沖擊成孔工藝在海域回填地層的應(yīng)用

黃 勇，王雪貞

(中國核工業(yè)第五建設(shè)有限公司,上海 201599)

漳州核電廠位于福建省漳州市云霄縣列嶼鎮(zhèn)刺仔尾，臨近臺灣海峽，屬濱海廠址。根據(jù)地質(zhì)勘查報告，工程場地主要為第四系地層，包括海積層、殘坡積層和人工堆積層等。該廠區(qū)采取半挖半填的形式，通過塊石回填方式進行“填海造地”，回填材料主要為山體爆破而成的微分化花崗巖碎石，填齡小于5年，屬新近填土，人工回填土層均處于欠固結(jié)狀態(tài)，厚度平均厚度約20 m[1]?；靥詈穸入S原地形起伏情況變化大，整體上沿遠離海岸線方向厚度逐漸增加。夾層為淤泥和砂質(zhì)黏性土，物理力學(xué)性能較差。區(qū)內(nèi)地下水可分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩類，地下水位較高，且水位受大氣降水及潮位影響變化較大。這種塊石回填地基塊石、孤石較多，淤泥層沿地下巖層差異性分布，給樁基施工帶來很大困難，如何保障成孔工序的順利實施成為首先要解決的問題。

1 成孔工藝選擇

1.1 方案比選

目前工程中應(yīng)用較為廣泛的樁型主要包括泥漿護壁鉆孔灌注樁、旋挖成孔灌注樁、沖孔灌注樁、長螺旋鉆孔壓灌樁以及沉管灌注樁。根據(jù)巖土勘察報告結(jié)論，經(jīng)對地基基礎(chǔ)條件分析，建議采用沖(鉆)孔灌注樁。為選擇適當(dāng)?shù)某蓸豆に?，確保施工質(zhì)量，現(xiàn)場進行了試樁工作。經(jīng)調(diào)研分析結(jié)合現(xiàn)場施工條件，在試樁時選用了潛孔錘套管護壁成孔方案和沖擊鉆沖擊成孔方案。

1)方案1采用潛孔錘套管護壁成孔方案，該成孔工藝鉆機由內(nèi)、外雙動力頭分別驅(qū)動內(nèi)部鉆桿和外部套管，在掘削鉆進時外部套管同時跟進護壁，入巖或鑿巖需將螺旋鉆頭替換為潛孔錘，進行嵌巖或鑿巖施工。該工藝屬于干作業(yè)成孔，施工時無需進行泥漿護壁。

2)方案2采用沖擊鉆沖擊成孔，該工藝沖擊鉆機采用連桿機構(gòu)或卷揚機帶動鋼絲繩提升沖擊鉆頭，利用沖擊鉆頭下落的動能產(chǎn)生沖擊作用，破碎巖土實現(xiàn)鉆進。成孔過程中的塌孔與否，依賴于土的物理力學(xué)性能和施工工藝，而泥漿的靜水壓力總體上緩解了各個極大剪切面上的應(yīng)力[6]，進而可以減少成孔過程塌孔現(xiàn)象，維持孔壁穩(wěn)定。沖孔的同時進行孔內(nèi)造漿，由于泥漿對孔壁產(chǎn)生的靜壓力而在孔壁上形成的泥皮，可以有效地防止孔壁坍塌。

根據(jù)地質(zhì)層分布情況，從AB綜合倉庫子項選取24號、670號、720號樁基執(zhí)行潛孔錘套管護壁方案，AE棚庫子項選取7號、9號、18號樁基執(zhí)行沖擊成孔方案，經(jīng)統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù)分別如表1、表2所示。

表1 潛孔錘套管護壁混凝土數(shù)據(jù)

表2 沖擊成孔混凝土數(shù)據(jù)

1.2 對比分析

1)方案1在拋石層進尺正常，進入淤泥層時，樁身長度較長，潛孔錘套管護壁進入后被淤泥包裹，導(dǎo)致護筒無法拔出或拔出困難。方案2在拋石層運用泥漿護壁進行成孔，進尺較為順利，在淤泥層進尺正常。

2)方案1選用了鋼套管護壁進行干作業(yè)成孔，套管外側(cè)均為裂隙孔洞，混凝土澆筑完進行振動拔管時，混凝土流失嚴重，造成充盈系數(shù)過大。方案2選用了泥漿護壁系統(tǒng)，在成孔的同時用對周邊土體進行了填充擠密，并在內(nèi)側(cè)形成了一層泥皮，有效的防止混凝土流失，因此能把充盈系數(shù)控制在一個較低水平。通過試樁最終混凝土數(shù)據(jù)分析，方案1最終混凝土灌注充盈系數(shù)平均值為3.79，方案2最終混凝土灌注充盈系數(shù)平均值為1.64。

