復(fù)雜地質(zhì)下超大鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用分析

韓 帥 李偉超 苗春林

中國建筑土木建設(shè)有限公司 山東 聊城 252400

1 引言

鉆孔灌注樁具有承載力高、施工噪音小、鉆孔無振動以及無擠土等優(yōu)勢，并且適應(yīng)性較好，可以解決多種復(fù)雜地質(zhì)施工中的問題，因此被廣泛應(yīng)用于各類工程項(xiàng)目施工當(dāng)中，尤其是橋梁工程、道路工程以及高層和超高層建筑工程。但是鉆孔灌注樁施工過程中也存在相應(yīng)的問題，比如鉆孔施工時(shí)孔壁穩(wěn)定性不足導(dǎo)致塌孔，這不僅會影響施工進(jìn)度以及成樁質(zhì)量，甚至還可能威脅施工作業(yè)人員的人身安全。基于此，有必要對復(fù)雜地質(zhì)下超大鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析研究，以充分發(fā)揮鉆孔灌注樁在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用價(jià)值。

2 鉆孔灌注樁技術(shù)的概述

目前建筑領(lǐng)域當(dāng)中針對于地下工程最為常用的鉆孔灌注樁技術(shù)主要包含兩種，一種是泥漿護(hù)壁施工技術(shù)，在具體應(yīng)用過程需要嚴(yán)格遵守施工標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行泥漿制備，并加強(qiáng)對鉆具設(shè)備的維修與養(yǎng)護(hù)，保障鉆具始終處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，潤滑程度符合施工要求，避免在具體施工過程中出現(xiàn)鉆孔坍塌等不良現(xiàn)象。另外一種是全套施工技術(shù)，在具體施工過程中免除了泥漿制備以及清孔等操作流程，其余操作與泥漿護(hù)壁施工技術(shù)具有高度一致性。

3 鉆孔灌注樁施工流程以及相關(guān)技術(shù)要求概述

3.1 施工流程

3.1.1 施工前準(zhǔn)備

施工前準(zhǔn)備環(huán)節(jié)重點(diǎn)需要做好以下工作：一是場地準(zhǔn)備工作，具體包括場地平整、通水、通電以及修建道路等；二是技術(shù)準(zhǔn)備，具體包括編制施工組織設(shè)計(jì)、選擇鉆機(jī)型號、施工方式等；三是機(jī)械設(shè)備準(zhǔn)備，具體包括鉆機(jī)、護(hù)筒、運(yùn)輸車輛以及其他機(jī)械設(shè)備[1]；四是施工材料準(zhǔn)備，具體包括各項(xiàng)材料市場調(diào)研工作、混凝土配合比設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)等。

3.1.2 鉆孔施工

鉆孔灌注樁鉆孔施工一般采用的是泥漿護(hù)壁鉆孔施工法，這種方法施工效率高，成孔質(zhì)量好，而且能夠適應(yīng)多種復(fù)雜地質(zhì)條件。在施工過程中，重點(diǎn)需要注意以下幾方面：一是施工場地要進(jìn)行墊土并作夯實(shí)處理，避免施工過程中出現(xiàn)不均勻沉降；二是護(hù)筒的埋設(shè)與下沉，這是確保孔口穩(wěn)定性的重要措施[2]；三是泥漿的利用，其不僅可以保護(hù)孔壁，而且還可以起到冷卻鉆頭的效果。

3.1.3 清孔

清孔環(huán)節(jié)主要是抽出并替換鉆孔內(nèi)的泥漿，從而控制泥漿的粘度、密度以及含砂率，同時(shí)也要及時(shí)清理鉆渣，避免孔底沉淀厚度過大。清孔工作事關(guān)后續(xù)灌注樁施工，因此要高度重視。

3.1.4 混凝土灌注施工

鉆孔灌注樁施工中，混凝土灌注施工多采用的是直升導(dǎo)管法，施工時(shí)將導(dǎo)管下沉至孔底，從而頂托隔水栓與泥漿上升。需要注意的是，為保證施工順利，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制混凝土灌注施工時(shí)間，連續(xù)施工，確保混凝土灌注施工在首批混凝土初凝之前完成[3]。

