唐正浩，馬秋柱，賀迎喜

（1.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

深層水泥攪拌法Deep Cement Mixing Method（簡稱DCM 工法），是采用水泥漿液或者粉體與原土進行攪拌，增強原土的強度，提高原土承載能力的一種地基處理方法。DCM 適用于處理正常固結的淤泥、淤泥質土、素填土、黏性土（軟塑、可塑）、粉土（稍密、中密）、粉細砂（松散、中密）、中粗砂（松散、稍密）、飽和黃土等地層[1]。DCM處理的地基具備良好的防滲性和承載能力，在大型填海項目的軟基處理中，具備良好的適用性[2]。

深層水泥攪拌樁的強度與樁體的各類材料參數配比有關[3]，樁體的長期強度與變形破壞機理也是學者研究的重點[4]。同時，在深層水泥攪拌樁施工過程中，特別是在黏性土中施工，由于水泥的用量受限，攪拌不均勻、返漿量大等因素，會造成樁體強度低、樁底標高不足等問題[5]。因而需要采用合適的DCM 樁基檢測方法，來驗證DCM 樁的成樁質量和樁體強度。DCM 樁基的檢測方法有鉆探取芯、振動取樣、靜力觸探、濕抓取樣、平板載荷試驗等[6-7]。目前，鉆探取芯，把采取的芯樣制作成無側限抗壓強度試樣，進行無側限抗壓強度測試，是DCM 樁質量檢測的重要方法之一。

本文以香港國際機場第三跑道填海工程（簡稱香港三跑工程）為依托，分析了影響DCM 取芯質量的關鍵因素。通過優(yōu)化取芯工藝，改進取芯器等措施，達到提高取芯質量，制作合格測試試樣的目的。研究成果可為同類取芯檢測提供借鑒。

1 工程概況

香港三跑工程是在現有機場北部填海拓地約650 hm2。填海區(qū)域地層分布為污染淤泥土、海相淤泥、沖積土層。其中污染淤泥土厚度約10～30 m，海相淤泥厚度約10～35 m，沖積層位于海相淤泥下部，包括砂、硬塑黏土、礫石等[8]。DCM 樁需要對污染淤泥土、海相淤泥進行攪拌加固，提高其承載力和強度。

DCM 地基處理工程包括海上DCM 樁和陸地DCM 樁，其中陸地樁施工面積約209 萬m2，約7萬根水泥攪拌樁。

香港機場管理局制定了嚴格的DCM 取芯檢測標準：1） 鉆孔取芯從地面到樁頂部分采用沖孔方式，從DCM 樁頂到樁底采用全斷面取芯，取芯深度延伸至樁底加1 m 位置；2） 單個取芯回次采取率不能低于80%；3） 樁整體的采取率不能低于95%；4） 每根樁需要采取10 個樣品進行無側限抗壓強度測試，測試結果需要滿足設計要求。

2 香港鉆探取芯規(guī)范

香港地質勘探行業(yè)主要使用英國地質勘察規(guī)范BS 5930《Code of practice for site investigations》[9]，在此基礎上，香港土木工程拓展署制定了適合本地的現場勘察規(guī)范《Guide to Site Investigation》[10]，相對于國內常用的取芯規(guī)范JGJ/T 87—2012《建筑工程地質勘探與取樣技術規(guī)程》[11]，香港的取芯規(guī)范要求更詳細，推薦的取芯器規(guī)格種類多。《建筑工程地質勘探與取樣技術規(guī)程》推薦取芯檢測采用二、三重管回轉取土器鉆進。《Guide to Site Investigation》推薦了詳細規(guī)格的取土器，見表1。

表1 香港常用的取芯器/套管/鉆桿型號Table 1 Sizes of commonly-used corebarrels,casings and drill rods in HK