對成孔工藝的過程分析，潛孔錘套管護壁方案由于復(fù)雜地質(zhì)原因而無法順利成孔或成孔較為困難，過程質(zhì)量無法掌控，混凝土充盈系數(shù)偏大，經(jīng)濟性較差。沖擊成孔工藝方案在該地層中整體上進尺較為順利，混凝土充盈系數(shù)相對較低，經(jīng)濟性較優(yōu)。因此經(jīng)綜合分析，本工程選用沖擊成孔工藝方案。

2 實施難點

根據(jù)試樁情況中，沖擊成孔工藝主要在沖擊人工回填層和淤泥地層中出現(xiàn)問題，經(jīng)分析總結(jié)有以下幾種問題：

1)在人工回填層過程中發(fā)生泥漿反復(fù)滲漏問題；

2)在人工回填層中屢次發(fā)生偏孔問題；

3)在淤泥層進尺慢，泥漿指標不符合要求及易塌孔問題。

因此需進一步對上述成孔質(zhì)量問題進行研究分析，尋求針對性的解決辦法。

3 質(zhì)量問題分析及預(yù)防措施

3.1 泥漿滲漏質(zhì)量問題

3.1.1 漏漿質(zhì)量問題分析

根據(jù)資料調(diào)查研究，當(dāng)潮汐當(dāng)來時，會造成泥漿反向滲漏，當(dāng)潮汐退后易造成泥漿正向流失，如流失過大就會造成塌孔或埋鉆[3]。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告顯示，東山灣的潮汐屬不規(guī)則半日潮，潮汐存在日不等現(xiàn)象，即漲潮歷時與落潮歷時不等，相鄰高低潮的潮高不等。平均高潮位標高2.21 m，平均低潮位標高-1.58 m，平均潮差2.30 m，最大潮差4.14 m。一段時間內(nèi)潮水位觀測表明，潮差約3.00 m[1]。通過對連續(xù)7天漏漿現(xiàn)象最嚴重的時間點統(tǒng)計，曲線如圖1所示。

圖1 漏漿時間統(tǒng)計圖Fig.1 Statistical chart of slurry leakage time

經(jīng)對東山縣區(qū)潮汐規(guī)律進行統(tǒng)計總結(jié)，得出漲落潮時間和潮汐峰值關(guān)系如圖2所示。

圖2 潮汐漲落曲線圖Fig.2 Tidal fluctuation curve

經(jīng)數(shù)據(jù)分析得出漏漿最嚴重時間點與落潮期較為重合，經(jīng)判定落潮時地下水位降低，孔側(cè)壓力減弱，導(dǎo)致孔內(nèi)泥漿正向流失嚴重。隨機抽取2#樁基施工數(shù)據(jù)分析，顯示漏漿處位于塊石回填區(qū)，在淤泥層、砂質(zhì)黏土層和強分化巖層均未發(fā)現(xiàn)漏漿現(xiàn)象。經(jīng)初步判斷由于該回填區(qū)域采取花崗巖塊(碎)石回填而成，回填粒料級配不滿足要求，未進行分層回填和壓實，導(dǎo)致回填區(qū)空隙較大。沖孔時進行泥漿循環(huán)時泥漿從石縫中流失，在混凝土灌注時易造成混凝土充盈系數(shù)過大、混凝土漿體流失造成斷樁及樁身成型不均等質(zhì)量缺陷。

3.1.2 預(yù)防措施

1)先對近海側(cè)邊樁進行施工，沖擊成孔工藝對土體有一定的擠密效果，同時泥漿循環(huán)時將樁間土的裂隙都封堵嚴實，利用外排樁基形成一道“止水體”，降低潮汐對內(nèi)側(cè)樁基的影響。

2)鉆進過程中，根據(jù)進尺深度、地層地質(zhì)情況、水位變化情況有效控制泥漿液面高度。根據(jù)資料研究，施工期間護筒內(nèi)的泥漿面應(yīng)高出地下水位1.0 m 以上，在受水位漲落影響時，泥漿面應(yīng)高出最高水位1.5 m[2]。在透水層位置處，水頭位置越高則水壓力就越大，滲透壓力也就越大，泥漿漏失量越大，因此根據(jù)水位變化情況及時調(diào)整泥漿液面高度。

