硬質巖旋挖成孔取芯施工技術

程飛翔，周伏萍，胡培強，敖小平

(1.江西省地質工程(集團)公司，江西 南昌 330002；2.贛中南地質礦產(chǎn)勘查研究院，江西 南昌 330002)

1 工程概況

廈門帝景苑二期工程結構形式為鋼框架結構，5號樓地上62層，整體地下室有4層，5號樓主樓工程樁為樁徑1 200mm旋挖成孔泥漿護壁灌注樁，共275 根，單樁豎向極限承載力標準值≥27 000kN，設計要求進入中微風化巖持力層深度≥1.00m。根據(jù)地質勘察資料顯示，項目處于廈門地區(qū)筼筜湖斷裂帶，地層強風化層厚度大，中微風化花崗巖層層頂坡度大，巖層堅硬，旋挖鉆機成孔機具磨損大，并易造成孔斜，5號樓80個超前鉆孔中有超過半數(shù)勘察孔在強風化層中含有厚度不等的中微風化孤石，風化嚴重不均勻。例如，5號主樓5-137樁超前勘察，通過5-137樁工程地質柱狀圖(見圖1)看出，在深度53.5～83.3m的碎塊狀強風化花崗巖層中，存在7段呈串珠狀中風化花崗巖孤石層，孤石層厚9.6m，經(jīng)取巖樣進行巖石的飽和單軸抗壓強度試驗，巖石的飽和單軸抗壓強度范圍在32.3～59.1MPa，標準值為39.6MPa。這是較為典型的旋挖成孔工藝在深孔硬質巖地層中鉆進的施工案例。

圖1 5-137樁超前勘察工程地質柱狀圖(局部)

2 硬質巖層旋挖取芯鉆進施工

硬質巖地層旋挖成孔取芯施工工藝是在一般旋挖成孔灌注樁的基礎上，增加硬質巖層入巖并取芯的施工工序，其主要施工工藝流程如圖2所示。

圖2 施工工藝流程

硬質巖地層旋挖取芯鉆進施工是在硬質巖層旋挖成孔時，利用自制刻槽牙輪鉆頭鉆進成槽，加壓鉆進使得硬質巖在刻槽牙輪鉆頭內(nèi)呈圓柱狀巖芯，直到樁底標高。再更換相應規(guī)格自制大直徑巖體取芯鉆頭掰斷巖芯直接提取出來的入持力層巖層的成孔方法。大直徑巖體取芯鉆頭取芯原理如圖3所示。

圖3 取芯鉆頭取芯原理示意

硬質巖地層旋挖掰取巖芯鉆進施工技術要點如下。

2.1 施工準備、設備機具選型

旋挖鉆孔施工前，應根據(jù)設計施工圖要求放線，放出樁位，備好鋼護筒、攪漿用的黏性土或膨潤土，主材及其他輔材按設計要求準備到位，設置好施工場地泥漿池。

鉆孔施工中，根據(jù)不同地層，選擇不同鉆速及鉆壓，在硬質巖鉆進時，旋挖鉆機通過鉆桿將鉆機壓力施加到鑲焊在筒鉆端部的鉆齒，作用在鉆齒的壓強大于地層的抗壓強度時，鉆齒壓入地層，通過回轉，鉆齒將巖石切割成塊并鉆進形成進尺。因此，一方面應選擇合理的鉆機設備，旋挖鉆機型號應根據(jù)地質條件、樁徑、樁長來選擇，在正式開工前可進行試成孔，帝景苑二期樁基工程根據(jù)設計樁徑、樁長及地質條件選用的為360型(最大扭矩360N·m)以上設備。另外，選擇合適的鉆頭與鉆齒，選擇牙輪筒鉆，適用于大孤石(漂石)、中風化巖石、弱風化巖石、未風化巖石。牙輪筒鉆如圖4所示，施工中使用的牙輪鉆齒如圖5所示。在巖層中鉆進成孔過程中，鉆齒會逐漸磨損直至報廢，需及時更換鉆齒。鉆齒的選擇以耐磨、強度高為原則。

