連徐高鐵硬巖地層鉆孔樁施工技術(shù)

王世東 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司徐州鐵路樞紐組工程建設(shè)指揮部

1 前言

鉆孔灌注樁是高速鐵路建設(shè)中最常見的地基基礎(chǔ)工程，其施工過(guò)程常常面臨復(fù)雜、未知地質(zhì)條件的挑戰(zhàn)，如何依據(jù)地質(zhì)數(shù)據(jù)，在現(xiàn)有的施工工藝中準(zhǔn)確地制定合適的施工方案，是保證高鐵樁基礎(chǔ)進(jìn)度的關(guān)鍵。

本文以新建連續(xù)高速鐵路東海特大橋樁基施工為例通過(guò)對(duì)各種施工工藝及設(shè)備的對(duì)比分析及實(shí)踐應(yīng)用，針對(duì)以前震旦系混合變質(zhì)巖為主的地層情況和大直徑鉆孔樁施工方法展開研究，總結(jié)出在混合變質(zhì)巖中鉆孔樁施工的合理化建議。

2 工程概況

2.1 工程地質(zhì)

根據(jù)鉆探揭示，施工區(qū)段內(nèi)下伏基巖主要為前震旦系混合變質(zhì)巖，巖性可分為片麻巖、花崗片麻巖、石英巖，部分為燕山期侵入巖，巖性為花崗閃長(zhǎng)巖。

施工區(qū)段內(nèi)地質(zhì)條件比較復(fù)雜，主要表現(xiàn)在：

（1）地下巖層起伏較大，鉆孔過(guò)程中頻繁遇到地下斜巖，且斜巖硬度高。

（2）地下分布有石英礦脈，石英礦脈硬度高，耐磨，旋挖鉆機(jī)難以穿透。

（3）基巖強(qiáng)度高，完整性好。根據(jù)已施工樁基巖芯強(qiáng)度檢測(cè)報(bào)告顯示，基巖石軸向飽和抗壓強(qiáng)度達(dá)80 MPa～166 MPa。

2.2 鉆孔樁簡(jiǎn)介

本工程大直徑鉆孔樁主要有Φ2.0 m和Φ2.5 m兩種。Φ2.0 m樁樁長(zhǎng)26 m，嵌巖深度8 m，基巖為弱風(fēng)化花崗片麻巖，飽和抗壓強(qiáng)度80 MPa～105 MPa，樁長(zhǎng)18 m～19.5 m處有石英巖夾層；Φ2.5 m樁樁長(zhǎng)17 m，嵌巖深度6 m，基巖為弱風(fēng)化花崗片麻巖，飽和抗壓強(qiáng)度90 MPa～166 MPa；

3 施工方案比選

連續(xù)梁鉆孔樁樁身穿過(guò)的地層主要為粉質(zhì)黏土、片麻巖、花崗片麻巖等。樁底進(jìn)入強(qiáng)度較高的弱風(fēng)化片麻巖及弱風(fēng)化花崗片麻巖層，計(jì)劃采用旋挖鉆機(jī)成孔、沖擊鉆機(jī)成孔的施工方案。施工中針對(duì)Φ2.0 m樁沖擊鉆施工，Φ2.5 m樁420型旋挖鉆施工和Φ2.5 m樁550型旋挖鉆施工三種工藝進(jìn)行了試驗(yàn)。

3.1 沖擊鉆機(jī)成孔

沖擊鉆機(jī)采用電力提供動(dòng)力，設(shè)備租金低廉，成本單價(jià)較低。所成孔壁較堅(jiān)實(shí)、穩(wěn)定，坍孔少，設(shè)備要求場(chǎng)地面積小，受施工場(chǎng)地限制少。

大樁徑施工時(shí)，接觸面大，沖擊壓強(qiáng)小，巖石破碎效率低；孔內(nèi)泥漿流速慢，排渣粒徑小、需要將孔底鉆渣反復(fù)破碎成小塊后排出，排渣效率低；巖石強(qiáng)度以及斜巖、強(qiáng)度不均等不良地質(zhì)對(duì)工效影響大，工效不穩(wěn)定，工期可控性不強(qiáng)。

3.2 旋挖鉆成孔

旋挖鉆機(jī)采用柴油提供動(dòng)力，施工中需配備挖機(jī)、吊車等輔助設(shè)備。大型旋挖鉆市場(chǎng)租金高，在硬巖中鉆進(jìn)時(shí)能耗高，鉆具損耗大。使用旋挖鉆施工成本較高。

通過(guò)使用不同鉆具適應(yīng)不同地質(zhì)，旋挖鉆適用范圍較廣。軟巖層使用截齒鉆頭可以順利鉆進(jìn)，遇硬巖時(shí)需更換成牙輪鉆頭。效率穩(wěn)定，工效與巖層強(qiáng)度相關(guān)，可通過(guò)調(diào)整鉆具適應(yīng)不同地質(zhì)，工期易掌控。

3.3 方案對(duì)比

（1）工期對(duì)比

三種工藝的“時(shí)間—鉆孔深度曲線”見圖1。

圖1 三種工藝的時(shí)間—鉆孔深度曲線

由圖1可以看到，使用錘重8.3 t的沖擊鉆施工Φ2.0 m的鉆孔樁，鉆至24.4 m時(shí)耗時(shí)770 h。使用420型旋挖鉆施工Φ2.5 m的鉆孔樁，鉆至24.5 m孔深，耗時(shí)266 h；使用550型旋挖鉆施工Φ2.5 m的鉆孔樁，鉆至24.4 m孔深，耗時(shí)86.7 h。550型旋挖鉆施工效率是沖擊鉆的9倍。

