旋挖機(jī)配套長(zhǎng)護(hù)筒成孔技術(shù)在軟土地層的應(yīng)用

李永杰，姜杰松

（大唐實(shí)創(chuàng)（北京）投資有限公司，北京 100191）

上海國(guó)際時(shí)尚中心新建游船碼頭工程（水域部分）位于上海市楊浦區(qū)黃浦江濱江上海國(guó)際時(shí)尚中心前沿水域。主要建設(shè)內(nèi)容和規(guī)模為：新建2個(gè)60 m游船碼頭泊位，4座擱橋墩臺(tái)，1處17 m×8 m貫通平臺(tái)，架空步道1座，改建防汛墻167 m，以及濱江步道的拆除、改造和恢復(fù)，同步實(shí)施電氣、給排水等配套工程等。

本項(xiàng)目改建防汛墻長(zhǎng)167 m，里程號(hào)為黃浦江西岸18+297~18+464。下部基礎(chǔ)將原防汛墻前排板樁予以保留并錨入新建防汛墻底板，新結(jié)構(gòu)前排設(shè)為Φ700 mm@900 mm×20 000 mm密排鉆孔灌注樁，后排為Φ700 mm@2 000 mm×20 000 mm鉆孔灌注樁，前排灌注樁后方設(shè)置Φ800 mm@600 mm×8 000 mm高壓旋噴樁。基礎(chǔ)斷面圖如圖1所示。

圖1 防汛墻基礎(chǔ)斷面圖

（1）工程地質(zhì)。擬建場(chǎng)地位于黃浦江防汛墻內(nèi)外兩側(cè)區(qū)域，屬于正常地層沉積區(qū)，第④層灰色淤泥質(zhì)黏土中含貝殼碎屑、云母和有機(jī)質(zhì)，夾少量薄層粉砂，土質(zhì)均勻，靜探Ps平均值約0.54 MPa，呈流塑狀，高等壓縮性，層頂標(biāo)高為-6.78～-9.35 m，厚度約2.90～6.80 m，擬建場(chǎng)地內(nèi)遍布，施工中易出現(xiàn)塌孔、縮孔現(xiàn)象。

（2）周邊及地下環(huán)境。工程建設(shè)場(chǎng)地北側(cè)為國(guó)際時(shí)尚中心園區(qū)，其8號(hào)、9號(hào)樓建于1921—1922年，西側(cè)泵房建于1955年，均為上海市文物保護(hù)建筑，對(duì)震動(dòng)位移控制要求較高。地下障礙物較雜，鋼筋最大直徑25 mm老鋼筋砼方樁和最厚70 cm鋼筋砼板塊、木樁、煤渣和淤泥層等。

1 工藝選擇背景

本工程伊始使用GPS-15型回旋鉆機(jī)成孔的灌注樁工藝，在施工過(guò)程中因障礙物過(guò)多而被迫中斷；后改用震動(dòng)錘鋼管樁工藝，正式施工前對(duì)回旋鉆鉆進(jìn)有困難樁位進(jìn)行試打，成樁設(shè)備選用DZ50震動(dòng)錘，試打過(guò)程中委托第三方做震動(dòng)測(cè)試，經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)，文保建筑個(gè)別點(diǎn)位位移數(shù)值報(bào)警，該工藝也予以否認(rèn)；高頻免震鋼管樁施工工藝因設(shè)備稀少，短期內(nèi)難于協(xié)調(diào)、工期較緊等因素而被否定。最后確認(rèn)選用旋挖鉆機(jī)成孔工藝進(jìn)行施工。