圖4 牙輪筒鉆

圖5 施工中使用的牙輪鉆齒

在巖層中鉆進時鉆桿應選擇機鎖桿，用以傳遞大扭矩及施加鉆壓，根據(jù)施工孔深，深孔樁旋挖鉆機配備18.4×5，19.3×5，20×5五節(jié)機鎖桿的鉆桿，滿足施工孔深要求。

2.2 下鋼護筒

根據(jù)設計施工圖精確放出施工平面位置標高處樁位，工程樁護筒的埋設深度以穿過雜填土為宜。安放護筒需旋挖鉆機擴孔鉆進一定深度后,再使用旋挖鉆桿將護筒壓下，護筒中心位置可利用旋挖鉆斗適量擠壓作相應調(diào)整，護筒頂面高出地面30cm，以防止雜物、泥水流入孔內(nèi)，護筒底部和四周采用黏質土回填并分層夯實。對于下深長護筒則采用機械手振動安放。

2.3 泥漿調(diào)制

旋挖鉆進需備足優(yōu)質泥漿護壁。

1)在黏性土中成孔時，可采用原土造漿，此時旋挖鉆進邊回轉邊注入清水，泥漿相對密度宜控制在1.1～1.3。

2)在砂土和較厚的礫砂層中成孔時，應制備泥漿，泥漿相對密度應控制在1.2～1.3。

3)在松散卵礫石等易塌孔的地層中成孔時，應提前制備好泥漿，泥漿相對密度宜為1.2～1.4，保證泥漿水頭高度。根據(jù)工程特點，在易塌孔地層，一般采用泥漿配合比為水∶膨潤土∶CMC∶純堿=1 000∶140∶2.5∶4施工，必要時適當調(diào)整，并加入少量黏土攪拌均勻。

2.4 上部地層成孔

上部地層采用普通的截齒鉆頭，通過泥漿護壁，保證成孔過程中不塌孔、不頸縮，并嚴格控制好鉆孔垂直度。

2.5 硬質巖層成槽鉆進

在進入硬質巖層后，要及時更換自制刻槽牙輪鉆頭先鉆進成槽，加壓鉆進進尺使得硬質巖在自制刻槽牙輪鉆頭先鉆進成槽呈圓柱狀巖芯。前面提到作用在鉆齒的壓強需大于地層的抗壓強度，也就是說，鉆壓是旋挖鉆進孔底破碎巖石的必要條件。通過鉆機加壓，鑲焊在牙輪鉆頭端部的輪齒依靠沖擊壓碎作用、滑動剪切作用、輪齒本身的剪切作用綜合破碎巖石，鉆壓越大，破巖進尺鉆速將不斷提高。鉆機操作手在加壓鉆進時，應高度注意是否鉆遇到裂隙巖層產(chǎn)生鉆機跳鉆，此時應適當降低鉆壓，鉆遇到研磨性較大的巖層時又需適當增加鉆壓，這樣可有效降低輪齒磨損、變鈍及輪軸損壞。在正常施加鉆壓而明顯鉆速較低時，應將牙輪鉆頭提出孔口進行檢查，對磨損嚴重或損壞的輪齒及時進行更換。

在廈門帝景苑二期樁基工程項目施工中，強風化層中存在風化不均的中風化孤石，對于軟硬不均的地層，可選用長(鉆頭長2m)直筒鉆頭，鉆頭自身具備垂直導正功能，遇到孤石層時，先輕壓慢轉，在孤石層面上鉆鑿成槽，再沿槽加壓鉆進，有利于垂直度控制。

2.6 壓取巖芯

采用自制刻槽牙輪鉆頭鉆進尺至設計底標高后，由于刻槽牙輪鉆頭是在硬質巖中切削巖芯呈環(huán)形槽，硬質巖在刻槽牙輪鉆頭呈圓柱狀巖芯，如何加壓掰斷圓柱狀巖芯并整節(jié)取出是關鍵，為此研制了相應規(guī)格的大直徑巖體取芯鉆頭，如圖6所示。

