基于泥漿護壁的傾斜鉆孔灌注支護樁施工技術

張 濤 田 野,2 陳 國 宋 志 柳 瑤 高 雨

1.中建三局集團有限公司工程總承包公司 湖北 武漢 430070；2.湖北中建三局建筑工程技術有限責任公司 湖北 武漢 430070

傳統的深基坑開挖，多采用樁（墻）撐、樁（墻）錨的支護方案，但錨桿（索）存在出紅線的限制條件，支撐使用完后拆除會造成極大的資源浪費，同時也影響工程進度。懸臂式支護樁具有設計計算簡單、節約用地空間和施工費用低、施工方便等優點，然而懸臂式排樁支護結構無支點力作用，往往容易導致樁頂水平位移及樁身彎矩較大，容易引起傾覆、斷樁等工程事故[1]。

為了增加支護結構的穩定性，不少學者在直樁的基礎上，研究了各種形式的斜樁工作性狀[2]，相比于直樁支護技術，傾斜樁支護技術在樁身位移控制和坑外沉降控制方面都有著很好的優勢[3]。目前傾斜樁施工在一些工程中得到成功應用，但總體上存在一定的施工困難[4]，導致傾斜樁基坑支護的應用存在一定的阻礙。

究其受阻原因，主要是受施工設備的限制，且傾斜樁數量并不多，施工中主要通過對傳統直樁設備的改進來實現傾斜樁成孔，如潘術文[5]提出采用鋼管鉆孔灌注斜樁的施工方法，彭衛東[6]提出采用沖擊鉆機與回轉鉆機在碼頭工程中進行嵌巖斜樁施工的方法。本文結合工程實例，探討采用泥漿護壁進行傾斜鉆孔灌注樁基坑支護施工，從而減少因套管護壁而帶來的成本增加、工效降低的影響。

1 工程概況

工程位于武漢經濟技術開發區硃山湖以南，鄂江左線堤上路以北處，工程占地面積約15.6萬 m2（圖1）。設置2層地下室，基坑距離紅線約11 m，紅線外為通行道路，基坑開挖深度11.25 m，涉及傾斜樁支護段長度約120 m，設計采用前斜后直傾斜樁基坑支護，鉆孔灌注支護樁樁徑0.9 m，前排斜樁間距1.1 m、樁長20.5 m、傾斜角度10°，后排直樁間距2.2 m、樁長18.0 m（圖2）。

圖1 場地平面位置示意

圖2 支護典型剖面示意

基坑側壁的主要土層自上而下依次為：①1層雜填土、①2層素填土、②層黏土、③層粉質黏土、④1層黏土、④2層碎塊石土。其中碎塊石土，中密，碎、塊石成分主要為石英、遂石、砂巖等，多呈棱角-次棱角狀，礫徑多大于20 mm，可見大于110 mm的大塊狀及短柱狀巖芯，含量一般大于60%，充填物為硬塑狀黏性土，碎、塊石多被黏性土包裹，碎、塊石排列無規律。鉆探中在礫石塊徑較小時取樣進行顆粒分析，其黏粒含量20%～90%。層中偶見較純的黏土夾層。場地北鄰硃山湖，地下水主要為上層滯水和局部孔隙承壓水。

2 施工難點分析

相比于直樁，傾斜鉆孔灌注樁孔壁穩定性更難得到保障，鉆機鉆進過程中，樁體空間位置及截面尺寸容易發生變化，同時，由于鉆頭和鉆桿的自重作用，成孔可能發生斜向彎曲，并隨鉆進深度的加大，撓度不斷加大，嚴重影響成孔質量。因樁體發生傾斜，如發生坍孔現象，對地面的影響范圍會更大，并可能威脅地面作業人員的安全。泥漿護壁傾斜鉆孔灌注樁成孔、成樁過程中產生的難點主要包括以下幾個方面：

