曾慶友

(福建建工集團(tuán)有限責(zé)任公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著城市高層、超高層建筑和重型建(構(gòu))筑物的樁基荷載加大，施工樁長(zhǎng)及樁徑加大，再加上工期緊迫，加大了灌注樁的施工難度[3]。超長(zhǎng)大直徑灌注樁(以下簡(jiǎn)稱超長(zhǎng)樁)形似細(xì)長(zhǎng)桿件，其樁孔深度通常大于70m，樁徑通常大于1000mm。超長(zhǎng)樁施工，既要保證成孔安全，又要保證樁孔垂直度，還要保證成樁質(zhì)量，以一般深度的灌注樁施工工藝難以滿足工期要求[4]。筆者通過(guò)富閩時(shí)代廣場(chǎng)工程實(shí)例，探討超長(zhǎng)樁的成孔施工技術(shù)。

1 工程概況

1.1 工程概述

富閩時(shí)代廣場(chǎng)工程總建筑面積115 387.60m2，其中地下36 419.31m2，地上78 968.29m2。該工程涵蓋現(xiàn)澆鋼筋砼結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力鋼筋砼結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等型式。兩層大底盤(pán)連體地下室，地上3棟建筑。

1.2 工程樁概況

該工程樁基采用泥漿護(hù)壁成孔沖(鉆)孔灌注樁，澆筑C40P8抗?jié)B水下混凝土，合計(jì)529根，最大施工樁長(zhǎng)58m(Φ1000，小計(jì)369根，樁端全截面進(jìn)入設(shè)計(jì)持力層⑩卵石深度≥3m)、94.1m(Φ1200，小計(jì)160根, 樁端全截面進(jìn)入設(shè)計(jì)持力層中-微風(fēng)化花崗巖深度≥0.5m)。

