復雜地質條件下的內河高樁碼頭嵌巖灌注樁成孔施工技術

陳火見 黃 華 曹健惠 潘 君

中船第九設計研究院工程有限公司 上海 200063

在我國橋梁、碼頭工程中，采用灌注樁作為基礎的情況較為普遍。目前，對灌注樁承載性狀和全過程施工進行研究的論文較多，對灌注樁成孔方面的研究，多為技術、質量控制方面，而對于復雜地質情況下的嵌巖灌注樁成孔施工，就不多見了。

本文將闡述某內河碼頭工程在復雜地質情況下嵌巖深度達5 m的灌注樁成孔施工，以期為今后類似情況碼頭施工建設提供經驗借鑒。

1 工程概述

某內河碼頭總長362 m，寬30 m，采用高樁梁板式結構。碼頭排架間距7.0 m，每個排架下設6根φ1 000 mm鉆孔灌注嵌巖樁，樁端進入中風化巖層5 m，樁基隨巖基面起伏，樁長26.2～36.2 m。樁基外套鋼護筒到樁頂，下端進入中風化巖0.5 m。

碼頭后方共設3座引橋，分別位于碼頭的兩端和中間位置。3座引橋靠碼頭側一跨為高樁墩臺結構，下設2排φ800 mm鉆孔灌注樁，樁底進入中風化巖面5 m。樁基外套鋼護筒到樁頂，下端進入中風化巖0.5 m。引橋靠岸側采用直立式低樁承臺結構，順防汛大堤岸線布置。承臺結構采用L形擋墻，下設2排φ800 mm鉆孔灌注樁，樁底進入中風化巖面5 m。樁基外套鋼護筒到樁頂，下端進入中風化巖0.5 m。

防洪堤位于碼頭后方，與碼頭走向一致，采用直立式護岸結構，為L形鋼筋混凝土擋墻。擋墻底板下布置2排φ800 mm鉆孔灌注樁，樁基底進入卵石層3 m。

2 復雜工程地質情況及成因分析

2.1 地形地貌

從工程大區域來看，區內地形平坦，地勢南高、北低，下游位于海積平原，上游大部位于河谷平原區和山前傾斜平原區。河谷平原地勢平坦，由上游向下游略微傾斜，其橫向寬度變化大，山前傾斜平原由丘陵區向河谷傾斜，由洪積扇和坡積群組成，在山前溝口斷續分布。

從工程小區域來看，工程水域寬約250 m，河床由于采砂等人類活動，航道水域深度不一，底高程在-6.0～1.0 m之間，碼頭停泊水域底高程為1.0～4.0 m。碼頭近岸陸域為作為臨時碼頭使用的不規則河漫灘地。

2.2 地基土構成

根據鉆探揭露，按地基土時代成因、物理力學性質特征，將場地地基土自上而下依次分為以下5個主要層：

1）人工填土層：素填土（Qml）。

2）第1大層（河床河漫灘相沉積層Q4al）：①1砂混淤泥、①2淤泥質黏土。

3）第2大層（河床河漫灘相沉積層Q4al）：②1圓礫、②2粉土、②3淤泥質黏土、②4粉質黏土。

4）第3大層（沖洪積層Q3al+dl）：③1卵石混砂、③2砂混卵石、③3卵石。

5）第4大層（晚侏羅紀基巖J3）：④1強風化凝灰巖、④2中風化凝灰巖。

2.3 復雜地質情況

本工程地質情況的復雜性主要體現在第3大層和第4大層。第3大層最為復雜，從上到下主要由砂混卵石、卵石混砂和卵石構成，土質不均勻、卵石徑大小不一、分層厚度變化大。

造成第3大層地質復雜的主要原因是該段河道為較早時期的采砂河段。河砂采走后，為了保持河岸的穩定，人工隨意回填了大量大小不一的卵石，之后經過若干年的河床淤積，導致了目前的砂混卵石層、卵石混砂層和卵石層的復雜地質情況。

第4大層的地質復雜性主要體現在巖面起伏變化大、巖石強度變化大，給判定中風化巖面造成了一定的困難。造成復雜地質的原因是該區域處于剝蝕丘陵區，地形起伏大，風化巖風化程度不一。

