山前古河道地質條件下樁基施工組合工藝應用

武 恒，王士國，王飛翔

(天津市地質基礎工程公司，天津 300191)

1 引言

山前古河道復雜地質條件下，旋挖成孔、沖擊沖孔、全護筒搓管機和人工挖孔都是常用的成孔工藝。古河道下卵礫石層質地堅硬、粒徑較大且存在大塊孤石，受河水常年沖刷，石塊磨圓度好且孔隙率大，機械成孔時振動幅度大，容易造成泥漿外漏和孔壁坍塌，成孔難度較大[1]。人工挖孔樁操作空間要求小，施工工藝簡單靈活，隨挖隨護壁的做法可以避免孔壁坍塌的問題，再利用旋挖鉆機接力水下入巖。兩種成孔工藝的配合，可以很好地解決古河道卵礫石地層中嵌巖灌注樁的施工難題。

2 工程概況

本項目位于河北省承德市興隆縣山前地區。擬建物包括3棟10層洋房，框剪結構；6棟2層別墅，框架結構，總占地面積約37302 m2，總建筑面積54179.66 m2。

擬建物基礎形式為樁承臺基礎，樁徑600 mm，有效樁長6～14 m，同時保證樁長不得低于6.0 m，樁基持力層為④2層中風化頁巖，樁端進入持力層深度1.0 m，共411棵。

3 工程地質及水文地質概況

場區地貌單元屬沖洪積相與低山坡腳交匯處，場地整平標高280.69～294.31 m(圖1)。場區覆蓋層主要由第四系沖洪積層組成，地基持力層為④2層中風化頁巖，屬同一地貌單元。勘察報告中淺部主要地層情況如下。

圖1 場地典型地質剖面

①雜填土，黃褐色～灰褐色，稍濕，松散，成分為開山碎石、棄土，局部為生活垃圾,建筑垃圾，該層只在局部場地分布，厚度為0.40～10.80 m，平均厚度為4.57 m。

②粉土，黃褐色，稍濕，稍密，干強度及韌性低，無光澤反應，局部夾有粉砂，表層有植被覆蓋。該層只在局部場地分布，厚度為0.30～3.50 m，平均厚度為0.96 m，層底埋深0.30～9.50 m。

③圓礫，褐色，稍濕～飽和，稍密～中密，骨架顆粒成分以花崗巖、石英巖、灰巖等為主，磨圓度較好，中粗砂充填為主，局部粘性土充填為主，局部夾有粉土、卵石、漂石。該層厚度為0.40～6.00 m，平均厚度為3.46 m，層底埋深1.20～15.60 m，平均深度為6.65 m，層底標高為272.39～290.06 m。

④1強風化頁巖，灰黑色，泥質結構，層理構造，巖芯呈土狀及碎塊狀，裂隙發育，巖體基本質量等級為Ⅴ級。該層厚度為1.10～2.50 m，平均厚度為1.37 m，層底埋深1.50～17.00 m。

④2中風化頁巖，灰黑色，泥質結構，層理構造，巖芯呈塊狀及短柱狀，巖石較堅硬，裂隙較發育，巖體較完整，巖體基本質量等級為Ⅳ級。該層全區分布，最大揭露厚度為13.50 m，最大揭露深度為24.00 m。

場區地下水實測穩定水位埋深4.00～12.60 m，穩定水位標高276.08～278.90 m。通過走訪調查，了解到場地中南部為原山前古河道，表層大部分雖已回填，但下部圓礫層深厚區域，與周邊水系仍有水力聯系，且部分地形深洼處積存了大量地下水。

