超大直徑超深嵌巖旋挖分級成孔技術

許谷星，孫 言

(1.江西省地質工程(集團)公司，江西 南昌 330029; 2.江西省地質調查勘察院基礎地質調查所，江西 南昌 330025)

0 引言

旋挖鉆機已普遍應用于樁基工程施工中，隨著旋挖鉆機動力功率越來越大，旋挖鉆機處理硬質巖殘留體和在硬質巖中鉆進成孔相對于沖擊鉆、回轉鉆機具有成孔效率高、泥漿產出少的特點，因此有必要充分發揮旋挖鉆機的這些優勢，開拓和完善旋挖鉆機的應用領域。

1 工程概況

1.1 項目概況

本工程位于深圳市福田區上沙村中洲濱海華府四期樁基基礎工程，建設項目總用地面積2.65萬m2。本工程樁徑120 cm～280 cm，孔深25 m～95 m，共179根。樁端持力層為中(微)風化花崗巖，入巖深度不小于1倍樁徑。工期90日歷天。

1.2 場地工程地質條件

1)地形地貌特征。擬建場地原始地貌為沖洪積平地，原始地形在場地內起伏不大。現場地為人工填土堆填后城中村用地，地面標高變化不太大，勘察期間鉆孔孔口標高在3.90 m～6.48 m之間。

2)巖土層結構及其物理力學性質。據鉆探揭露，場地內的地層按成因可分為人工填土層、第四系沖洪積土層、第四系殘積土層和下伏燕山期花崗巖。現按層序由上而下分述如下：

a.人工填土層。雜填土：灰、灰褐、黃、褐黃色，呈稍密狀態，主要由含石英砂礫黏性土組成，建筑垃圾混凝土、磚塊含量在20%～35%，塊徑在1 cm～35 cm，呈次棱角狀；局部主要由垃圾混凝土、磚塊或石英質粗礫砂組成，縫隙中充填少量黏性土。厚度為0.70 m～7.60 m，平均為2.78 m。

b.第四系沖洪積土層。根據土質成分不同，可分為兩個亞層，其特征如下：

礫砂：灰、灰白、黃、褐黃色，濕～飽和，多呈稍密狀態，局部孔下部呈中密狀態，砂成分為石英質，顆粒分選較差，不均勻含黏性土約30%(局部孔中夾粉質黏土層)。大部分地段均有分布，厚度為0.90 m～15.00 m，平均為4.87 m；(含砂)粉質黏土厚度為0.80 m～7.80 m，平均為3.47 m。

c.第四系殘積土層。礫(砂)質黏性土：褐、褐黃、黃、灰白、紫褐色，可～硬塑狀態，組織結構全部破壞，由花崗巖風化殘積而成，石英質砂礫含量約為30%，黏性一般。大部分鉆孔均有鉆遇，厚度為1.40 m～15.00 m，平均為6.31 m；層頂埋深為3.80 m～17.80 m。

d.燕山期花崗巖。場地下伏基巖為燕山期花崗巖。由上而下可分為全風化、強風化、中風化巖和微風化巖帶。全風化花崗巖：巖石完全風化解體，礦物成分發生顯著變化，巖芯呈堅硬土狀，遇水手捏可成團。層厚為1.90 m～9.80 m，平均4.95 m；強風化花崗巖：結構大部分破壞，裂隙很發育，巖石風化強烈而解體，礦物成分發生顯著變化；巖芯多呈砂礫土狀，底部少量巖芯呈碎塊狀(局部底部夾少量中風化巖塊)，土狀芯遇水易散，巖塊多手折可斷，干鉆困難。該層在場地內均有分布，厚度極不均勻，厚度為2.00 m～50.50 m，平均為15.16 m。巖芯采取率約80%；中風化花崗巖：灰褐、灰色，裂隙發育～較發育，裂面鐵染呈鐵銹色，巖芯呈碎塊、塊、短柱、柱狀，較堅硬，錘擊聲稍脆，合金鉆進較困難。該層在場地內均有分布，大部孔未鉆穿，揭露厚度為0.80 m～9.70 m，平均為5.67 m；微風化花崗巖：灰褐、灰色，裂隙較發育，局部裂面可見少量鐵染呈鐵銹色，巖芯呈塊狀、短柱狀、柱狀，巖質較新鮮～新鮮、堅硬，錘擊聲脆，需金剛石鉆具鉆進。揭露厚度為2.00 m～7.30 m，平均為3.86 m。層頂標高為-64.29 m～-18.27 m，層頂埋深為23.00 m～70.00 m。

