賀瑞峰

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

1 概述

由于勘探技術(shù)手段的局限，在公路項目橋梁工程的樁基鉆孔施工過程中，會遇到各種形狀各種巖性的孤石。樁基礎(chǔ)施工一旦遇到堅硬的孤石，由于孤石外形不規(guī)則，導(dǎo)致掘進受阻，而且鉆孔內(nèi)部情況復(fù)雜，使得穿透孤石成孔難度較大，鉆進效率低，鉆具壽命短，不可避免地會產(chǎn)生斜孔、塌孔、卡鉆、掉鉆頭等事故，嚴(yán)重影響施工工期。有更為甚者，因無法施工而不得不變更設(shè)計，增加了施工成本，問題非常棘手。如何處理樁基施工遇到的孤石，成為擺在工程技術(shù)人員面前的一個較大的技術(shù)難題，也是控制橋梁樁基施工成本、解決業(yè)主與施工單位報價爭議等問題的關(guān)鍵所在。

2 孤石處理主要方法

含孤石地層常用的施工方法有：開挖法、沖擊反循環(huán)鉆進法、沖抓錐鉆進法、回轉(zhuǎn)鉆進法、爆破法。比較有效的處理方法是采用爆破排石法，常見的爆破法有人工炸石法、鉆眼爆破法。但在采用爆破排石法時需要注意以下幾個問題：爆破能量不能破壞已成孔的井壁穩(wěn)定性；爆破能量不能影響周圍施工中樁孔井壁穩(wěn)定性；爆破能量不能影響周邊既有的構(gòu)筑物使用安全性。爆破法常和其他方法相結(jié)合使用。下面僅就爆破法分析利弊。

2.1 人工炸石法及其局限性

人工炸石的主要工藝是：開挖（鉆孔）使孤石露出，然后人工進入孔內(nèi)，在孤石上鉆孔爆破。如果地下水位比孤石高，且出現(xiàn)涌水，則應(yīng)進行排水，這種方法對于涌水量大的地層，根本就難以實施，僅在地層穩(wěn)定而且地下水頭較低的情形下才能進行。不僅如此，按照施工規(guī)范，工人進入樁基底部施工還需要設(shè)置逃生軟梯，增加通風(fēng)和照明，成本較大，風(fēng)險也較大。

2.2 鉆眼爆破法及其局限性

鉆眼爆破法的主要工藝是：遇到孤石時，先穩(wěn)步提鉆，再查明孤石的位置、大小、形狀、產(chǎn)狀并依此來確定爆破孔的數(shù)量、分布和裝藥量，使用小口徑鉆頭在孤石上鉆出爆破眼，然后在小孔內(nèi)按照計算好的藥量安裝炸藥對孤石進行爆破。爆破后清除孔內(nèi)巖塊進而順利向下鉆進。這種處理方法雖然可適應(yīng)不同埋深的孤石、漂石、滾石，方便靈活，但是不適宜用于松散地層中的直徑相對較小、形狀近似圓形、表面光滑的孤石，尤其使用小口徑鉆頭鉆此類巖石時，巖石會隨鉆頭一起旋轉(zhuǎn)，造成鉆進困難。如果有地下水且水頭較高，樁孔內(nèi)泥水渾濁無法裝藥。

3 孤石處理新方法——注漿固結(jié)法

注漿技術(shù)就是利用送壓設(shè)備將能夠固化的漿液材料通過鉆孔注入地層中顆粒的間隙、土層的界面或巖層裂隙內(nèi),使其擴張、膠結(jié)、固化,以降低地層的滲透性,增強地層強度,防止地基沉降、變形的處理技術(shù)[1]。

綜上所述，目前橋梁樁基工程遇到孤石的處理方法就是爆破和清除。筆者分析，爆破清除是有條件的，某些情況下無法實現(xiàn)，在這些情況下能否轉(zhuǎn)換方法，變爆破清除為利用。利用注漿技術(shù)實現(xiàn)樁基孤石的利用。

首先我們來分析含孤石地層的具體地形地質(zhì)分類。孤石，顧名思義是指地層中獨立存在的外形或者巖性等特征明顯不同于本層內(nèi)其他巖土的石塊，它廣泛存在于海相沉積地層，河相沉積（除長江黃河）地層分布較少。雖然埋藏深淺、直徑大小、硬度不一，但是無論如何其強度均比土質(zhì)地層承載力高。既然對于某些比較大（大于樁徑）的孤石處理比較困難，那么把它作為樁端一部分未嘗不可。這種方法不是將孤石單獨作為持力層，它獨自也承受不了太大的力，我們是要通過對孤石周圍的地層注漿凝結(jié)，將孤石和周圍的巖土凝結(jié)為整體，提高樁端承載力占比。具體設(shè)計提高多少為限，我們以《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（JTG D63—2007）第 5.3.3條[2]作為基礎(chǔ)計算公式（因為未到設(shè)計深度默認(rèn)為摩擦樁），推導(dǎo)出如下公式：