2 旋挖機(jī)成孔方式

旋挖成孔工藝：旋挖樁機(jī)底盤(pán)為履帶式，通過(guò)卷?yè)P(yáng)裝置下落伸縮鉆桿，將鉆斗置于孔底，由鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿并帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)，通過(guò)鉆斗的自重及液壓動(dòng)力不斷鉆進(jìn)，直至鉆斗裝滿后提升鉆斗卸土。通過(guò)鉆斗不斷循環(huán)反復(fù)的旋轉(zhuǎn)、挖土、提升和卸土，配合泥漿護(hù)壁，最終成孔。可根據(jù)不同的地質(zhì)情況選不同的鉆頭器具、不同的鉆桿及合理的斗齒刃角。

該成孔方式適用地層有填土層、黏土、粉土、砂土、淤泥質(zhì)土和人工回填土地層，且不易鉆進(jìn)含有部分卵石、碎石、塊石、混凝土板、木樁和無(wú)黏結(jié)力廢料的地層同樣適用。

配套的工具鉆斗有雙層單開(kāi)門(mén)鉆斗（回轉(zhuǎn)斗）及嵌巖筒鉆頭（巖心鉆）。鉆斗不僅要具備良好的切削地層能力，以較小的功耗獲得較快的切削速度，還要在頻繁的升、降過(guò)程中產(chǎn)生的阻力最小，特別要在提升過(guò)程中產(chǎn)生盡量小的抽吸作用，下降過(guò)程中產(chǎn)生盡量小的激動(dòng)壓力，同時(shí)，還要在裝滿鉆渣后可靠地鎖緊底蓋，而在卸渣時(shí)又能方便地解鎖卸渣。常用工具鉆斗如圖2、圖3所示。

圖2 嵌巖筒鉆頭

圖3 雙層單開(kāi)門(mén)鉆斗

3 工程應(yīng)用情況

本工程利用旋挖鉆機(jī)配套長(zhǎng)護(hù)筒成孔的泥漿護(hù)壁鉆孔樁施工工藝，液壓機(jī)械手、50 t汽車(chē)吊配合。鉆孔灌注樁總樁長(zhǎng)20 m，護(hù)筒長(zhǎng)度取12 m，壁厚8 mm，為采購(gòu)的成品螺旋焊管。

3.1 成孔工序

具體施工工藝流程如圖4所示。

圖4 旋挖樁基施工工藝流程圖

（1）場(chǎng)地準(zhǔn)備。施工范圍有部分可利用的原砼基礎(chǔ)，臨水側(cè)的軟土場(chǎng)地采用塊石換填2 m，其上放置20 cm鋼走道板。整理后的場(chǎng)地應(yīng)盡可能滿足鉆機(jī)合理放置和移動(dòng)、泥漿循環(huán)系統(tǒng)正常運(yùn)行、混凝土運(yùn)輸車(chē)及吊車(chē)正常作業(yè)等要求（圖5）。

圖5 旋挖施工配套機(jī)械

（2）泥漿制備。①現(xiàn)場(chǎng)配備一個(gè)鋼制長(zhǎng)5 m、寬3 m和深2.5 m的泥漿箱和一套泥漿分離設(shè)備，泥漿輸送軟管若干米，優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土若干。②旋挖成孔工藝鉆進(jìn)中通過(guò)鉆斗出渣，不需要考慮泥漿的攜渣性能，故泥漿比重應(yīng)取大值，大于1.2，以穩(wěn)定孔壁，防止坍孔。在清孔時(shí)應(yīng)降低泥漿比重至1.1。

（3）護(hù)筒埋設(shè)。護(hù)筒埋設(shè)采用機(jī)械手打設(shè)，打設(shè)前對(duì)擬成孔位置的回填塊料進(jìn)行清除，埋設(shè)深度應(yīng)穿透淤泥質(zhì)土層，進(jìn)入穩(wěn)定土層，綜合地基土質(zhì)及護(hù)筒的穩(wěn)定要求，本項(xiàng)目采用的護(hù)筒長(zhǎng)度為12 m，護(hù)筒頂標(biāo)高3.6 m。