1）泥漿護壁中需確定膨潤土的適用性，根據試成孔情況明確所需的膨潤土泥漿配比；制備泥漿性能除滿足護壁要求外，還要保證孔壁在傾斜狀態施工時的穩定性或安全性。

2）鋼筋籠吊裝的有效性，確保鋼筋籠順利下放，同時滿足保護層厚度要求。

3）確保傾斜樁導管安裝及混凝土灌注措施的可靠性，滿足混凝土連續灌注的要求，避免發生卡管、掛籠等現象，防止導管松脫或避免造成鋼筋籠變形、偏位。

3 關鍵施工技術方法

3.1 施工工藝流程

泥漿護壁傾斜灌注樁施工流程與普通泥漿護壁灌注樁的施工步驟基本相同，主要在成樁角度控制、傾斜鉆進、鋼筋籠吊裝及導管安裝等方面的具體施工方法有比較大的區別。其施工流程為：場地平整及樁位測設→護筒斜向埋設，護筒中心及角度復核→鉆機就位，桅桿傾角設定→泥漿護壁取土鉆進→鉆至樁底，清孔并進行孔深、孔徑及傾斜角度等檢測→鋼筋籠制作驗收及吊裝入孔→安裝導管及二次清孔→混凝土檢測及灌注成孔→拔除護筒。

3.2 機具選擇與改進及護筒埋設

該工程傾斜支護樁鉆孔設備優先采用旋挖鉆機，同時為了加快鉆進成孔速度，減少孔壁土體在傾斜狀態下因應力釋放而產生的向內收縮，選用型號較大的280型鉆機。因開口鉆斗在傾斜鉆孔時容易產生一定幅度的開啟或晃動，將對孔壁造成擾動，造成充盈系數變大，而且會增大坍孔風險，因此確定在傾斜支護樁施工時采用1.8 m撈砂鉆斗。為更好地傳遞軸壓，提高在碎塊石土層的鉆進效率，選用機鎖鉆桿，通過鉆桿上的凹形鍵條互扣，形成硬性連接，可更有效地傳遞軸壓，避免因采用摩阻桿，依靠鉆斗負載傳遞軸壓，在鉆進取土時可能增加的對孔壁的擾動。

為進一步提高成孔穩定性，同時防止坍孔對地面人員的安全影響，傾斜支護樁埋設4～6 m護筒，通過長護筒可加強鉆進導向作用以及保障傾斜角度。

為防止鉆桿鉆進過程中出現過度摩擦，對鉆頭進行適當改進，旋挖鉆頭添加圓狀凸起，使之在孔內鉆進取土時可支撐于孔壁上，形成支點，解決斜樁施工時鉆桿鉆頭向下彎曲的問題，減少鉆頭對孔壁的擾動。該文實例采用2.8～3.0 m定制長鉆頭，進一步減小傾斜支護樁施工時鉆頭自重造成的成孔彎曲的問題，避免成樁中心線為曲線。

3.3 鉆機就位

施工前需要對場地進行平整，保證鉆機施工處地基不產生沉陷，以免鉆機傾斜影響成孔的角度；在鉆機就位時，先將地面整平壓實，鉆機對桅桿進行定位設置，滿足設計傾斜角度的要求。

鉆機就位時，檢查護筒埋設后樁中心與鉆頭中心是否重合，如果偏差較大應適當調整鉆機位置，確保鉆孔的中心符合設計要求。

3.4 泥漿護壁

1）泥漿制備。鉆孔泥漿采用膨潤土造漿，泥漿制作采用機械攪拌的方式，泥漿經高速攪拌不少于4 min，并經1 d時間達到完全溶脹后方可使用。泥漿采用非機械凈化法，即通過泥漿池進行循環沉淀凈化泥漿。

2）泥漿配比。該文工程實例旋挖取土鉆進至5 m左右，突遇滲流地下水，孔壁不斷有土塊掉入孔內，滲流進入孔內，地下水在孔中形成自由水面，嚴重影響成孔施工。隨成孔深度的增加，孔壁持續產生垮土現象，將孔內水位引排至孔外后，孔內水位很快得到補給，并加快坍孔的發生。為防止發生埋鉆，同時為避免超灌過大，基于滲流對孔壁穩定的不利影響，需采取泥漿護壁成孔作業。為確定合理的泥漿配比，選取3根直樁、2根斜樁進行成孔試驗，泥漿護壁試成孔參數見表1。根據直樁施工形成的泥漿參數，斜樁施工時護壁泥漿的摻料配比為水∶膨潤土∶純堿＝100∶14∶0.6，其中膨潤土和純堿的比例根據地層情況相應有所增加，目的是為了進一步增加新制泥漿的黏度，更有效地形成泥皮，達到護壁的效果。

