魏朝西，楊 勇

（保利長大工程有限公司 廣州510620）

關(guān)鍵字：基礎(chǔ)工程；大直徑鉆孔灌注樁；旋挖鉆；沖擊鉆；成孔技術(shù)

0 前言

隨著我國橋梁建設(shè)事業(yè)的迅速發(fā)展，新建橋梁的跨徑越來越大、結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，樁基的設(shè)計(jì)直徑越來越大、樁長也越來越長，相應(yīng)的嵌巖深度及巖石強(qiáng)度越來越大。鉆孔灌注樁傳統(tǒng)的成孔工藝有沖擊鉆成孔、回旋鉆成孔和人工挖孔等，但對(duì)于大直徑嵌巖樁基施工，成孔困難，質(zhì)量難以得到保證，且工期較長，樁基施工往往成為制約工程進(jìn)展的關(guān)鍵控制性工序。近年來，旋挖鉆在樁基施工中的應(yīng)用逐漸推廣，其施工工效也得到了業(yè)界的普遍認(rèn)可［1］，但也暴露出一些施工質(zhì)量問題，如樁底沉渣清理不徹底，在樁底與基巖之間形成夾層，或者混凝土灌注前二次清孔時(shí)，直徑30～50 cm 的鉆渣易堵塞導(dǎo)管，對(duì)施工造成諸多不利影響。以珠海市某大橋工程3#主墩樁基施工為背景，探索了一種旋挖鉆與沖擊鉆組合成孔的施工方法。

1 工程概況

珠海市某大橋主航道橋?yàn)殡p塔雙索面疊合梁斜拉橋，其跨徑布置為（73+162+500+162+73）m，如圖1所示。3#主墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為20根直徑φ 2.5 m 的鉆孔灌注樁，樁中心間距6.5 m，設(shè)計(jì)樁長介于40～65 m［2］。地下基巖為中微風(fēng)化灰?guī)r，巖面起伏較大，基巖飽和抗壓強(qiáng)度平均值為53 MPa，最高達(dá)到84 MPa，設(shè)計(jì)要求樁端全斷面嵌入中風(fēng)化或微風(fēng)化巖層深度不小于2倍樁徑。由于橋位附近漁港進(jìn)行清淤疏浚、絞吸吹填施工，分階段地將絞吸吹填的流態(tài)淤泥堆載在橋位區(qū)域，淤泥面標(biāo)高約+3.0 m。3#主墩施工前，采用筑島的方式形成施工場地，筑島范圍自承臺(tái)邊緣往外延伸80 m，筑島頂面標(biāo)高按+3.5 m 控制。筑島填料為工程性能良好的砂性土、黏土或石粉，分層填筑、壓實(shí)，以排擠橋梁施工范圍內(nèi)的流態(tài)淤泥。

圖1 主航道橋總體布置Fig.1 General Layout of the Main Channel Bridge （m）

根據(jù)地質(zhì)勘探資料顯示，3#主墩橋位處工程地質(zhì)情況具體如下。

〈1〉地表人工填筑的砂性土、黏土或石粉：厚度3.5～6.0 m。

〈2〉灰褐色素填土：主要由粘性土組成，含少量植物根莖，該層系新近堆填而成，其密實(shí)程度不均勻，尚未完成自重固結(jié)，結(jié)構(gòu)呈松散狀態(tài)，該層厚約4.0 m。

〈3〉淤泥：呈飽和、流塑狀態(tài)，層厚12.9～20.8 m。

〈4〉粉質(zhì)粘土：由灰?guī)r原地風(fēng)化殘積而成，干強(qiáng)度及韌性中等，呈稍濕、硬塑狀態(tài)，層厚2.9～7.2 m。

〈5〉粉質(zhì)粘土：系砂巖或灰?guī)r原地風(fēng)化殘積而成，主要由粘粒及粉粒組成，局部區(qū)域含少量石英碎石，粒徑1～3 cm，呈稍濕、硬塑狀態(tài)，層厚2.60～16.40 m。

〈6〉全風(fēng)化砂巖：屬極軟巖，絕大部分礦物已風(fēng)化成土狀，巖體完整程度為極破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ類，巖芯呈土柱狀，合金鉆具易鉆進(jìn)，層厚4.2～14.5 m。

〈7〉強(qiáng)風(fēng)化砂巖：屬極軟巖，大部分礦物已顯著風(fēng)化，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖體完整程度為極破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ類，巖芯呈土夾碎塊狀或碎塊狀，合金鉆具鉆進(jìn)較難，層厚1.8～15.0 m。