（2）經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

三種工藝經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比如表1所示。

表1經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比表

由表1可以看出，沖擊鉆施工單價(jià)最低，旋挖鉆施工550型相對(duì)420型旋挖鉆每米單價(jià)節(jié)約4529.9元。

綜合工期要求和經(jīng)濟(jì)效益考慮，Φ2.5m樁采用550型旋挖鉆施工。

4 施工工藝

4.1 鉆具

在土層及全風(fēng)化層鉆進(jìn)時(shí)，選用帶截齒鉆頭的鉆斗（見圖2），破碎、取土同時(shí)進(jìn)行，提高工作效率。

在強(qiáng)風(fēng)化巖層中鉆進(jìn)時(shí)，選用安裝牙輪鉆頭的多級(jí)桶鉆（見圖3），多級(jí)桶鉆直徑組合為Φ1.5 m+Φ2.0 m，可實(shí)現(xiàn)Φ2.0 m孔一次成孔。

在弱風(fēng)化層中鉆進(jìn)時(shí)，使用牙輪筒鉆。Φ1.5 m孔施工時(shí)，宜采用長(zhǎng)鉆頭（鉆頭長(zhǎng)度2.0 m～2.5 m），有利于折斷巖芯及擴(kuò)孔時(shí)導(dǎo)向定位。

圖3 多級(jí)筒鉆

4.2 分級(jí)擴(kuò)孔工藝

基巖強(qiáng)度120 MPa以下時(shí)，使用420型旋挖鉆施工，可采用4級(jí)擴(kuò)孔工藝。擴(kuò)孔直徑組合為Φ1.0 m，Φ1.5 m，Φ2.0 m，Φ2.5 m。

Φ2.5 m樁基巖強(qiáng)度166 Mpa，基巖整體性好。使用420型旋挖鉆施工時(shí)，由于扭矩、鉆桿強(qiáng)度等原因，無(wú)法產(chǎn)生足夠的側(cè)壓力破碎巖石。需要采用6級(jí)擴(kuò)孔工藝較小巖壁厚度。擴(kuò)孔直徑組合為Φ1.0m，Φ1.5m，Φ1.8m，Φ2.0m，Φ2.2m，Φ2.5m。

采用550型旋挖鉆施工，可選用較少的擴(kuò)孔級(jí)別，直徑組合為 1.5 m，2.0 m，2.5 m。

4.3 破巖工藝

牙輪桶鉆施工原理是利用鉆頭磨、壓在巖石周圍形成環(huán)形槽，然后將環(huán)槽內(nèi)巖石折斷取出。因此選用合理的破巖工藝，對(duì)牙輪桶鉆的施工功效影響巨大。

1級(jí)鉆孔時(shí)，桶鉆內(nèi)形成整體巖芯，宜盡量維持巖芯整體性，然后折斷取出。因此采用長(zhǎng)鉆頭，在鉆頭根部加裝破巖楔塊。這樣一方面可增加巖芯臨空長(zhǎng)度，降低破巖時(shí)鉆桿扭矩，另一方面可增加巖芯長(zhǎng)度，減少取芯次數(shù)。

擴(kuò)孔時(shí)，由于巖芯成環(huán)形，無(wú)法取出整體巖芯，因此破巖楔塊應(yīng)安裝在鉆頭端部。這樣形成的巖石碎塊體積小，有利于撈渣斗清渣。破巖楔塊如圖4所示。

圖4 端部破巖楔塊

4.4 定位導(dǎo)向工藝

分級(jí)擴(kuò)孔時(shí)，不可避免要在已成型的大直徑孔底進(jìn)行小直徑孔的鉆進(jìn)作業(yè)。此時(shí)孔底基巖突兀、鉆桿伸出較長(zhǎng)、鉆頭無(wú)孔壁約束，容易產(chǎn)生鉆頭擺動(dòng)而不能順利入巖，并容易損壞鉆具。此時(shí)需要使用定位導(dǎo)向裝置。

本工程中使用的定位導(dǎo)向裝置有兩種，一是利用Φ1.5 m孔導(dǎo)向，進(jìn)行Φ2.0 m孔的鉆進(jìn)，二是利用Φ2.0 m孔導(dǎo)向，進(jìn)行Φ1.5 m孔鉆進(jìn)。Φ2.5 m孔依靠自身孔壁進(jìn)行導(dǎo)向。導(dǎo)向裝置見圖5和圖6。

圖5 Φ2.0 m孔導(dǎo)向鉆頭

圖6 Φ1.5 m孔導(dǎo)向鉆頭

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）大型旋挖鉆與沖擊鉆相比，施工費(fèi)用較高，但可以極大縮短施工周期，在工期緊張的情況下，可以使用大型旋挖鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔樁施工，以滿足工期要求。

（2）旋挖鉆在硬巖地層中施工時(shí)，可采用分級(jí)擴(kuò)孔工藝實(shí)現(xiàn)大樁徑鉆孔樁的成孔。應(yīng)根據(jù)設(shè)備功率、基巖強(qiáng)度和基巖完整性選擇合理的擴(kuò)孔直徑組合。

（3）旋挖鉆鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)靈活選用不同的鉆具以使用不同的巖層。土層和極軟巖宜采用截齒鉆斗施工，軟巖和硬巖宜使用筒鉆，硬巖中鉆進(jìn)時(shí)宜采用牙輪桶鉆施工。

（4）破巖工藝是影響硬巖鉆孔效率的重要因素。整體取芯時(shí)，宜采用長(zhǎng)鉆頭，高位楔塊破巖，保證巖石整體性；擴(kuò)孔施工時(shí)，宜采用低位楔塊，增加巖石破碎程度。