(中國水電基礎(chǔ)局有限公司,天津 武清,301700)
南京海賦尚城項(xiàng)目工程位于南京主城區(qū)東北部,經(jīng)五路以東,燕山路以南,神農(nóng)路以北。包括地上7棟31~33層住宅樓(樓下設(shè)1層地下室)及共5棟2層裙樓商業(yè)服務(wù)網(wǎng)點(diǎn),樓間空地下設(shè)2~3層人防地下室。結(jié)構(gòu)形式為框架剪力墻結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ),樁徑包括600mm、700mm兩種規(guī)格,小計(jì)561根(含5個(gè)單體子分部工程),入5-3/5-3b層中風(fēng)化細(xì)砂巖持力層不小于0.5m。項(xiàng)目地點(diǎn)位于地勢低洼處,場地內(nèi)原有多處水塘,局部發(fā)育有坳溝,涉及樁基根數(shù)274根。
根據(jù)工程地質(zhì)報(bào)告以及開挖地下室時(shí)地質(zhì)剖面的揭露狀況,本工程場址原有多處水塘,塘深約0.6m~3.0m,塘底淤泥厚度約0.3m~5.0m。施工前期,塘底淤泥未經(jīng)技術(shù)處理,采取建筑垃圾、碎磚、碎石、混凝土塊、生活垃圾等填埋,回填松散,局部粒徑最大約2.0m;場址局部發(fā)育有坳溝,坳溝深度、寬度未探明。水塘、填塘底、坳溝底及周邊分布淤泥、淤泥質(zhì)填土,最大厚度10m左右,自穩(wěn)能力差,呈流塑狀態(tài),具觸變性、蠕變性,開挖過程中樁周土體坍塌?;鶐r為中風(fēng)化細(xì)砂巖,巖層起伏較大。
場址地下水穩(wěn)定水位埋深在地面下0.45m~8.1m,高程為19.39m~24.99m(吳淞高程系)。施工過程中,探明坳溝區(qū)域底層存在高速水流,約在地面下20m位置,涉及樁基11根。
目前在南京地區(qū)鉆孔灌注樁主要施工成孔方法有:①人工開挖干作業(yè)法成孔灌注樁;②反循環(huán)泥漿護(hù)壁成孔灌注樁;③旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)成孔灌注樁。
因建設(shè)單位開發(fā)計(jì)劃、資金回籠因素,樁基施工工期十分緊張,單棟單體工期僅15d,合同總工期49d,而且場地狹窄、交叉作業(yè)、無較大動(dòng)力電源、居民較多、周邊綠化環(huán)境基本成型。
人工開挖干作業(yè)法成孔灌注樁進(jìn)度緩慢,對場址地質(zhì)條件要求高,要求土體自穩(wěn)能力強(qiáng)、無坍塌。本工程淤泥質(zhì)土體呈流塑狀,存在豐富地下水等不良工況,不能保證順利成樁,如果所有樁基同時(shí)開孔施工,施工干擾大、不可控因素多、安全風(fēng)險(xiǎn)大,技術(shù)上、安全上不可行。
反循環(huán)泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁樁機(jī)用電負(fù)荷大,單臺鉆機(jī)及附屬設(shè)備用電量約125kW,需要較大的泥漿池、環(huán)境影響大,孔內(nèi)泥漿不僅用于護(hù)壁而且用于排渣,成孔質(zhì)量控制難度大,現(xiàn)場動(dòng)力電源不足,場地狹窄,防擾民管控嚴(yán),租賃大型發(fā)電機(jī)供電不可行,現(xiàn)場不具備該工藝的實(shí)施條件。