3)特殊性巖土。根據勘察結果：場地內分布的人工填土為特殊性土。人工填土呈稍密狀態，其成分、厚度及狀態在縱橫向分布上略有不同，雖已基本完成自重固結，但整體穩定性不均且較差。根據鉆探資料可知，在該場地內局部強風化巖層中有“中風化巖孤石”(或稱“殘留體”)分布。

2 工程難點及原因分析

2.1 綠色施工是本工程施工與管理的重點

本工程場地黃海高程約6.00 m、樁頂黃海高程21.70 m～27.30 m，空樁深度在26.70 m～33.10 m，樁基空孔深達27.00 m，空孔量大。渣土及泥漿運輸和消納是深圳工程施工中十分棘手的問題，同時也是施工的難點和重點；項目地處深圳地鐵運行線安全控制范圍內，限制沖擊鉆機使用。

2.2 樁孔垂直度控制難度大

本工程場地地質條件較為復雜，巖面起伏較大，特別是T8號樓中風化破碎帶厚，實樁長度長達75.00 m。因此樁基施工入巖、樁的垂直度控制、沉渣厚度控制是本項目的重點和難點。

2.3 工期要求與成孔效率低的矛盾尖銳

本項目合同工期90日歷天，每天必須完成2根樁以上。根據我們多年施工經驗在堅硬巖石層中使用滾刀鉆頭的情況下其成孔效率低下[1]，每小時進尺不足2 cm，日進尺不足20 cm。這樣的進尺效率對業主和施工單位來說都是無法接受的。

3 設備選型和施工方案的優化

3.1 設備選型

綜上所述，沖擊鉆機和普通的回轉鉆機無法滿足綠色施工和深圳市相關部門要求，只有選擇旋挖鉆機。旋挖鉆機使用的是掏土工藝，具有施工進度快、機械化程度高、產生泥漿少的特點。目前國內生產的功率最大的旋挖鉆機最大扭矩達到360 kN·m，如果利用旋挖鉆機的鉆壓全截面破碎基巖面，由于中(微)風化花崗巖的單軸抗壓強度達到100 MPa以上，釆用全截面破碎成孔效率很低。只有改用整體取芯施工工藝，但是基巖的抗剪強度達到50 MPa以上，即扭斷每平方米的基巖的力矩需要達到50 t·m以上，這對取芯鉆頭的長度和取芯的芯的截面面積大小提出了要求，即對巖芯的長細比大小必須滿足一定條件才能將巖芯扭斷并取出巖芯，根據計算和實踐證明使用扭矩為360 kN·m的大型旋挖鉆機只能扭斷直徑1.5 m的巖芯，即巖芯截面面積小于1.7 m2。

3.2 旋挖分級成孔技術

1)持力層施工方案的優化。有鑒于上述原因，本工程采用“旋挖分級成孔技術”的工藝進行成孔施工。“旋挖分級成孔技術”就是使用筒式牙輪刻槽鉆頭將超大直徑樁芯分二次或者三次同心切割，施工順序是先從樁心切割并整體取出樁中心部分，后同心切割并整體取出內環狀部分，依次從樁心到樁外圈，直至將本回次設計的入巖部分全部取出，直到滿足設計進入持力層要求。針對本工程釆用三次刻槽取芯辦法，即先用150 cm牙輪刻槽鉆頭刻槽進入孔底，將直徑150 cm樁心巖芯取出，后用直徑200 cm牙輪刻槽鉆頭刻槽進入孔底將直徑100 cm至直徑200 cm環狀部分取出，最后用280 cm牙輪鉆頭刻槽進入孔底，并將整個剩余巖芯整體取出[2]。

