高水位下軟巖旋挖擴底樁的工程應用

彭柏興

(長沙市規劃勘測設計研究院，湖南 長沙 410007)

1 前 言

旋挖鉆孔是一種新型的灌注樁施工工藝，適用于填土、黏性土、粉土、砂土、碎石土、風化巖等地層。自20世紀80年代后期引進國內以來，旋挖鉆機以其高效、低噪、環保、成孔質量相對較高以及機械化程度高等優點得到越來越廣泛的應用[1～4]。特別是隨著旋挖擴底樁的出現，旋挖樁的應用范圍得到了更廣泛的拓展[5，6]。

工程實踐證明，旋挖鉆機在施工過程中，當鉆頭周圍側阻力大時，如果鉆頭升降速度較快，鉆頭外壁和孔壁之間的泥漿對樁壁形成沖刷，再加上鉆頭下部產生的負壓作用，易造成孔壁徑縮、坍塌，從而影響施工效率與成樁質量。因此，在松散、富水、強滲透性等類特殊地層中施工時，需要采取一定的輔助措施[7～10]。本文結合工程實例，介紹了高地下水位，富水砂、卵石下的極軟巖中采用袖閥管注漿結合旋挖擴底的組合施工工藝，旨在為旋挖擴底樁在類似條件下的應用提供參考。

2 場地工程地質條件

場地屬于瀏陽河沖積階地，地面標高 33.33 m～36.99 m。地層組成如下[11]：

①填土<1-3>：褐黃、褐灰色，松散～稍密狀，以可塑狀黏性土為主，含礫石等硬質雜物15%。層厚 0.3 m～4.7 m。

②耕土<1-4>：灰褐色，濕-很濕，可塑狀為主，含少量植物根及礫石。層厚 0.3 m～0.9 m。

③粉質黏土<2-1>：褐黃夾灰白色，硬塑狀，含黑色鐵錳質氧化物，底部含粉細砂。層厚 0.6 m～5.3 m。

④粉土<2-2>：褐黃，褐灰，濕，稍密狀，含粉細砂及云母片。孔隙比0.586～0.958、孔隙率37%～49%。層厚 0.3 m～3.8 m。

⑤粉細砂<2-3>：褐黃，很濕-飽和，稍密狀，級配一般，N=3～11擊，層厚 0.3 m～4.8 m。

⑥卵石<2-5>：褐黃，飽和，中密狀，石英質，亞圓形，磨圓度較好。卵石含量50%～60%，最大粒徑達 6 cm，一般粒徑 20 mm～30 mm，粗砂充填。動力觸探6擊～21擊，層厚 0.3 m～5.3 m。

⑦強風化泥質粉砂巖<5-1>：褐紅，泥質粉砂結構，泥質膠結，極軟巖。巖芯碎塊狀、短柱狀，頂部 20 cm為堅硬狀殘積粉質黏土。層厚 0.2 m～5.6 m。

⑧中風化泥質粉砂巖<5-2>：褐紅，粉砂泥質結構，中厚層狀構造，極軟巖。巖芯以長柱狀為主，塊狀、碎塊狀次之。該層鉆孔控制厚度 3.0 m～21.21 m。

主要巖土參數見表1，典型地質剖面見圖1。

主要巖土參數表 表1

圖1典型地質剖面圖

地下水主要為賦存于粉細砂<2-3>和卵石<2-5>中的孔隙承壓水。粉細砂的滲透系數為 5.78 m/d，卵石層滲透系數高達 51.74 m/d。勘察期間初見水頭埋深 0.80 m～6.10 m、初見水位 26.98 m～32.52 m，穩定水位 28.82 m～33.87 m。

在高速公路路基的實際施工過程中，通常會出現不同程度的高度差，又由于路基排水系統存在一定的問題，這就會導致出現雨水等外界水在路基內積存的問題，并且會隨著時間的推移，慢慢出現滲透至路基內部的問題，這就會在內部結構中和水產生某些反應，進而使公路出現軟化的現象。

