劉 炳 安會麗 張俊國 沈 朗

中建二局第二建筑工程有限公司 廣東 深圳 518052

目前，廣大學(xué)者和技術(shù)人員為解決預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在硬質(zhì)土或巖性地質(zhì)條件下適用性，進(jìn)行了廣泛的研究與實踐[1]，并取得了豐碩的成果。張生雨等[2]通過預(yù)應(yīng)力管樁綜合引孔技術(shù)，實現(xiàn)了中密-密實板結(jié)砂層的預(yù)應(yīng)力管樁的沉樁，管樁承載力滿足要求。張?zhí)O[3]通過大直徑風(fēng)動潛孔錘引孔＋靜壓管樁工程技術(shù)，在硬質(zhì)巖層區(qū)域，使預(yù)應(yīng)力管樁順利成樁。施鳴升等[4]對5個工程試驗進(jìn)行研究，研究表明采用改進(jìn)型攪拌樁機(jī)配合水泥漿與土體混合而成的流狀體進(jìn)行機(jī)械切削，不僅解決了預(yù)制樁穿越密實砂層的難題，提高單樁承載力，還節(jié)約了工程成本。馮永林等[5]采用大噸位液壓樁機(jī)靜壓預(yù)應(yīng)力管樁，在國內(nèi)首次實現(xiàn)管樁在石灰?guī)r地區(qū)的應(yīng)用，并對施工過程中存在的問題提出了相應(yīng)的解決措施。

1 工程概況

工程位于湖南省益陽市益陽大道與羅溪路的交匯處，采用框架結(jié)構(gòu)，設(shè)置2層地下室。工程預(yù)應(yīng)力錘擊管樁約2 083根，樁型為PHC-800(130)AB-C80，為摩擦端承樁，端承荷載約占單樁承載力的30%。1區(qū)、2區(qū)預(yù)應(yīng)力管樁施工在穿越粉質(zhì)黏土土層后，部分區(qū)域會遇到中風(fēng)化玄武巖透鏡體或夾層，錘擊難以取得預(yù)計效果。在施工前采用1#、2#試驗樁進(jìn)行嘗試性施工，1#樁錘擊過程中發(fā)生斷樁現(xiàn)象，沉樁深度為9.8 m，2#樁錘擊后樁身完整性不滿足規(guī)范要求?；谏鲜鰡栴}，通過論證后，決定對風(fēng)化玄武巖透鏡體或夾層集中區(qū)域內(nèi)的預(yù)應(yīng)力管樁采用大直徑風(fēng)動潛孔錘引孔技術(shù)穿越中風(fēng)化玄武巖透鏡體，完成預(yù)應(yīng)力管樁的施工。通過現(xiàn)場勘測，場地具體土層分布從上至下為：黏土、全風(fēng)化玄武巖、中風(fēng)化玄武巖、弱風(fēng)化玄武巖。

本項目中風(fēng)化玄武巖透鏡體或夾層集中區(qū)域大約有209根預(yù)應(yīng)力管樁需要引孔，安排3臺（根據(jù)規(guī)定完成時間調(diào)整樁基數(shù)量）潛孔錘鉆機(jī)進(jìn)場施工，每臺潛孔錘鉆機(jī)每天能引孔約14根，約7 d內(nèi)完成該區(qū)域的引孔工作。該部分引孔作業(yè)完成后，設(shè)備暫不退場作為備用，當(dāng)其余管樁施工區(qū)域需要引孔時進(jìn)行引孔作業(yè)，在整個樁基項目結(jié)束后再組織退場。施工過程中可以根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整，增加引孔設(shè)備數(shù)量，以確?？偣て谀繕?biāo)的實現(xiàn)。

2 施工準(zhǔn)備

根據(jù)施工工藝要求，本工程實施階段的鉆孔、清渣、壓樁具有一定的連續(xù)性，擬安排的3臺風(fēng)動潛孔錘同時施工，因此需要在各施工機(jī)械調(diào)度和人員安排上保證均衡協(xié)調(diào)，避免相互干擾、影響。為保證各鉆孔質(zhì)量，對于已施工完成的鉆孔和預(yù)應(yīng)力管樁必須做好成品保護(hù)，減少或避免因施工不當(dāng)造成的返工和其他損失。在人、材、機(jī)等資源上做到各工種合理搭配，人員充足。在機(jī)械投入上做到型號正確，數(shù)量合理，保證施工要求。

