉆孔質量，對于已施工完成的鉆孔和預應力管樁必須做好成品保護，減少或避免因施工不當造成的返工和其他損失。在人、材、機等資源上做到各工種合理搭配，人員充足。在機械投入上做到型號正確，數量合理，保證施工要求。

3 施工工藝

3.1 施工工藝原理及特點

結合現場情況，本項目采用長螺旋大直徑風動式沖擊鑿巖引孔。大直徑潛孔錘通過空氣壓縮機產生壓縮空氣，并以此為動力介質，驅動大直徑潛孔錘對硬質巖層進行沖擊鉆進，鉆頭采用柱齒硬質合金；在工作狀態下，壓縮空氣產生的壓力驅動活塞往復運動，并推動鉆頭，使鉆頭獲得沖擊能量，鉆頭對硬質巖層產生連續沖擊力，達到鉆孔目的。同時，巖屑隨壓縮空氣排出鉆孔，保障成孔質量。

大直徑風動潛孔錘引孔技術不取巖心，對孔內巖石形成全面破碎效果，能夠對孤石、基巖等硬質巖層形成有效的成孔，破碎過程中形成大量巖屑，孔內碎屑能否有效排出，是直接影響鉆速和鉆進效果的關鍵。實踐表明，長螺旋大直徑風動式沖擊鑿巖引孔技術適用于硬脆碎、坍塌等復雜地質鉆探。

3.2 施工要點及要求

3.2.1 場地處理

根據現場的實際情況，1區、2區場地泥濘且積水較多，先對場地多余土方進行外運，再滿鋪厚1 000 mm磚渣以滿足設備正常施工的需求。

3.2.2 布孔

樁基的施打順序對樁基的成樁質量有較大的影響，直接影響樁基的扭轉角度、垂直度等[6]。本工程鉆孔順序沿對角線方向進行（圖1），依次為SK1、SK2、SK3……該順序能有效減少預應力管樁的扭轉和傾斜現象的發生。

圖1 鉆孔順序示意

3.2.3 成孔

確定準確孔位后將鉆機移到孔口，調好垂直度，使鉆具、動力頭及孔位三點成一線，確保開孔垂直度準確。

開孔時先用慢速低壓高風沖擊鉆進，必要時可采用吊打，待成孔深度達到50～100 cm時再全壓沖擊鉆進。為了防止孔斜，沖擊鉆進中若發現反渣量少、沖擊鉆進效率低或孔壁不穩定時，應多次短程提動鉆具，以防坍塌、掉塊導致埋鉆、夾鉆事故。沖擊鉆進至設計孔深后（即打穿中風化玄武巖透鏡體），鉆具可能垂直往下速度突然變化加快，此時應考慮停止沖擊鉆進，并將鉆具往復上下提動鉆具至鉆具能順暢時提出孔口（為防止潛孔錘內進水，上下提動鉆具時切莫停止供氣）。提出鉆具后及時回填碎石（砂）并振實，準備進行下一孔位的沖擊鉆進。

當沖擊鉆進中遇到漂石大小不一的地層時，漂石受鉆具沖擊擠壓后，很可能滾動變位，甚至擠壓、導向鉆具鉆頭，極易造成鉆孔偏位，從而導致管樁難以打入或發生傾斜甚至斷樁。在此區段地層中沖擊鉆孔施工時，要采用以下技術措施來保證：開孔時要采取“一慢二低三輕壓”的保守做法，即慢轉速，低風力，輕鉆壓；必要時采用輕壓吊打、原位沖擊鉆進，待鉆具順暢后再逐步升級，并根據鉆速快慢、沖擊聲音，及時調整沖擊鉆進參數。開孔時開孔深度達到1.0～1.5 m時，根據鉆速快慢、沖擊聲音，及時調整鉆進參數。

3.2.4 壓樁

成孔后立即壓樁，壓樁采用錘擊沉樁（亦可采用靜力壓樁，本工程與其他預應力管樁施工保持一致），在成孔區段，采用低落距錘擊，并從2個方向觀察預應力管樁垂直度，確保樁身垂直度偏差小于0.5%。達到成孔深度后，根據每次錘擊進深，調整落錘高度，并錘擊至設計標高。

3.2.5 封底

為確保管樁能在所引孔洞中順利下放，管樁樁端焊接開口型樁尖導向，成樁完成后進行樁端C30微膨脹細石混凝土封底。

3.3 施工技術參數選取

潛孔錘的鉆孔以φ300 mm以下為主，對于直徑大于300 mm的鉆孔需要采用大直徑潛孔錘。本工程鉆孔直徑約為預應力管樁的2/3，即引孔直徑500 mm，引孔長8～12 m。風動潛孔錘鉆進涉及的主要參數有風壓、風量和轉速。為達到理想的施工效果和節約資源，這些參數必須滿足以下要求：