旋挖鉆機(jī)自動(dòng)化程度高,成孔速度快,全液壓驅(qū)動(dòng)、數(shù)字化控制,精確定位鉆孔、自動(dòng)校正鉆孔垂直度、監(jiān)測孔深,質(zhì)量進(jìn)度可靠;自帶移動(dòng)裝置、無需借助輔助設(shè)備移位,節(jié)省輔助作業(yè)時(shí)間及設(shè)備投入;自帶動(dòng)力電源,解決現(xiàn)場電源不足難題;旋挖鉆機(jī)通過鉆頭鉆土,孔外卸土,泥漿僅用于護(hù)壁不用于排渣,經(jīng)沉淀除砂可循環(huán)再利用,降低排污費(fèi)用,綠色、環(huán)保施工特點(diǎn)突出。
經(jīng)過三種成孔工藝比較,旋挖鉆機(jī)成孔能保證工期、解決現(xiàn)場動(dòng)力電源不足難題、對環(huán)境影響小,綜合考慮淤泥層平均厚度,本著節(jié)約成本的原則,本項(xiàng)目決定采用10m鋼護(hù)筒配合旋挖鉆機(jī)成孔、局部輔以優(yōu)化操作方式/護(hù)筒跟進(jìn)施工工藝成孔。
旋挖鉆機(jī)取土成孔、成樁工藝:定樁位-埋護(hù)筒-注泥漿-鉆進(jìn)取土-一次清孔-放鋼筋籠-安裝導(dǎo)管-二次清孔-混凝土灌注-拔出護(hù)筒。成孔主要難題是在地面以下3m~20m范圍內(nèi)分布有深厚淤泥層,且地下水位高,在流塑淤泥及地下水的雙重作用下,極易造成塌孔、超方現(xiàn)象。
施工前,優(yōu)先考慮規(guī)劃行車路線,使便道與鉆孔位置保持一定距離,降低造孔過程中塌孔、偏位現(xiàn)象;要求鉆機(jī)底盤置于堅(jiān)實(shí)地基上,底部鋪設(shè)鋼板,避免產(chǎn)生不均勻沉陷;同時(shí)考慮孔口鉆渣清運(yùn)便利條件。
根據(jù)建筑工程原始控制點(diǎn)、施工控制網(wǎng)、設(shè)計(jì)施工圖提供的樁位坐標(biāo),采用全站儀精確放出樁位中心,以樁位中心為圓心,以鋼護(hù)筒半徑為半徑畫出上部圓周,撒石灰線作為鋼護(hù)筒下設(shè)的引導(dǎo)線,經(jīng)監(jiān)理單位復(fù)核后,做好護(hù)樁。
根據(jù)海賦尚城樁基地質(zhì)柱狀圖資料,水塘及坳溝區(qū)域表層回填建筑垃圾,淤泥層厚度不等,淤泥平均深度達(dá)7.5m,最深達(dá)20m,護(hù)筒采用8mm厚鋼板卷制焊接制成比孔徑大40cm的鋼護(hù)筒,焊接牢固不漏水,護(hù)筒以穿透平均淤泥層厚度為準(zhǔn),護(hù)筒埋設(shè)深度初定為10m,未涉及水塘及坳溝區(qū)域樁基護(hù)筒埋設(shè)深度暫定為2.0m。淺層回填建渣層采用挖機(jī)挖除至淤泥表層后采用振動(dòng)錘下沉鋼護(hù)筒,深層建渣層采用反復(fù)插拔法強(qiáng)制下設(shè)鋼護(hù)筒(下設(shè)不理想情況下再開挖換填),護(hù)筒與護(hù)筒壁之間采用黏土回填夯實(shí),同時(shí)保護(hù)好護(hù)樁及樁位中心。護(hù)筒平面位置偏差不大于20mm,傾斜度不大于1%,高度高出地面20cm。
鉆機(jī)平臺、鉆機(jī)及鉆架穩(wěn)定牢固,要求地面承載力大于250kN/m2,鉆機(jī)就位時(shí)與地面最大傾斜角不超過4°。根據(jù)地質(zhì)情況局部回填碎塊石,碾壓密實(shí)后鋪設(shè)10mm厚鋼板。
