嵌巖灌注斜樁成樁技術在港區工程中的應用

◎ 汪國喜 歐陽天庭 江西省路港工程有限公司

在高樁碼頭建設過程中，樁端必須嵌入中微風化基巖一定深度后才能滿足樁基抗拉拔、抗滑等受力要求。傳統鉆孔灌注樁嵌巖斜樁普遍存在設備笨重、鉆頭損耗大、成孔速度慢、事故頻發等弊端，施工工效及經濟性等均較差。為此，在嵌巖灌注斜樁施工過程中，必須探尋一種性能可靠、成本經濟、施工便捷的成樁方案。本文結合某碼頭工程實際，提出嵌巖灌注樁基施工時沖孔樁基綜合成孔技術，在有效解決嵌巖灌注斜樁成樁難題的同時，為類似工程施工提供借鑒參考。

1.工程概況

某港區碼頭工程采用高樁梁板結構，碼頭平臺設計長度為300m，寬30m，按照9.0m間距共布設34個排架；34根φ1200mm斜樁布置在第18～34#排架處，各排架處布置2根斜樁；斜樁扭角為185°，斜率為1:7。

根據地質鉆探結果，港區嵌巖灌注斜樁成樁區地層以第四紀地層和花崗巖地層為主，基巖埋深大。表層為20cm厚的淤泥質覆蓋層，表現出典型的河相沉積特征；表層以下為灰褐色中密實、密實粉質粗砂和砂性黏土層；基巖為硬質花崗巖，探明的強風化層厚度達到10～21m，總體呈西北高東南低趨勢，岸坡陡峭，坡比位于1:1～1:0.5之間。工程區最高、最低潮位為1.18m和-1.73m，在一個漲落潮周期內，水流循環往復，大潮及小潮期間最大流速分別為0.89m/s和0.74m/s。

結合地質資料，覆蓋層除部分黏土層外，大多為粉砂層和砂層，鉆孔及清孔期間塌孔的可能性非常大，對泥漿性能也有較高要求。樁基嵌巖深度大，基巖強度高，存在較大的鉆進難度；鉆進過程中斷桿事故易發，故對鉆桿、鉆頭及鉆機性能有較高要求。

2.施工方案

考慮到鉆孔灌注樁入巖深度大、成孔難，采用沖孔樁基展開硬巖段鉆進施工，同時改進現有沖擊鉆頭、清孔設備及灌注導管；將長筒式沖擊鉆頭安裝在普通沖孔樁機上進行嵌巖段成孔施工；在旋流器輔助下，通過潛水電泵反循環清孔工藝清孔；采用變截面凸出灌注導管灌注水下混凝土。綜上，該港區工程水下嵌巖灌注斜樁成樁技術主要包括四個方面：

一是加長型筒式沖擊鉆頭成孔技術。該鉆頭主要由頂部錨拉頭、中間鉆筒、底部鉆頭等部分焊接而成，通過調節鉆筒長度提升斜嵌巖樁硬巖成孔質量，能較好保證沖擊鉆頭成孔方向與鋼管樁一致，為鋼筋籠安放及水下混凝土灌注提供保證，省去長鉆頭及雜亂設備配備產生的費用。將鋼塊凸出結構斜向、間隔焊接在錨拉頭周圍，鉆進施工期間該錨拉頭始終位于鋼管內部，能有效防止卡錘現象[1]。

該鉆頭質量大，通過底部加焊的合金塊沖擊成孔，為確保成孔孔徑與原鋼管樁樁徑一致，必須根據入巖深度調節鉆筒長度，將鉆筒長度控制在入巖深度的1.5倍以上。

二是潛水電泵反循環清孔技術。反循環過程專業性強，操作難度大；借助潛水電泵清孔技術能直接抽吸孔底沉渣，形成反循環。將潛水電泵連接灌注導管后放置在孔口液面周圍，對距離孔底30～50cm段進行灌注。潛水電泵與電機同軸運行，水泵葉輪在電機軸的帶動下旋轉，使漿體介質產生一定流速，進而帶動固體流動，將孔底沉渣、泥漿等經由灌注導管排出孔口。抽排出的泥漿在旋流器中得到分離、處理。

三是泥漿旋流器清孔技術。泥漿抽出后經過旋流器，受到重力和離心力的綜合作用后，粗顆粒順著內壁旋轉向下，形成外旋流，經由排渣口排出；細顆粒及漿液在距離器壁較遠的中心處作回轉向上運動，形成內旋流，從溢流管排出后進入樁孔底。經過旋流器處理后的泥漿含渣量少，性能好；清孔效果優異，孔底沉渣厚度完全符合要求。泥漿旋流器結構[2]見圖1。