3.2 技術(shù)要求

3.2.1 施工質(zhì)量要求

鉆孔灌注樁施工對于施工質(zhì)量要求較高，具體主要包括以下幾方面：1）各項(xiàng)單質(zhì)材料必須符合施工標(biāo)準(zhǔn)，混凝土強(qiáng)度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求；2）成孔深度以及孔壁穩(wěn)定性應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求；3）鋼筋、焊條等材料需要符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)規(guī)定；4）混凝土應(yīng)嚴(yán)格制定配合比設(shè)計(jì)，控制好用水量；5）混凝土灌注量不低于計(jì)算量。

3.2.2 注意事項(xiàng)

施工過程中要最大限度避免質(zhì)量通病，比如局部混凝土強(qiáng)度不足、局部混凝土離析、鋼筋籠扭曲、鋼筋籠焊接質(zhì)量問題等；制定相關(guān)安全技術(shù)措施，包括施工作業(yè)人員個(gè)人安全防護(hù)措施、施工中嚴(yán)禁事項(xiàng)等。

4 復(fù)雜地質(zhì)下超大鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用分析

4.1 項(xiàng)目概況

4.1.1 概述

新建鄭州至濟(jì)南鐵路山東段站前工程ZJTLSG-2標(biāo)段六分部管段位于山東省聊城市東昌府區(qū)，正線里程DK119+508.91～DK136+452.52，全長16.944km。計(jì)劃工期2020年6月9日至2021年12月31日，共計(jì)18個(gè)月。主要施工內(nèi)容包括：樁基：4757根、24.8萬延米；墩身：623個(gè)；現(xiàn)澆連續(xù)梁：單線5聯(lián)、雙線4聯(lián)；地基處理：螺桿樁28918延米；路基填筑：基床以下路堤31.06萬m3、AB料6.66萬m3、級配碎石0.46萬m3；管段內(nèi)共設(shè)9處連續(xù)梁，其中（40+56+40）m單線連續(xù)梁1處，（40+64+40）m單線連續(xù)梁4處，（48+80+48）m雙線連續(xù)梁1處，（60+100+60）m雙線連續(xù)梁2處，（72+128+72）m雙線連續(xù)梁1處。

4.1.2 施工難點(diǎn)

本項(xiàng)目中施工難點(diǎn)主要有以下幾方面：1）國內(nèi)外目前在富水含砂復(fù)雜地質(zhì)條件下采用超大鉆孔灌注施工的橋梁工程極為少見，根據(jù)相關(guān)資料顯示，在類似地質(zhì)條件下，僅有一些中小型橋梁工程有成功的經(jīng)驗(yàn)，因此可供參考和借鑒的施工經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)資料較少。2）在施工過程中，鉆孔灌注樁沉降以及變形問題控制難度較大，同時(shí)還要考慮水流沖刷作用的影響。3）本項(xiàng)目所處自然環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)條件特殊，需要在強(qiáng)潮涌條件下開展施工作業(yè)，因此施工組織設(shè)計(jì)以及具體施工的開展難度極大。

4.2 復(fù)雜地質(zhì)下超大鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 搭設(shè)鉆孔平臺

搭建鉆孔平臺需要注意兩方面，一是應(yīng)根據(jù)施工區(qū)域的地質(zhì)條件、水文條件等合理設(shè)計(jì)平臺結(jié)構(gòu)以及功能分區(qū)，確保平臺能夠滿足鉆孔施工的各項(xiàng)要求。二是鉆孔平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須符合穩(wěn)定性、安全性、經(jīng)濟(jì)性以及實(shí)用性等要求。本項(xiàng)目中，鉆孔平臺的規(guī)格為30×20m，分為材料、半成品存放區(qū)、設(shè)備停放區(qū)以及起吊設(shè)備作業(yè)區(qū)三大功能分區(qū)。平臺上部結(jié)構(gòu)采用的是雙層貝雷桁架主桁結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用鋼管樁基礎(chǔ)。

4.2.2 鋼護(hù)筒設(shè)計(jì)與施沉

1）鋼護(hù)筒設(shè)計(jì)