〈8〉中風(fēng)化灰?guī)r：塊狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)部分破壞，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖體完整程度為較完整，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ類，巖芯呈柱狀或短柱狀，巖芯采取率約95%，節(jié)長1～50 cm，RQD≈90%，金剛石鉆具方可鉆進(jìn)。揭露厚度較大，部分區(qū)域灰?guī)r已被溶蝕，形成溶洞，揭露層厚10.5～15.5 m。

2 施工方案優(yōu)化

由于橋梁施工區(qū)與漁港吹填堆載區(qū)交叉，需讓漁港吹填先行施工，導(dǎo)致3#主墩開工時(shí)間比相鄰主墩滯后11個(gè)月，樁基礎(chǔ)施工時(shí)間異常緊迫。為了確保樁基成孔效率和施工質(zhì)量，通過對(duì)樁基成孔工藝的深入對(duì)比與研究，擬采用大噸位的旋挖鉆作為樁基主要成孔設(shè)備，但對(duì)旋挖鉆施工暴露的質(zhì)量問題需采取有效措施予以解決，故而創(chuàng)新地應(yīng)用大功率旋挖鉆與沖擊鉆組合成孔的工藝。

根據(jù)地質(zhì)情況，在鉆進(jìn)上方覆蓋層時(shí)，使用與樁徑相等的撈砂斗鉆一次鉆進(jìn)；鉆入全風(fēng)化巖層后，采用分級(jí)擴(kuò)孔工藝，先充分利用旋挖鉆機(jī)的扭力，在樁基中心鉆一個(gè)小孔，破壞基巖的完整性，再分級(jí)鉆進(jìn)、逐級(jí)擴(kuò)孔，以降低巖層內(nèi)的成孔難度，提高鉆孔效率。由于旋挖鉆各級(jí)鉆頭的特點(diǎn)，旋挖鉆擴(kuò)孔鉆進(jìn)使巖層形成的粒徑大小不一的鉆渣，其中粒徑在50 cm 以下的片石狀鉆渣則難以被清理出來，最終沉積在孔底，導(dǎo)致樁身與基巖之間形成夾層，影響樁基受力。為了徹底清除這些片石狀鉆渣，采用沖擊鉆對(duì)樁孔進(jìn)行反復(fù)沖砸，將片石狀鉆渣砸碎成顆粒狀鉆渣，再利用反循環(huán)工藝將鉆渣徹底清除，同時(shí)確保樁孔底面平整，使樁端與基巖平順銜接。保證樁基質(zhì)量。此工藝充分利用了旋挖鉆成孔效率高的優(yōu)勢，同時(shí)也避免了旋挖鉆清孔不徹底的缺點(diǎn)［3］。

3 樁基礎(chǔ)施工

3.1 施工工藝流程（見圖2）

圖2 樁基礎(chǔ)成孔施工流程Fig.2 Flow Chart of the Pile Foundation Hole Construction

3.2 施工準(zhǔn)備

⑴施工場地需具有足夠的承載能力，保證鉆孔過程中地基穩(wěn)定，確保旋挖鉆機(jī)不發(fā)生傾斜。

⑵提前布置好泥漿循環(huán)系統(tǒng)，按照泥漿配比調(diào)配泥漿，并檢測泥漿指標(biāo)。

⑶檢查旋挖鉆機(jī)的機(jī)械性能，尤其是桅桿的垂直度，同時(shí)做好各類型鉆頭的檢查。

⑷下放鋼護(hù)筒，護(hù)筒直徑比樁徑大30 cm。

⑸檢查沖擊鉆的沖錘直徑和鋼絲繩的狀態(tài)，確保沖進(jìn)過程中的安全。

3.3 鋼護(hù)筒沉放

使用全站儀和水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量放樣工作，做好測量記錄，并埋設(shè)十字護(hù)樁。

樁基鋼護(hù)筒采用內(nèi)徑為2 800 mm，壁厚20 mm 的鋼板卷制，單根護(hù)筒平均長度為22 m，以穿透淤泥質(zhì)土層并進(jìn)入粉質(zhì)粘土層1 m 為準(zhǔn)，采用70 t 履帶吊機(jī)輔以2YZ-360 液壓振動(dòng)錘施打到位，施打過程中采用導(dǎo)向架進(jìn)行護(hù)筒的定位及垂直度控制。