3 筑島平臺及成孔施工流程

3.1 筑島平臺

本碼頭工程的嵌巖灌注樁，除少量可以進行陸上施工外，其余大部分樁基均處于水上。因此，必須有一個用于灌注樁成孔施工的機械作業平臺，該平臺必須高出水面，形成一個干作業的施工環境[1]。

原計劃搭設鋼平臺，該鋼平臺必須滿足具備移動荷載為55 t履帶起重機（臂長22 m）、6 m3混凝土攪拌車（25 t）、25 t汽車、沖擊鉆機（13 t）配3 t沖錘、回旋鉆機（10 t）及常規施工機具等的施工需要，并滿足周轉材料堆載。因此，鋼平臺采用鋼管樁、H型鋼和321型鋼梁結構。搭設鋼平臺時，鋼管樁需采用起重船進行水上沉樁，拔除鋼平臺鋼管樁時采用浮吊配合振動錘進行。但該內河水域在附近下游橋梁限高的情況下，起重船和浮吊無法到達施工現場。受此情況限制，作業平臺方案改為筑島平臺。

筑島平臺（圖1）前沿超出碼頭前沿線3 m，兩端超出碼頭平臺輪廓2 m。臨水面鋼板樁支擋，以形成直立面，減少土方量，也減少對過洪斷面的影響。鋼板樁內填塘渣，上下游兩端分別延伸10 m，以便筑島端部放坡。筑島主體回填塘渣及碎石土，標高超出河道常年平均水位1 m。駐島平臺形成后，可保證未發洪水的情況下，灌注樁成孔處于一個干作業的施工環境，使水上作業變成了陸地干作業，改善了作業環境，施工質量也可得到更好的保障。

圖 筑島平臺示意

3.2 成孔施工流程

本工程的嵌巖灌注樁與常規的灌注樁成孔工藝有所不同。在常規的成孔工藝中，鋼護筒在混凝土澆筑后還需拔除[2]。在本工程中，嵌巖灌注樁設計有鋼護筒全護壁，護筒從樁頂一直至中風化巖面下50 cm。鋼護筒在灌注樁成孔后將作為樁體的一部分，不予拔出。

因此，嵌巖灌注樁成孔施工流程也和常規的灌注樁成孔施工流程不一樣，在成孔過程中鋼護筒沉設需及時跟進，以防坍孔或頸縮。具體成孔施工流程為：樁位放樣→沉設第1節鋼護筒→第1、第2大層成孔→焊接第2節鋼護筒→第3大層成孔、沉設鋼護筒→焊接第3節鋼護筒→強風化巖成孔、沉設鋼護筒→判別中風化巖層→嵌巖5 m成孔。

4 成孔試樁比選

4.1 試樁理由

本工程的嵌巖灌注樁成孔時需穿過土質不均勻、卵石粒徑大小不一、分層厚度變化大的第3大層，極易坍孔埋鉆，施工難度較大。碼頭及引橋全部采用嵌巖灌注樁作為樁基，嵌巖灌注樁基嵌入中風化巖面不小于5 m，成孔機械鉆頭在進入中風化巖層后成孔困難。鑒于上述情況，為了找到適合該地質情況的嵌巖灌注樁成孔施工工藝及機械設備，提高成孔施工效率，成孔試樁勢在必行[3]。

4.2 成孔試樁

本工程共采用了3種機械進行成孔試樁，即沖擊鉆機械、回旋鉆機械及旋挖鉆機械。成孔的方式有2種：第1種，回旋鉆+沖擊鉆成孔；第2種，旋挖鉆成孔。

4.2.1 回旋鉆+沖擊鉆成孔

灌注樁的鋼護筒分節制造，采用鉆打結合、振動沉設的方法施工，相當于引孔后沉設。成孔工藝將采用鉆沖結合，即離散土層采用回旋鉆成孔；進入強風化巖層后，則換沖擊鉆嵌巖成孔，無護筒段成孔均采用泥漿護壁。