3)根據(jù)潮汐表掌握漲落潮規(guī)律，及時調(diào)整泥漿指標。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，總結(jié)出一定周期內(nèi)的漲落潮時間及潮高(高峰和低峰)數(shù)據(jù)。當(dāng)漲潮時，水面水位升高，孔壁壓力增大，泥漿護壁形成的泥皮厚度較薄，護壁效果較差，因此需加大泥漿稠度和泥漿液面高度，及時向孔內(nèi)補優(yōu)質(zhì)泥漿，防止塌孔。

4)向孔中加入適量碎石，利用沖錘沖孔將較大漏漿孔進行封堵，然后向其中加入黏性土，繼續(xù)沖孔造漿，保持泥漿稠度。也可使用優(yōu)質(zhì)膨潤土進行初始造漿，膨潤土泥漿是相分散和細分散的混合分散體，對泥粒有選擇性絮凝作用，使沖孔鉆進過程中的泥粒在泥壁表面堵塞粗空隙，泥漿的分散體堵塞細孔隙，能有效形成致密泥皮濾失量低。

5)將黏土和水泥按照5∶1的配合比進行孔內(nèi)回填，然后利用沖擊錘進行孔內(nèi)造漿，將黏土和水泥充分拌和，封堵下部漏漿縫隙。

6)退潮時，孔側(cè)壓力減弱，地下水對孔壁侵蝕較弱，能有效形成較厚泥皮，護壁效果較好，但泥漿用量較大。高潮位時孔側(cè)壓力與孔內(nèi)保持平衡，此時適宜進行混凝土澆筑作業(yè)，能有效控制混凝土充盈系數(shù)。

3.2 偏孔質(zhì)量問題

3.2.1 偏孔質(zhì)量問題分析

偏孔問題易導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的偏心受力，對樁基承載力會產(chǎn)生較大影響。對偏孔原因分析，產(chǎn)生的原因主要有：在沖孔樁施工作業(yè)中，操作人員為了提高進尺，在沖孔過程中不管實際地質(zhì)情況如何，都采用大沖程，一味追求成孔速度，容易造成樁孔偏斜；鉆進遇孤石、大漂石或半巖體，鉆頭受力不均偏向?qū)е缕?；基巖面不平，傾斜；鉆機底座不平或產(chǎn)生不均勻沉降，長時間沖鉆作業(yè)導(dǎo)致樁基偏位形成偏孔。

3.2.2 預(yù)防措施

對偏孔質(zhì)量問題的分析措施有：

1)沖孔樁施工時，開始時宜采用低錘間斷沖擊法，進入不均勻地層、傾斜狀巖層或遇到孤石時，則宜采用高錘沖擊。

2)及時向樁孔內(nèi)回填塊石和黏土塊至偏孔位置以上至少0.5 m，保持沖錘的作業(yè)面強度均勻，然后采用低錘密沖，反復(fù)校正，直到將偏孔校正好。

3)沖孔過程中平臺反復(fù)沖擊地面，造成鉆機平臺傾斜，致使沖錘、牽引鋼絲繩、鉆機支架不在同一直線上，因此在沖孔過程中必須隨時監(jiān)測鉆機平臺平整度并及時調(diào)整，保持沖孔設(shè)備沖擊方向始終與樁基軸線保持重合。

4)控制沖進鋼絲繩的對中，在四周做好保護樁，拉線呈“十”字形校核鋼絲繩，檢查鋼絲繩是否偏位。

5)當(dāng)采用回填塊石進行糾偏后，應(yīng)及時清理泥漿池沉渣，以避免影響正常反渣，造成持力層誤判。

6)糾偏前應(yīng)修復(fù)已損壞的樁錘，補焊好樁錘齒頭。

3.3 淤泥層鉆進質(zhì)量問題

3.3.1 進尺質(zhì)量問題分析

根據(jù)資料顯示，當(dāng)土層塑性指數(shù)大于25時，可采取自成泥漿，否則要用膨潤土造漿[4]。進入淤泥層時，鉆頭容易被淤泥包裹導(dǎo)致無法提錘，同時塌孔率也較高。根據(jù)地質(zhì)報告，淤泥層塑性指數(shù)Ip值為18.39，為保證護壁效果，使用膨潤土進行造漿最為適宜。