結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際情況，鋼護(hù)筒頂面標(biāo)高為2.1m，底面標(biāo)高為-39.9m，鋼護(hù)筒長度為42.0m，考慮施工過程中最高水位可能達(dá)到5.9m，再保留一定余量，因此鋼護(hù)筒頂面標(biāo)高設(shè)定為10.0m，鋼護(hù)筒最終長度為50.0m。根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)要求，鋼護(hù)筒的內(nèi)徑設(shè)計(jì)為4.2m。鋼護(hù)筒整體選用Q345C鋼板制作，分為兩部分，上部35.0m筒壁厚度為2.5cm，下部15.0m筒壁厚度為3.0cm。考慮到鋼護(hù)筒施沉過程中受阻力以及其他因素的影響，可能發(fā)生變形，因此在底部增設(shè)刃腳，高度為0.5m，同時(shí)在底部兩側(cè)焊接厚度為2.0cm的鋼板。

2）鋼護(hù)筒施沉

本項(xiàng)目中鋼護(hù)筒施沉流程如下：①設(shè)備選擇，本項(xiàng)目中振動錘選擇的是DZ-150加強(qiáng)型雙聯(lián)動振動錘；起吊設(shè)備選擇的是300t汽車吊，其作業(yè)半徑可以達(dá)到10.0m，單次最大吊重為79.0t，本項(xiàng)目單次最大吊重為72.0t，符合施工要求。②鋼護(hù)筒制作與運(yùn)輸，本項(xiàng)目中由于施工現(xiàn)場自然條件復(fù)雜，場地有限，因此選擇工廠化加工，采用分節(jié)制作的方法，運(yùn)輸至現(xiàn)場后進(jìn)行拼接。制作完成的鋼護(hù)筒單節(jié)最大重量為48.0t，因此運(yùn)輸車輛選用50t平板車。③鋼護(hù)筒施沉，鋼護(hù)筒運(yùn)輸至現(xiàn)場并完成拼裝后，采用履帶吊與汽車吊同時(shí)吊裝，汽車吊勾住鋼護(hù)筒頂部，履帶吊勾住鋼護(hù)筒底部，將鋼護(hù)筒豎立起來，其中履帶吊的拉力一直控制在35t，鋼護(hù)筒豎立后松下履帶吊，依靠汽車吊將鋼護(hù)筒與孔口對接。施沉過程中在相互垂直的兩個(gè)方向采用全站儀進(jìn)行觀測，確保鋼護(hù)筒的垂直度，發(fā)現(xiàn)偏差及時(shí)進(jìn)行糾正。首節(jié)鋼護(hù)筒施沉到位后，在鋼護(hù)筒頂部布設(shè)12塊規(guī)格為50×20×18mm的限位鋼板，次節(jié)鋼護(hù)筒下沉后要精準(zhǔn)卡在鋼板內(nèi)，然后采用全站儀進(jìn)行觀測，確認(rèn)無誤后開始對接縫處進(jìn)行焊接。

4.2.3 鉆孔施工

本項(xiàng)目中鉆孔施工流程如下：1）鉆機(jī)型號選擇，根據(jù)相關(guān)資料顯示，目前國內(nèi)外適用于超大直徑鉆孔灌注樁施工的鉆機(jī)主要是德國與國產(chǎn)兩種，結(jié)合國內(nèi)類似工程的施工經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目中決定采用國產(chǎn)的KTY4000鉆機(jī)。2）鉆頭型號選擇，結(jié)合本項(xiàng)目的地質(zhì)條件、水文條件，選擇了兩種型號的鉆頭，分別是單環(huán)四翼刮刀鉆頭與滾刀鉆頭，前者適用于圓礫、砂以及土等地質(zhì)，后者適用于巖層。3）泥漿配置，通常情況下鉆孔灌注樁施工中采用的泥漿包括粘土漿、水泥砂漿、石灰漿、化學(xué)漿以及水泥漿等。本項(xiàng)目中考慮到施工區(qū)域的地質(zhì)條件因素，選擇PHP泥漿，其具有低固相、不分散以及高粘度的特性，主要原材料包括碳酸鈉、加重劑、膨潤土、FCI、CMC以及PHP等。4）鉆孔，本項(xiàng)目施工區(qū)域?yàn)楦凰暗刭|(zhì)，其中粉沙與細(xì)砂層較厚，鉆進(jìn)時(shí)圓礫、砂以及土等地層采用單環(huán)四翼刮刀鉆頭，巖層采用滾刀鉆頭，排渣采用泵吸與氣舉反循環(huán)的方式。5）成孔檢測，鉆孔施工完成后采用超聲波反射技術(shù)對鉆孔進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果顯示孔底標(biāo)高為-108.5m，鉆孔垂直度為0.5‰，鋼護(hù)筒垂直度為0.4‰，均符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4.2.4 鋼筋籠制作

