福建沿海某電廠灌注樁成樁工藝研究

張法智，尹愛月，施洽殷

(1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250100；2.華能（福建漳州）能源有限責(zé)任公司，福建 漳州 363215)

0 引言

福建沿海地區(qū)屬花崗巖分布區(qū)，受地質(zhì)構(gòu)造作用，地層演變極為復(fù)雜，巖面埋藏較深，上部有淤泥層存在，砂層較厚，下部碎塊狀風(fēng)化巖的硬度大。

近年來福建沿海地區(qū)新建了若干火電廠等電力項(xiàng)目，因荷載較大，地層條件較差，多采用灌注樁作為地基處理的主要方式。傳統(tǒng)上，福建沿海地區(qū)的灌注樁施工多采用沖擊鉆成孔，使用黏土或膨潤土造漿的泥漿護(hù)壁，存在易坍孔、單樁豎向承載力偏低、成孔效率低等問題。本文對福建沿海某項(xiàng)目的灌注樁施工進(jìn)行研究，使用280型旋挖鉆機(jī)成孔，配嵌巖雙底撈砂斗和長護(hù)筒，采用奈普頓化學(xué)泥漿進(jìn)行護(hù)壁，并使用氣舉反循環(huán)法二次清孔，解決了施工難的問題。

1 工程概況

1.1 工程簡介

該發(fā)電項(xiàng)目位于福建省漳州市的一個半島，廠址距海岸線約1.2 km。擬建場地地貌成因類型為海積平原，地貌類型為平地。場地地形整體較為平坦。

1.2 工程地質(zhì)條件

工程場地上覆地層為第四系全新統(tǒng)人工填土(Q4ml)、風(fēng)積層(Q4eol)、海陸交互沉積層(Q4m+al)，海積層(Q4m)，第四系下更新統(tǒng)坡洪積層(Q3pl+dl)、殘積層(Q3el)；巖性為細(xì)砂、中細(xì)砂、粗砂、粉質(zhì)黏土、殘積砂質(zhì)黏性土，下伏地層為燕山期(γ)花崗巖。場地地層表見表1所列。

表1 場地地層表

勘測期間地下水穩(wěn)定水位埋深為1.00～2.05 m，據(jù)調(diào)查，擬建場地常年最高地下水位可達(dá)地表。

1.3 灌注樁的設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)勘測資料及廠區(qū)擬建建筑物特征，擬采用鋼筋混凝土灌注樁進(jìn)行地基處理的主要建(構(gòu))筑物有：主廠房，煙囪，鍋爐基礎(chǔ)，條形煤場及轉(zhuǎn)運(yùn)站等荷載較大的建(構(gòu))筑物。

灌注樁設(shè)計(jì)樁徑為800 mm，樁端持力層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，樁端進(jìn)入持力層不小于2.0 m。從自然地面算起，地面以下樁長約為30～40 m。

2 灌注樁的施工

2.1 施工工藝

灌注樁施工工藝流程主要包括：施工準(zhǔn)備→施工現(xiàn)場整平→放線、測放樁位→開挖泥漿池、泥漿溝→設(shè)鋼護(hù)筒→鉆機(jī)就位、孔位校正→鉆孔至設(shè)計(jì)深度、泥漿循環(huán)、清除廢漿、泥渣→清孔換漿→終孔驗(yàn)收→下鋼筋籠→下導(dǎo)管→二次清孔→水下澆筑混凝土→成樁養(yǎng)護(hù)。

傳統(tǒng)上，福建沿海地區(qū)的灌注樁施工多采用沖擊鉆成孔，使用黏土或膨潤土造漿作為泥漿護(hù)壁[1]。

該施工工藝的優(yōu)點(diǎn)：①設(shè)備簡單，操作方便，鉆進(jìn)參數(shù)容易掌握；②設(shè)備移動方便，機(jī)械故障少；③對堅(jiān)硬花崗巖的沖擊破碎效果較好；④膨潤土造漿成本較低，護(hù)壁效果較好[1]。

該施工工藝的缺點(diǎn)：①利用鉆桿或鋼絲繩牽引沖擊頭進(jìn)行沖擊鉆進(jìn)時，大部分作業(yè)時間消耗在提放鉆頭和掏渣土上，鉆進(jìn)速度較低、隨樁孔加深，掏渣時間和孔底清渣時間相對較長；②容易出現(xiàn)樁孔不圓的情況，擴(kuò)孔率較高；③遇地層不均勻時容易出現(xiàn)斜孔、卡錘和掉鉆等事故；④容易造成泥皮過厚，降低樁的側(cè)摩阻力[1]。