3 施工工藝

3.1 施工工藝原理及特點

結(jié)合現(xiàn)場情況，本項目采用長螺旋大直徑風(fēng)動式?jīng)_擊鑿巖引孔。大直徑潛孔錘通過空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣，并以此為動力介質(zhì)，驅(qū)動大直徑潛孔錘對硬質(zhì)巖層進(jìn)行沖擊鉆進(jìn)，鉆頭采用柱齒硬質(zhì)合金；在工作狀態(tài)下，壓縮空氣產(chǎn)生的壓力驅(qū)動活塞往復(fù)運動，并推動鉆頭，使鉆頭獲得沖擊能量，鉆頭對硬質(zhì)巖層產(chǎn)生連續(xù)沖擊力，達(dá)到鉆孔目的。同時，巖屑隨壓縮空氣排出鉆孔，保障成孔質(zhì)量。

大直徑風(fēng)動潛孔錘引孔技術(shù)不取巖心，對孔內(nèi)巖石形成全面破碎效果，能夠?qū)率?、基巖等硬質(zhì)巖層形成有效的成孔，破碎過程中形成大量巖屑，孔內(nèi)碎屑能否有效排出，是直接影響鉆速和鉆進(jìn)效果的關(guān)鍵。實踐表明，長螺旋大直徑風(fēng)動式?jīng)_擊鑿巖引孔技術(shù)適用于硬脆碎、坍塌等復(fù)雜地質(zhì)鉆探。

3.2 施工要點及要求

3.2.1 場地處理

根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，1區(qū)、2區(qū)場地泥濘且積水較多，先對場地多余土方進(jìn)行外運，再滿鋪厚1 000 mm磚渣以滿足設(shè)備正常施工的需求。

3.2.2 布孔

樁基的施打順序?qū)痘某蓸顿|(zhì)量有較大的影響，直接影響樁基的扭轉(zhuǎn)角度、垂直度等[6]。本工程鉆孔順序沿對角線方向進(jìn)行（圖1），依次為SK1、SK2、SK3……該順序能有效減少預(yù)應(yīng)力管樁的扭轉(zhuǎn)和傾斜現(xiàn)象的發(fā)生。

圖1 鉆孔順序示意

3.2.3 成孔

確定準(zhǔn)確孔位后將鉆機(jī)移到孔口，調(diào)好垂直度，使鉆具、動力頭及孔位三點成一線，確保開孔垂直度準(zhǔn)確。

開孔時先用慢速低壓高風(fēng)沖擊鉆進(jìn)，必要時可采用吊打，待成孔深度達(dá)到50～100 cm時再全壓沖擊鉆進(jìn)。為了防止孔斜，沖擊鉆進(jìn)中若發(fā)現(xiàn)反渣量少、沖擊鉆進(jìn)效率低或孔壁不穩(wěn)定時，應(yīng)多次短程提動鉆具，以防坍塌、掉塊導(dǎo)致埋鉆、夾鉆事故。沖擊鉆進(jìn)至設(shè)計孔深后（即打穿中風(fēng)化玄武巖透鏡體），鉆具可能垂直往下速度突然變化加快，此時應(yīng)考慮停止沖擊鉆進(jìn)，并將鉆具往復(fù)上下提動鉆具至鉆具能順暢時提出孔口（為防止?jié)摽族N內(nèi)進(jìn)水，上下提動鉆具時切莫停止供氣）。提出鉆具后及時回填碎石（砂）并振實，準(zhǔn)備進(jìn)行下一孔位的沖擊鉆進(jìn)。

當(dāng)沖擊鉆進(jìn)中遇到漂石大小不一的地層時，漂石受鉆具沖擊擠壓后，很可能滾動變位，甚至擠壓、導(dǎo)向鉆具鉆頭，極易造成鉆孔偏位，從而導(dǎo)致管樁難以打入或發(fā)生傾斜甚至斷樁。在此區(qū)段地層中沖擊鉆孔施工時，要采用以下技術(shù)措施來保證：開孔時要采取“一慢二低三輕壓”的保守做法，即慢轉(zhuǎn)速，低風(fēng)力，輕鉆壓；必要時采用輕壓吊打、原位沖擊鉆進(jìn)，待鉆具順暢后再逐步升級，并根據(jù)鉆速快慢、沖擊聲音，及時調(diào)整沖擊鉆進(jìn)參數(shù)。開孔時開孔深度達(dá)到1.0～1.5 m時，根據(jù)鉆速快慢、沖擊聲音，及時調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)。