經(jīng)測量放樣出樁位中心，開挖直徑約為3.0 m，深度為2.5～3.0 m 深的基坑，于基坑底部定位出樁中心點(diǎn)，并做好標(biāo)識(shí)，平整基坑頂周邊場地。導(dǎo)向架根據(jù)放樣樁中心位置安放，用線錘使導(dǎo)向架中心與樁中心重合。起吊鋼護(hù)筒下節(jié)喂入導(dǎo)向架，確保鋼護(hù)筒中心與樁中心在同一垂線上。鋼護(hù)筒在導(dǎo)向架的導(dǎo)向作用下垂直下沉到淤泥層中，并依靠其自重下沉至穩(wěn)定。護(hù)筒下沉穩(wěn)定后，可松開吊鉤，然后把振動(dòng)錘起吊到鋼護(hù)筒頂口，用液壓夾鉗將鋼護(hù)筒頂口夾住，緩慢下放吊鉤，鋼護(hù)筒在振動(dòng)錘自重壓力下繼續(xù)往下沉，在此過程中應(yīng)采用經(jīng)緯儀實(shí)時(shí)監(jiān)測護(hù)筒的垂直度是否滿足要求。在振動(dòng)下放過程中，通過兩臺(tái)全站儀垂直交匯監(jiān)測，確保鋼護(hù)筒中心與樁位中心重合，持續(xù)觀測及時(shí)調(diào)節(jié)鋼護(hù)筒的垂直度，要求鋼護(hù)筒平面偏差不大于50 mm，垂直度小于1%。

3.4 泥漿制備及循環(huán)

采用膨潤土和自來水制備成泥漿用于樁孔護(hù)壁。在3#主墩左側(cè)設(shè)置儲(chǔ)漿池，儲(chǔ)漿量約為1 000 m3，分三級(jí)設(shè)置，供樁基施工過程中泥漿集中處理、儲(chǔ)存。

3.5 旋挖鉆成孔

鉆機(jī)就位前，復(fù)核鋼護(hù)筒中心的平面位置及垂直度是否滿足前述控制要求，經(jīng)確認(rèn)無誤后，再次測量放樣樁基中心，并按測量點(diǎn)位拉好交叉線，通過旋挖鉆自身的行走系統(tǒng)及對(duì)位系統(tǒng)，使鉆頭對(duì)準(zhǔn)樁中心。

由于孔口段土層比較松軟，開始鉆進(jìn)時(shí)要控制進(jìn)尺速度，每次進(jìn)尺控制在50 cm左右，提鉆要穩(wěn)、慢，防止孔口塌孔。同時(shí)因鉆桿上的限位圈尚不能發(fā)揮作用，在孔口段孔深10 m 以內(nèi)旋挖時(shí)要注意監(jiān)控垂直度，發(fā)現(xiàn)偏差及時(shí)進(jìn)行糾正［4］。

在鉆孔過程中，根據(jù)地質(zhì)情況，選用不同的鉆頭。在覆蓋層內(nèi)，采用與樁基等直徑的斗鉆，出渣快，便于覆蓋層內(nèi)旋挖的土質(zhì)鉆渣及時(shí)清出。入巖后，巖層對(duì)旋挖鉆頭的阻力大大增加，為克服大直徑鉆頭旋挖鉆進(jìn)時(shí)扭矩不足的工況，以提高鉆孔效率，采用分級(jí)鉆進(jìn)、逐級(jí)擴(kuò)孔工藝。本項(xiàng)目樁基分三級(jí)進(jìn)行擴(kuò)孔施工，先采用1.5 m 牙輪筒鉆取芯，再采用2.0 m 及2.5 m牙輪筒鉆進(jìn)行逐級(jí)擴(kuò)孔，實(shí)現(xiàn)最終擴(kuò)孔。筒鉆鉆頭整體結(jié)構(gòu)與挖土斗鉆鉆頭基本一致，只是底部沒有封口，通過筒鉆的壓剪作用，破壞巖層的整體性，從而達(dá)到進(jìn)尺的目的［5］。

巖層第一級(jí)鉆進(jìn)采用φ 1.5 m牙輪筒鉆，待鉆頭內(nèi)巖芯填滿鉆頭內(nèi)筒時(shí)，利用鉆頭內(nèi)設(shè)置的螺旋漲塞對(duì)巖芯產(chǎn)生的水平力和鉆頭旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的的扭矩共同作用下將巖芯掰斷，如圖3 所示。巖芯掰斷后利用鉆頭與巖芯摩阻力將巖芯柱取出，循環(huán)往復(fù)，直至將巖石鉆成直徑φ 1.5 m的小孔，如圖4所示。

更換上φ 2.0 m牙輪筒鉆，下部帶φ 1.5 m導(dǎo)正鉆頭鉆進(jìn)至孔底，換用φ 1.5 m雙底雙開截齒撈砂斗掃孔清渣。更換上φ 2.5 m 牙輪齒鉆，下部帶φ 2.0 m 導(dǎo)正鉆頭鉆進(jìn)至孔底，再用φ 2.0 m雙底雙開截齒撈砂斗掃孔清渣，如圖5 所示。最后換用φ 2.5 m 牙輪齒筒鉆鉆進(jìn)到底，換用φ 2.5 m雙底雙開截齒撈砂斗掃孔清渣［6］。