3 鉆探取芯難點分析

由于香港三跑工程工期緊，DCM 攪拌樁數量多。機場管理局要求DCM 樁成樁23 d 后，就要開展取芯檢測工作。此時樁體的強度較低，增加了取芯檢測的難度。

香港三跑工程有7 萬多根陸地DCM 樁，30多臺DCM 攪拌機，根據施工工藝、水泥摻量的不同，現場將進行多次試樁試驗。試樁的強度存在較大差異，部分樁體強度過高，部分樁體存在攪拌不均勻的問題，這些都給取芯檢測帶來困難。

4 影響取芯質量的因素

4.1 樁體質量

質量不合格的DCM 樁存在攪拌不均勻、膠結差、裂隙多、樁端未能達到指定深度等問題，這些會影響鉆探取芯的質量。

目前，相比于對壓力超負荷大量的研究，人們對容量超負荷的研究深度和廣度卻明顯受限。壓力超負荷誘導心力衰竭通常采用主動脈縮窄誘導壓力超負荷致心力衰竭模型。然而容量超負荷誘導心力衰竭的模型卻并不廣為人所知。對于人類而言，容量超負荷引發(fā)左心心功能不全的病理、生理機制存在倫理問題，以及從最初容量超負荷到最后引發(fā)左心功能不全需時過長，所以利用動物實驗構建了容量超負荷模型模擬人類疾病，進而了解其潛在的誘導心力衰竭的病理、生理機制。容量超負荷動物模型可以分為2類：低壓力型和高壓力型。

4.2 鉆具的影響

常見的鉆具包括：單管鉆具、雙管單動鉆具、三管鉆具、孔底反循環(huán)鉆具和繩索取芯鉆具等。單管鉆具，主要用于完整巖層和對取芯質量要求低的地層。雙管單動鉆具，取芯器有兩個管子，在鉆探過程中，外管轉動取芯，內管把芯樣包裹起來，這樣可以防止沖洗液直接沖刷芯樣，避免鉆具轉動對芯樣的破壞。三管鉆具，是在雙管的基礎上，增加了一個內管，一般是PVC 管或者開邊的鐵管，采取的芯樣包裹在PVC 管或者鐵管里，這樣對樣品的保護就多了一層?？椎追囱h(huán)鉆具，適用于大直徑的鉆孔，沖洗介質從鉆桿內返回，流速較高，攜帶泥渣的能力強。繩索取芯鉆具適用于深孔鉆探，用繩索取芯鉆具可以不用提出鉆桿，而直接用鋼絲繩將裝有芯樣的內管取出，大大提高了取芯效率。

實際工程中，需要根據業(yè)主的要求、取芯的目的、地層的特點，并考慮效率成本等因素，綜合選擇合適的取芯器。

4.3 沖洗介質的影響

沖洗介質主要有：清水、泥漿、空氣泡沫等。沖洗介質具有降低鉆頭溫度、攜帶巖屑、保護孔壁和潤滑鉆具的作用。

沖洗介質是鉆探必不可少的材料，但沖洗介質對芯樣的沖刷作用是影響取芯質量的重要因素。單管鉆具中，通過增加分水帽起到隔水作用，避免沖洗介質對芯樣進行沖刷。雙管和三管鉆具中，讓沖洗介質由兩層管之間流向孔底，芯樣則留在最里面的一層管中，避免了被沖洗介質影響，因而降低沖洗介質的沖刷作用，是提高取芯質量的重要一步。

4.4 鉆孔垂直度的影響

鉆探取芯過程中，若鉆孔發(fā)生了傾斜，會導致鉆具偏出樁身之外，影響取芯質量。導致鉆孔傾斜的因素有：1） 鉆機在鉆探過程中，立軸發(fā)生傾斜；2） 鉆頭鉆進過程中，遇到軟硬夾層，并且夾層表面傾斜，鉆頭會帶著鉆具往軟的地層傾斜；3） 鉆桿在軸壓作用下彎曲。因此鉆探過程中，需要采取相應的措施避免鉆孔傾斜。

