高邊坡上大直徑嵌巖鉆孔灌注樁施工技術(shù)

繆紹勇

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002

旋挖鉆孔工藝是一種先進(jìn)的鉆孔灌注樁施工技術(shù)，具有施工速度快、適用范圍大、設(shè)備操作靈活等優(yōu)點(diǎn)。近年來，采用旋挖工藝進(jìn)行鉆孔灌注樁的施工被廣泛應(yīng)用于全國各地。隨著工程裝備制造技術(shù)的進(jìn)步，旋挖鉆孔樁機(jī)的施工能力得到了極大的提高，向著大直徑、超深、嵌巖的方向發(fā)展，可施工的樁徑已超過3 m，樁深超過100 m，其適用的土層也從各類軟土擴(kuò)展到微風(fēng)化硬巖。

在中山大學(xué)深圳校區(qū)建設(shè)工程項(xiàng)目中，綜合服務(wù)大樓基坑采用直徑2.5 m的大直徑嵌巖樁作為支護(hù)樁。由于施工作業(yè)面位于山體高邊坡的一處臺階平臺上，一面是30 m高的山體，另一面距離現(xiàn)狀地面有21 m的高差，最小寬度僅10 m，場地條件復(fù)雜，與常規(guī)地面施工相比，施工難度大。

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)概況

支護(hù)樁設(shè)計(jì)樁徑為2 500 mm，間距3 500 mm，樁底進(jìn)入中風(fēng)化花崗巖不小于6 m或者嵌固深度30 m（總長度約46 m），樁頂標(biāo)高＋52.0 m，數(shù)量44根，采用水下C30混凝土澆筑，支護(hù)樁縱向主筋采用60φ32 mm，加強(qiáng)箍筋采用φ20 mm@2 000 mm，加強(qiáng)筋（三角筋）采用φ20 mm@2 000 mm，螺旋筋（箍筋）采用φ12 mm@120 mm，保護(hù)層厚度為70 mm（圖1）。

圖1 設(shè)計(jì)概況示意

1.2 地質(zhì)、水文概況

由于是在山體上施工，支護(hù)樁施工主要涉及的土層為全風(fēng)化混合花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖（土狀）、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖（塊狀）、中風(fēng)化混合花崗巖。典型地質(zhì)剖面見圖2。涉及主要地下水為基巖裂隙水，主要賦存于強(qiáng)風(fēng)化帶及基巖裂隙中，其含水量、透水性、滲流主要受地層風(fēng)化裂隙的發(fā)育情況控制。地下水主要受上層孔隙水、上游裂隙水側(cè)向徑流補(bǔ)給，基巖出露處則直接接受大氣降水補(bǔ)給；通過蒸發(fā)、向低洼處滲流等方式排泄。地下水位在38.73～44.93 m。

1.3 場地概況

場地北側(cè)為三級邊坡，支護(hù)形式為格構(gòu)梁＋錨桿（索），東、西兩側(cè)分別為二級、一級邊坡（圖3）。施工自上而下進(jìn)行，先施工三級邊坡，范圍為標(biāo)高52～82 m，然后再約52 m的標(biāo)高處進(jìn)行φ2.5 m支護(hù)樁施工，而后向下施工至場平平臺標(biāo)高36.3 m，而后進(jìn)行基坑圍護(hù)樁施工，最后進(jìn)行基坑支護(hù)和開挖至標(biāo)高20.5 m。

圖3 場地概況平面示意

φ2.5 m支護(hù)樁樁頂標(biāo)高約52 m，山腳下路面標(biāo)高約31 m，施工平臺處原狀山體邊線至支護(hù)樁側(cè)最小距離近10 m。

2 施工方案比選

根據(jù)常規(guī)做法和當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗(yàn)，可以采用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔、泥漿護(hù)壁旋挖機(jī)成孔、鋼套筒旋挖鉆機(jī)成孔和人工挖孔的方法進(jìn)行成孔。對幾種施工方案進(jìn)行梳理，其對比情況如下（表1）：