1）沖擊鉆進功率滿足連續沖擊和破碎要求。

2）孔底碎屑能夠有效排出，減少孔內垃圾，保證潛孔錘正常工作。

3）轉速應使潛孔錘沖擊力有效傳遞至孔底。

不同水文地質條件、鉆孔結構、孔深孔徑參數對風量、風壓大小的需要是不同的，潛孔錘的參數可按下述方法選定。

3.3.1 風量

風量應結合所用空壓機和潛孔錘進行確定。本工程所選潛孔錘的額定風量為 30 m3/min，孔徑為500 mm，引孔深度為8～12 m，在鉆進過程中應使風量與深度相適應，使潛孔錘正常工作，又能有效排出孔底巖屑，減少重復破碎，導致鉆進效率降低，通常要求孔內風量氣流往返速度不得小于巖屑懸浮速度。具體風量可根據鉆孔直徑、上返風速等參數進行計算，風量大小可根據公式（1）計算：

式中：Q——送風量；

k1——孔深修正系數；

k2——孔內涌水系數；

D1——鉆孔直徑；

D2——鉆桿外徑；

V——上返風速。

根據公式，孔口上返風速為15 m/s，鉆孔深度鉆孔修正系數取k1＝1.0，孔內涌水系數取k2＝1.5。

3.3.2 風壓

潛孔錘的沖擊效能與風壓有密切關系，鉆速與風壓基本成正比。在潛孔錘工作時，風壓包括正常工作所需風壓、孔深進程降壓和鉆孔內水柱耗壓。本工程采用QZ26型潛孔錘，所需風壓為0.5～0.7 MPa，屬低壓潛孔錘。

因此，在分析大直徑風動潛孔錘鉆進的風壓時，不僅要計算沖擊器工作壓力，以達到設備滿負荷工作要求，還要考慮孔深進程降壓和水柱壓力。

3.3.3 轉速

為使潛孔錘達到最優效率，應使鉆機切削保持最優沖擊間隔，具體可根據公式（2）計算：

式中：A——最優轉角，一般取11°；

f——沖擊頻率，min-1；

n——轉速，r/min。

此外，對于施工場地地基承載力，引孔設備要求地基承載力≥150 kPa。

4 施工質量控制要點及措施

4.1 引孔風量不足

引孔風量不足時，根據鉆孔直徑和空壓機風量，采用潛孔錘跟套管鉆進工藝引孔。實踐表明，潛孔錘跟套管鉆進工藝在引孔施工過程中能有效解決引風量不足的問題。

4.2 孔徑過大

由于本工程為端承摩擦樁，孔徑過大將影響樁側摩阻力，為保證孔徑大小，將鉆桿直徑設置為管樁直徑的2/3左右，此外，在施工過程中保證鉆進速度在合理范圍內，對鉆機的垂直度進行嚴格控制。

4.3 巖石碎屑沉積

碎屑沉積主要包括鉆孔工程中碎石沉積和串孔碎屑，以前者為主。鉆探過程中的沉積控制主要通過控制鉆探速度和及時清理。開孔時，將黏土層鉆進速度控制在0.2～0.5 m/min，鉆入深度1 m后轉至正常速率，嚴禁驟然加速。玄武巖層鉆孔速度控制20 r/min左右。提升鉆桿中應及時清除溢出碎屑，提升時間應盡量縮短，防止坍孔。對于串孔碎屑，主要是由于引孔出口風量小于要求值，導致無法排出巖屑，巖屑從樁間孔隙進入鄰近樁孔內，在鄰側樁孔形成沉渣。經研究分析發現，孔內沉渣對預應力管樁沉樁影響較小，此類巖屑顆粒較小，對樁基承載力影響較小，可以與C30微膨脹細石混凝土混合，達到封底目的。

此外，當巖屑較多且難以有效排出時，可采用大小鉆徑不同規格的風動潛孔錘進行施工，首先采用φ300 mm的風動潛孔錘進行鉆孔，隨后采用φ500 mm的風動潛孔錘進行鉆孔，實踐表明，該工藝可以有效減小孔底巖屑量。

4.4 垂直度偏差

垂直度偏差包括鉆孔偏差和壓樁偏差。鉆孔初期，低速鉆進，安排專人從兩側用高精度經緯儀進行監測，隨時修正，保證垂直度。在初期鉆進3～5 m時，提出鉆桿，重新調整孔底中心和鉆機位置。在鉆進過程中，隨時跟進鋼套管，既解決了出口風量不足的問題又控制了引孔垂直度。

此外，壓樁過程中形成的土體側向位移引起的被動土壓力使預應力管樁產生一定的傾斜。為減小該因素影響，可采用對角線跳打法，可有效減小鄰樁的影響。根據后期觀測，按照本工程壓樁順序，鄰側樁基施工導致的樁基傾斜度較小，且在后期會逐漸減小，滿足規范要求。

5 結語

通過引入大直徑風動潛孔錘引孔技術，本工程順利完成玄武巖區域預應力管樁施工任務，經靜壓試驗和完整性檢測均滿足相關要求，預應力管樁的垂直度和扭轉角達到規范標準。實踐表明，通過大直徑風動潛孔錘引孔技術，預應力混凝土管樁在玄武巖地區應用效果良好，具有節約施工成本、節約工期等優勢[7-8]。