4.5 鉆機鉆進參數的影響

鉆探取芯中的施工參數主要有：鉆進的軸壓、轉速、水泵的泵量。當巖層均勻，較高的轉速可以保證進尺快、巖芯在鉆頭停留的時間短，被沖刷的時間短。相反在軟弱破碎巖層，則需要選擇低鉆壓和低轉速，防止巖樣被破壞。泵量的大小決定了沖刷的強弱，因此在保證冷卻鉆頭和排除巖屑的基礎上，盡量選擇低泵量，以減少沖刷，提高取芯質量。

5 提升取芯質量的方法

5.1 Mazier 取芯器

取芯器是取芯質量的關鍵因素之一。針對DCM 樁取芯，業(yè)主要求采取率達到95%以上。成樁后23 d 進行取芯，取芯時，樁體強度整體偏低。三套管的Mazier 取芯器是可縮入式旋轉的三套管（外管、內管、PVC 管）取芯器，是用于風化巖層和堆積土層高質量取芯的工具（見圖1），三套管的Mazier 取芯器適用于該類DCM 樁的取芯。

圖1 Mazier 取芯器示意圖Fig.1 Schematic diagram of Mazier core barrel

Mazier 取芯器有以下特點：

1） 下部切割嘴可伸縮。取芯器內管上部懸掛了彈簧裝置，下部有一個長度為100～150 mm 的切割嘴。外管轉動時，內管不會轉動。當遇到較硬土層時，軸壓會讓內管彈簧縮短，讓內管和切割嘴縮入，同時切割嘴會因為彈簧不同程度的伸縮變形產生不同的切割壓力。這樣在較軟的土層，彈簧壓縮變形小，切割嘴用于切割的壓力小，對芯樣的擾動??；而在較硬的地層，切割嘴會因為彈簧的壓縮變形大，產生較大的切割力，提高切割的效率。示意圖見圖2。

圖2 Mazier 取芯器切割嘴示意圖Fig.2 Schematic diagram of cutting shoe for Mazier core barrel

2） 內管有PVC 管保護芯樣。Mazier 取芯器的內管內部有一條PVC 管，取芯過程中，芯樣一直在PVC 管中，減少了擾動。

3） 凸出的切割嘴隔開了沖洗介質。Mazier 取芯器外管底部是合金鉆頭，內管底部是切割嘴，切割嘴切入芯樣中，隔絕了合金鉆頭底部流出的沖洗介質，避免了芯樣被沖刷。

在用Mazier 取芯器進行DCM 樁取芯時，由于DCM 樁體較軟，只能用低泵壓的沖洗液清除孔內的巖屑。過低的泵壓導致沖洗液流速過慢，部分巖屑無法被帶出鉆孔，轉而沉在孔內，導致鉆孔堵塞。采用在Mazier 取芯器頂部加一個中空套管的辦法解決這個問題，此時巖屑在低流速的沖洗液帶動下，只需抬升少量高度，就可以被取芯器頂部的套管收集。套管收集的巖屑，可以隨取芯器一起提出地面，見圖3。采用了Mazier 頂部加套管的辦法，較好地收集了巖屑，提高了取芯質量。

圖3 Mazier 取芯器的巖屑收集管Fig.3 Sediment tube of Mazier core barrel

5.2 T6 取芯器

當DCM 樁水泥摻量較高，或者成樁時間較長，DCM 樁體的硬度會較高。此時采用Mazier 取芯器，切割嘴可能無法切入強度高的樁體，導致取芯失敗。T6 取芯器是一種采用金剛石鉆頭的雙管取芯器，常用于堅硬巖層取芯。取芯時，內管不會轉動，外管帶著金剛石鉆頭轉動。

常規(guī)的雙管T6 取芯器用于DCM 樁取芯，存在芯樣容易被沖洗液擾動，無法取得高質量樣品的問題。因此，從以下3 方面對T6 取芯器進行了改進，見圖4。

圖4 T6 取芯器示意圖Fig.4 Schematic diagram of T6 core barrel

1） 在T6 取芯器內管里加上了一對開邊的鐵片，在取芯過程中，樣品包裹在鐵片里，減少了沖洗液對芯樣的擾動。同時在地面取出芯樣時，芯樣可以隨鐵片整條一起抽出，減少了擾動。