經(jīng)過對比，結(jié)合工程實(shí)際情況，最終確定支護(hù)樁采用泥漿護(hù)壁旋挖工藝成孔。

3 施工難點(diǎn)及應(yīng)對措施

3.1 樁徑大，成孔深，入巖厚

3.1.1 特點(diǎn)、難點(diǎn)分析

支護(hù)樁樁徑為2.5 m，屬于大直徑樁。設(shè)計(jì)深度為入坑底中風(fēng)化6 m或者嵌固30 m。根據(jù)樁頂標(biāo)高52 m和基坑底標(biāo)高20.5 m，推算支護(hù)樁底標(biāo)高為－14.5～－9.5 m，成孔深度最大超過60 m。根據(jù)超前鉆勘察報(bào)告，施工區(qū)域東側(cè)揭示巖面標(biāo)高為30.4 m，因此其最大入巖深度16 m。樁徑大、成孔深、入巖厚，且不排除涉及微風(fēng)化巖層施工，這樣的旋挖鉆孔灌注樁施工難度大，成孔周期長，對旋挖設(shè)備的性能要求非常高。

表1 施工方案對比

3.1.2 應(yīng)對措施

1）為適應(yīng)樁徑大、成孔深和入巖厚的特點(diǎn)，使用先進(jìn)的大型旋挖樁機(jī)寶峨BG46F型及中車550型旋挖機(jī)進(jìn)行成孔施工。

2）為確保良好的護(hù)壁效果，在施工前進(jìn)行護(hù)壁泥漿材料的試配及室內(nèi)性能試驗(yàn)，施工過程中動態(tài)監(jiān)控泥漿護(hù)壁情況，實(shí)時(shí)調(diào)控泥漿配比，保證孔壁的穩(wěn)定性。

3）考慮到土層中粉砂含量較高，采取改變振動篩篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)、除砂機(jī)、增設(shè)旋流器分離等措施，提高較大顆粒泥沙、垃圾和細(xì)微砂粒的分離效率，以確保泥漿質(zhì)量。

3.2 場地狹小、高差大

3.2.1 特點(diǎn)、難點(diǎn)分析

支護(hù)樁作業(yè)平臺標(biāo)高約52 m，地面標(biāo)高約31 m，高差較大，大型旋挖機(jī)、吊機(jī)等設(shè)備就位需要爬坡，存在較大的困難；作業(yè)平臺原狀山體土最窄處寬度僅10 m，難以滿足設(shè)備作業(yè)和布置泥漿循環(huán)系統(tǒng)的場地要求；大型旋挖樁機(jī)自重大，在高邊坡上作業(yè)和行走存在極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.2 應(yīng)對措施

1）施工道路爬坡段寬不小于8 m，道路采用厚30 cm的C30混凝土進(jìn)行硬化，坡度不大于1∶6，確保滿足施工設(shè)備交通需求；在52 m平臺四周填土，形成寬約30 m的平臺，確保滿足設(shè)備站位和泥漿箱放置空間的要求。利用邊坡計(jì)算軟件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析、驗(yàn)算，確保邊坡在施工荷載滿荷情況下的安全、穩(wěn)定（圖4）。

圖4 臨時(shí)道路及作業(yè)平臺布置剖面示意

2）在回填區(qū)域打設(shè)2排直徑32 mm的錨桿，打入角度45°，錨桿長度為12 m，間距4 m，增加回填區(qū)域的抗滑移能力。

3）對平臺處臨時(shí)道路區(qū)域采用厚30 cm的C30鋼筋混凝土硬化，配置φ18 mm@300 mm雙向鋼筋，提高施工平臺的地基承載力。

4）由于回填后土方地基承載力較低，而施工機(jī)械荷載達(dá)到230 t，為避免局部地面沉陷，在支護(hù)樁施工設(shè)備的施工范圍內(nèi)鋪設(shè)路基箱分散壓力。