鋼筋籠安裝筋接頭采用墩粗直螺紋連接器連接形式，每根主筋直接采用墩粗直螺紋連接器連接。在綁扎和焊接鋼筋籠時(shí)，位移棒外護(hù)管、聲測管、壓漿管連接用套筒圍焊同時(shí)安裝。其中位移棒以絲扣連接，并和鋼筋籠綁扎在一起，避免出現(xiàn)滲泥漿的情況。為確保樁身的混凝土保護(hù)層厚度符合要求，在鋼筋籠上間隔4.0m均勻布設(shè)6處鋼筋。鋼筋籠上共設(shè)置4處吊點(diǎn)，吊點(diǎn)位置采用鋼板與主筋滿焊。

鋼筋籠制作完成后采用履帶吊吊裝至平板車上，以拉鎖進(jìn)行固定，運(yùn)輸過程中全程保持勻速形勢，避免因碰撞導(dǎo)致鋼筋籠變形，運(yùn)輸至施工現(xiàn)場后應(yīng)吊放在指定區(qū)域并注意做好保護(hù)措施。

4.2.5 混凝土灌注施工

1）混凝土配合比設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中，單樁混凝土灌注方量為1485m3，灌注施工時(shí)間較長，因此對于混凝土初凝時(shí)間有特殊要求，需要控制好混凝土和易性，結(jié)合國內(nèi)相關(guān)工程的經(jīng)驗(yàn)與項(xiàng)目實(shí)際情況，本項(xiàng)目混凝土配合比設(shè)計(jì)如下：（1）混凝土配合比設(shè)計(jì)遵循耐久性、經(jīng)濟(jì)性、工作性以及力學(xué)性四項(xiàng)原則，根據(jù)水灰比法則、最小水泥用量法則以及最小單位用水量法則等確定混凝土最佳參數(shù)，包括砂石比、水膠比以及漿集比。（2）關(guān)于混凝土原材料的選擇，水泥選用硅酸鹽水泥，粉煤灰選用Ⅱ級粉煤灰，礦粉選用S95級礦粉，砂選用天然河沙，碎石采用5~25mm連續(xù)級配碎石，外加劑選用緩凝高效減水劑，水選用飲用水。

2）混凝土拌和

本項(xiàng)目中混凝土用量較大，并且要求連續(xù)施工，因此選擇在施工場地現(xiàn)場拌和混凝土。混凝土拌和設(shè)備選用中聯(lián)120型強(qiáng)制攪拌機(jī)，配備全自動計(jì)量系統(tǒng)，拌和混凝土?xí)r除水以體積計(jì)量外，其他原材料全部按照質(zhì)量計(jì)量，其中水泥、礦粉、粉煤灰、水、外加劑允許誤差不超過1%，砂、碎石允許誤差不超過2%。

3）混凝土灌注施工

本項(xiàng)目中混凝土灌注施工采用導(dǎo)管法，進(jìn)行混凝土灌注施工前，首先需要對成孔質(zhì)量進(jìn)行檢查，若孔底沉渣厚度超過200mm以上，則需要重新清孔，直至符合混凝土灌注施工要求為止。同時(shí)要對泥漿進(jìn)行檢測，要求含砂率不超過2%，粘度在17~20s之間。比重在1.0~1.1g/cm3之間，PH=10。混凝土運(yùn)輸至施工現(xiàn)場后，應(yīng)檢測坍落度，要求為180~220mm，若坍落度不符合施工要求，不能進(jìn)行灌注施工。