3 樁基選型分析

根據地坪設計標高為36.50 m，屬大面積填方區，不適用采用天然地基或人工處理地基，故采用樁基礎。結合長沙地區經驗，在該條件下通常可采用的樁型有預應力管樁、鉆(挖/沖)孔灌注樁、CFG樁，結合場地工程地質水文地質條件及工程結構特點，上述樁型的優、缺點分析如下：

3.1 預應力管樁

承載力高、施工速度快，以強風化軟巖作為樁基持力層時，具有較大的地基潛力。不足之處是場地內廣泛分布有厚度不一的卵石<2-5>，管樁穿透該層難度大，以卵石<2-5>作為樁端持力層時，又會造成樁長控制困難，無法避免截樁、接樁及樁長不足等問題。此外，長沙地區常用錘擊法施工預應力管樁，極易造成樁頭破損和施工噪聲，而靜壓法施工在本場地地質條件下難以保證承載力能力和貫入度要求。

更重要的是，綜合基地存在上蓋物業，建筑結構存在抗震超限問題，管樁在抗震設計方面沒有優勢而被專家們否定。

3.2 人工挖孔灌注樁

屬于大直徑樁的范疇，也是長沙地區高層建筑常用的基礎型式。具有承載力高、質量易保證，經濟適用等優點。從技術經濟角度考慮，本場地的強風化及中風化泥質粉砂巖都可作為人工挖孔灌注樁的持力層。

但工程場地位于瀏陽河的沖積階地上，含水層厚度大且地下水豐富、具承壓性。人工挖孔樁施工時必須降水或止水，對周邊環境及附近居民生活用水影響很大。同時，人工挖孔施工危險性大，存在施工安全風險。

3.3 長螺旋鉆孔灌樁(CFG)

本地區多應用于人工挖孔樁施工困難、地下水豐富地段。一般以復合地基的形式出現。其特點是不受地下水影響、施工速度較快，施工經驗較成熟。缺點是難以通長配筋，樁身的抗水平力相對較差，且難以穿過中風化巖。對本工程而言，該樁型在承載力與抗震設防兩方面均無優勢。

3.4 機械鉆(挖/沖)孔灌注樁

其優點是受地下水的影響小，但缺點也很突出，尤其在泥質粉砂巖這類黏土質軟巖中，采用該類工法易因浸水軟化而降低巖基承載力，同時在中風化巖中擴底困難，難以充分地用基巖的端阻力，同時，施工造成的泥皮效應也會降低樁側巖層對承載力的貢獻，還需考慮泥漿排放對環境的影響，工期較長。不論是采用較大直徑的樁基來提高端阻力的分擔比還是采用增加樁長來增加摩阻力的貢獻，其技術經濟分析表明均不如擴底樁有優勢。

3.5 旋挖施工直孔+人工擴底方案

圖2 高水位條件下旋挖施工塌孔現象

經綜合分析，最終采用旋挖擴底樁，直樁部分樁徑為 1 m，樁長 18.8 m～19.4 m，樁芯混凝土為C45標號進行澆筑，要求達到C40強度，樁底由 1 m擴底至 2.0 m，擴大頭要求入中風化泥質粉砂巖不小于 2.00 m，為端承樁。

4 基本原理與工程措施

4.1 基本原理

旋挖機的傘式擴底鉆頭是在普通擴底鉆頭基礎改進而成，即在鉆頭底部增加一個環形底盤，底盤下面周邊布有鉆齒，可向下鉆進；底盤上部有立柱，能通過下翼帶動底盤。擴孔鉆頭下翼鉆齒外緣與水平方向成45°(如圖3所示)。當擴底鉆頭放到孔底后，通過鉆桿向鉆頭加壓，鉆頭兩側翼臂向兩側擴張，形成擴孔。擴孔到位后，鉆頭兩側翼臂下降，通過立柱限位，帶動底盤轉動，從而向下擴底。

當設計嵌巖深度較深時，可進行分段擴孔。擴孔至整個鉆頭埋入鉆渣內時，將擴底鉆頭提出，換成平底清渣斗進行清渣(如圖4所示)，清渣完成后，換擴底鉆頭進行擴孔，重復上述工序，可完成擴孔。