3.2.4 壓樁

成孔后立即壓樁，壓樁采用錘擊沉樁（亦可采用靜力壓樁，本工程與其他預(yù)應(yīng)力管樁施工保持一致），在成孔區(qū)段，采用低落距錘擊，并從2個方向觀察預(yù)應(yīng)力管樁垂直度，確保樁身垂直度偏差小于0.5%。達(dá)到成孔深度后，根據(jù)每次錘擊進(jìn)深，調(diào)整落錘高度，并錘擊至設(shè)計標(biāo)高。

3.2.5 封底

為確保管樁能在所引孔洞中順利下放，管樁樁端焊接開口型樁尖導(dǎo)向，成樁完成后進(jìn)行樁端C30微膨脹細(xì)石混凝土封底。

3.3 施工技術(shù)參數(shù)選取

潛孔錘的鉆孔以φ300 mm以下為主，對于直徑大于300 mm的鉆孔需要采用大直徑潛孔錘。本工程鉆孔直徑約為預(yù)應(yīng)力管樁的2/3，即引孔直徑500 mm，引孔長8～12 m。風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)涉及的主要參數(shù)有風(fēng)壓、風(fēng)量和轉(zhuǎn)速。為達(dá)到理想的施工效果和節(jié)約資源，這些參數(shù)必須滿足以下要求：

1）沖擊鉆進(jìn)功率滿足連續(xù)沖擊和破碎要求。

2）孔底碎屑能夠有效排出，減少孔內(nèi)垃圾，保證潛孔錘正常工作。

3）轉(zhuǎn)速應(yīng)使?jié)摽族N沖擊力有效傳遞至孔底。

不同水文地質(zhì)條件、鉆孔結(jié)構(gòu)、孔深孔徑參數(shù)對風(fēng)量、風(fēng)壓大小的需要是不同的，潛孔錘的參數(shù)可按下述方法選定。

3.3.1 風(fēng)量

風(fēng)量應(yīng)結(jié)合所用空壓機(jī)和潛孔錘進(jìn)行確定。本工程所選潛孔錘的額定風(fēng)量為 30 m3/min，孔徑為500 mm，引孔深度為8～12 m，在鉆進(jìn)過程中應(yīng)使風(fēng)量與深度相適應(yīng)，使?jié)摽族N正常工作，又能有效排出孔底巖屑，減少重復(fù)破碎，導(dǎo)致鉆進(jìn)效率降低，通常要求孔內(nèi)風(fēng)量氣流往返速度不得小于巖屑懸浮速度。具體風(fēng)量可根據(jù)鉆孔直徑、上返風(fēng)速等參數(shù)進(jìn)行計算，風(fēng)量大小可根據(jù)公式（1）計算：

式中：Q——送風(fēng)量；

k1——孔深修正系數(shù)；

k2——孔內(nèi)涌水系數(shù)；

D1——鉆孔直徑；

D2——鉆桿外徑；

V——上返風(fēng)速。

根據(jù)公式，孔口上返風(fēng)速為15 m/s，鉆孔深度鉆孔修正系數(shù)取k1＝1.0，孔內(nèi)涌水系數(shù)取k2＝1.5。

3.3.2 風(fēng)壓

潛孔錘的沖擊效能與風(fēng)壓有密切關(guān)系，鉆速與風(fēng)壓基本成正比。在潛孔錘工作時，風(fēng)壓包括正常工作所需風(fēng)壓、孔深進(jìn)程降壓和鉆孔內(nèi)水柱耗壓。本工程采用QZ26型潛孔錘，所需風(fēng)壓為0.5～0.7 MPa，屬低壓潛孔錘。

因此，在分析大直徑風(fēng)動潛孔錘鉆進(jìn)的風(fēng)壓時，不僅要計算沖擊器工作壓力，以達(dá)到設(shè)備滿負(fù)荷工作要求，還要考慮孔深進(jìn)程降壓和水柱壓力。