5）加強(qiáng)現(xiàn)場施工管理，避免旋挖機(jī)等大型超重設(shè)備停留在填方區(qū)域。

6）對臨時(shí)邊坡采取掛網(wǎng)噴射混凝土進(jìn)行坡面封閉處理，同時(shí)設(shè)置擋水墻、排水溝，確保施工期間雨水不滲透至填方區(qū)。

7）加強(qiáng)施工監(jiān)測，在臨時(shí)邊坡周邊按20～30 m的間距布置1個(gè)水平、豎向位移監(jiān)測點(diǎn)，同時(shí)加強(qiáng)邊坡監(jiān)測和日常巡檢。

4 施工方案

4.1 施工工藝流程

清理場地→測量放樣→埋設(shè)護(hù)筒→鉆機(jī)就位→鉆孔→檢孔→清孔→鋼筋籠吊裝→安放導(dǎo)管→檢查孔底沉淀（二次清孔）→灌注水下混凝土→覆蓋護(hù)筒→打下一個(gè)樁

4.2 施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

4.2.1 泥漿制備與控制

因鉆機(jī)施工中泥漿有防止孔壁坍塌、抑制地下水、懸浮鉆渣等作用，為此，泥漿是保證孔壁穩(wěn)定的重要因素。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，泥漿主要指標(biāo)見表2。

表2 泥漿主要指標(biāo)

為滿足成孔要求，如部分區(qū)域施工，自然造漿無法滿足施工需要時(shí)，可選用優(yōu)質(zhì)膨潤土人工造漿，新造泥漿需靜置膨脹24 h以上方可使用。施工過程中需根據(jù)實(shí)測泥漿指標(biāo)及時(shí)抽除廢漿，補(bǔ)充新漿。

施工過程中隨時(shí)檢測清孔后灌注混凝土?xí)r泥漿的各項(xiàng)性能指標(biāo)，確保泥漿對孔壁的撐護(hù)作用，避免發(fā)生坍孔現(xiàn)象。同時(shí)，考慮到護(hù)壁泥漿有可能在土層中向邊坡滑動面滲漏，導(dǎo)致邊坡的抗滑力減小而產(chǎn)生安全隱患。在成孔過程中額外采用地質(zhì)雷達(dá)探測儀對邊坡滑動面進(jìn)行掃描，探測地下水位是否存在非正常上升的情況，提前預(yù)判風(fēng)險(xiǎn)。

4.2.2 成孔控制

1）在鋼護(hù)筒埋設(shè)以及鉆頭對中復(fù)核后，旋挖鉆機(jī)開始鉆進(jìn)。

2）根據(jù)地質(zhì)柱狀圖掌握鉆進(jìn)標(biāo)高判斷，當(dāng)鉆進(jìn)松軟粉細(xì)砂層時(shí)鉆頭應(yīng)堅(jiān)持“三慢”原則，即轉(zhuǎn)速慢、提鉆慢、放鉆慢。通過上述措施為孔壁泥皮形成創(chuàng)造有利條件，當(dāng)鉆進(jìn)礫巖層出現(xiàn)打滑不進(jìn)齒的情況時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換鉆頭或改變操作方式，應(yīng)放慢鉆進(jìn)速度，且密切關(guān)注泥漿液位。

3）鉆孔過程中隨時(shí)注意地層變化，在土層變化處撈取鉆渣，判斷土層，記錄成孔過程并與地質(zhì)柱狀圖進(jìn)行核對。操作人員必須認(rèn)真貫徹執(zhí)行崗位責(zé)任制，隨時(shí)填寫成孔施工記錄，交接班時(shí)應(yīng)詳細(xì)交代本班鉆進(jìn)情況及下一班需注意的事項(xiàng)。

4）當(dāng)鉆孔進(jìn)至巖層時(shí)，由于樁直徑較大，采取更換鉆頭分次進(jìn)行套鉆的方式，并根據(jù)巖層強(qiáng)度分3次進(jìn)行成孔（圖5）。