灌注首批混凝土?xí)r采用大料斗，2臺泵車同時(shí)供料，首批混凝土灌注完成后，將料斗更換為小料斗，灌注施工過程中注意控制泥漿高度，使其與孔外的水位差在2m以上，同時(shí)要將鋼筋籠與鋼護(hù)筒焊接起來，避免灌注混凝土?xí)r鋼筋籠上浮。待混凝土灌注到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)緩慢拔出導(dǎo)管，避免在樁內(nèi)形成空洞，考慮到本項(xiàng)目為超大直徑鉆孔灌注樁，浮漿層厚度會略大，為確保樁身質(zhì)量，混凝土灌注標(biāo)高應(yīng)高出設(shè)計(jì)標(biāo)高1.0m左右。需要注意的是，在混凝土灌注施工過程中，必須保持連續(xù)施工，不能間斷，提升導(dǎo)管時(shí)要穩(wěn)定、緩慢，避免觸碰到鋼筋籠，以免影響灌注施工質(zhì)量。

5 復(fù)雜地質(zhì)下超大鉆孔灌注樁施工質(zhì)量控制

5.1 對鉆孔灌注樁施工質(zhì)量進(jìn)行全面驗(yàn)收

為了最大限度地保障超大鉆孔灌注樁施工技術(shù)的應(yīng)用效果，施工單位應(yīng)當(dāng)對施工現(xiàn)場各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行綜合而系統(tǒng)的監(jiān)督與分析，并著重加強(qiáng)質(zhì)量驗(yàn)收工作，避免存在安全隱患問題，影響超大鉆孔灌注樁整體施工質(zhì)量。在具體施工過程中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵守施工標(biāo)準(zhǔn)盡量避免樁高存在較大的誤差現(xiàn)象，并針對具體情況積極采用無損檢測技術(shù)對重要樁體以及重要施工環(huán)節(jié)進(jìn)行質(zhì)量檢測。若是施工人員對樁體施工質(zhì)量存在疑問，應(yīng)當(dāng)及時(shí)進(jìn)行檢測，并找出其中存在的問題，必要情況下還可以按照施工標(biāo)準(zhǔn)要求采用鉆取巖樣法進(jìn)行質(zhì)量檢測，一旦在檢測環(huán)節(jié)中發(fā)現(xiàn)樁體存在瑕疵，應(yīng)當(dāng)立即進(jìn)行返工處理，積極提升超大鉆孔灌注樁施工質(zhì)量，只有保障此環(huán)節(jié)樁體質(zhì)量全部合格后方可開展下一環(huán)節(jié)的施工操作。

5.2 原有地下結(jié)構(gòu)增層改造的大承載力鉆孔樁施工

地下連續(xù)墻止水帷幕施工操作結(jié)束后，施工單位應(yīng)當(dāng)做好以下幾方面工作：其一是各種便于施工作業(yè)的排架措施進(jìn)行拆除；其二受到支撐棧橋硬度滿足施工標(biāo)準(zhǔn)要求后，應(yīng)當(dāng)將既有地下室至地下2層的施工工程樁進(jìn)行拆除；其三，在完成上述施工操作后，施工單位應(yīng)當(dāng)積極采用中100mm水鉆機(jī)沿線并排鉆孔切割地下室底板，在此過程中應(yīng)當(dāng)盡可能降低對原有工程樁的碰撞以及接觸，除此之外，為了完成不同高度空間范圍內(nèi)超大鉆孔灌注樁施工要求，施工單位還應(yīng)當(dāng)積極采取有效的措施，例如低凈空區(qū)域采用改制樁架方法等。

6 結(jié)語

文章對鉆孔灌注施工流程以及相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行了簡要闡述分析，結(jié)合工程項(xiàng)目施工經(jīng)驗(yàn)重點(diǎn)對富水含砂地質(zhì)條件下超大直徑鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，包括鉆孔平臺搭設(shè)、鋼護(hù)筒設(shè)計(jì)制作、鉆孔施工、鋼筋籠制作運(yùn)輸以及樁身混凝土灌注施工，驗(yàn)證了超大直徑鉆孔灌注樁施工技術(shù)，為類似工程施工提供了一定的依據(jù)。