圖1 泥漿旋流器

四是變截面導管灌注混凝土成樁技術。在斜樁樁身混凝土灌注時，直筒式導管會在重力作用下發生垂直沉降，直接緊箍在鋼筋籠上，無法正常提拉；灌注的混凝土也達不到理想的擴散效果，后續工序操作難度大大增加。變截面凸出灌注導管采用突出保護緩坡設計，能較好避免導管下放和提升造成的鋼筋籠偏移[3]，防止卡管情況出現，有效規避了直筒式導管的弊端。

3.成樁施工要點

3.1 施工平臺搭建

該港區工程位于河道內，必須搭建水上施工平臺。在搭建前結合前期調查及施工計劃確定平臺荷載，按照荷載確定平臺厚度，確保平臺承載力及安全性。鉆孔平臺以鋼管樁為支撐，增焊鋼牛腿，由鋼板和槽鋼組成。施工平臺搭建完成后主要用于鉆機、吊車等的放置，還為材料堆放和加工施工提供場地。

待搭建好施工平臺后，切割鋼管樁樁頭至相應高程，將切除的廢樁頭運輸至統一堆放處；將切割后形成的樁孔適當遮擋，防止雜物落入。

3.2 樁基就位

鉆進沖擊力直接由筒鉆底部鉆頭承擔，為增強沖擊效果，應增大鉆頭質量并在其底部增焊合金塊。通過焊接使中間鉆筒和底部鉆頭、頂部錨拉頭連接；鉆筒長度根據成孔深度適當調節。為確保沖擊成孔期間鉆頭成孔方向的一致性，應將鉆筒長度控制在成孔深度的1.5倍以上；鉆進期間位于鋼管樁內的鉆進深度至少為成孔深度的0.5倍[4]，防止樁孔偏斜。

頂部錨拉頭兩端應分別連接鉆筒焊管與鉆機機架，此段鉆筒上應按設計間隔焊接斜向凸出鋼塊；鉆機機架對鉆頭沖擊過程的控制通過卷揚機拉伸鋼絲繩實現。

待樁基設備全部安裝好后，報監理工程師驗收；同時全面檢查機械設備性能及運行情況，并安排試運轉，避免樁基運行期間出現傾覆。待樁基就位后通過十字交叉法對準孔位。通過吊車將鉆頭部分下放至樁孔內，牢固連接鉆頭與鋼絲繩。因斜樁沖擊鉆頭結構較為特殊，為防止樁機傾覆，應使鋼絲繩和樁機水平線形成銳角，展開反打施工。

3.3 布置泥漿循環系統

嵌巖段施工長度較短，還受平面位置所限，為保證施工質量，單臺鉆機配備1個1.5m3的泥漿循環系統。泥漿制備時采用普通硅酸鹽水泥，泥漿密度應略高于一般泥漿，以增強其懸浮攜渣能力。泥漿循環期間鉆渣通過雙層濾網過濾，得到的泥漿繼續循環使用，濾渣則集中處理。泥漿性能控制要求見表1。

表1 泥漿性能控制要求

3.4 沖擊成孔

沖孔初期低錘密擊，開孔距離未達到2.0m時，沖程高度不得超出1.0m。鉆進過程中應密切關注渣樣變化，以實時判別地層情況。不同地層的鉆進參數見表2。

表2 不同地層鉆進參數

圓筒形沖擊錘上的圓筒和外護筒構成沖擊鉆機導向系統。圓筒導向沖擊錘的長度主要根據樁基機架高度、起重能力等綜合確定，以避免卡鉆，并保證導向的正確性；護筒內所預留的導向沖錘長度應控制在1.5m以上。筒型沖擊鉆成孔斜樁示意圖見圖2。

圖2 筒型沖擊鉆成孔斜樁示意圖

沖擊成孔期間應嚴格控制鋼絲繩放松量，避免因放松過多而縮短沖程以及放松過少而引發打空錘，向樁機施加瞬間拉拽，造成機具損壞。為此，在鋼絲繩上做出標記以便進行沖程高度目測，根據地層條件及沖深判斷松繩長度，確保沖錘切入深度符合要求。泥漿循環應與沖孔同步進行，在沖錘穿越鋼管樁的過程中適時添加膨潤土以增大泥漿濃度，取得較好的護壁效果。

