張 魯 ，王義軍

(中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司，廣東深圳 518052)

0 引言

鉆孔灌注樁+三軸攪拌樁止水帷幕作為地鐵車站的圍護(hù)結(jié)構(gòu)目前應(yīng)用比較廣泛，但在富含地下水的巨厚砂層中以鉆孔灌注樁+三軸攪拌樁止水帷幕作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深基坑施工的結(jié)構(gòu)形式極其少見，且常用于軟土地區(qū)的基坑圍護(hù)。本文在某大廈深基坑工程的設(shè)計與實(shí)踐［1］、無錫蘇寧廣場三軸水泥土攪拌樁施工技術(shù)［2］的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究如何保證鉆孔灌注樁在厚砂層中不坍孔和相鄰三軸攪拌樁進(jìn)入風(fēng)化巖層、阻斷隔水層的施工設(shè)備改進(jìn)和技術(shù)參數(shù)。

1 工程概述

南昌市軌道交通1號線珠江路站外包總長度467.2 m，設(shè)計為地下2層的島式站臺車站，采用單柱雙跨或雙柱三跨的鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)凈寬17.7 m，基坑挖深 15.51 m，南北兩端頭井凈寬23.1 m，開挖深度分別為16.8 m 和 17.8 m，車站主體和附屬都采用明挖順作法施工，中心里程處頂板覆土深度約為2.5 m。

工程所處地區(qū)距離贛江僅800 m，地質(zhì)條件復(fù)雜(10～12 m厚的砂層，滲透系數(shù)為10－7m/d)，地下水位埋深4.16～6.50 m，地下水主要受贛江水體的側(cè)向補(bǔ)給，地下水量豐富。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用 φ 1 000@1 200 mm鉆孔灌注樁+φ 850@600 mm的三軸攪拌樁止水帷幕，鉆孔樁與攪拌樁間隙采用雙液注漿加強(qiáng)止水。鉆孔灌注樁樁長為23 m和23.6 m，嵌入中風(fēng)化巖層不小于3 m，三軸攪拌樁進(jìn)入中風(fēng)化巖層50 cm(樁長約21 m)。

2 工程地質(zhì)及水文環(huán)境

2.1 工程地質(zhì)

施工場區(qū)大地構(gòu)造隸屬我國東部華南揚(yáng)子準(zhǔn)地臺南緣，緊鄰華南加里東褶皺帶，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂及其裂陷盆地均很發(fā)育。處于江南臺隆構(gòu)造單元的萍鄉(xiāng)—樂平臺陷北緣，構(gòu)造上主要受贛江大斷裂控制，第四系覆蓋層以下的白堊系及下第三系中存在著一些北東向、近南北向和北西向緩傾斜背斜和向斜構(gòu)造。

場地地層由人工填土、第四系全新統(tǒng)沖積層、下部為第三系新余群基巖。按其巖性及其工程特性，自上而下依次劃分為①2素填土、②1粉質(zhì)黏土、②2粉砂、②2－1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②4中砂、②5粗砂、②6礫砂、⑤泥質(zhì)粉砂巖(見圖1)。

圖1 地層特性及特征表Fig.1 Characteristics of stratum

2.2 水文環(huán)境

本工程擬建場地根據(jù)地下水含水空間介質(zhì)和水理、水動力特征以及賦存條件，地下水類型主要為上層滯水、松散巖類孔隙水和紅色碎屑巖類裂隙孔隙水。

上層滯水主要賦存于填土層之中，主要接受降雨入滲補(bǔ)給、下水管的滲漏補(bǔ)給，水位及富水性隨氣候變化大，無連續(xù)的水位面。

松散巖類孔隙水主要賦存于第四系全新統(tǒng)沖積層的砂礫石層中，為潛水，地下水位埋深較淺。水位埋深4.10 ～6.50 m，標(biāo)高14.10 ～15.46 m。地下水位埋深年變幅1～3 m，地下水主要接受贛江水體的側(cè)向補(bǔ)給，受人為開采影響較小，平水季節(jié)及枯水季節(jié)，地下水向贛江排泄;汛期，贛江補(bǔ)給地下水，地下水與贛江水力聯(lián)系密切，地下水量豐富。

3 鉆孔灌注樁施工技術(shù)

3.1 試樁研究

為確保鉆孔灌注樁成孔過程不塌孔，避免影響相鄰鉆孔灌注樁和三軸攪拌樁的成樁。進(jìn)行鉆孔灌注樁試成孔施工:

1)核對地質(zhì)資料，檢驗(yàn)所選設(shè)備、機(jī)具、選擇合理的施工工藝和參數(shù)。

2)監(jiān)測孔壁的穩(wěn)定性。

3)確定施工參數(shù)。

3.1.1 試驗(yàn)過程及措施

1)準(zhǔn)備優(yōu)質(zhì)膨潤土或黏土，使其易于成漿，縮短攪拌時間，膨潤土或黏土在水中浸透并攪拌均勻，在鉆進(jìn)前空轉(zhuǎn)30 min，使其產(chǎn)生充足的原漿。