（4）鉆進(jìn)成孔。①鉆機(jī)行走到預(yù)定位置后，調(diào)整主鉆桿位置，對(duì)準(zhǔn)灌注樁中心位置，通過(guò)機(jī)載系統(tǒng)自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)整鉆桿垂直度。②操作鉆孔作業(yè)前應(yīng)先記錄鉆機(jī)鉆頭的原始位置，鉆孔過(guò)程中監(jiān)測(cè)鉆孔的實(shí)際工作位置、每次進(jìn)尺及孔深位置。③在鉆進(jìn)深度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高需要提升鉆桿之前，應(yīng)在深度正向空轉(zhuǎn)數(shù)圈，以便清除螺桿上的積土，停止旋轉(zhuǎn)后，將最后一斗鉆渣緩慢提離孔位。具體施工如圖6所示。

圖6 旋挖成孔施工

（5）清孔。旋挖鉆機(jī)成孔后的清孔工藝與回旋鉆機(jī)成孔相同，分一清二清，清孔后檢查沉渣厚度。

（6）成孔檢查。鉆孔灌注樁的成孔質(zhì)量檢查需分多次、多階段，除終孔后及灌注混凝土前的檢測(cè)，過(guò)程中的成孔檢測(cè)亦十分重要。①孔徑和孔形檢測(cè)。樁孔成孔后，于鋼筋籠下放前，采用探孔器進(jìn)行入孔檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)確保孔的中心與起吊探孔器的鋼繩保持一致，以上下通暢無(wú)阻作為滿足設(shè)計(jì)孔徑的評(píng)判依據(jù)。②孔深和孔底沉渣檢測(cè)。通常采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)錘如錐形錘等檢測(cè)孔深和孔底沉渣，為確保數(shù)據(jù)精確度，必須使用已檢校過(guò)的鋼尺對(duì)測(cè)繩進(jìn)行校核。

經(jīng)測(cè)定，本工程孔徑、孔深均滿足設(shè)計(jì)要求，孔底沉渣厚度在80~90 mm范圍內(nèi)。

3.2 旋挖鉆機(jī)成孔控制要點(diǎn)

（1）鉆具下降、提升速度的控制。鉆斗升降速度宜控制在0.75~0.80 m/s。下放鉆斗時(shí)，鉆具下降產(chǎn)生的動(dòng)能通過(guò)受鉆斗擠壓的護(hù)壁泥漿傳給孔底和孔壁，使其承受動(dòng)壓力。當(dāng)鉆斗下降速度過(guò)快時(shí)，泥漿被鉆斗沿環(huán)狀間隙高速擠出而沖刷孔壁，易引起孔壁的破壞。

提升鉆斗時(shí)，孔底壓力減小，產(chǎn)生抽吸作力。當(dāng)提升速度過(guò)快時(shí)，鉆斗與孔壁間隙變小，護(hù)壁泥漿因無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充鉆斗下部的空腔而產(chǎn)生負(fù)壓，此時(shí)則易導(dǎo)致孔壁坍塌。

（2）在淤泥質(zhì)地層鉆進(jìn)的過(guò)程中，常出現(xiàn)吸鉆、塌孔、超方和卸渣困難等現(xiàn)象，除地層本身因素外，在改善泥漿性能的同時(shí)，也可以從改進(jìn)鉆斗結(jié)構(gòu)及優(yōu)化操作方式進(jìn)行控制。

（3）鉆進(jìn)中遇到地下障礙物，采用輕壓慢轉(zhuǎn)、上下活動(dòng)切削鉆碎障礙物。若鉆進(jìn)無(wú)效，可采取正反交替轉(zhuǎn)動(dòng)的方式，比如在正方向轉(zhuǎn)動(dòng)遇到較大阻力時(shí)，可立即反轉(zhuǎn)數(shù)周，然后再次正轉(zhuǎn)，如此循環(huán)往復(fù)。長(zhǎng)時(shí)間鉆進(jìn)進(jìn)尺較小時(shí)，要換破碎能力強(qiáng)的鉆斗。