式中：Ap為孤石注漿凝固體樁端所需支撐截面面積，m3；U為樁身周長，m；R為單樁軸向受壓（拉）樁頂力計算值，kN；qik為與fi對應(yīng)的各土層與樁側(cè)的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa，宜采用單樁摩阻力試驗確定，當(dāng)無試驗條件時按JTG D63—2007規(guī)范表5.3.3-1選用；Li為承臺底面或局部沖刷線以下各土層的厚度，m，擴孔部分不計；qr為樁端處土的承載力容許值，kPa，當(dāng)持力層為砂土、碎石土?xí)r，若計算值超過下列值，宜按下列值采用：粉砂 1 000 kPa，細(xì)砂1 150 kPa，中砂、粗砂、礫砂 1 450 kPa，碎石土2 750 kPa；[fa0]為孤石所在處土的承載力基本容許值，kPa，按 JTG D63—2007規(guī)范第 3.3.3條確定；α為擴底系數(shù),見表1，參考鐵路相關(guān)擴底樁規(guī)范；h為樁端的埋置深度，m，對于有沖刷的樁基，埋深由一般沖刷線起算，對無沖刷的樁基，埋深由天然地面線或?qū)嶋H開挖后的地面線起算；h的計算值不大于40 m，當(dāng)大于40 m時，按40 m計算；k2為容許承載力隨深度的修正系數(shù)，根據(jù)樁端處持力層土類按JTG D63—2007規(guī)范表3.3.4選用；γ2為樁端以上各土層的加權(quán)平均重度（W0），若持力層在水位以下且不透水時，不論樁端以上土層的透水性如何，一律取飽和重度；當(dāng)持力層透水時則水中部分土層取浮重度；m0為清底系數(shù)，按JTG D63—2007規(guī)范表5.3.3-3選用；λ為修正系數(shù)，按 JTG D63—2007規(guī)范表5.3.3-2選用。

表1 擴底系數(shù)取值表

4 注漿固結(jié)法的優(yōu)缺點

4.1 優(yōu)點

注漿固結(jié)法較其他的處理方法更為直接。爆破法需要用其他小型破石鉆孔設(shè)備鉆孔爆破，工藝繁瑣。爆破工藝設(shè)計還要考慮裝藥量不能太大，不能影響樁孔壁的穩(wěn)定性，不能影響鄰孔穩(wěn)定性。如遇底層水頭高，孔內(nèi)滲水嚴(yán)重，孔內(nèi)積水深，爆破孔鉆孔完畢后，抽出鉆頭，在泥水環(huán)境下，因為無法對準(zhǔn)裝藥孔而裝藥非常困難。而注漿固結(jié)法不需要繁瑣的孔內(nèi)爆破出渣工藝，省去了樁孔向下鉆進的工程量。這樣在合理樁長范圍內(nèi)可以抵消鉆孔注漿帶來的造價的提高。

4.2 缺點

任何施工工藝都有其合理的適用范圍，注漿固結(jié)法也一樣，對于埋深較淺的孤石就不太適用；對于摩擦樁且樁長較長，孤石埋深超過了樁深彎矩較大的區(qū)域，這樣穿過較多地層的樁基礎(chǔ)在孤石所在地層憑借較高的地基承載力，總能得到較好的處理。工藝本身需要在樁基灌注完之后再注漿，這樣存在風(fēng)險需要在灌注樁基以前就評估并做好預(yù)案，承載力是否能達到要求。如果同一墩臺位置的兩根樁其中有一根遇到孤石，另一根沒有，這樣的情況處理起來也比較棘手，需要評估樁長差引起的沉降差。

5 算例

5.1 工程概況

筆者以山西省某公路項目遇到的孤石為例分析試算。該項目的某橋是5-30 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，單幅12 m寬，橋墩采用柱距6.6 m雙柱式墩，直徑1.4 m柱接直徑1.5 m鉆孔灌注樁，樁頂埋深2.5 m，與局部沖刷線齊平，計算樁頂力6 800 kN,設(shè)計樁長34 m，地質(zhì)資料如表2。

橋址為古河道，于施工過程中發(fā)現(xiàn)其中一樁3號地層有孤石存在，孤石埋深25.6 m，孤石外形尺寸達2 m。

5.2 注漿固結(jié)處置方法

由于孤石外徑大于樁徑1.5 m，分析成因，為史上上游遠距水流搬運。因河道為非季節(jié)性河道，常年有地表徑流，孔內(nèi)地下水頭高。人工爆破存在難度，只能用機械鉆孔裝藥爆破。所以施工方提出爆破方案,因為沒有更為合適的處置辦法，現(xiàn)場四方會議決定附議。因施工單位預(yù)案充分，處置結(jié)果較為理想，未出現(xiàn)塌孔縮頸事故，但過程異常艱難。

筆者現(xiàn)就以上注漿固結(jié)法試算如下：

表2 地質(zhì)資料簡表

得Dp=2.5 m，Dp/d=1.7，擴底系數(shù)α也偏于安全。

式（3）中，樁基本身重量所產(chǎn)生的荷載，如果考慮置換土重和水浮力，則樁本身重產(chǎn)生的荷載不足樁重一半，但是浮力在這里因為土骨架和樁底有接觸，所以不能根據(jù)阿基米德定律計算，不宜采用，偏于安全取一半樁重0.25×3.14×0.75×0.75×12×24.1 kN。在計算加大樁樁底承載力時,從設(shè)計安全角度出發(fā),不再考慮加大樁下部樁側(cè)摩阻力的作用,僅考慮其樁底阻力的作用[3]。

筆者注，限于篇幅，本論文單純從承載力角度分析，未考慮樁身彎矩等橫向力學(xué)計算，在此僅作參考，具體應(yīng)用有待下一步繼續(xù)深入研究。

6 結(jié)束語

根據(jù)以上實例試算，對于孤石的處理，采用注漿固結(jié)法是可行的，當(dāng)然這只是理論的計算。有幸的是，2012年山西交科公路勘察設(shè)計院關(guān)于晉蒙黃河大橋的方案咨詢論證會上請到的國內(nèi)外專家，他們介紹了他們正在做的研究，深樁基的處理正在使用注漿技術(shù)，并取得可喜的效果,縮短了樁長。這又為本文的技術(shù)可行性提供了較為可靠的佐證。