受場拋填擠淤影響，厚度變化大，且空間分布不連續(xù)，層厚0.40～2.20 m。根據(jù)地質(zhì)報告，淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土屬于微～極微透水，屬于可液化地層，當(dāng)沖孔至該地層時，孔壁極不穩(wěn)定，沖擊過程中可能致使底部淤泥液化，導(dǎo)致局部擴徑過大，從而增加上部塌孔風(fēng)險。此時沖孔鉆已穿過拋石層，沖程高度較大，孔徑較小，提鉆的過程中孔側(cè)易被擾動。

3.3.2 預(yù)防措施

進廠質(zhì)量問題的預(yù)防措施有：

1)泵管離孔底的距離為100～200 mm，輸入新泥漿進行循環(huán)，將樁孔內(nèi)的沖渣替換出來，并進行清理孔底，泥漿上返流速不應(yīng)小于0.25 m/s。

2)通過沖錘沖擊，并加入碎石及黏土進行填充，對周圍孔壁淤泥土進行置換，后用黏土和膨潤土調(diào)配造好的泥漿進行護壁。黏土選用塑性指數(shù)不小于15、粒徑小于0.074 mm的黏粒含量大于50%。通過工地試驗確定泥漿質(zhì)量配比為水：黏土：膨潤土=1∶0.4∶0.08，并加入適量的離子膜燒堿提高泥漿性能，摻入量約為孔內(nèi)泥漿土量的0.1%～0.4%。

3)采用重錘輕擊加塊石護壁加厚施工法[4]。對于承載力fk<80 kPa的淤泥層，沖擊成孔施工到位時，其深度填入2倍淤泥層高度的顆粒較大塊石、硬塑黏土等，并進行重錘輕擊。

4)當(dāng)沖至淤泥含砂層時，開啟泥漿分離器降低含砂率，如圖3所示。

圖3 泥漿分離器Fig.3 Mud separator

4 漳州核電AE棚庫樁基礎(chǔ)中的應(yīng)用

AE棚庫位于海域回填區(qū)，基底整體標高-2.000 m，地基處理方式采用混凝土灌注樁，基總數(shù)為64 根，樁身直徑600 mm。成樁作業(yè)需穿越人工回填層和淤泥層。

4.1 成孔工藝實踐

在成孔作業(yè)過程中成功應(yīng)用了潮汐規(guī)律，通過調(diào)泥漿稠度及泥漿液面高度等措施，減弱了潮汐變化對成孔作業(yè)的影響，極大的減少了成孔過程中的漏漿頻次。成孔完成后按照檢驗工藝流程，對樁基孔進行了孔徑、樁基垂直度、孔深及沉渣等檢測，均滿足設(shè)計要求。通過優(yōu)化對泥漿的運用管理，采用優(yōu)質(zhì)泥漿進行護壁，通過對AE棚庫15根樁基的記錄分析，對泥漿比重、含沙率及黏度等泥漿關(guān)鍵指標記錄如圖4～圖6所示。根據(jù)施工數(shù)據(jù)得出，在淤泥層沖孔鉆進時，使用黏土配合膨潤土進行造漿，護壁效果較好，指標符合規(guī)范要求，在此范圍內(nèi)成型的混凝土樁混凝土充盈系數(shù)在規(guī)范允許范圍內(nèi)，效果較好。

圖4 泥漿比重曲線圖Fig.4 Mud specific gravity curve

圖5 含沙率統(tǒng)計圖Fig.5 Statistical chart of sediment concentration

圖6 黏度曲線圖Fig.6 Viscosity curve

4.2 成樁檢測

在成樁完成后，根據(jù)設(shè)計圖紙要求進行成樁質(zhì)量檢測。先對全部樁基采用低應(yīng)變法進行樁身完整性進行檢測，再用單樁豎向抗壓靜載試驗進行承載力檢測，檢測抽取數(shù)量為總樁數(shù)的1%(且不少于3根)。AE棚庫樁基施工完成后，樁基低應(yīng)變(樁身完整性)檢測全部合格，均為I類樁，無樁身質(zhì)量缺陷，單樁豎向抗壓靜載試驗結(jié)果符合設(shè)計和規(guī)范要求。

5 結(jié)論

文章以實際案例為研究對象，對混凝土灌注樁成孔工藝施工難點及原因分析進行了詳細論述。結(jié)合現(xiàn)場情況，提出了針對性的解決辦法，驗證了沖擊成孔工藝在海域回填層中的良好應(yīng)用。通過工程實踐，在海域塊石回填地質(zhì)情況下，沖擊成孔工藝成孔效果較好。