對(duì)Φ1200原先采用沖擊成孔，平均每根超長(zhǎng)樁成孔時(shí)間15d。

根據(jù)鉆孔揭露，場(chǎng)地巖土體類型自上而下劃分如下：

(1)雜填土①：場(chǎng)地內(nèi)均有分布，揭示厚度1.40m～5.60m,均勻性差。

(2)淤泥質(zhì)土②：該層在場(chǎng)地內(nèi)廣泛分布，層位較穩(wěn)定，揭示厚度0.60m～3.60m，均勻性較差。

(3)中砂③：場(chǎng)區(qū)內(nèi)均有分布，層位穩(wěn)定，揭示厚度7.60m～13.40m，均勻性較差。

(4)淤泥質(zhì)土④：該層在場(chǎng)地內(nèi)廣泛分布，各孔均有揭露，揭示厚度1.40m～11.30m，均勻性較差。

(5)中砂⑤：該層在場(chǎng)地內(nèi)分布不均，揭示厚度2.20m～21.00m，均勻性較差。

(6)淤泥質(zhì)土⑥：該層在場(chǎng)地內(nèi)分布不均，揭示厚度1.10m～14.60m，均勻性較差。

(7)粉質(zhì)粘土⑦：該層在場(chǎng)地內(nèi)分布不均，揭示厚度1.20m～9.40m，均勻性較差。

(8)中砂⑧：場(chǎng)區(qū)內(nèi)均有分布，層位穩(wěn)定，揭示厚度1.70m～29.30m，均勻性差。

(9)圓礫⑨：該層在場(chǎng)地內(nèi)分布不穩(wěn)定。揭示厚度2.00m～2.90m，均勻性較差。

(10)卵石⑩：場(chǎng)地內(nèi)均有分布，層位穩(wěn)定。揭示厚度3.40m～11.30m,均勻性較差。

2 鉆機(jī)選型

灌注樁持力層在中(微)風(fēng)化花崗巖層，常用的鉆孔灌注樁的鉆頭無(wú)法進(jìn)行砍巖，此為施工難點(diǎn)，若改用沖孔灌注樁，對(duì)于該工程砂層較厚的地質(zhì)，進(jìn)尺緩慢。而牙輪鉆頭能夠適應(yīng)從軟到堅(jiān)硬的多種地層，尤其適用于高層、超高層建筑的灌注樁基礎(chǔ)，及持力層在中(微)風(fēng)化花崗巖層等硬質(zhì)巖層的灌注樁施工。通過(guò)對(duì)樁基工程施工機(jī)械市場(chǎng)的各種相關(guān)信息進(jìn)行收集、歸類整理，并對(duì)其他一線城市的樁基工程施工機(jī)械市場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查、研究及詢價(jià)，結(jié)合本工程實(shí)際情況，決定采用上海探礦機(jī)械廠生產(chǎn)的GPS-20型鉆孔鉆機(jī)(配備一臺(tái)泥漿泵)，每節(jié)鉆桿直徑Φ168mm長(zhǎng)3m，鉆頭一種為普通錐形鉆頭，另一種為牙輪鉆頭，以縮短單根樁成孔時(shí)間。鉆機(jī)主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 鉆機(jī)主要性能參數(shù)表

3 牙輪鉆成孔工藝原理

牙輪鉆頭的砍巖非常復(fù)雜，對(duì)巖石破碎作用最大的力和運(yùn)動(dòng)，是沿牙齒軸線方向的壓力和壓入運(yùn)動(dòng)。牙輪鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),各牙輪又繞自身軸滾動(dòng),滾動(dòng)的方向與鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。牙輪鉆頭的破碎過(guò)程，實(shí)際上是壓入和壓崩兩種形式聯(lián)合作用的效果。影響牙輪鉆頭砍巖效果的，主要是牙齒結(jié)構(gòu)和布齒方法[1]。牙輪鉆機(jī)鉆孔時(shí)，依靠加壓、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過(guò)鉆桿，對(duì)鉆頭提供足夠大的軸壓力和回轉(zhuǎn)扭矩，牙輪鉆頭在巖石上同時(shí)鉆進(jìn)和回轉(zhuǎn)，對(duì)巖石產(chǎn)生靜壓力和沖擊動(dòng)壓力作用，如圖1～圖2所示。

圖1 牙輪鉆頭

(a)牙輪鉆頭剖面圖

4 上部土層鉆進(jìn)成孔

4.1 普通錐形鉆頭鉆進(jìn)

鉆孔的順序應(yīng)事先規(guī)劃好，相鄰樁的中心距小于4m時(shí)，應(yīng)跳打施工；中間空出的樁須待鄰樁混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%以后，方可施打。

鉆進(jìn)過(guò)程中，每2m～3m檢查鉆孔直徑和垂直度，隨時(shí)檢查鉆機(jī)平臺(tái)的水平度，發(fā)現(xiàn)傾斜，及時(shí)調(diào)整，確保成孔垂直度[5]。

產(chǎn)生斜孔、彎孔和縮孔時(shí)，應(yīng)停鉆，拋粘土塊夾片石至偏孔開(kāi)始處以上2m，重新鉆進(jìn)，不得用沖孔鉆頭修孔，防止卡鉆。

鉆進(jìn)中如遇塌孔，應(yīng)立即停鉆，回填?yuàn)A片石的粘土塊，加大泥漿比重，反復(fù)沖擊造壁及鉆進(jìn)。

沿護(hù)筒周圍冒漿、造成孔口坍塌地表沉陷時(shí)，應(yīng)立刻停鉆并防止鉆機(jī)傾倒，及時(shí)在護(hù)筒外圍回填粘土(用稻草拌和)；并加以夯實(shí)，必要時(shí)壓上一層泥、砂包后方可繼續(xù)鉆進(jìn)。