表1 泥漿護壁試成孔參數

3）泥漿性能。根據試樁結果，確定傾斜灌注樁護壁泥漿的主要性能要求：相對密度1.20～1.25，黏度25～30 s，含砂率≤4%；針對成孔時的地層情況，若需進一步增加泥漿相對密度，可在泥漿中摻入一定比例的重晶石粉，保證傾斜樁施工時泥漿對孔壁具有足夠的護壁能力。若需進一步增加泥漿的黏度和相對密度等關鍵指標，可采用比普通膨潤土黏度更高的OCMA膨潤土進行造漿，該膨潤土為綜合配比的膨潤土，配置泥漿時，無需再摻入纖維素等材料，在黏度小于25 s時，加入0.6%質量比的純堿，可進一步減小泥漿的濾失量，增加泥漿的黏度，利于孔壁泥皮的形成和加強護壁效果。

3.5 斜向鉆孔

開鉆前對泥漿性能、鉆頭尺寸、鉆機對位偏差以及鉆機桅桿傾斜角度檢查驗收合格后方可開鉆。

鉆孔時，經常觀測泥漿液面標高，保持孔內泥漿壓力，孔內水位必須高于護筒底腳0.5 m以上或地下水位以上1.5～2.0 m。鉆孔時，起、落鉆頭的速度應均勻，不得過猛或驟然變速。

傾斜鉆進成孔時，應避免坍孔埋鉆的發生。旋挖鉆機操作手應對每一次鉆進的下斗、取土及提斗過程進行記錄，明確存在縮徑、坍孔等突發情況所處地層及其標高，在后續施工時對泥漿指標和鉆孔進尺速度進行針對性的調整。同時施工人員旁站觀察鉆斗頂部是否有土塊堆積等情況，判斷是否存在坍孔或縮徑的風險，以便及時將鉆頭提出孔外，防止埋鉆。

由于采用的是旋挖傾斜成孔施工，保證傾斜角度的關鍵是鉆機桅桿的角度，因此，在鉆孔作業前，需要對桅桿進行定位設置，滿足設計傾斜角度的要求。鉆孔過程中，鉆機操作手應通過顯示器的桅桿工作界面實時監測桅桿的位置狀態，確保成孔的傾斜角度符合要求，成孔傾斜角度與設計角度的偏差不大于1°。

3.6 成孔驗收

鉆孔達到設計深度后即開始清孔，采用平底清孔鉆斗進行一次清孔，清除孔底浮土后進行成孔驗收，對孔深、孔徑、傾斜角度等進行檢查。

1）成孔深度及孔底沉渣檢測。鉆孔至設計標高后，將實際鉆孔地層地質情況與設計圖紙對照，若實際地質情況與設計相符合，則開始對孔深及孔底沉渣進行檢測。

成孔深度采用測錘進行檢測，測繩底部應配備質量大于1 kg的鋼筋或重錘，因成孔有傾斜角度，采用的測錘應光圓且具有足夠長度，便于測錘在斜孔孔壁順利下滑到孔底部，得到孔深真實數據，同時應結合鉆桿長度進行孔深復核。

鉆孔灌注樁的成孔深度應只深不淺，實際成孔深度應超出設計孔深0～300 mm，保證沉渣厚度滿足規范要求，若沉渣超標則進行清孔，沉渣厚度控制在100 mm以內。

2）孔徑、傾斜角度測量。根據設計樁徑制作檢孔器入孔檢測（圖3），檢測時，將檢孔器吊起，檢孔器的中心、孔位中心與起吊鋼絲繩保持一致，將檢孔器慢慢放入孔內，若能順利沿孔壁下滑至孔底，則表明孔徑大于設計的籠徑；若中途遇阻則有可能在遇阻部位發生頸縮等現象，應采取措施消除。