2)在鉆進(jìn)過程中放慢鉆進(jìn)速度，特別是在粉砂、中砂、粗砂及礫砂地層，應(yīng)盡量控制進(jìn)尺速度，保持4 m/h的進(jìn)尺，以確保形成良好的泥漿護(hù)壁及樁孔垂直度。

3)控制孔內(nèi)泥漿面高度不低于護(hù)筒底以上20 cm，以免出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象。地下水位標(biāo)高為14.1～15.46 m，護(hù)筒頂標(biāo)高一般為19～19.5 m，保證孔內(nèi)泥漿液面標(biāo)高(19 m左右)，提高孔內(nèi)的水壓力，使孔內(nèi)形成正壓，有利于泥漿黏附于孔壁上，達(dá)到更好的護(hù)壁效果。

4)加強(qiáng)泥漿工藝參數(shù)的采集和控制，鉆機(jī)在穿越砂層時，及時檢測泥漿比重、黏度和含砂率。若發(fā)現(xiàn)黏度下降，及時在孔內(nèi)投放膨潤土或優(yōu)質(zhì)黏土［3－5］。

5)調(diào)整泥漿比重，新漿比重控制在1.1～1.3 g/ml之間，循環(huán)泥漿比重控制在1.2～1.5 g/ml之間，必要時加入適量重晶石，且盡量選用優(yōu)質(zhì)膨潤土或黏土泥漿護(hù)壁［3－5］。

6)在淤泥質(zhì)黏土、粉土中鉆進(jìn)，由于泥漿黏性大，鉆錐所受阻力也大，易糊鉆。易選用尖底錐鉆，中等轉(zhuǎn)速、大泵量、稀泥漿鉆進(jìn);相同的，在砂、礫層中鉆進(jìn)也選用尖底錐鉆，反循環(huán)鉆進(jìn)，來提高進(jìn)尺速度。

7)成孔過程中，必須嚴(yán)格控制樁壁的垂直度，不大于1/100，且加鉆桿時，可每次增加1.5 m鉆桿進(jìn)行鉆進(jìn)，以免磨盤以上重量偏大造成鉆機(jī)上部晃動過大，出現(xiàn)擴(kuò)孔或偏斜。如發(fā)現(xiàn)偏斜，應(yīng)立刻進(jìn)行糾偏，確保樁壁的垂直度。

8)接、卸鉆桿的動作要迅速，以免停鉆時間過長，造成孔壁坍塌。

9)導(dǎo)管安裝完成后，進(jìn)行清孔，直接從導(dǎo)管中泵入泥漿，采用反循環(huán)換漿、清渣，清孔時間為20 min左右，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況確定，保證樁底沉渣厚度≤100 mm。

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

1)樁孔無坍方，地面以下19～20 m范圍(礫砂層)內(nèi)局部出現(xiàn)5 cm左右的擴(kuò)孔。

2)該樁孔護(hù)壁在進(jìn)行超聲波檢測時能形成較完整的波段，表明該樁孔護(hù)壁效果良好，所配置的泥漿可以滿足該種地質(zhì)樁孔護(hù)壁的要求。

3)該樁孔垂直度總偏差為10 cm，地面至以下20 m范圍向西側(cè)傾斜5 cm，地面以下20 m位置至孔底范圍向南側(cè)傾斜5 cm。

樁孔垂直度檢測計算結(jié)果見表1。

表1 樁孔垂直度檢測計算Table 1 Measurement and calculation of pile hole

3.2 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

根據(jù)試驗(yàn)得出的技術(shù)數(shù)據(jù)，并通過對826根鉆孔灌注樁的施工不斷進(jìn)行技術(shù)參數(shù)調(diào)整和總結(jié)，分析得出鉆孔灌注樁在巨厚砂層地質(zhì)條件下的施工工法和參數(shù)。

3.2.1 施工方法

采用GPS－15型鉆機(jī)(鉆頭選用雙腰帶三翼籠式合金鉆頭)，正、反循環(huán)相結(jié)合回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、清孔工藝，泥漿(根據(jù)地層土質(zhì)的區(qū)別采用原土造漿和人工拌制添加膨潤土泥漿)護(hù)壁和導(dǎo)管法灌注水下混凝土。

3.2.2 施工技術(shù)

10～12 m厚的砂層，地質(zhì)條件較特殊，為保證鉆孔樁施工質(zhì)量，在0～7 m的鉆進(jìn)過程中采用正循環(huán)鉆進(jìn)施工;當(dāng)鉆進(jìn)至砂層時，改用泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)施工［6］。

1)采用正循環(huán)鉆進(jìn)的地層。0～7 m范圍內(nèi)為素填土和黏土層，采用正循環(huán)鉆進(jìn)，具備一定的自造漿能力，可以補(bǔ)充和優(yōu)化部分泥漿，保持泥漿的良好性能。