4 存在的問題及解決方案

根據設計要求，樁基施工擬采用旋挖成孔灌注樁。旋挖成孔灌注樁采用履帶式旋挖鉆機成孔，效率高，自帶柴油動力裝置，施工十分方便。旋挖鉆機成孔首先是通過底部帶有活門的桶式鉆頭回轉破碎巖土，并直接將其裝入鉆斗內，然后再由鉆機提升裝置和伸縮鉆桿將鉆斗提出孔外卸土，這樣循環往復，不斷地取土卸土，直至鉆至設計深度。對粘結性好的巖土層，可采用干式或清水鉆進工藝，無需泥漿護壁。而對于松散易坍塌地層，或有地下水分布，孔壁不穩定，必須采用靜態泥漿護壁鉆進工藝，向孔內投入護壁泥漿或穩定液進行護壁。

4.1 存在的問題

為保證施工質量，正式施工前，組織了一臺NR-220型旋挖鉆機進場開展試成樁工作，成樁過程中發現以下問題。

4.1.1 鉆進速度慢

因圓礫層中卵礫石質地堅硬、粒徑較大且存在大塊孤石等復雜地質情況，旋挖鉆進速度慢且鉆桿、鉆頭磨損情況嚴重，每小時進尺不超過1 m，效率無法滿足工期要求。

4.1.2 易漏漿

場地中南部古河道區域圓礫層中卵礫石受河水常年沖刷，層間小顆粒基本流失，造成該層實際孔隙率大，地下水豐沛且流動性較強，泥漿流失嚴重，導致護壁效果和清孔效果不佳。

4.1.3 塌孔嚴重

表層雜填土填墊年限短，結構松散，受擾動后容易坍塌。此外鉆進至圓礫層時，孔壁存在較大粒徑的探頭石，旋挖鉆頭通過后，帶動孔壁塌方嚴重，甚至造成卡鉆。塌孔同樣影響鉆進速度，還將造成混凝土灌注虧方和孔底沉渣厚實，嚴重影響成樁質量。

4.2 應對措施

為解決以上問題，經研究，采取了以下應對措施。

4.2.1 引入大功率旋挖設備

項目組立即組織引入了一臺SD-280旋挖設備[2]，動力工效明顯優于第一臺NR-220鉆機。鉆進成孔速度有所提高，但因為施工時振動大，對地層擾動更加明顯，塌孔現象更加嚴重(圖2)。

圖2 塌孔嚴重

4.2.2 回填黏土和干水泥

為解決漏漿問題，先后嘗試孔內回填黏土和水泥，并用旋挖鉆筒分段攪實，希望可以有效填充卵礫石孔隙，維持孔內泥漿比重[3]。樁孔靜置一段時間后再次開挖，泥漿依然流失嚴重，收效甚微。

4.2.3 配備鋼護筒

挖孔前打設一截鋼護筒(直徑800 mm，長度3 m，壁厚5 mm)，解決了淺部雜填和粉土地層的塌孔問題。但因為無法進入較深處圓礫層，卵礫石的坍塌問題仍然存在。

4.2.4 調整灌注樁成樁工藝

為保證工程順利完成，通過與建設、勘察和設計單位溝通，決定調整灌注樁成樁工藝。針對市場上處理類似問題另外3種可以借鑒的施工工藝，分析對比如下。

(1)沖擊成孔。沖擊成孔是將鉆頭提升一定高度后，利用鉆頭自身重量，自由落體反復沖擊成孔，鉆頭(錘)重量根據地層類別確定。沖擊成孔工藝適用于砂礫石地層，對有大塊漂石和大粒徑卵礫石的破碎效果好，成孔速度快，地層松散時易出現坍孔等問題(圖3)。

圖3 沖擊成孔設備

(2)全護筒搓管機。搓管機通過液壓裝置將鋼護筒旋轉逐節壓入，每節護筒壓入后通過旋挖抓斗內部取土，然后再壓入下一節護筒，如此循環直至設計標高。搓管機屬于“硬護壁”成孔施工工藝，無需造漿護壁(圖4)。