為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)電項(xiàng)目的灌注樁設(shè)計(jì)方案和地質(zhì)條件，對當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的施工工藝進(jìn)行了改進(jìn)，提出了新的施工工藝。新的施工工藝為使用280型旋挖鉆機(jī)成孔，配嵌巖雙底撈砂斗和長護(hù)筒，采用奈普頓化學(xué)泥漿進(jìn)行護(hù)壁，并使用反循環(huán)法二次清孔。

2.2 成孔設(shè)備的選擇

旋挖鉆機(jī)是大功率、全液壓、機(jī)電一體化、操作舒適的產(chǎn)物，是現(xiàn)代高科技的結(jié)晶，體現(xiàn)了人性化、智能化和效率化的集中統(tǒng)一，其自動化程度高、勞動強(qiáng)度低、工作環(huán)境舒適。旋挖鉆機(jī)可以靠軌道自行行走，鉆前定位準(zhǔn)確方便。

從成孔速度分析，旋挖鉆機(jī)比沖擊鉆機(jī)快。旋挖鉆機(jī)可以配備不同的鉆頭，常用的旋轉(zhuǎn)鉆頭有螺旋鉆和旋轉(zhuǎn)吊桶。此外，還有針對不同地質(zhì)條件的筒芯鉆、擴(kuò)孔鉆、沖擊鉆和沖擊抓斗鉆，可用于砂層、土層、巖層等不同地層的鉆進(jìn)。

旋挖鉆機(jī)特別適用于沖積層較厚的平原及沿海地區(qū)的灌注樁鉆進(jìn)。本項(xiàng)目的地層有淤泥層和深厚砂層的存在，樁端持力層為花崗巖，綜合考慮設(shè)計(jì)因素、地層因素以及旋挖鉆機(jī)的動力頭額定輸出扭矩、液壓系統(tǒng)額定工作壓力、主卷揚(yáng)安全系數(shù)等參數(shù)，選用了280型旋挖鉆機(jī)，搭配嵌巖雙底撈砂斗作為本次灌注樁施工的成孔設(shè)備，設(shè)備參數(shù)見表2所列。

表2280型旋挖鉆機(jī)參數(shù)表

嵌巖雙底撈砂斗適用于卵、碎石層和中等風(fēng)化的類土質(zhì)軟巖以及風(fēng)化程度較高的較硬巖，如全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖等。嵌巖雙底撈砂斗如 圖1所示。

圖1 嵌巖雙底撈砂斗

2.3 護(hù)筒的選擇

本項(xiàng)目場地的地層，②中砂為松散—稍密狀態(tài)，施工時有坍孔的風(fēng)險(xiǎn)；④-1淤泥質(zhì)黏土為軟塑狀態(tài)，施工時容易造成樁孔的縮徑，并且②中砂、④-1淤泥質(zhì)黏土在廠區(qū)內(nèi)普遍存在。

為了解決上部的坍孔和樁孔縮徑等問題，經(jīng)多次試驗(yàn)，采用了長度為8 m、內(nèi)徑870 mm的鋼護(hù)筒，護(hù)筒上部預(yù)留1個溢漿孔。

因護(hù)筒長度較大，護(hù)筒的埋設(shè)和澆筑后拔出均比較困難，本項(xiàng)目采用了EC480型振動打拔機(jī)來完成埋設(shè)和拔出。護(hù)筒埋設(shè)時采用GPS和鋼尺定位，確保護(hù)筒中心和樁位中心的偏差不大于50 mm。

2.4 泥漿的選擇

泥漿主要起護(hù)壁作用，防滲、防水帷幕。以孔內(nèi)高于地下水位的泥漿的側(cè)壓力平衡孔壁土壓力和孔周圍水壓力，抵抗孔周圍水滲入孔內(nèi)，維持孔壁穩(wěn)定。

泥漿是在樁基施工中的一個重要環(huán)節(jié)。若泥漿的比重較小時，不能夠平衡地層壓力，易造成鉆孔縮徑，更為嚴(yán)重時，會造成坍孔或者斷樁，直接影響樁基的質(zhì)量和工程的施工進(jìn)度，造成經(jīng)濟(jì)損失；若泥漿的比重較大時，不利于樁基的施工，孔位較近時，易串孔，對于灌注也不利。

