高地下水位干挖法成孔技術的研究與應用

尚宗柱

摘要：以興梅路（含一號溝）建設工程項目二標為工程背景，從干挖法在高地下水位條件下施工可行性理論分析入手，詳細闡述了鉆頭穿過素土層、黏土層和巖層過程中土（巖）體穩定性和抗滲性計算過程，以及具體應用時作業要領，最后介紹了高地下水位干挖法成孔技術的優勢和應用前景。

Abstract： Take Xingmei Road （including No.1 ditch） construction project No.2 bid as the engineering background， the feasibility analysis of dry excavation method in high ground water condition is introduced， the calculation process of the stability and impermeability of soil （rock） body in the process of bit passing through plain soil， clay layer and rock layer is described in detail， as well as the concrete application time work main point， at last， the advantages and application prospects of the technology of hole-forming by dry excavation at high groundwater level are introduced.

關鍵詞：干挖法;高地下水位;抗滲性能;孔壁加固;應用

Key words： dry excavation;high groundwater level;impermeability;wall reinforcement;applications

中圖分類號：TU753.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）32-0226-04

0? 引言

興梅路（含一號溝）建設工程項目二標橋梁基礎設計為鉆孔灌注樁，樁尖嵌入中風化巖深度不小于2D（D為鉆孔樁直徑），樁長范圍為25～43m，地勘報告揭示的土層依次為素填土層、粉質黏土層、強風化巖層和中風化巖層，地下水位在樁頂以下約6m處，由于地層以黏土層和巖層為主，抗滲性能好，為干挖成孔創造了實施條件，干挖法成孔相對于泥漿護壁成孔一方面能有效避免泥漿的地面漫流和地下滲入問題，有利于施工現場的環保維護，另一方面能省去現場泥漿池設施、泥漿制備和外運等相關費用，具有突出的經濟效益，干挖法成孔多在低地下水位灌注樁施工時采用，在高地下水位灌注樁施工時采用極少，在地質條件允許前提，推廣高地下水位干挖法成樁技術，對充分發揮其工藝的經濟和社會效益具有極其重要意義。

1? 工程地質情況

為定量分析，選取具有代表性0號臺鉆孔樁地質作為研究對象，鉆孔樁樁長42m，樁徑1.2m，從樁頂往下揭示地質依次為4.8m厚素填土、25.1m厚粉質黏土、0.9m強風化巖和11.2m弱風化巖，其地層斷面見圖1。

2? 干挖法作業可行性理論分析

2.1 干挖法作業可行性理論分析的幾個方向

鉆孔樁干挖作業需要經歷幾個過程：其一，鉆頭穿過素填土層，在此過程中，素填土松軟，又存在地面設備碾壓，孔口存在坍塌風險;其二，鉆頭穿過粉質黏土層，在該范圍土體靠自身力學特性無法穩定，需要加固措施來保證繼續鉆進;其三，鉆頭穿過巖層，該范圍巖層具有很好的穩定性;其四，樁身大半處于地下水以下，孔內滲水量也會影響孔內土體穩定。

據上所述，孔口土體穩定問題、黏土層土體穩定問題和孔內滲水量都是干挖法成孔的可行性的理論分析的幾個方向。

2.2 孔口土體穩定性分析

孔口往下為4.8m厚素填土，土體較為松散，在干挖鉆進過程中，該土體要承受鉆機（旋挖鉆）自重及沖擊荷載等，以孔口土為對象，計算土體主動土壓力，計算如下：

加固方式為埋設鋼護筒，鋼護筒壁厚1.0cm，長度5.1m（穿透素填土層），為了簡便計算，鋼護筒自上而下受線性荷載（頂部荷載q1=0kPa，底部荷載q2=22.41kPa），借助Midas Civil軟件計算，得出結果見圖4。

根據計算，鋼護筒最大應力和最大位移值僅為[3.7MPa，0.03mm]，綜上所述，干挖法在孔口素填土層內鉆孔理論上是可行的。

2.3 黏性土體穩定性分析

根據圖1所示，粉質黏土層多位于地下水以下，旋挖鉆在地層內干挖鉆進存在孔內土壓力釋放和地下水滲透導致孔內坍塌風險。在沒有任何加固措施情況下，黏土要具備很強的抗滲透性和自穩能力才能保證鉆頭正常鉆進，否則孔壁內必須采取護壁、防滲措施。

2.3.1 先計算黏性土內滲流量

鉆孔樁鉆孔、鋼筋籠安裝及灌注混凝時間總和一般為7h，單根樁施工周期內總滲流量為Q=3.9×10-4×7=0.003m3，可見，鉆孔樁中部黏土層抗滲性能極強，干挖法施工無需對孔內進行抗滲處理。