若遇卡鉆時(shí)，將鉆頭緩緩吊起，不得硬提猛拉，必要時(shí)可使用打撈鉤、千斤頂?shù)容o助工具助提；掉鉆時(shí)應(yīng)立即打撈，用打撈鉤鉤住鉆頭預(yù)設(shè)的打撈環(huán)，把鉆頭提上來(lái)。

進(jìn)入硬質(zhì)巖層后，每鉆進(jìn)30cm～50cm應(yīng)記錄鉆進(jìn)速度，以便作為更換牙輪鉆頭時(shí)的參考依據(jù)。

4.2 鉆進(jìn)速度及泥漿參數(shù)的控制

孔壁坍塌是導(dǎo)致灌注樁成孔時(shí)間延長(zhǎng)的主要原因，而鉆進(jìn)速度及泥漿比重是影響孔壁穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，因此需要在鉆進(jìn)的過(guò)程中根據(jù)土層的變化不斷調(diào)整鉆進(jìn)速度和泥漿比重，以保證孔壁的穩(wěn)定及鉆孔的效率。

若土層結(jié)構(gòu)中砂層、礫石及卵石等土層較厚，在中砂層及卵石層鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大泥漿比重，促使在該土層成孔過(guò)程中孔壁形成一層較厚的泥皮，以有效防止孔壁土體向孔內(nèi)的膨脹。結(jié)合工程實(shí)際地質(zhì)、水文情況、施工工藝及施工機(jī)械的情況，成孔過(guò)程中泥漿比重宜控制在1.3～1.7之間，如表2所示。

表2 上部土層的鉆進(jìn)速度及泥漿比重控制

5 更換牙輪鉆頭及鉆桿

基巖上部覆蓋層較厚，灌注樁上部造孔需要GPS-20型工程回旋鉆機(jī)，因此立足現(xiàn)有設(shè)備，更換適用于GPS-20型回旋鉆機(jī)的牙輪鉆頭。先采用GPS-20型鉆機(jī)普通錐形鉆頭進(jìn)行鉆孔，鉆至碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層時(shí)普通錐形鉆頭平均鉆進(jìn)速度為0.1m/h，這時(shí)普通錐形鉆頭進(jìn)尺過(guò)于緩慢，嚴(yán)重影響到成孔時(shí)間，需更換牙輪鉆頭繼續(xù)成孔，提鉆、更換牙輪鉆頭及下鉆耗時(shí)較短，此時(shí)更換牙輪鉆頭即減少了鉆頭的磨損，降低維修及更換的成本，且不影響成孔時(shí)間，因此決定鉆進(jìn)至碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層時(shí)才更換牙輪鉆頭(圖3)。因砍巖時(shí)鉆桿扭矩非常大，適用于牙輪鉆頭的鉆桿壁厚比普通鉆桿厚，節(jié)間法蘭螺栓數(shù)量更多。

圖3 更換牙輪鉆頭

6 硬質(zhì)巖層鉆進(jìn)成孔

當(dāng)鉆至中(微)風(fēng)化花崗巖層時(shí)，加大鉆機(jī)功率，牙輪在孔底滾動(dòng)中連續(xù)地?cái)D壓、切削沖擊破碎巖石，直至形成所需孔深的鉆孔。結(jié)合工程地質(zhì)情況、水文情況、施工工藝及施工機(jī)械的情況，成孔過(guò)程中泥漿比重宜控制在1.3～1.7之間，如表3所示。張玉良[2]等人對(duì)鉆孔灌注樁施工過(guò)程中牙輪鉆頭的脫落進(jìn)行過(guò)有效處理。

表3 各硬質(zhì)土層的鉆進(jìn)速度及泥漿比重控制

綜上所述，平均每根超長(zhǎng)灌注樁的鉆進(jìn)時(shí)間為8.6+37.6+10.4+30.5+45+7.1=139.2h，加上提鉆、更換牙輪鉆頭及下鉆需要消耗12h，加上前期準(zhǔn)備工作時(shí)間，平均每根樁成孔的時(shí)間約為168h(即7d)。