將鉆機(jī)行駛至預(yù)施工孔位,調(diào)整桅桿角度、操作卷揚(yáng)機(jī),將鉆頭中心與樁位中心對準(zhǔn),并調(diào)整鉆機(jī)垂直度參數(shù),使桅桿垂直,確保鉆頭環(huán)刀自由浮動(dòng)孔內(nèi)。正式鉆孔前,鉆機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn),檢查鉆機(jī)的穩(wěn)定和工況,確保后續(xù)施工連續(xù)進(jìn)行。
開始鉆孔時(shí),保證鉆桿垂直,鉆機(jī)穩(wěn)定,然后進(jìn)行鉆孔。當(dāng)鉆頭下降到預(yù)定深度后,旋轉(zhuǎn)鉆斗并施加壓力,將土體擠入鉆斗內(nèi),儀表自動(dòng)顯示筒滿時(shí),鉆斗底部關(guān)閉,提升鉆斗將土卸于堆放地點(diǎn)??偟你@進(jìn)流程是通過鉆斗的旋轉(zhuǎn)、削土、提升、卸土,反復(fù)循環(huán)直至成孔。
針對孔內(nèi)存在豐富地下水狀況,采用旋挖鉆機(jī)泥漿護(hù)壁施工工藝,鉆機(jī)施工過程中,始終保持水面頂高程不低于護(hù)筒底部且高于地下水位100cm以上,以保證孔壁的穩(wěn)定性及抑制地下水位。鉆孔過程中經(jīng)常觀察主機(jī)所在地面和支腳支撐地面處的變化情況,發(fā)現(xiàn)沉降現(xiàn)象立即停鉆處理,鉆孔時(shí)嚴(yán)格控制鉆孔的垂直度,根據(jù)旋挖鉆自身的自動(dòng)控制系統(tǒng),定期進(jìn)行測量復(fù)核。成孔過程中,隨時(shí)對護(hù)壁泥漿的指標(biāo)進(jìn)行檢測,滿足不同土層護(hù)壁泥漿指標(biāo)的要求。
參照地勘報(bào)告,鉆孔至5-3b或5-3中風(fēng)化細(xì)砂巖層處進(jìn)行取樣,由地勘、監(jiān)理等參建單位進(jìn)行基巖鑒定,確定基巖面高程,繼續(xù)鉆進(jìn)直至終孔。
清孔采用換漿方法,鉆至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高后立即測量孔深,以確定實(shí)際鉆孔深度及確認(rèn)沉渣厚度的起算點(diǎn),根據(jù)地質(zhì)情況自然沉淀3h后測沉渣回升值,以確定沉淀的速率,以便估算下籠、下導(dǎo)管時(shí)間段沉渣回升值。自然沉淀后采用平底撈渣鉆具清孔至第一次實(shí)際樁底標(biāo)高,根據(jù)沉淀的速率和沉渣回升值確定撈渣的次數(shù)。
鋼筋籠、導(dǎo)管下設(shè)完畢,復(fù)測孔底沉渣厚度,沉渣厚度若不滿足設(shè)計(jì)要求值,采用高壓泥漿泵循環(huán)泥漿使沉渣懸浮起來,直至沉渣厚度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
為保證快速有效的清孔,可在泥漿循環(huán)系統(tǒng)中增加濾砂筒,泥漿泵的進(jìn)漿口與泥漿池連通,泥漿泵的出漿口與濾砂筒的入口連通,濾砂筒的出口直接連接泥漿池,通過定期對濾砂筒的砂子進(jìn)行清理,在泥漿使用過程中使泥漿清潔,縮短清孔時(shí)間,提高清孔質(zhì)量。
清孔后,泥漿技術(shù)要求:沉渣厚度不大于50mm,泥漿黏度32s~55s,相對密度1.03~1.15,含砂率不大于5%。
成孔檢查的主要內(nèi)容有孔位、孔徑、垂直度、深度、沉渣厚度等,不合格時(shí)采取措施處理。用測繩測量孔深并做記錄,鉆孔完成后采用探孔器檢測孔徑,鉆桿垂線法等檢查傾斜度,用長度符合規(guī)定的探孔器上下兩次檢查孔是否合格,合格后清孔。檢查質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)如下表1所示。