終孔采用持力層土質和孔底標高雙控方式，孔底標高通過測繩下設置加重塊的方式測量；持力層土質應結合地質勘查確定[5]。

待終孔后通過正循環工藝首次清孔，使用調制好的泥漿替換鉆孔內粘稠泥漿和鉆屑，以便將鉆孔底部沉渣完全清除。

3.5 鋼筋籠制安

在岸側陸域展開鋼筋籠制作，通過浮吊吊運至施工平臺，借助汽車吊拼接安裝。考慮到工程區巖層軟硬不一，鉆頭受到重力作用后鋼護筒底口以下的孔必然表現出一定傾斜，增大鋼筋籠安裝難度。為此，在安裝前必須處理鋼筋籠底部，將底部1.0m長度段93cm周長縮減至87cm，并在最底部外包15cm長的鐵皮，包住鋼筋頭，提升導向效果。

鋼筋籠分段吊裝。待將首段鋼筋籠入口后，通過2根鋼管將鋼筋籠卡設于護筒口，再起吊第二段鋼筋籠并與之焊接、冷卻并入孔；以此類推，完成鋼筋籠全段吊裝。此后預留樁底保護層厚度并穩固鋼筋籠，孔口通過限位裝置固定，避免混凝土澆筑時鋼筋籠上浮。鋼筋籠安裝屬于隱蔽工程，安裝后應會同監理、業主各方展開驗收，合格后進行水下混凝土灌注。

3.6 灌注導管安放

導管進場后展開試壓試拼，以判斷導管質量。該港口碼頭工程采用特制灌注保護導管裝置，在導管安裝過程中，于普通單節直筒灌注導管中增設凸出保護層，防止導管卡管。在安放過程中，將一節凸出保護導管增設在底部，下入直筒導管后再按6.0m間隔左右下入一節凸出保護導管，保證導管下放到位。

3.7 清孔

采用潛水電泵和泥漿旋流器展開反循環清孔。為保證潛水電泵的密封性，通常將潛水電泵下沉至泥漿液面以下，避免漏氣；同時將潛水電泵底口插入灌注導管，通過密封墊片密封導管接口。通過膠管連接潛水電泵和泥漿旋流器進漿口，并連接溢流口和導管接口膠管，以構建起旋流器泥漿循環系統。啟動電機清孔，結束后檢查孔底沉渣厚度，符合要求后展開水下混凝土灌注。

3.8 水下混凝土灌注

通過運輸船將C40商品砼運至船吊處，借助船吊調至施工平臺，為保證施工質量及效果，必須同時滿足泵送和水下灌注的雙重要求，即強度、流動性、和易性、保水性均應符合要求。混凝土施工配置強度按下式確定：

式中：fcu,σ為混凝土施工配置強度（MPa）；α為陸水強度比，取1.04；fcu,k為混凝土立方體標準抗壓強度（MPa）；σ為混凝土立方體抗壓強度標準差（MPa），取5.0MPa。

經計算，混凝土施工配置強度取49.7MPa，塌落度位于180～220mm之間，水泥和粉煤灰膠凝材料用量為494kg/cm3，水膠比0.4，碎石粒徑5～30mm，砂率40.9%；按照設計比摻加膨脹劑。施工過程中，應根據混凝土強度檢測結果進行配合比及配置強度調整和修正。

通過船吊將制備好的混凝土調至孔口灌注。灌注前應結合設計要求確定初灌量，將初灌后混凝土埋管長度控制在0.8～1.0m。清孔完成后，在導管內放置橡膠皮球隔水塞，并安裝初灌料斗，設置好密封擋板，以保證混凝土順利將導管內河水排除，隔絕混凝土與管內河水的接觸；同時用繩吊住封口，待料斗內儲備好充足數量的混凝土材料后，將吊繩剪斷，并將鋼板提起，放開隔水栓后使混凝土向孔底下落，使導管內河水全部壓出。

安排專人進行混凝土灌注期間導管埋深、內外混凝土面高差測量，并填寫施工記錄，便于實時掌握每根嵌巖斜樁混凝土灌注量，確保混凝土充盈系數符合要求。因樁頂浮漿的存在，樁頂混凝土應超灌50～60cm高度。

4.結論

工程應用結果表明，嵌巖灌注斜樁對于覆蓋層薄弱、基巖面較淺的工程地質較為適用，抗拉拔、抗傾覆性能優異。但施工過程繁瑣、機械設備配置量多、施工過程具有很強的隱蔽性和可預見性，對機械性能狀態要求高，同時要求對沖孔、清孔、混凝土拌和、輸送及下料、導管提插及拆裝等過程進行實時監控，技術難度較大。結合該港口碼頭工程實際采用的加長型筒式沖擊鉆成孔、泥漿循環氣清孔、變截面導管灌注水下混凝土的成樁工藝，對于嵌巖灌注斜樁較為適用，較好地解決了常規施工方式下地質條件復雜水域嵌巖灌注斜樁成樁難題，施工過程得以簡化，工效顯著提升，施工費用得到節省。