2.3.2 再計算黏性土層自穩情況

2.3.3 采用護壁措施

根據以往經驗，行之有效的方法是選用黏土護壁法對孔內土層進行加固，該方法通過壓力和孔內土體孔隙水將黏土與孔壁周圍土體相粘結，形成泥壁，以保證鉆進過程中不出現塌孔。

具體實現方法是旋挖鉆機正常鉆進一段深度，再回填約1m厚黏土，鉆頭施壓反轉，將黏土擠壓至孔壁內，形成板結層，以此循環直至鉆頭穿透黏土層，該護壁結構層厚度大約30cm，有效強度約100kPa，這是抵抗孔內土發生主動滑移的有效抗力層，因此選取直徑1.2m，壁厚30cm，高度3m的護壁進行受理分析，計算結果見圖5。

采用Midas FEA軟件對護壁實體建模計算后，得出護壁有效壓應力多數維持在85kPa左右（小于護壁自身強度100kPa），完全能滿足護壁自身穩定性要求。

2.4 巖層穩定性分析

該項目鉆孔樁基礎嵌入的巖體有強風化巖和中風化巖兩類，根據地勘報告，強風化巖呈沙土夾碎塊狀、軟質、遇水易散開，相對不穩定，但其厚度僅為0.9m，在該巖層中鉆進時仍然采用黏土加固方法施工即可，對于中風化巖，靠巖體自身強度和完整性完全能保持穩定，可不做處理。

綜合上述4節論述，高地下水位干挖法成孔技術在理論上是完全可行的，其技術特性見圖6。

3? 高地下水位干挖法作業實際應用

興梅路（含一號溝）建設工程項目二標橋梁鉆孔樁范圍內多為素填土層、黏性土層、強風化巖層和中風化巖層等地質，地下水位雖然較高，但地層抗滲效果好，非常適合干挖法作業。

3.1 干挖法施工工藝

干挖法施工工藝為：場地平整→測定孔位→挖埋護筒→鉆機就位→鉆進1m→回填1m厚黏土加壓反轉→重復上述工序，直至穿透強風化巖→成孔檢測→安裝鋼筋籠→安裝導管→灌注混凝土。

3.2 施工要點

3.2.1 埋設鋼護筒

鋼護筒起到頂層素填土孔壁防護作用，護筒底要穿過該層土，長度不小于5.1m，壁厚1.2cm，埋設時，可用旋挖鉆干挖3m后將護筒吊入孔內，剩余部分采用挖機靜壓入孔，為防止孔口雜物掉入孔內，鋼護筒頂高于施工地面0.3m。

3.2.2 鉆機鉆進

場地平整鉆機就位并效準后開始鉆進，鉆進過程中，首先鉆機采用正常進尺速度鉆進，每鉆進1m時，采用機械回填黏土，回填深度與鉆進深度保持一致，然后旋挖鉆鉆頭施壓反轉，將黏土擠壓至周邊土體中，使之形成有效的護壁后，然后再正向鉆進，以此循環直至黏土層底。整個鉆進過程中必須及時回填黏土，以便護壁整體板結成型，且有足夠的強度抵抗周邊土體主動土壓力。

3.2.3 混凝土灌注

干挖成孔法鉆孔后，孔內沒有泥漿，但混凝土灌注仍然需要安裝導管，并保證灌注工程中導管的有效埋深，以保證混凝土的密實性。

3.3 干挖法具體應用

興梅路（含一號溝）建設工程項目二標橋梁鉆孔樁自2020年10月份開始施工，直至目前已經采用干挖法施工完成284根，這也驗證了高地下水位干挖法施工的可行性，具體施工見圖7。

4? 結論

①干挖法鉆孔常見于低地下水位地質區域，能在高地下水位條件下干挖法施工前提條件是土層的抗滲能力比較強。

②采用干挖法施工，不用設置泥漿池、配置泥漿，也避免泥漿外運等作業，節約了大量成本，經濟效益較好。

③干挖法施工不會產生泥漿漫流和滲入現象，能有效改善鉆孔樁施工時環境保持難度大的現狀。

④干挖法施工在鉆孔樁灌注時能有效地避免混凝土卡管和斷樁事故，可以從埋入式灌注轉換到自由下落澆筑，還可以伸入振搗棒振搗，大大降低了灌注事故風險。

⑤高地下水位干挖法的成功應用可推廣至類似工程中，應用前景非常廣闊。

參考文獻：

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