圖3 截齒取芯原理Fig.3 Principle of Pick Coring

圖4 截齒取芯的芯樣Fig.4 Core Sample of Pick Coring

圖5 分級(jí)擴(kuò)孔鉆進(jìn)示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Stepped Reaming Drilling

在鉆進(jìn)過程中，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)變化情況，及時(shí)調(diào)整鉆斗的升降速度，在提鉆瞬間，鉆頭底部會(huì)出現(xiàn)短時(shí)負(fù)壓，使孔壁承受徑向內(nèi)吸力，易導(dǎo)致地質(zhì)條件較差的土層發(fā)生塌孔，因此在施工應(yīng)注意防范，做好鉆進(jìn)記錄，根據(jù)不同地質(zhì)情況及時(shí)調(diào)整泥漿指標(biāo)和旋挖速度。

3.6 沖擊鉆輔助清孔

旋挖鉆鉆孔到位并掃孔清渣后，移開至下一根樁位，沖擊鉆就位，采用直徑φ 2.5 m的沖錘，沖錘中心對(duì)準(zhǔn)樁孔中心，沖錘下放至孔底部，采用約1.0 m 的小沖程反復(fù)沖砸，將旋挖鉆未清理干凈的片石狀的鉆渣砸碎，同時(shí)可對(duì)孔型進(jìn)行修整。沖砸過程中，泥漿采用正循環(huán)方式進(jìn)行循環(huán)，泥漿稠度適當(dāng)增大，以便充分起到浮渣的作用［7］。

當(dāng)孔深達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，停止沖砸。再采用反循環(huán)進(jìn)行一次清孔，以便徹底清除鉆渣。清孔后，采用超聲波檢孔儀對(duì)樁孔進(jìn)行檢測，合格后，進(jìn)入后續(xù)工序施工［8］。

4 質(zhì)量控制措施

泥漿采用淡水造漿，為避免有可能海水滲入，采用能適應(yīng)20%海水的優(yōu)質(zhì)膨潤土，保證在地質(zhì)變化情況下的泥漿穩(wěn)定性，不會(huì)出現(xiàn)離析現(xiàn)象。針對(duì)不同地質(zhì)條件，及時(shí)調(diào)整泥漿性能要求［9］。

鉆進(jìn)時(shí)注意地質(zhì)變化情況，及時(shí)調(diào)整旋挖速度，在砂質(zhì)地層時(shí)降低鉆進(jìn)速度，采用短進(jìn)尺鉆斗，減少每次挖取量，同時(shí)降低提升速度，減少負(fù)壓產(chǎn)生。成孔過程注意補(bǔ)充孔內(nèi)的泥漿，防止泥漿面過低造成孔壁坍塌。鉆機(jī)鉆孔時(shí)，應(yīng)根據(jù)土層類別、鉆孔速度及供漿量來確定相應(yīng)的成孔速度［10］。

旋挖鉆機(jī)配備自動(dòng)對(duì)中、孔深探測系統(tǒng)，開挖前進(jìn)行一次對(duì)中，在鉆進(jìn)過程中即可保持位置不變；為了保證成孔的垂直度，開鉆之前采用吊線法檢查顯示器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；鉆進(jìn)過程應(yīng)嚴(yán)格控制鉆桿的垂直度，確保成孔垂直度滿足設(shè)計(jì)要求。鉆孔過程中若發(fā)現(xiàn)斜孔、彎孔、縮頸、塌孔或沿護(hù)筒周圍冒漿以及地面沉陷等情況，應(yīng)停止鉆孔，經(jīng)采取有效措施后，方可繼續(xù)施工［11］。

5 結(jié)語

珠海市某大橋3#主墩樁基施工創(chuàng)新地采用旋挖鉆、沖擊鉆組合成孔工藝，與鉆孔灌注樁傳統(tǒng)成孔工藝相比，充分利用了旋挖鉆成孔效率高的優(yōu)勢，同時(shí)也避免了旋挖鉆清孔不徹底的缺點(diǎn)。實(shí)際施工中，該大橋3#主墩20根直徑φ 2.5 m的樁基施工時(shí)間僅70 d，平均3.5 d/根，其施工效率明顯優(yōu)于其他施工工藝，施工時(shí)間約只有沖擊鉆施工時(shí)間的1/4，大幅減少了施工成本，有效地保證了樁基施工質(zhì)量。經(jīng)超聲波檢孔儀檢測，旋挖鉆、沖擊鉆接力成孔孔壁順直，垂直度滿足文獻(xiàn)［10］要求；成樁后經(jīng)超聲波無損檢測和強(qiáng)制抽芯檢測，樁底沉淀厚度滿足規(guī)范要求，該大橋3#主墩20根樁基全部為Ⅰ類樁，樁基施工質(zhì)量優(yōu)良。相關(guān)施工工藝可供類似工程借鑒。