3.3.3 轉(zhuǎn)速

為使?jié)摽族N達(dá)到最優(yōu)效率，應(yīng)使鉆機(jī)切削保持最優(yōu)沖擊間隔，具體可根據(jù)公式（2）計算：

式中：A——最優(yōu)轉(zhuǎn)角，一般取11°；

f——沖擊頻率，min-1；

n——轉(zhuǎn)速，r/min。

此外，對于施工場地地基承載力，引孔設(shè)備要求地基承載力≥150 kPa。

4 施工質(zhì)量控制要點及措施

4.1 引孔風(fēng)量不足

引孔風(fēng)量不足時，根據(jù)鉆孔直徑和空壓機(jī)風(fēng)量，采用潛孔錘跟套管鉆進(jìn)工藝引孔。實踐表明，潛孔錘跟套管鉆進(jìn)工藝在引孔施工過程中能有效解決引風(fēng)量不足的問題。

4.2 孔徑過大

由于本工程為端承摩擦樁，孔徑過大將影響樁側(cè)摩阻力，為保證孔徑大小，將鉆桿直徑設(shè)置為管樁直徑的2/3左右，此外，在施工過程中保證鉆進(jìn)速度在合理范圍內(nèi)，對鉆機(jī)的垂直度進(jìn)行嚴(yán)格控制。

4.3 巖石碎屑沉積

碎屑沉積主要包括鉆孔工程中碎石沉積和串孔碎屑，以前者為主。鉆探過程中的沉積控制主要通過控制鉆探速度和及時清理。開孔時，將黏土層鉆進(jìn)速度控制在0.2～0.5 m/min，鉆入深度1 m后轉(zhuǎn)至正常速率，嚴(yán)禁驟然加速。玄武巖層鉆孔速度控制20 r/min左右。提升鉆桿中應(yīng)及時清除溢出碎屑，提升時間應(yīng)盡量縮短，防止坍孔。對于串孔碎屑，主要是由于引孔出口風(fēng)量小于要求值，導(dǎo)致無法排出巖屑，巖屑從樁間孔隙進(jìn)入鄰近樁孔內(nèi)，在鄰側(cè)樁孔形成沉渣。經(jīng)研究分析發(fā)現(xiàn)，孔內(nèi)沉渣對預(yù)應(yīng)力管樁沉樁影響較小，此類巖屑顆粒較小，對樁基承載力影響較小，可以與C30微膨脹細(xì)石混凝土混合，達(dá)到封底目的。

此外，當(dāng)巖屑較多且難以有效排出時，可采用大小鉆徑不同規(guī)格的風(fēng)動潛孔錘進(jìn)行施工，首先采用φ300 mm的風(fēng)動潛孔錘進(jìn)行鉆孔，隨后采用φ500 mm的風(fēng)動潛孔錘進(jìn)行鉆孔，實踐表明，該工藝可以有效減小孔底巖屑量。

4.4 垂直度偏差

垂直度偏差包括鉆孔偏差和壓樁偏差。鉆孔初期，低速鉆進(jìn)，安排專人從兩側(cè)用高精度經(jīng)緯儀進(jìn)行監(jiān)測，隨時修正，保證垂直度。在初期鉆進(jìn)3～5 m時，提出鉆桿，重新調(diào)整孔底中心和鉆機(jī)位置。在鉆進(jìn)過程中，隨時跟進(jìn)鋼套管，既解決了出口風(fēng)量不足的問題又控制了引孔垂直度。

此外，壓樁過程中形成的土體側(cè)向位移引起的被動土壓力使預(yù)應(yīng)力管樁產(chǎn)生一定的傾斜。為減小該因素影響，可采用對角線跳打法，可有效減小鄰樁的影響。根據(jù)后期觀測，按照本工程壓樁順序，鄰側(cè)樁基施工導(dǎo)致的樁基傾斜度較小，且在后期會逐漸減小，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

通過引入大直徑風(fēng)動潛孔錘引孔技術(shù)，本工程順利完成玄武巖區(qū)域預(yù)應(yīng)力管樁施工任務(wù)，經(jīng)靜壓試驗和完整性檢測均滿足相關(guān)要求，預(yù)應(yīng)力管樁的垂直度和扭轉(zhuǎn)角達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。實踐表明，通過大直徑風(fēng)動潛孔錘引孔技術(shù)，預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在玄武巖地區(qū)應(yīng)用效果良好，具有節(jié)約施工成本、節(jié)約工期等優(yōu)勢[7-8]。