液化砂層地質下化學泥漿配合旋挖鉆機高效成孔技術

袁敘兵

摘要 在公路橋梁工程樁基旋挖成孔施工中，面對多層夾砂土液化等復雜地質條件，存在塌孔、擴徑等質量問題，影響成樁質量。文章探討了在海口段樁基施工工程中，G15沈海高速公路面臨著多層夾砂的復雜地質條件。為了確保施工質量并降低成本、縮短工期，采用了化學泥漿護壁和旋挖鉆機高效成孔技術。通過這兩種技術的結合，成功完成了樁基施工，為工程項目的順利完成奠定了基礎。更重要的是，化學泥漿對環境無害。

關鍵詞 多層夾砂；砂土液化；旋挖鉆機；化學泥漿護壁；高效成孔

中圖分類號 U416.1文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0090-03

0 引言

隨著我國基礎設施建設的快速推進，橋梁工程在整體工程中的重要性日益凸顯。在當前市場經濟環境下，對于樁基施工質量的把控愈發受到重視。鉆孔灌注樁施工作為樁基施工的關鍵環節，其施工質量對整個橋梁工程的穩定性有著重要影響。旋挖鉆機作為鉆孔灌注樁施工的主要設備，憑借其獨特的優勢在施工中占據主導地位。這種鉆機不僅能在保證成孔質量的前提下滿足快速成孔的需求，而且其作業過程噪聲小、速度快，且對環境污染少，因此得到了廣泛的應用和推廣。目前，旋挖鉆機仍采用膨潤土造漿護壁，在復雜地質及長樁施工中，存在塌孔、擴徑等質量問題，影響成樁質量。該文通過G15沈海高速公路海口段樁基施工工程實例，闡述在多層夾砂復雜地質條件下采用化學泥漿護壁和旋挖鉆機高效成孔技術[1-2]。

1 工程概況

G15沈海高速公路海口段是高速公路建設項目，其路線沿用既有的粵海大道布局。此路段北接瓊州跨海大橋（正在規劃中），南行則與G98海南環島高速相連接，成為新海港口與海南省G98環島高速之間的重要通道。該項目樁基共計1 075根，平均樁長為57 m，樁徑分別為1.2 m、1.5 m、1.8 m和2 m，最大樁長為68 m，均為摩擦樁，采用旋挖鉆機成孔的施工工藝。

2 工程地質條件及特點

橋址區處于海積I級階地地貌，表層以第四系全新統沉積的灰黃色砂土為主；特殊性巖土主要為填土、淤泥質粉質黏土；橋址區26 m以上的飽和砂土為液化土層，液化深度為0～20.0 m，液化指數為11.10～54.50，液化等級為中等和嚴重；不良地質主要為軟土震陷和砂土液化，項目區整體屬抗震不利地段。

橋址臨近海邊，面臨著復雜的地質條件。地面以下3～26 m的地方，覆蓋著中砂、粗砂和粉砂層，其中夾雜著薄薄的粉質黏土層。這個區域塌孔的風險較高，特別是在26 m深度范圍內。

3 施工工藝介紹

根據設計地勘結合原地面情況，通過計算確定護筒長度，長護筒采用“旋挖鉆+振動錘”進行下放。施工現場提前合理布置泥漿箱和清水箱，旋挖鉆開孔鉆進至1.5 m時，開始制造化學泥漿進行護壁。鉆進過程中應及時復測孔位，并根據不同流塑性砂層調整化學泥漿的配合比，使其達到最佳護壁效果。成孔后無須循環漿液，檢測合格便可直接灌注混凝土。該工藝的優點在于鉆孔速度快、成樁質量優異，以及高度機械化。

4 施工工藝流程

化學泥漿配合旋挖鉆機施工的工藝流程詳見圖1所示：

4.1 施工準備及測量放樣

在開始施工前，應合理規劃場地布局，需要對場地進行平整、清除雜物、更換軟土并夯實。同時，需要確保開挖孔位及附近地表的硬化處理，并做好安全防護措施。此外，還需提前規劃好泥漿箱的位置、臨時用電線路、渣土運輸通道以及車輛沖洗裝置等。應按照標準化要求，確保安全文明施工和環保要求得到滿足。旋挖鉆機、發電機、挖機、汽車吊、裝載機、焊機、泥漿箱、空壓機、泥漿分離機等機械設備均按照要求進場，所有的機械設備均應經過檢查、維修、安裝和調試，現場運行正常，性能良好。采用鐵板制作泥漿箱和清水箱，減少開挖及對周圍的污染，防止基礎泡水后下沉。采用全站儀測量放出孔位中心點及四角護樁，護樁采用φ25帶肋鋼筋，入土深度為60 cm，并在護樁表面鋪設水泥砂漿，用于固定和檢查護樁是否偏位。