圖3 檢孔器示意

孔徑檢查采用直徑為0.9 m（與設計樁徑相同），長度為4.5 m（設計樁徑的5倍長度）的圓柱形檢孔器，當檢孔器能順利下放到孔底時，孔徑合格。因成孔具有傾斜角度，為確保檢孔器沿孔壁順利下滑，在檢孔器外完整包覆厚2 mm的鍍鋅鐵皮。

鉆孔前后應對鉆頭尺寸進行測量，結合檢孔器檢測情況以及灌注充盈系數綜合判斷選用的鉆頭類型及尺寸是否滿足成孔要求。

3.7 鋼筋籠制作與安裝

為使鋼筋籠入孔后順利傾斜下放至孔底，不對孔壁產生擠壓和碰撞，同時確保導管順利安裝，在鋼筋籠加工時，采用以下幾種構造措施。

1）對鋼筋籠加工順序進行調整，將加勁箍由主筋內側調整至主筋外側，同時主筋接頭應平順擺放，避免因加勁箍以及主筋接頭的凸起造成導管出現卡籠掛籠現象（圖4）。

圖4 鋼筋籠實物

2）在鋼筋籠上安裝鋼滾輪（圖5），同時保證鋼筋籠具有足夠的保護層厚度。鋼滾輪寬度100 mm，外徑180 mm，每個斷面在鋼筋籠靠孔壁一側布置2處，每個斷面沿鋼筋籠長度方向按2 m間隔布置。

圖5 鋼滾輪示意

3）在鋼筋籠加工時，增加橫向鋼筋，橫向鋼筋與兩端鋼筋籠主筋連接牢固，中間套入短鋼管，保證導管可順利滑動，同時保護了鋼滾輪不受導管沖擊破壞。橫向鋼筋直徑同主筋，長度為500 mm，兩端與鋼筋籠骨架焊接牢固；短鋼管采用管徑48 mm、壁厚3 mm的鋼管，長度為450 mm，短鋼管可在橫向鋼筋上滾動。

為保證導管順利下放入孔，避免出現與鋼筋籠卡、掛的現象，在鋼筋籠加工時，增加橫向鋼筋，橫向鋼筋與兩端鋼筋籠主筋連接牢固，中間套入短鋼管，短鋼管可在橫向鋼筋上滾動，保證導管可順利滑動，同時保護了鋼滾輪不受導管沖擊破壞（圖6、圖7）。

圖6 導管安裝構造措施實物

圖7 導管安裝構造措施示意

4 實施效果

為驗證支護效果，在支護段外側土體中設置測斜管，測斜管直徑75 mm。實測支護樁開挖至基底工況下的樁身位移結果如圖8所示。監測結果顯示，支護結構位移最大值為24.57 mm，最大位移發生在樁頂，位移控制效果基本可滿足規范規定及工程實際要求。

圖8 開挖至基底實測位移

5 結語

相比于直樁，傾斜樁基坑支護具有更好的位移控制效果，適用于更大深度的懸臂式支護。對于有條件的工程，通過泥漿護壁成孔，可解決因全套管施工產生效率低、成本高的問題。該文以工程實例為基礎，研究泥漿護壁傾斜鉆孔灌注樁基坑支護施工技術，通過成孔試驗及工程應用，得出如下結論：

1）在武漢碎石土地層中，當存在地下水滲流影響、干作業無法順利成孔的情況，可通過泥漿護壁進行傾斜鉆孔灌注樁施工，護壁泥漿相對密度1.20～1.25、黏度25～30 s、含砂率≤4%，混凝土灌注充盈系數滿足要求。

2）傾斜鉆孔灌注樁成樁過程中，可通過鉆頭添加圓狀凸起、鋼筋籠設置鋼滾輪和橫向鋼管等措施，確保取土成孔、鋼筋籠下放、導管下放及回拔等施工過程的順利實施。

3）通過實施效果監測，基坑位移滿足周邊環境及支護結構位移控制要求，達到了比較好的支護效果，可為類似工程提供一定的借鑒。