表1 成孔檢查質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)
振動(dòng)樁錘配合下沉10.0m鋼護(hù)筒形成鋼護(hù)壁工法鉆孔樁,成功解決了海賦尚城流塑狀淤泥質(zhì)土層旋挖鉆孔灌注樁188根,因局部水塘、坳溝較深,存在86根樁基護(hù)筒下設(shè)深度未穿透樁底流塑淤泥質(zhì)土層。旋挖鉆機(jī)施工至10.0m位置(鋼護(hù)筒底標(biāo)高),出現(xiàn)吸鉆、塌孔、縮頸、卸渣困難等不良工況。施工3-115#樁基,旋挖鉆機(jī)在10m位置,掏撈淤泥4次,鉆機(jī)顯示屏顯示鉆孔深度12m,測繩量測僅9.5m,反復(fù)鉆進(jìn)8次均無進(jìn)尺。因淤泥質(zhì)地層承載力低,容易出現(xiàn)地層的不均勻沉降,存在鉆機(jī)傾覆的隱患,安全起見,采取護(hù)筒跟進(jìn)的方式成孔。澆筑中,邊續(xù)澆混凝土邊起拔護(hù)筒,護(hù)筒拔出后,灌注超方系數(shù)1.50。
對淤泥土進(jìn)行取土試驗(yàn)分析:孔隙比1.5~2.0,含水率50%~75%,表現(xiàn)為軟塑、流塑狀態(tài),抗剪強(qiáng)度低,顯著的觸變性、蠕變性,擾動(dòng)后出現(xiàn)坍落現(xiàn)象,自穩(wěn)能力差。
淤泥的軟塑、流塑性是導(dǎo)致吸鉆、塌孔、超方的主要原因。
旋挖鉆機(jī)鉆孔穿過鋼護(hù)筒底部進(jìn)入淤泥層,對孔周淤泥層造成惡性擾動(dòng),破壞了地層原有的受力平衡,加之操作手同速鉆進(jìn),未在交界面減速減壓、控制進(jìn)尺,導(dǎo)致孔內(nèi)泥漿壓力與淤泥流塑力失去平衡,泥漿壓力難以抑制淤泥向樁孔內(nèi)的流動(dòng)趨勢,造成鉆孔過程中不斷出現(xiàn)淤泥涌流到孔內(nèi)引起縮頸,以致淤泥緊緊裹住鉆頭,在提鉆過程中,鉆頭上方和下方的泥漿液面不流通,造成鉆底的負(fù)壓過大,從而導(dǎo)致吸鉆,吸鉆會(huì)加速淤泥向樁孔內(nèi)涌流,造成快速塌方,孔壁泥皮及坍塌體迅速沉淀到孔底,孔中間出現(xiàn)塌方洞是超方根源所在。
避免吸鉆、縮頸、塌孔現(xiàn)象發(fā)生,就要較好地保持淤泥的原始應(yīng)力狀態(tài),保持泥漿壓力與淤泥流塑體流動(dòng)趨勢的受力平衡,將鉆孔擾動(dòng)降至最低,需采取輔助工法。
5.3.1 優(yōu)化操作方式
旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)至護(hù)筒底部,進(jìn)入淤泥質(zhì)土層前,要求操作手遵循“三降”、“三減”原則?!叭怠笔侵附档头陪@速度、降低旋轉(zhuǎn)速度、降低提鉆速度,為孔壁泥皮的形成預(yù)留充足時(shí)間;“三減”是指減少單斗進(jìn)尺(由80cm減少到40cm左右)、減少鉆壓(采用提鉆或自由下放鉆進(jìn))、減少合斗門時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度和圈數(shù),將對樁壁淤泥土體的擾動(dòng)降至最低。
5.3.2 改善泥漿性能
配置高粘度、中等容重的膨潤土+黏土泥漿,良好護(hù)壁。對漿池內(nèi)的膨潤土漿進(jìn)行改良,加入定量膨潤土、纖維素、純堿,采用長臂小挖機(jī)充分?jǐn)嚢韬箪o置24h,待膨潤土完全水合后,倒入黏土,用長臂小挖機(jī)再次充分?jǐn)嚢?,并檢測泥漿主要參數(shù)值,控制相對密度在1.20左右,黏度不小于45s,否則在漿池內(nèi)酌情添加原料。