4.2 護筒埋設

根據設計圖紙地勘及現場實際地質情況，應對護筒側摩阻力進行驗算，通過計算確定護筒的埋設長度，防止開鉆鉆進后孔底坍塌和護筒下沉。計算不考慮樁端受力和水的影響，只考慮樁身摩阻力，計算的側摩阻力應大于護筒自重的1.2倍。

根據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）[3]，計算公式如下：

QUK=QSK+QPK=u∑qsikli+qpk（Aj+λpApl） （1）

式中，qsik——地層的側摩阻力；qpk——地層的為端阻力；u——樁身周長；li——樁周第i層土的厚度；Aj——樁端凈面積；Apl——空心樁敞口面積；λp——樁端土塞效應系數。

當護筒長度小于6 m時，可直接通過旋挖鉆邊取土邊下壓護筒下放；長度大于6 m時，應采用插拔樁振入，護筒采用焊接進行接長，焊縫應滿足施工規范要求，必須確保其穩固性。在插拔樁時，應使用護筒，通過測量護樁與護筒表面之間的距離控制護筒的平面位置。護筒中心與樁位中心的偏差應不小于5 cm。在下放過程中，應在護筒頂部沿垂直方向設置吊錘線，以控制垂直度不大于1%。每下放1.5 m時，應對護筒的平面位置和垂直度進行校核。

4.3 化學泥漿配合比

（1）化學泥漿為白色粉末狀，需和水、工業用氫氧化鈉配合使用，對砂層具有較好的黏附力。根據現場地質不同，需對化學泥漿配合比進行動態調配。針對粗砂或流塑性砂層，聚合物泥漿可提高用量。詳見表1所示：

（2）在制備泥漿之前，首先使用pH試紙對水進行測試，然后根據測試結果加入適量的火堿，以將泥漿體系的pH值調整至8～10的范圍。這樣做可以減少因海水問題對泥漿性能造成的影響。

（3）在向孔中添加清水的過程中，工人使用鐵鍬按比例加入奈普頓化學泥漿和工業用氫氧化鈉。通過泵水的流動和旋挖鉆機的攪拌，使化學泥漿均勻地與水混合，形成穩定的化學泥漿。其性能指標如表2所示：

（4）在奈普頓化學劑造漿施工的過程中，根據地層的不同，需要按照0.03%～0.13%的比例進行配制。在現場觀察時，可以明顯看到旋挖鉆機的鉆桿在從孔中提升時，其上附著泥漿。此外，當鉆頭被提出時，泥漿會像細絲一樣從鉆頭滴落，這種景象與制作“拔絲蘋果”時的絲狀物相似。不同地質的具體用量可參考表3所示：

（5）灌注完后的化學泥漿可收集后重新利用，再次利用可加入3/4的化學泥漿。配制順序為：注水—加堿調水—加聚合物—性能測試。

4.4 鉆機就位及鉆進成孔

（1）場地平整完成后，根據場地布置要求旋挖鉆機就位。旋挖鉆機應采用履帶式280型及以上型號，鉆進系統配有液壓動力頭帶動鉆桿，自帶儀表可隨時監控孔深及鉆孔傾斜度。鉆頭旋挖切削土體，提出孔外，打開鉆頭底蓋倒土至定制鐵箱中。土體可通過挖機轉至自卸汽車上，運輸到棄土場堆放。

（2）在護筒內預先制備泥漿，確保泥漿量是平均用量的1.5～2倍。鉆至護筒底部以下3 m時，應按平均用量補給化學泥漿。為保證施工正常，泥漿制備需專人負責，并隨時關注泥漿液面的高度，嚴格按需添加化學泥漿。

（3）在開始鉆孔時，以較慢的速度推進，以幫助形成堅固、垂直和光滑的孔壁，并防止孔口坍塌。在初始鉆孔起到導向作用后，可逐漸提高鉆進速度。同時，必須持續監測泥漿的濃度和孔內水頭高度，并確保及時補充泥漿，以維持穩定的鉆進環境。同時，應不斷對鉆渣進行取樣分析，繪制出每孔的地質柱狀圖，并與地質資料進行比對核實。鉆孔操作時，操作人員必須嚴格遵守操作規程[4]。