圖6 取芯筒鉆

由圖6可看出，加壓掰斷巖芯并將巖芯卡住提出的關鍵器具是鑲焊在筒鉆內(nèi)側的梯形楔，梯形楔一般采用50mm厚鋼板制作，采用CO2氣體保護焊呈倒梯形牢固焊接在大直徑巖體取芯鉆頭筒內(nèi)側，為了能有效一次性掰斷并取出巖芯，一般在梯形楔觸碰到巖芯頂部后，梯形楔水平向富余有30～50mm行程，大直徑巖體取芯鉆頭工作如圖7所示。

圖7 大直徑巖體取芯鉆頭工作示意

硬質巖單軸抗壓強度較高，特別是堅硬的中微風化花崗巖地層，采用普通的全斷面回轉鉆斗鉆進，耗時費工。采用大直徑巖體取芯鉆頭取芯方式鉆進節(jié)省工時，并可有效提升入巖能力。針對單循環(huán)壓取巖芯概率問題，由于大直徑巖體取芯鉆頭取巖芯概率與巖石層理裂隙有直接關系，巖層風化嚴重不均勻、存在不規(guī)則裂隙或復雜的串珠狀孤石地層直接決定了單循環(huán)取芯長度。另外，取芯概率與單斗進尺深度及鉆具結構有關，通過多次實踐及對比，得出經(jīng)驗值為梯形楔焊接筒鉆距開口底端2/3位置。

2.7 終孔后的清孔、鋼筋籠制安、水下混凝土灌注

在入硬質巖深度大時，通過多次刻槽牙輪鉆頭與大直徑巖體取芯鉆頭配合，鉆進達到終孔設計孔深，終孔后進行第1次清孔、檢查垂直度并報請驗收，符合要求后進行鋼筋籠安裝，混凝土澆筑前，采用導管法配合氣舉反循環(huán)工藝進行第2次清孔，并檢查沉渣厚度和泥漿性能指標滿足設計規(guī)范要求，灌注水下混凝土成樁。

3 關鍵控制點

1)更換刻槽牙輪鉆頭鉆齒要求。更換刻槽牙輪鉆頭個別或全部鉆齒時，必須保證整體鉆齒布局的同心度，保證各齒均勻同步受力，這樣可降低鉆具、鉆齒損耗并提升入巖效率。

2)對于工程存在風化不均的中風化巖及孤石地層，特別是同一截面軟硬不均時，在提前做好超前鉆勘察工作的條件下，可直接選用自身具備垂直導正功能的長直筒牙輪鉆頭，有利于垂直度控制，同時也利于降低鉆具、鉆齒損耗。巖芯一半為強風化一半為中微風化花崗巖，旋挖刻槽牙輪鉆頭采用長直筒鉆，鉆進時有效保證了垂直度。

3)對于旋挖成孔泥漿護壁深孔樁及大直徑樁，應注意泥漿性能密度及黏度指標，預防塌孔，同時應輔以必要的清孔手段，保證孔底沉渣在設計規(guī)范范圍內(nèi)，本施工技術采用了氣舉反循環(huán)清孔工藝，同時，為快速降低泥漿的含砂率，第2次清孔時采用漿渣分離器快速有效分離濾除泥漿中的細砂，既保證了灌注前泥漿性能指標滿足規(guī)范要求，也可預防深孔大直徑樁大方量混凝土灌注時發(fā)生夾泥夾砂的樁身質量問題。通過豎向抗壓靜載試驗，廈門帝景苑二期樁基樁徑1.2m樁靜載值達到29 300kN，滿足設計要求，保證了施工質量。

4 結語

在廈門帝景苑二期樁基工程項目中經(jīng)過技術人員攻關，通過合理選擇設備、鉆桿鉆具并自行設計改制大直徑取巖體鉆頭，在復雜硬質巖地層通過刻槽鉆頭先鉆進成槽和大直徑取巖體鉆頭，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的采用回轉鉆斗將巖芯破碎以掏渣方式取出的方法，直接將整段完整圓柱狀巖芯取出，攻克了超深超厚超硬孤石層和入硬質巖問題，提高了旋挖鉆進在復雜硬質巖層的成孔效率，縮短工期，加快了施工進度。硬質巖旋挖成孔取芯施工技術適用于孔深≤95m、樁徑宜≤1 500mm(對于大直徑樁需采用分級鉆進不在本文中討論)的旋挖成孔灌注樁，值得廣泛推廣應用。