2） 在T6 取芯器頂端側面開了一個閥門，在內管放置了一個活塞，當要取出內管的芯樣時，只需要將取芯器橫放，將閥門接上水管，用適當的水壓推動活塞，活塞會將內管的芯樣水平推出，然后把芯樣包裝后放在巖芯箱里。這樣避免了傾倒或者吊起取芯器推出芯樣的過程，減少了取樣過程中的擾動，提高了取芯質量。

3） 取芯器的底部加了一個擴孔器，擴孔器比鉆頭直徑略大，它與鉆孔壁的接觸面積較大，對取芯器有一定的穩(wěn)定作用。同時，當鉆頭在鉆進過程中磨損變小，導致鉆孔口徑變小時，擴孔器有維持鉆孔正?？趶降淖饔?。

5.3 鉆頭的選擇

Mazier 取芯器的鉆頭為鎢碳合金鉆頭，這種鉆頭是由粒狀或者條狀的鎢碳合金，用燒焊方法鑲嵌而成，這種合金的耐磨性較高。

T6 取芯器的鉆頭為金剛石鉆頭，它沒有切割嘴隔開沖洗液和芯樣。因此要避免鉆頭部位的沖洗液對芯樣的擾動。常規(guī)的金剛石鉆頭出水口有側開式和底開式兩類。

其中側開式出水口鉆頭，坑狀的出水口開在鉆頭的頂部，并貫穿鉆頭的頂部，這種設計容許沖洗液流過芯樣表面，不適合松散的風化層取芯。

底開式出水口鉆頭，出水口是孔狀的，這種設計下，沖洗液從鉆頭底部水口排出，和芯樣沒有直接接觸，降低了沖洗液對芯樣的擾動。所以本工程中，T6 取芯器鉆頭采用底開式出水口鉆頭，見圖5。

圖5 T6 金剛石鉆頭Fig.5 Diamond bits for T6 core barrel

5.4 保證垂直度

保證垂直度通常有以下方法：1） 鉆孔前，把鉆機放在水平平穩(wěn)的平臺上，并用水平尺驗證鉆機是否水平；2） 完成一回次鉆進后，用水平尺測量鉆桿是否垂直；3） 遇到軟硬相間地層，采用低速低泵壓鉆進，保證鉆孔垂直；4） 采用粗直徑的鉆桿進行鉆探，可以較好地保證鉆孔垂直。本工程中，DCM 取芯鉆孔直徑約130 mm，采用了外徑為115 mm 的套管作為取芯鉆桿，使鉆桿與鉆孔間隙減少，保證了鉆進過程中，鉆孔的垂直度。

5.5 提高操作技術

鉆機的儀表盤上可以顯示鉆進的軸壓、轉速、泵壓。在進行DCM 取芯鉆探前，對鉆機機長進行取芯操作的培訓，包括不同類型的地層應采取的軸壓、轉速、泵壓等。經過培訓，可以更好地完成取芯工作，提高取芯質量。

6 結語

依托香港三跑工程對影響DCM 樁取芯質量的因素進行了分析，通過現場取芯實踐，得出以下結論：

1） 對低強度的水泥攪拌樁，應選用改進的Mazier 三管取芯器；對較高強度的水泥攪拌樁，應選用改進的T6 取芯器。

2） 在Mazier 三管取芯器的頂部增加中空的套管作為巖屑收集器可以有效減少沉渣，提高取芯質量。

3） T6 取芯器，增加內開邊鐵片，變成三管取芯器，可以降低沖洗液對芯樣的沖刷。采用底開式出水口金剛石鉆頭，可以減少鉆頭底部沖洗液對芯樣的影響。

4） 采用粗直徑的鉆桿進行取芯工作，可以保持較好的鉆孔垂直度。

通過采取一系列提高取芯質量的措施，現場芯樣采取率普遍達到100%。