鉆孔中,存在輕微縮頸,則在樁孔內(nèi)投入黏土+碎石混合料,通過鉆具在縮頸區(qū)域緩慢來回推移,充分?jǐn)嚢铦{體,使?jié){體與樁壁淤泥體受力趨于平衡,形成浸染泥皮,阻止塌孔現(xiàn)象的發(fā)生。
5.3.3 改進(jìn)鉆頭結(jié)構(gòu)
對筒式鉆斗的筒壁對稱加焊護(hù)壁鋼板(或設(shè)置導(dǎo)流槽),避免施工提升鉆斗時(shí)因筒斗下部產(chǎn)生較大的負(fù)壓力作用,引起吸鉆現(xiàn)象;采用體開式鉆頭或帶有內(nèi)流水孔的鉆斗,提鉆時(shí)使泥漿實(shí)現(xiàn)上下流通,避免產(chǎn)生“活塞效應(yīng)”引起孔壁壓力,導(dǎo)致吸鉆、塌孔現(xiàn)象發(fā)生。
5.3.4 局部護(hù)筒跟進(jìn)
坳溝高流速深厚淤泥+地下動(dòng)水區(qū)域樁基,通過優(yōu)化操作方式、改善泥漿性能、改進(jìn)鉆頭結(jié)構(gòu)等仍不能有效解決,成孔非常困難。首鉆掃孔2次無進(jìn)尺情況下采用全鋼護(hù)筒逐節(jié)跟進(jìn)的方式施工,穿透深厚高流速淤泥層,跟進(jìn)至淤泥層底以下1.0m位置,形成對樁基鉆孔淤泥層全長范圍的防護(hù),與周圍地層隔離,形成獨(dú)立空間,不受周圍地質(zhì)環(huán)境影響,成孔后澆筑過程中根據(jù)澆筑深度逐節(jié)起拔。
深厚淤泥區(qū)域274根工程樁基低應(yīng)變檢測137根(檢測比例50%),其中Ⅰ類樁120根,Ⅱ類樁17根,Ⅰ類樁占比87.6%,經(jīng)第三方檢測,深厚淤泥區(qū)域內(nèi)樁基成樁質(zhì)量可靠;開挖后,未出現(xiàn)大樁頭現(xiàn)象,樁身外觀觀感質(zhì)量良好。
振動(dòng)錘下沉10.0m鋼護(hù)筒配合旋挖鉆機(jī)成孔工藝解決流塑淤泥層樁基188根,10.0m鋼護(hù)筒+優(yōu)化操作方式、改善泥漿性能、改進(jìn)鉆頭結(jié)構(gòu)施工工藝成功解決流塑淤泥層樁基71根(自護(hù)筒底部以下開始計(jì)量淤泥厚度,淤泥厚度不超過5.0m),振動(dòng)錘下沉10.0m鋼護(hù)筒+護(hù)筒跟進(jìn)至淤泥層底以下1.0m施工工藝解決深厚、底部動(dòng)水淤泥層樁基15根。
首選10.0m鋼護(hù)筒配合旋挖鉆機(jī)成孔施工工藝比全護(hù)筒跟進(jìn)淤泥質(zhì)層工藝,節(jié)省護(hù)筒焊接、跟進(jìn)、起拔時(shí)間,能較快地提高施工功效,且能較好地解決淺層流塑淤泥質(zhì)土成孔難題;15m深度范圍內(nèi)淤泥質(zhì)土層,采用10m鋼護(hù)筒屏蔽防護(hù)+優(yōu)化操作方式+底部改善泥漿性能+改進(jìn)鉆頭結(jié)構(gòu),能夠保持護(hù)筒底部一定范圍內(nèi)淤泥質(zhì)土應(yīng)力平衡狀態(tài),抑制淤泥向樁孔的流動(dòng)趨勢,保證旋挖鉆進(jìn)成孔率,成孔后后續(xù)工序的快速跟進(jìn),順利完成澆筑過程,可以較好地解決較深層流塑淤泥質(zhì)土成孔技術(shù)難題;對于深層淤泥,采用全鋼護(hù)筒跟進(jìn)施工工藝,穿透高流速淤泥層,與周邊地質(zhì)環(huán)境形成隔離空間,可以快速成孔,在一定程度上增加費(fèi)用開支,確為解決深厚高流塑動(dòng)水淤泥層的可取施工工藝。