傳統(tǒng)上多采用黏土或者膨潤土造漿，泥漿 的 指 標(biāo) 為 比 重1.10～1.20 g/cm3，粘 度20～24 Pa·s，含水率4%～8%[2]。對本項(xiàng)目的地層，因較厚的砂層存在，泥漿比重為1.10左右時，泥漿護(hù)壁效果不夠，易坍孔；泥漿比重為1.20左右時，易在樁側(cè)形成較厚的泥皮，導(dǎo)致側(cè)摩阻力的降低。傳統(tǒng)泥漿的另一個缺點(diǎn)在于鉆渣沉淀速度慢，清孔時鉆渣很難全部沉淀，往往首次清孔與二次清孔之間的沉渣厚度超過1 m，水下混凝土澆筑過程中，仍有大量沉渣，影響樁身質(zhì)量。

因砂層較厚，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，護(hù)壁要求泥漿的黏度大，并且鉆渣沉淀快，經(jīng)反復(fù)對比，確定使用化學(xué)聚合物泥漿[3]。本次使用的化學(xué)泥漿為奈普頓旋挖鉆機(jī)專用聚合物泥漿。造漿時采用空壓機(jī)造漿法，具體如下。

1)施工準(zhǔn)備：挖一個泥漿池，根據(jù)用量確定泥漿池的大小，并在池邊安裝好泥漿泵和空氣壓縮機(jī)，周邊做好防護(hù)。

2)將清水注入泥漿池后，用20%氫氧化納溶液調(diào)節(jié)水的pH值在8～10之間，用空氣壓縮機(jī)攪拌均勻，攪拌時間為10～20 min。

3)將循環(huán)泵打開，進(jìn)行自循環(huán)后，通過泵出水管口加入本產(chǎn)品，要求緩慢均勻加入，首次使用時一般采用最大量使用，加量為0.05%，即：100 m3水中加入化學(xué)泥漿50 kg，后用空氣壓縮機(jī)攪拌10 min，用工程漏斗測定溶液的黏度到22 s左右，一般情況下手感稍有黏度，起線絲狀即可[4]。

4)若黏度≥22 s，可直接加水稀釋；若黏度＜22 s，可能是由于攪拌時間不夠，需延長攪拌時間；如果仍達(dá)不到黏度，可打開循環(huán)泵自循環(huán)后通過出水口補(bǔ)充本產(chǎn)品，并再用空氣壓縮機(jī)繼續(xù)攪拌，直至滿足條件[5]。

5)在鉆進(jìn)過程中，如果含砂層較多，要提前準(zhǔn)備好足量的泥漿，并在鉆進(jìn)過程中不斷補(bǔ)充泥漿，保持鉆進(jìn)液面，確保地層壓力平衡。

6)鉆進(jìn)完成后，靜置60 min，用鉆機(jī)打撈沉降的鉆渣等雜質(zhì)。

7)澆筑完成后，返回的泥漿黏度需符合要求，如果黏度＜20 s，可以打開循環(huán)泵自循環(huán)后通過出水口補(bǔ)充本產(chǎn)品，并用空氣壓縮機(jī)不停攪拌，直至滿足條件。同時，在另外一個泥漿池中配制新的泥漿，以滿足下回所用。

2.5 二次清孔工藝

鉆進(jìn)完成后，靜置40～60 min，用鉆機(jī)打撈沉降的鉆渣等雜質(zhì)，不要控漿，然后下放鋼筋籠和混凝土導(dǎo)管，一般情況下都能達(dá)到灌注樁要求的含砂量和沉砂量，個別地層可能會出現(xiàn)沉砂量較多的情況，可以在下鋼筋籠之前多撈幾次，以確保下放鋼筋籠和導(dǎo)管后沉渣 達(dá)標(biāo)。

為防止下放鋼筋籠和導(dǎo)管時再次產(chǎn)生沉渣，本項(xiàng)目采用氣舉反循環(huán)工藝進(jìn)行二次清孔，確保澆筑時的沉渣厚度不大于50 mm。

3 新工藝的施工效果

3.1 機(jī)械成孔的效果

新工藝的施工機(jī)械，使用旋挖鉆機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝的沖擊鉆，對比如下。

1)施工難易程度：旋挖鉆機(jī)配嵌巖雙底撈砂斗，適用于本地層灌注樁的施工；沖擊鉆用卷揚(yáng)機(jī)在沖樁架上掛沖擊錘，利用沖擊錘自重沖出成孔，也適用于本地層的灌注樁施工。因沖擊鉆成孔時存在易偏孔、易掉錘孔、沖擊振動干擾大等弊端，施工難度大于使用旋挖鉆機(jī)。