2)孤石層施工方案的優化。對于孤石層，對于中(微)風化殘留層，由于其整體差，抗承載力不均等特性，采用兩級牙輪鉆頭刻槽穿越殘留層。先用直徑2.0 m牙輪刻槽鉆頭刻槽穿過殘留層，并將整個剩余殘留層取出，最后用2.8 m牙輪鉆頭刻槽穿過殘留層底，并將整個剩余殘留層取出。

4 旋挖分級成孔技術施工工藝流程及關鍵點(以樁徑280 cm為例)

4.1 工藝流程

1)殘留層鉆進施工工藝流程。土層鉆進→安裝第一級直徑200 cm牙輪刻槽鉆頭→完成第一級刻槽殘留層鉆進→取出第一級殘留層巖芯→更換第二級直徑280 cm牙輪刻槽鉆頭→完成第二級刻槽殘留層鉆進→取出第二級殘留層巖芯。

2)基巖鉆進施工工藝流程。土層鉆進→殘留層鉆進→安裝第一 級直徑150 cm牙輪刻槽鉆頭→完成第一級刻槽鉆進→整體取出第一級巖芯→第一次清孔→更換第二級直徑200 cm牙輪刻槽鉆頭→完成第二級刻槽鉆進→整體取出第二級巖芯→第二次清孔→更換第三級直徑280 cm牙輪刻槽鉆頭→整體取出巖芯→終孔清孔。

4.2 旋挖分級成孔技術關鍵點

旋挖鉆機鉆進硬質巖層有一定的難度，關鍵問題在于如何提升入巖效率，同時還要降低鉆具、鉆齒的損耗，以及及時檢測維護鉆桿，并預防偏孔，其關鍵點如下：

1)正式施工前，要對分級施工工藝進行試樁施工，針對試樁施工中出現的問題逐項檢查解決問題。

2)采用三級牙輪刻槽筒式嵌巖鉆頭時，鉆頭筒壁要達到足夠的強度，其厚度不小于5 cm；三級鉆頭保持平行，其垂直度不小于0.5%，且其軸線必須保持一致。三級牙輪刻槽筒式嵌巖鉆頭見圖1，直徑280 cm筒式牙輪刻槽嵌巖鉆頭見圖2。

3)施工時要緩壓慢轉，即逐步加壓并且轉速要慢，不求快速，只求穩定性。每刻槽進尺20 cm左右要停機休息30 min，以防止設備疲勞，降低鉆頭、鉆齒、鉆桿的工作溫度。

4)更換刻槽牙輪鉆頭鉆齒要求：更換刻槽牙輪鉆頭個別或全部鉆齒時，必須保證整體鉆齒布局的同心度，保證各齒均勻同步受力，這樣可降低鉆具、鉆齒的損耗并提升入巖效率。

5)對于旋挖成孔泥漿護壁深孔樁及大直徑樁，應注意泥漿性能比重及黏度指標，預防塌孔，同時應輔以必要的清孔手段，保證孔底沉渣在設計規范范圍內，本施工技術采用了氣舉反循環清孔工藝，同時，為快速降低泥漿的含砂率，第二次清孔時采用漿渣分離器快速有效分離濾除泥漿中的細砂，既保證了灌注前泥漿性能指標滿足規范要求[3-4]，也可預防深孔大直徑樁大方量混凝土灌注時發生夾泥夾砂的樁身質量問題。

6)對于工程存在風化不均的中風化殘留體地層，特別是同一截面軟硬不均時，在提前做好了超前鉆勘察工作的條件下，可直接選用自身具備垂直導正功能的長直筒牙輪鉆頭，有利于垂直度的控制，同時也利于降低鉆具、鉆齒的損耗。

5 結語

利用大功率旋挖鉆機的大扭矩輸出功能，對超大直徑鉆孔灌注樁釆用分級整體取芯方法完成了在中(微)風化花崗巖中的鉆進成孔，其成孔效率提高了5倍，同時安全性也有更好的保障。另外用同樣的分級取芯技術突破殘留體夾層的效果也十分明顯。