圖5 巖層更換鉆頭示意

4.2.3 水下混凝土澆筑

1）灌注樁應(yīng)采用預(yù)制混凝土，灌注前做好混凝土質(zhì)量驗(yàn)收及坍落度測試等相關(guān)工作。

2）混凝土采用導(dǎo)管法水下澆灌，采用內(nèi)徑為32.5 cm的導(dǎo)管，中間節(jié)等長，每節(jié)2～3 m，配2～3節(jié)1.0～1.5 m的短管，底節(jié)長度4 m。鋼導(dǎo)管內(nèi)壁光滑、圓順，內(nèi)徑一致，接口嚴(yán)密。導(dǎo)管長度按孔深和工作平臺高度決定。導(dǎo)管接頭采用螺旋絲扣型接頭，設(shè)防松裝置，導(dǎo)管使用前必須進(jìn)行水密性試驗(yàn)，檢驗(yàn)導(dǎo)管密封性能。導(dǎo)管安裝后底口距離孔底0.5～0.8 m為宜。

3）初灌注時(shí)，先在導(dǎo)管中安放球膽隔水栓，隔水栓置于導(dǎo)管內(nèi)泥漿面，初灌斗與導(dǎo)管連接處用錐形隔水盤封閉，混凝土倒入初灌斗后，拿出隔水盤，保證導(dǎo)管埋入混凝土面超過0.8 m，孔口大量返出泥漿，說明初灌成功，初灌量應(yīng)達(dá)到埋管1.5 m深度，以后工序進(jìn)行連續(xù)灌注作業(yè)，經(jīng)計(jì)算本工程初灌量不少于10 m3。

4）混凝土灌注過程中須連續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)管埋入混凝土深度控制在2～6 m，嚴(yán)禁將導(dǎo)管提出混凝土灌注面，最后一次灌注量宜超灌0.8～1.0 m。

4.3 主要質(zhì)量問題預(yù)防措施

4.3.1 孔斜預(yù)防措施

1）鉆具要保持垂直度、剛度、同心度，鉆頭須具有保徑裝置，鉆機(jī)就位必須準(zhǔn)確平穩(wěn)，確保機(jī)座處在穩(wěn)固的地坪上。開鉆前，為防止鉆孔傾斜，首先鉆機(jī)在軌上移行就位后，調(diào)整鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤的水平位置，保持鉆塔天車轉(zhuǎn)盤中心、樁孔中心在同一鉛垂線上。

2）由于鉆孔深度較深，開孔時(shí)大鉤必須吊緊，保持泥漿泵量、輕壓慢轉(zhuǎn)，鉆頭在吊緊狀態(tài)下鉆進(jìn)，確保開孔垂直度。

3）樁基成孔深度較大，施工過程中，定期利用水平管或水準(zhǔn)儀校核轉(zhuǎn)盤、鉆機(jī)水平，發(fā)現(xiàn)鉆機(jī)傾斜時(shí)及時(shí)采取糾正措施。

4.3.2 防止坍孔措施

樁基施工過程中一旦發(fā)生坍孔，輕則影響成孔進(jìn)度，嚴(yán)重時(shí)直接影響工程質(zhì)量和整個(gè)工程的進(jìn)度，給工程帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。施工時(shí)采取如下措施防止坍孔：

1）為防止相鄰孔施工過程中的泥漿串孔，需合理安排施工順序，采用跳打施工，跳孔間距按2根樁控制，確保相鄰樁施工間距4倍樁徑以上或間隔36 h以上。

2）按照既定的泥漿參數(shù)，配置漿液，同時(shí)施工過程中做好泥漿比重測試和記錄，對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和分析，確保不坍孔。

3）在不同的地層采用合理的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)壓，進(jìn)入巖層時(shí)，適當(dāng)減小鉆速，減少由此對孔壁穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。