（4）在接近鉆孔終點時，應改用封底的撈砂鉆頭，以減小每次的進尺長度（控制在約30 cm），逐步將孔底的稠泥漿排出。當鉆孔深度接近終孔時，應暫停鉆進約1 h，讓鉆屑與泥漿混合物充分沉淀。之后，使用鉆具一次性將沉淀物完全清除。完成鉆孔后，應采用全自動檢孔儀檢測成孔的直徑、傾斜度以及沉渣厚度，同時避免使用探籠剮蹭護壁，以防止產生孔底沉渣。

4.5 鋼筋籠下放

采用特制吊具下放鋼筋籠，確保鋼筋籠吊裝不變形。樁頭鋼筋套PVC軟管，便于后期采用環切法快速破除樁頭。制作鋼支撐平臺用于接長、支撐鋼筋籠，同時便于鋼筋籠的平面定位，確保鋼筋籠距中。鋼筋籠下放吊具設計詳見圖2所示：

4.6 導管安裝

導管試用前，對導管進行試拼檢查；檢查無誤后，將導管逐節接長下放至距離成孔底部0.3～0.4 m的位置；導管接頭處設置密封膠圈，保證導管水密性滿足要求；導管為內徑200～350 mm的鋼管。施工所用的導管必須嚴密，接頭的螺紋類型在使用前需要進行水密性、承壓能力和接頭抗拉強度的測試。

4.7 混凝土灌注

導管法灌注水下混凝土是一種重要的施工方法，特別是在大型水工結構物中廣泛應用。由于水下混凝土的特殊性質，整個澆筑過程必須連續進行，不能出現中斷。這是因為一旦澆筑過程中斷，混凝土就有可能發生初、終凝時間的不一致，導致混凝土內部形成裂縫，嚴重影響結構的強度和耐久性。

導管法灌注水下混凝土的化學泥漿可以重復利用。這不僅能節約施工成本，還能減少對環境的影響。為了確保化學泥漿的質量和重復利用的效果，應定期對其性能進行檢查和維護。

同時，需要特別注意的是，應嚴禁化學泥漿和膨潤土泥漿混用[5]。雖然這兩種泥漿都有一定的懸浮和保護混凝土的作用，但它們的成分和性能差異很大。如果將它們混合使用，很可能會產生不良反應，影響混凝土的質量，甚至可能對結構的安全性造成威脅。

導管法灌注水下混凝土是一項技術要求高、管理嚴格的施工工藝。在施工過程中，必須嚴格遵守操作規程，確保混凝土的質量和結構的穩定性。同時，加強泥漿的管理和維護也同樣非常重要，這不僅能節約成本，還能提高施工效率，為整個工程的質量和進度提供有力保障。

4.8 成樁質量檢測

成樁質量檢測是樁基施工的重要環節，主要包括樁徑、樁長、樁身垂直度、混凝土強度等方面的檢測。

（1）樁徑檢測：采用鋼卷尺或電磁波儀進行檢測，測量樁身的直徑和橢圓度。

（2）樁長檢測：采用電磁波儀或聲波透射法進行檢測，測量樁身的長度。

（3）樁身垂直度檢測：采用傾斜儀或激光測距儀進行檢測，測量樁身的垂直度。

（4）混凝土強度檢測：采用鉆芯法或超聲波法進行檢測，測量混凝土的強度。

5 結語

經過工程實踐，化學泥漿配合旋挖鉆機的樁基成孔工藝，57 m的樁長，24 h連續作業，1臺旋挖鉆可完成2根/天，成孔效率高、質量好，對加快工程進度和提升樁基質量具有積極作用。

化學泥漿具有黏度大、護壁效果佳等優點，適用于砂層地質，能極大地解決旋挖鉆機在復雜地質下成孔過程中出現的漏漿或塌孔等不良問題，確保了樁身質量問題。旋挖鉆機成孔效率高，成孔后沉渣少，無須過多的清孔工作，泥漿可重復利用，降低了泥漿處理費用，同時減少了對周圍環境的污染，為樁基礎施工提供了可靠保障。這對于沿海復雜地層的施工具有重要借鑒意義。

參考文獻

[1]孫錦霞. 公路工程化學泥漿護壁旋挖鉆孔樁施工技術[J]. 交通世界， 2020（26）： 83-84+86.

[2]靳云龍. 泥漿護壁鉆孔灌注樁施工技術與質量控制[J]. 工程建設與設計， 2018（4）： 37-38.

[3]建筑樁基技術規范： JGJ 94—2008[S]. 北京：中國建筑工業出版社， 2008.

[4]石平. 旋挖鉆機在灌注樁施工中的應用[J]. 工程建設與設計， 2019（10）： 42-43.

[5]林秀勝. 鉆孔灌注樁施工技術在市政橋梁施工中的運用分析[J]. 工程建設與設計， 2023（6）： 201-203.