圖4 全護筒搓管機

(3)人工挖孔。人工挖孔灌注樁是指樁孔采用人工挖掘方法進行成孔，然后安放鋼筋籠，澆注混凝土而成的樁。為保證施工過程安全，挖孔樁每開挖一段即澆一段混凝土護壁，混凝土護壁的施工應在挖至一定深度后及時支模并澆筑混凝土。人工挖孔樁超過一定深度后，還需要設置照明和通風等安全設施。人工挖孔樁具有操作空間要求小，施工工藝簡單靈活，造價低等特點。場地條件或地質條件緊張時，往往可以利用人工挖孔樁解決(圖5)。

圖5 人工挖孔樁工藝流程示意

綜合以上3種成孔工藝及旋挖成孔工藝，考慮成孔速度、入巖速度、塌孔情況、漏漿情況和綜合費用5個因素，對比如表1。

表1 成孔工藝對比分析

根據上述分析，沖擊成孔工藝雖然施工速度快，但是仍然存在塌孔和漏漿的問題，不適用于本工程。全護筒搓管機工藝可以很好的解決本工程樁基成孔遇到的問題，但根據市場調查，其設備施工費用是常規旋挖或沖擊設備的3倍以上，而且項目所在地區目前沒有該類型設備，只能從外地調運，還需要額外支付大筆運費，綜合考慮后未采用該種成孔工藝。人工挖孔工藝雖然施工速度慢，但可以通過合理的工序排布，增加施工人員同時多孔作業來彌補。

此外，通過分析勘察報告和現場實地挖探試驗后發現，有超過半數的工程樁位于古河道外側臨近山體處，所在區域卵礫石層厚度較薄或缺失，仍可以利用現有旋挖鉆機成孔。對于古河道卵礫石層較厚區域，人工挖孔超過卵礫石層后，利用旋挖鉆機接力入巖，一并解決了水下人工入巖難度大的問題。經過多輪溝通，各方均認可這種人工挖孔+旋挖入巖的組合成孔工藝(圖6)[4]。

圖6人工挖孔+旋挖入巖組合工藝示意

5 成樁效果評價

調整施工工藝后，2臺旋挖鉆機和8個人工挖孔班組同時作業(圖7)，互不干擾的同時保證交叉配合。算上試成樁和工藝調整分析論證的時間在內，總工期仍未超過進場前的預期，沒有影響后續總承包單位開槽施工，整個施工過程安全順利。

圖7 組合成孔工藝現場施工照片

人工挖孔作業可以通過及時施做護壁解決卵礫石層側壁坍塌的問題，但是進入地下水位以下時，為保證作業人員安全和效率，還需采取相應降水措施。本項目中，為節省工期和造價，未單獨設置降水井，采取了孔內和周邊樁孔交替抽水的方式，采取循環作業，實現孔下干燥挖土[5]。

根據第三方檢測單位提供的檢測報告，靜載荷抗壓承載力試驗結果顯示全部試樁單樁極限承載力均滿足設計極限值要求，低應變檢測結果顯示Ⅰ類樁占96.43%，Ⅱ類樁占3.57%，沒有Ⅲ類和Ⅳ類樁。成樁質量總體良好，實現了設計要求。

6 結語

(1)古河道下部卵礫石層因常年河水沖刷，石塊粒徑大、強度高、磨圓度好而且層間孔隙大，地下水充沛且有流動時，采用機械成孔速度慢、易坍塌、易漏漿，嚴重時還會造成卡鉆頭、充盈系數大、孔底沉渣厚等情況，需慎重考慮。

(2)人工挖孔樁工藝操作空間要求小，施工工藝簡單靈活，對周邊環境影響微弱，可以解決孔壁坍塌的問題。在水位以下施工時，為了保證安全和工效，可以設置降水井抽排地下水，還可以通過相鄰孔內交替降水實現循環作業。

(3)人工挖孔與旋挖入巖兩種成孔工藝的結合，很好的解決了淺部卵礫石塌孔、樁端人工入巖緩慢和水下作業效率低下的問題，這種組合工藝可以作為類似樁基工程問題的參考解決方案。