2)采用反循環(huán)鉆進(jìn)的地層。①鉆進(jìn)砂層和風(fēng)化巖層后，在砂層中鉆進(jìn)不能自生成護(hù)壁泥漿。②正循環(huán)鉆進(jìn)是從泥漿池里將泥漿通過鉆桿輸送到孔中，護(hù)壁漿液再從樁口自然地溢出循環(huán)，循環(huán)過程中同時把鉆渣帶出來，帶動過程中對孔壁形成的泥皮會產(chǎn)生一定的沖刷，不利于泥漿護(hù)壁，尤其在厚砂層中會嚴(yán)重坍孔。③正循環(huán)這種自然循環(huán)的排渣方式只能排出一部分鉆渣，對于較大顆粒的石渣無法通過循環(huán)排出去，而反循環(huán)是將渣土從鉆桿中間的管道直接抽出，具有良好的排渣能力，并且不會對形成的泥皮產(chǎn)生沖刷，可以把顆粒很大的石子吸出。

3.2.3 施工參數(shù)

選取具有代表性相同的地質(zhì)情況的鉆孔灌注樁進(jìn)行施工參數(shù)分析。結(jié)果見圖2和圖3，表2和表3。

圖2 鉆進(jìn)曲線圖Fig.2 Drilling curve

圖3 成樁工序時間圖Fig.3 Pile forming process

表2 鉆進(jìn)速度匯總表Table 2 Summary of drilling speed

表3 二清泥漿性能指標(biāo)Table 3 Secondary-cleaning slurry performance

鉆孔灌注樁的成樁質(zhì)量按表4技術(shù)參數(shù)進(jìn)行控制。

表4 鉆孔樁施工技術(shù)參數(shù)表Table 4 Construction parameters of cast-in situ concrete pile

4 三軸攪拌樁施工技術(shù)

4.1 施工方法

攪拌樁止水帷幕采用三軸攪拌機(jī)進(jìn)行施工，鉆機(jī)選用日本進(jìn)口的DH－608型三軸攪拌樁機(jī)，材料采用P42.5級普通硅酸鹽水泥。三軸攪拌樁采用跳槽重復(fù)套打的連接方式施工［2，7］，施工順序見圖 4。

圖4 攪拌樁施工示意圖Fig.4 Construction of mixing pile

其中陰影部分為套打1根攪拌樁，保證止水帷幕的連續(xù)性和接頭的施工質(zhì)量，三軸攪拌樁的搭接以及施工設(shè)備的垂直度修正是依靠重復(fù)套鉆來保證，從而達(dá)到止水作用。

4.2 施工技術(shù)(鉆頭改進(jìn))

水泥土攪拌樁一般在軟土和砂層地質(zhì)中進(jìn)行施工，但要攪拌樁入風(fēng)化巖層在國內(nèi)范圍來看相對較少［2－5，7］。在類似的地質(zhì)條件下進(jìn)行三軸攪拌樁止水帷幕施工，且三軸攪拌樁止水帷幕必須嵌入中風(fēng)化巖層(單軸飽和抗壓強(qiáng)度為6.95 MPa)，這樣對三軸攪拌樁止水帷幕的施工提出了非常高的要求。

常規(guī)的三軸攪拌樁施工方法及施工設(shè)備無法滿足進(jìn)入風(fēng)化巖層的要求。經(jīng)過多次的內(nèi)部討論和征求多方專家的意見，分析得出三軸攪拌樁不能入巖的關(guān)鍵原因是三軸攪拌樁的鉆頭結(jié)構(gòu)形式。對三軸攪拌樁的鉆頭進(jìn)行改進(jìn)后效果非常明顯，詳見圖5。

4.3 施工參數(shù)

三軸攪拌樁止水帷幕采用改進(jìn)后的三翼鉆頭進(jìn)行施工，通過現(xiàn)場施工記錄統(tǒng)計對施工參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，詳見圖6—8。

通過對833幅三軸攪拌樁的施工數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，分析得出在厚砂層及風(fēng)化巖層中的施工參數(shù)見表5。

5 結(jié)論

1)在富水巨厚砂層和風(fēng)化巖層的地質(zhì)條件下進(jìn)行鉆孔灌注樁施工要注重施工工藝和施工設(shè)備的選擇，同時選取合理的施工參數(shù)進(jìn)行控制，避免在厚砂層中出現(xiàn)嚴(yán)重坍孔的現(xiàn)象，為后續(xù)基坑施工做好充分準(zhǔn)備。

2)在富水巨厚砂層和風(fēng)化巖層的地質(zhì)條件下進(jìn)行三軸攪拌樁施工要采取變化施工流程(如套打1根)和施工設(shè)備的選擇、改進(jìn)鉆頭形式等措施，確保三軸攪拌樁止水帷幕能嵌入中風(fēng)化巖層，隔斷隔水層和滲水通道，達(dá)到很好的止水效果。

表5 攪拌樁施工參數(shù)Table 5 Construction parameters of mixing pile

3)在如此復(fù)雜的地質(zhì)條件下，對鉆孔灌注樁+三軸攪拌樁止水帷幕的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式的技術(shù)研究和施工過程中關(guān)鍵性施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確定鉆孔灌注樁及三軸攪拌樁在富水巨厚砂層中采取的施工方法和控制措施，確保深基坑施工的安全，同時為同類地質(zhì)條件下深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)工程施工提供一定的參考。

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