6.2.1 經(jīng)濟(jì)效益
海賦尚城樁基項(xiàng)目綜合施工工藝的應(yīng)用,成功解決了深厚淤泥層的施工技術(shù)難題,將淤泥土層范圍內(nèi)的274根鉆孔灌注樁由原充盈系數(shù)1.50控制在1.20范圍內(nèi),節(jié)省超灌混凝土819.07m3(樁徑700mm×700mm×3.14/4×平均孔深26m×超灌系數(shù)0.30×273根=819.07m3),節(jié)省開支約19.27萬元(混凝土市場價(jià)380元/m3,改進(jìn)工藝支出11.85萬元,819.07m3×0.038萬元/m3-11.85萬元=19.27萬元),取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益,并在建設(shè)單位的要求工期內(nèi)完成施工任務(wù)。
6.2.2 社會(huì)效益
10m鋼護(hù)筒配合旋挖鉆機(jī)成孔+局部輔以優(yōu)化操作方式/護(hù)筒跟進(jìn)施工工藝,緩解項(xiàng)目施工現(xiàn)場電力不足的問題,規(guī)避了動(dòng)力電纜帶來的安全隱患,節(jié)約發(fā)電機(jī)施工消耗的大量柴油,起到節(jié)能減排的作用;旋挖鉆機(jī)通過鉆頭旋挖取土,通過鉆桿將鉆頭提出孔外卸土,旋挖鉆機(jī)使用泥漿僅僅用于護(hù)壁而不用于排渣,泥漿經(jīng)沉淀和除砂可以循環(huán)使用,降低排污費(fèi)用,環(huán)保特點(diǎn)突出,提高文明施工的水平;旋挖鉆機(jī)自動(dòng)化程度高,成孔速度快、時(shí)間短,為后續(xù)工序施工贏得了寶貴時(shí)間;10m鋼護(hù)筒的下設(shè)比全護(hù)筒跟進(jìn)節(jié)省開支,能較好地控制成本,避免資源的浪費(fèi),較淺護(hù)筒的導(dǎo)向作用更能夠起到屏蔽淤泥,加之優(yōu)化泥漿能更好地起到護(hù)壁效果,成孔率高,具有一定的社會(huì)效益。
10m鋼護(hù)筒配合旋挖鉆機(jī)成孔+局部輔以優(yōu)化操作方式/護(hù)筒跟進(jìn)施工工藝在南京海賦尚城樁基工程施工中的成熟應(yīng)用,為以后類似工程的施工提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn),適用于濱海區(qū)、內(nèi)陸河流三角洲、湖泊沉淀區(qū)等深厚流塑淤泥層,成功解決了縮頸、吸鉆、塌孔、超方等技術(shù)難題,克服了過去在塌孔位置補(bǔ)灌混凝土重新造孔的弊端,比旋挖鉆機(jī)全護(hù)筒跟進(jìn)技術(shù)成本低,比純優(yōu)化工藝改善泥漿性能成孔率高,經(jīng)濟(jì)效益顯著。
一般而言,針對深厚流塑淤泥層,采取一定深度的護(hù)筒下設(shè),加之優(yōu)化操作方式、改善泥漿性能、改進(jìn)鉆頭結(jié)構(gòu)是現(xiàn)場解決問題的主要思路,只要選擇好可行的施工工藝,并加以綜合、靈活運(yùn)用,便可做到技術(shù)可行,經(jīng)濟(jì)利益的最大化。本工法自動(dòng)化程度高、施工進(jìn)度快、成本相對較低、塵土泥漿污染小、安全隱患可控、彌補(bǔ)前期動(dòng)力電源不足難題,是一種行之有效的旋挖成孔方法,特別在城市密集建筑群內(nèi)深厚流塑淤泥層樁基施工中具有廣闊的應(yīng)用前景。