（4）通過(guò)檢測(cè)鉆孔泥漿及鉆機(jī)對(duì)位以控制成孔質(zhì)量。應(yīng)按照2 m間距對(duì)撈取渣樣進(jìn)行觀察分析，密切關(guān)注地層變化，如有異常情況及時(shí)處理。

（5）在粉砂層或淤泥質(zhì)土層時(shí)，鉆斗應(yīng)緩慢升降。在易縮孔地層中，應(yīng)適當(dāng)增加掃孔次數(shù)，粉砂層應(yīng)低壓慢速并適當(dāng)增加泥漿比重和黏度。

4 旋挖成孔方式的優(yōu)缺點(diǎn)

4.1 優(yōu)點(diǎn)

（1）振動(dòng)小、噪聲低、成孔速度快及效率高。與常規(guī)鉆機(jī)相比，旋挖鉆機(jī)回轉(zhuǎn)扭矩大，可根據(jù)地層情況自動(dòng)調(diào)整鉆壓，本工程土層情況下每小時(shí)進(jìn)尺6 m以上。

（2）設(shè)備性能先進(jìn)，自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低。

（3）環(huán)保特點(diǎn)突出，無(wú)污染，與傳統(tǒng)的回旋鉆機(jī)相比，旋挖鉆機(jī)泥漿使用量小，且在土質(zhì)較好的地區(qū)，可用于干成孔作業(yè)。

（4）行走移位方便。相較于傳統(tǒng)旋挖鉆機(jī)移位的繁瑣，旋挖鉆機(jī)可依靠其履帶機(jī)構(gòu)靈活方便地移動(dòng)至工作位置。

（5）相較于回旋鉆機(jī)安裝更為簡(jiǎn)單，樁孔對(duì)位方便準(zhǔn)確。

（6）適應(yīng)地層較廣泛。在遇到高水位、多大鵝卵石等障礙地層時(shí)，正、反循環(huán)及長(zhǎng)螺旋鉆施工遇阻，此時(shí)可考慮旋挖成孔。

（7）適應(yīng)密排灌注樁的分序跳打。鉆頭可以對(duì)臨樁擴(kuò)孔部位混凝土進(jìn)行削切作業(yè)，非常適合處理密排樁分序跳打難題。

4.2 缺點(diǎn)

（1）泥漿制備不當(dāng)，易產(chǎn)生坍孔。施工需根據(jù)不同的成孔階段，調(diào)整泥漿比重。

（2）因土層情況差異導(dǎo)致成孔孔徑較鉆斗直徑大7%~20%。增大砼充盈度系數(shù)，致砼灌注方量增加。

（3）設(shè)備自重大，對(duì)場(chǎng)地的承載力要求高。如地基存在厚軟土層，換填及二次清障工作量大。

（4）施工輔助機(jī)械設(shè)備多，需要較大的工作場(chǎng)地且臺(tái)班綜合費(fèi)用較高。

（5）鉆斗反復(fù)下降、提升，對(duì)孔內(nèi)泥漿擾動(dòng)較大，易對(duì)孔壁進(jìn)行沖刷，造成泥皮脫落或孔壁坍塌。

5 結(jié)束語(yǔ)

旋挖樁機(jī)成孔工藝在華中地區(qū)等地質(zhì)較好的區(qū)域應(yīng)用較廣泛，在上海等厚軟土及暗浜發(fā)育地區(qū)應(yīng)用較少，其經(jīng)濟(jì)性不是很高，在類(lèi)似本工程涉及文保建筑安全，地下障礙物多，工期壓力較大和施工場(chǎng)地較充足的情況下，考慮工期及工程建設(shè)社會(huì)效益時(shí)，是一種比較合適的成孔方法，成孔保證率高，為工程總體目標(biāo)如期實(shí)現(xiàn)提供了可靠的保證，為后續(xù)黃浦江碼頭建設(shè)提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)，具有一定的借鑒作用。