2)施工速度：每根樁的成孔時間，使用沖擊鉆約為6 h，使用280型旋挖鉆機(jī)成孔，配嵌巖雙底撈砂斗，成孔時間約3 h。每根樁的二次清孔時間，使用化學(xué)泥漿約為15 min，沉淀時間為1 h；使用黏土或膨潤土造漿時，沉淀和二次清孔時間約為3 h。因此，新工藝的施工速度比傳統(tǒng)工藝快，每根樁縮短約4.5 h。

3)成本：旋挖鉆機(jī)的設(shè)備租賃費(fèi)約為 16萬元/月，沖擊鉆的費(fèi)用則約為4萬元/月，雖然旋挖鉆機(jī)的施工速度快、效率高，但使用旋挖鉆機(jī)的成本仍然高于沖擊鉆。

3.2 泥漿的效果

本次灌注樁施工，采用奈普頓化學(xué)泥漿代替?zhèn)鹘y(tǒng)的黏土或膨潤土泥漿，對比如下。

1)適宜性：根據(jù)本工程的地質(zhì)條件，化學(xué)泥漿和傳統(tǒng)泥漿均適用于本次的灌注樁施工，但化學(xué)泥漿不形成厚泥皮，不會造成樁的側(cè)摩阻力降低，有助于提高單樁豎向承載力。

2)環(huán)保性：奈普頓化學(xué)泥漿易降解、無污染?？捎?%的過氧化氫溶液或5%的次氯酸鈉溶液在排放前進(jìn)行處理，同時加上定量的處理劑，用泥漿泵對所有需處理的泥漿進(jìn)行循環(huán)，使其氧化后進(jìn)行充分排放，這樣就不會對環(huán)境造成危害。

3)經(jīng)濟(jì)性：以100 m3的水配置泥漿為例，計(jì)算化學(xué)泥漿和膨潤土制漿的成本：①化學(xué)泥漿：100 m3水，50 kg化學(xué)泥漿，奈普頓化學(xué)泥漿采購價(jià)約550元/箱，每箱25 kg，購置價(jià)約1100元；②膨潤土泥漿：100 m3水，10 t膨潤土，膨潤土采購價(jià)約500元/t，購置價(jià)約5000元。可見，使用化學(xué)泥漿的成本低于膨潤土泥漿[6]。

3.3 整體施工效果

本次新工藝使用280型旋挖鉆機(jī)成孔，配嵌巖雙底撈砂斗和長護(hù)筒，采用奈普頓化學(xué)泥漿進(jìn)行護(hù)壁，并使用反循環(huán)法二次清孔，沒有出現(xiàn)任何坍孔現(xiàn)象，沉渣厚度也全部控制在50 mm之內(nèi)。通過靜載和高應(yīng)變檢測，樁的承載力全部滿足設(shè)計(jì)要求，合格率100%；通過低應(yīng)變檢測，全場1038根樁全部合格，其中I類樁為988根，占95%；Ⅱ類樁50根，占5%；無Ⅲ類樁和Ⅳ類樁。

Ⅱ類樁出現(xiàn)原因主要是從地面起約11.0 m處為④-1粉質(zhì)黏土，軟塑狀態(tài)，此處容易產(chǎn)生縮徑。為防止出現(xiàn)縮徑，可采取辦法為：鉆進(jìn)成孔時，在深度約11.0 m處進(jìn)行空轉(zhuǎn)，讓此處孔壁地層保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)；成孔后加快鋼筋籠下放、導(dǎo)管下放、澆筑混凝土的工序時間，在孔壁地層產(chǎn)生徐變前完成澆筑。

4 結(jié)論

采用280型旋挖鉆機(jī)成孔，配嵌巖雙底撈砂斗和長護(hù)筒，采用奈普頓化學(xué)泥漿進(jìn)行護(hù)壁，并使用氣舉反循環(huán)法二次清孔，很適合福建沿海地區(qū)上部有淤泥層、砂層較厚、下部碎塊狀風(fēng)化巖硬度大的地層的灌注樁 施工。

旋挖鉆機(jī)專用聚合物化學(xué)泥漿具有制漿速度快、護(hù)壁效果好、沉淀速度快、對環(huán)境無污染、沉渣厚度小等優(yōu)點(diǎn)，造價(jià)低于膨潤土制漿。

本工程的實(shí)踐通過應(yīng)用此施工工藝，灌注樁的承載力滿足設(shè)計(jì)要求，同時施工質(zhì)量得到有效保證。