采用回旋鉆加沖擊鉆產生的主要問題如下：

1）成孔時間長，特別是沖擊成孔，一根樁成孔完成大約需3 d。造成成孔時間長的主要原因是清渣和坍孔處理。

2）環境污染嚴重，因成孔過程中采用泥漿護壁，且沖孔過程中噪聲比較大，故對環境影響嚴重。

3）充裕系數大，在強風化巖層中成孔，護壁的泥漿流失嚴重，很容易產生坍孔，充裕系數最高達到2.0。

4）機械移動緩慢，沖擊鉆機和回旋鉆機靠的是滾軸移動，動作緩慢且移動不便。

4.2.2 旋挖鉆成孔

從地面開始一直至完成5 m嵌巖，全部采用旋挖鉆成孔。為了適應高出地面的鋼護筒，鉆桿需比正常的短5 m左右，以便于鉆頭抬出護筒棄泥土。

旋挖鉆機為履帶式，移動方便，成孔施工過程中噪聲小，無泥漿護壁，環境影響小。

4.3 比選

通過成孔試樁，從效率、費用、環保等方面進行比較（表1）[4-7]，以便確定經濟、合理、適用的成孔施工機械。

表1 成孔比選

從表1可以看出，采用旋挖鉆進行成孔，雖然在綜合單價上比回旋鉆加沖擊鉆成孔要貴一些，但縮短了施工時間，且過程中不易坍孔，同時更環保。

5 完善旋挖鉆機成孔施工

旋挖鉆能在強、中風化巖層中成孔，主要是依靠加大壓力將鉆頭截齒壓入巖石，在強大的動力頭輸出扭矩的作用下，使巖石產生剪切破碎。旋挖鉆機在施工過程中，通過動力頭的旋轉驅動鉆桿，帶動鉆具旋轉，在加壓載荷與旋轉扭矩的作用下，鉆具與巖石的接觸面之間就會產生剪切力，實現剪切破巖 。

在使用旋挖鉆成孔過程中，也碰到了在卵石層中成孔時鋼護筒無法跟進、在進入中風化巖層后成孔效率低下、鉆具磨損嚴重等不利因素。為了克服上述不利因素，在采用旋挖鉆機成孔施工過程中，應不斷進行完善。

5.1 擴孔鉆頭擴孔

在卵石層中成孔，若鋼護筒不及時跟進，則易導致坍孔或頸縮。為了解決在卵石層中成孔時鋼護筒無法跟進的問題，在進入卵石層成孔后，將旋挖鉆機的鉆頭更換為擴孔鉆頭，采用擴孔鉆頭進行擴孔，加大孔徑，以滿足鋼護筒順利沉設的要求。

5.2 小直徑鉆頭預破巖

當成孔施工進入巖層，特別是中風化巖層后，由于土層強度的提高，摩阻力增加，故成孔效率降低。

為了克服上述困難，在旋挖鉆機進入中風化巖層后，首先將鉆頭更換為φ800 mm的嵌巖筒鉆，對孔內巖芯進行松動，增加巖層自由面，以降低其應力水平，使之有利于大直徑筒鉆的進一步鉆進，以提高其工作效率。然后將φ800 mm的嵌巖筒鉆更換為φ990 mm的嵌巖筒鉆進一步松動巖面。最后換用普通撈砂斗鉆頭入巖，破碎巖芯，同時鉆進取渣。

5.3 鉆具外壁焊保護鋼條

在進入風化巖層后，鉆具磨損開始變得越來越嚴重。為了減少磨損，除了更換小直徑的鉆頭外，還應在鉆具外壁焊保護鋼條，減少土體與鉆具的接觸面積，從而減少摩阻力，進而達到減少鉆具磨損的目的。

6 結語

在灌注樁施工中，成孔的好壞決定了整個灌注樁施工的成敗。在本工程中，在內河水域條件滿足不了船舶施工的情況下，創造性地采用了筑島平臺。通過多種機械設備的試樁成孔比選，選定了合適的施工機械及成孔方法。在旋挖成孔中，對于不同的土層，采用不同的鉆具，完善成孔施工，從而提高了成孔效率。

灌注樁的大、小應變及取芯等的檢測結果均滿足規范及設計要求。灌注樁的成功施工為保證項目工期、控制工程造價打下了堅實的基礎，得到了業主的充分肯定。