圖3 旋挖擴底鉆頭

圖4平底清渣斗清渣

4.2 注漿方案比選

場地地下水位高，含水層厚度大，滲透性強，采用取土樁施工穿越含水層時，因水頭差作用容易在粉土、粉細砂地層中發生塌孔現象，難以成樁，必須采取隔水或止水固壁措施。

圖5 袖閥管注漿布置示意圖

通過綜合分析，確定采用袖閥管注漿固結粉土、粉砂及砂卵層，降低強透水層的滲透性同時增強樁孔側壁的穩定性。注漿孔深入含水層下的強風化巖 0.50 m，每孔注漿長度約為 8 m，擴散影響半徑按 0.5 m估算。袖閥管布置如圖5所示，注漿采用水泥漿，配合比采用水：水泥=1∶1。注漿完成后，在距注漿孔 40 cm處鉆探取芯以驗證效果。

共選取3根工程樁采用袖閥管不同的注漿孔數(圖5)及注漿參數(壓力、注漿量)進行試驗。結果表如表2所示，注漿量與注漿孔的數量，注漿冒漿情況及壓力關系密切。

試驗樁注漿參數與注漿量對比表 表2

4.3 旋挖成孔及擴底

旋挖鉆機采用南車TR250D型，鉆桿為機鎖桿，直挖采用 1 m直徑筒式鉆頭，擴大頭鉆頭采用傘式擴底鉆頭，擴底直徑從 1 m～2 m，行程 40 cm至擴大頭完全張開。

施工工序如下：袖閥管注漿筒→筒式鉆頭直挖→持力層確認→傘式鉆頭擴底→清渣→泥漿置換→下鋼筋籠→二次清渣→澆灌混凝土，泥漿置換時，導管距孔底 50 cm，混凝土為C45，水下連續灌注，間歇時間在 10 min～15 min。

各樁從直樁成孔到澆筑混凝土期間，孔壁未見坍塌現象，說明袖閥管加固砂層方法達到了預期效果。各試挖樁進尺、耗時、泥漿參數、砼量及總耗時如表3所示。

試驗樁的規格、時耗，泥漿參數及砼量 表3

5 試樁的靜載試驗及應用效果

當試驗樁的樁身混凝土強度達到75%以上時，對單樁豎向承載力進行樁基豎向靜載試驗。

試驗遵循《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ106-2014)[12]，采用堆載法。由型鋼梁和鋼筋混凝土條搭成堆載平臺，上面均勻堆砼預制鋼筋混凝土塊，構成加載反力系統(如圖6所示)，檢測結果匯總表如表4所示。

單樁豎向抗壓靜載試驗結果表 表4

圖6 靜載試驗示意圖

根據本次試驗結果及Q～s曲線分析(如圖7所示)，該3根樁單樁豎向抗壓承載力特征值均大于或等于設計承載力特征值 7 100 kN，滿足設計要求。

圖7 試驗樁Q-S曲線

根據試樁及靜載檢測分析，采用袖閥管加固地下松散層后，使用旋挖機械成樁的施工方案，從進度、質量、安全等各方面均能夠得到保證，同時，在工程造價方面也較增加樁數量、加大樁長改為摩擦樁等方案有大幅降低。因此，該施工方案可以用于大規模正式施工。

最終采用5孔注漿，先行注漿、再旋挖擴底方法，在工期范圍內圓滿完成了工作量，后續檢測及建筑物變形觀測結果表明該方法是成功的。

6 結 語

通過工程實踐，在高水位、富水地層中，采用袖閥管注漿+旋挖機嵌巖擴底施工工藝可行，值得類似條件下參考。

(1)通過袖閥管注漿，能有效對高水位下的粉土及粉細砂進行加固補強，并降低其滲透性，減少旋挖樁施工對樁壁穩定的影響。

(2)在保證樁孔穩定的前提下，旋挖機可達到對軟巖擴底的目的，其施工效率較傳統鉆頭高。

(3)樁基靜載試驗結果表明，通過旋挖擴底后，基樁承載力滿足要求，值得類似工程借鑒。