采用正循環(huán)鉆進(jìn)，反循環(huán)清渣，當(dāng)注漿管往孔內(nèi)注入泥漿后，泥漿可帶動(dòng)砂石穿過(guò)出漿槽最后流至地表，將孔內(nèi)的砂石順利帶出，因牙輪鉆已將大部分的硬質(zhì)巖層研磨成較細(xì)顆粒，故沉渣厚度遠(yuǎn)小于其他工藝，孔底密實(shí)。在鉆進(jìn)過(guò)程中，多顆牙輪鉆同時(shí)研磨周邊巖層，各向受力均勻，不易偏鉆，成孔垂直度偏差較小。

7 終孔持力層判定

以中(微)風(fēng)化花崗巖層作為持力層，而持力層巖面的判定需以巖樣為主以地勘標(biāo)高為輔。巖面判定做法為在泥漿反循環(huán)系統(tǒng)的撈渣口撈取巖樣進(jìn)行判定，如圖4所示。

判定進(jìn)入持力層(即巖面)需同時(shí)滿足以下3個(gè)要求:

圖4 撈渣口巖樣

(1)撈取出的巖樣應(yīng)符合地勘報(bào)告中關(guān)于該土層巖樣的特征如圖5所示；

圖5 中-微風(fēng)化花崗巖的巖樣

(2)成孔深度需達(dá)到地勘報(bào)告中該處的巖面標(biāo)高；

(3)終孔的鉆進(jìn)速度需小于10cm/h。

具體持力層判定應(yīng)根據(jù)工程地勘報(bào)告、設(shè)計(jì)圖紙要求，由設(shè)計(jì)單位、勘查單位、監(jiān)理單位、建設(shè)單位及施工單位共同判定。

8 結(jié)論

該工程超長(zhǎng)大直徑灌注樁通過(guò)采用牙輪鉆成孔，結(jié)果表明，優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)采用大功率鉆機(jī)，采用新型牙輪鉆頭，提高了成孔速度，實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)樁施工，尤其適用于硬質(zhì)巖層的砍巖。

(2)鉆孔處多為中砂及卵石層等易坍孔地層，在鉆孔過(guò)程中控制泥漿性能和合理選擇鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)，采用護(hù)壁泥漿，加入適當(dāng)?shù)呐驖?rùn)土等措施，在施工過(guò)程中避免塌孔，保證施工加速進(jìn)行。

(3)每根超長(zhǎng)樁成孔時(shí)間從常規(guī)施工工藝的15d縮短到7d，極大縮短了施工工期，提高工效1倍以上，節(jié)約了時(shí)間成本，大幅度減少勞動(dòng)力、機(jī)械設(shè)備及時(shí)間的投入。

該工藝缺點(diǎn)是，每顆牙輪鉆頭更換成本較高。

該工程QC成果“提高樁徑1.2m超長(zhǎng)鉆孔灌注樁成孔一次合格點(diǎn)率”榮獲2017年度全國(guó)工程建設(shè)優(yōu)秀質(zhì)量管理小組二等獎(jiǎng)、福建省一等獎(jiǎng)”。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 劉榮桂，邾祝融，程知言，等.牙輪鉆頭在鉆孔灌注樁進(jìn)入硬巖中的應(yīng)用研究[J].四川建筑科學(xué)研究，2008，34(1)：100-102.

[2] 張玉良，全明周.鉆孔灌注樁施工中鉆頭牙輪脫落的處理措施[J].能源技術(shù)與管理，2009(5)：135-136.

[3] 阮強(qiáng)，宋武超，水俊峰.牙輪鉆頭動(dòng)靜耦合碎巖機(jī)理及旋挖成樁應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013(10)：49-52.

[4] 王陶，馬曄.超長(zhǎng)鉆孔樁豎向承載性狀的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2005，26(7)：1053-1057.

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