4）為防止因水頭壓力不足而導(dǎo)致的孔壁失穩(wěn)坍塌，施工過程中應(yīng)控制筒內(nèi)水頭不低于地表。

4.3.3 頸縮和糊鉆的預(yù)防措施

在鉆進(jìn)時(shí)，易發(fā)生頸縮、糊鉆現(xiàn)象，為保證鉆頭的有效直徑滿足設(shè)計(jì)要求，采取以下預(yù)防措施：

1）改進(jìn)鉆頭結(jié)構(gòu)：調(diào)整刀具的角度、高度，提高鉆頭的切削、排渣能力，從而提高鉆進(jìn)效率，縮短成孔周期。

2）根據(jù)現(xiàn)場施工總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，在保證孔壁穩(wěn)定的前提下，在易糊鉆的地層鉆進(jìn)時(shí)，調(diào)整泥漿性能、鉆進(jìn)參數(shù)等以減少糊鉆。

3）改進(jìn)鉆進(jìn)操作方法，可以采取每鉆完一根鉆桿，上下串拉和重新掃孔的方式防止縮徑。

4）在易頸縮的地層中鉆進(jìn)時(shí)，可適當(dāng)提高水頭高度以及增大泥漿的黏度和相對密度的方法來增加泥漿對孔壁的壓力，減少頸縮。

5 施工效果

施工期間為雨季（6～8月份），是高邊坡施工的高風(fēng)險(xiǎn)期，通過對臨時(shí)平臺采取面層硬化封閉、砌臨時(shí)擋水墻、設(shè)置排水溝等有效的截排水措施，除了對臨時(shí)平臺周邊進(jìn)行常規(guī)的沉降、水平位移監(jiān)測，還采用地質(zhì)雷達(dá)探測儀對平臺內(nèi)部地下水位情況進(jìn)行探測。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：邊坡區(qū)域最大累計(jì)水平位移3.0 mm，最大累計(jì)豎向位移1.7 mm，采用大型設(shè)備泥漿護(hù)壁成孔工藝施工對邊坡安全未產(chǎn)生影響。

大直徑支護(hù)樁采用大型設(shè)備和旋挖鉆孔工藝，平均工效達(dá)到1.5根/d。支護(hù)樁成孔過程中需穿越全風(fēng)化土狀、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化花崗巖等多類地層，過程中嚴(yán)格控制護(hù)壁泥漿的比重、黏度等指標(biāo)，在確保孔壁安全的同時(shí)，亦保證避免泥漿離析，使泥漿水分通過護(hù)壁滲透至臨時(shí)施工平臺內(nèi)而產(chǎn)生安全隱患，采用成熟的泥漿成孔、水下混凝土灌注工藝，樁身檢測質(zhì)量均符合設(shè)計(jì)、規(guī)范要求[1-2]。在基坑開挖后對支護(hù)樁進(jìn)行外觀檢查，整體樁位偏差、垂直度均滿足要求，也未存在坍孔、頸縮等質(zhì)量缺陷。

通過對支護(hù)樁施工安全、質(zhì)量、工期等方面的綜合分析，施工成果達(dá)到預(yù)期效果，本工程高邊坡場地條線下采用大型設(shè)備泥漿護(hù)壁旋挖成孔工藝為最優(yōu)方案。

6 結(jié)語

大直徑嵌巖樁的施工方案，往往需要經(jīng)過設(shè)計(jì)、工況、工期、造價(jià)等方面綜合考慮、對比，最終達(dá)到安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理的目的[3-5]。同時(shí)本文結(jié)合工程實(shí)踐，對場地環(huán)境復(fù)雜、施工條件有限的高邊坡，采用泥漿護(hù)壁旋挖成孔工藝，成功地應(yīng)用大型旋挖鉆孔樁機(jī)施工大直徑嵌巖樁，對高邊坡場地處理方案、旋挖鉆孔工藝質(zhì)量控制和常見問題預(yù)防等方面進(jìn)行了闡述，進(jìn)一步拓展了旋挖鉆孔工藝的適用范圍，為今后類似工程提供了技術(shù)手段和參考資料。