張曲輝

（廣東省基礎(chǔ)工程集團有限公司 廣州 510620）

0 引言

近年來隨著沿海城市經(jīng)濟高速發(fā)展，濱海地區(qū)工程項目都在增加，施工中經(jīng)常遇到深厚淤泥、淤泥質(zhì)土和層等特殊性土，在深厚淤泥或砂層中施工灌注樁往往會比較困難［2］。灌注樁作為工程樁、支護樁的主要樁型被廣泛應(yīng)用于大大小小的工程項目［3］，所以，如何在深厚淤泥或砂層條件下確保灌注樁的施工質(zhì)量就非常重要。

但在實際施工中發(fā)現(xiàn)深厚淤泥及砂層等特殊土層性質(zhì)有較大差異，比如淤泥層的含水量高低、塑性大小和淤泥砂層的厚度等［4］，即使在同一地塊存在差異，使得采用單一的成樁工藝或護壁方式難以滿足不同的特殊土層施工。為此，我們基于南沙慶盛項目的土層的性質(zhì)差、差異大，采用多種成孔方式，并對成孔孔徑、垂直度、沉渣厚度、泥漿取樣和清孔措施等各項成孔關(guān)鍵工藝參數(shù)進行系統(tǒng)的研究。以期能較好地解決以上突出問題，為現(xiàn)場施工提供理論指導(dǎo)，同時也為今后類似工程施工積累參考經(jīng)驗。

1 工程概況

1.1 工程項目概況

本工程基坑周長約875 m，面積約48 382 m2，基坑平均開挖深度為9.0～11.65 m，基坑采用支護樁、咬合樁+支撐、錨索的支護形式。該工程靠近地鐵、高鐵側(cè)的支護形式采用咬合式排樁：?1 200@1 700 mm 咬合樁（葷樁）嵌固深度約21.44～26.14 m，L=30.39～35.09 m，且進入強風化巖不少于1.5m；?1 100@1 700 mm 咬合樁（素樁），嵌固深度約20～26.5 m，L=27.3～32.76 m，且進入強風化巖不少于1.5 m。塔樓區(qū)域、裙房及地下室區(qū)域均采用鉆孔灌注樁，工程樁樁徑分為?1 000 mm和?800 mm，平均樁長約35 m，以中、微風化泥巖為樁端持力層，其中裙樓樁入巖不少于4.5 m，塔樓樁入巖不少于8 m。

1.2 水位地質(zhì)概況

本項目地層復(fù)雜，特殊性巖土包括人工填土、軟土和風化巖和殘積土。淤泥/淤泥質(zhì)土層厚2.10～23.00 m，呈灰黑色，流塑，組成物為粉、黏粒、有機質(zhì)，含貝殼碎片、少量粉砂粒，土芯手摸滑膩、局部略具砂感，味腥臭。中砂層厚1.80～21.20 m，呈褐黃色、淺灰白色，稍密，局部松散-中密，飽和，級配一般。地下水埋深約2.8 m，與海水潮汐緊密相連。

2 施工技術(shù)研究內(nèi)容

針對在深厚淤泥及砂層的地質(zhì)條件下灌注樁施工，通過對地質(zhì)情況分析、灌注樁成孔方式、成孔工藝的調(diào)整，確保在灌注樁過程中，提升質(zhì)量、安全，縮短工期及降低材料損耗等。具體如下：

⑴對灌注樁成孔護壁的原理、受力分析和驗算，確定地層差異情況下成孔護壁方式和成孔施工工藝［5］；

⑵采用超聲波井經(jīng)儀、孔槽沉渣厚度檢測儀等儀器進行測量［6］，提供了孔徑、垂直度和沉渣厚度檢測數(shù)據(jù)的準確度，采集成孔開始輕微縮徑、開始輕微塌孔、孔底泥漿比重增大等的關(guān)鍵時間數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計測量數(shù)據(jù)分析成孔控制點，以準確數(shù)據(jù)指導(dǎo)成樁施工；

⑶研發(fā)一種新型泥漿取樣器，滿足泥漿密封和特定深度取樣兩項要求，提高泥漿性能試驗結(jié)果準確性；

⑷改良的旋挖專用清孔鉆斗，通過增加鉆頭的整體性、優(yōu)化鉆具流水口、適當減小筒底直徑和將鉆底布齒改為刮板等幾項改進措施，達到加快清孔時將殘存在孔底的鉆渣吸入鉆頭、減少清孔時鉆斗內(nèi)渣土流失和使用刮板將殘余沉渣壓實，清孔工效提升了一倍以上，適用于各類地層施工。

3 施工技術(shù)研究成果

3.1 通過成孔護壁受力分析，確定成孔護壁方式

3.1.1 灌注樁進行泥漿護壁的原因

鉆孔灌注樁進行鉆孔施工時，擾動了鉆孔周圍的土體同時取土，使鉆孔外土體在水平壓力的作用下，有一種要向孔內(nèi)塌孔的趨勢，造成土體塌孔掉入鉆孔內(nèi)，從而堵塞鉆孔而無法成孔；

因此，工程中常采用膨潤土泥漿或粘土泥漿護壁。泥漿面和地下水位有一定的水頭差，從而對側(cè)壁形成一定的靜側(cè)壓力，可抵抗作用在孔壁上的水壓力和土壓力，并且泥漿顆粒較細，能夠從孔壁表面向地層一定范圍滲透，粘附在土顆粒上，在孔壁上形成一層不透水的泥皮，從而防止地下水的滲入和孔壁的坍塌。

3.1.2 泥漿護壁受力的分析

對泥漿護壁［7］進行受力分析可知，在水平的方向上，泥皮主要受兩個力，①鉆孔周圍的土體對泥皮施加一個向鉆孔內(nèi)部的主動土壓力Pa，②鉆孔內(nèi)的泥漿對泥皮施加一個向鉆孔外部的泥漿壓力Pm，當主動土壓力Pa≥孔內(nèi)泥漿壓力Pm的時候，泥皮穩(wěn)定，泥漿護壁才能成功。

3.1.3 受力驗算

主動土壓力Pa按《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)范：JGJ 120—2012》中的外側(cè)土壓力計算，規(guī)范中對水土合算土層的外側(cè)主動土壓力強度標準值按下列公式計算：

式中：pak為支護結(jié)構(gòu)外側(cè)，第i層土中計算點的主動土壓力強度標準值（kPa）；當pak＜0 時，應(yīng)取pak=0；σak、σak分別為支護結(jié)構(gòu)外側(cè)、內(nèi)側(cè)計算點的土中豎向應(yīng)力標準值（kPa）；按《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)范：JGJ 120—2012》第3.4.5 條的規(guī)定計算；Ka，i、Kp，i分別為第i層土的主動土壓力系數(shù)、被動土壓力系數(shù)；ci、φi分別為第i層土的粘聚力（kPa）、內(nèi)摩擦角（°）；按《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)范：JGJ 120—2012》第3.1.14 條的規(guī)定取值。

算式中同一計算點對主動土壓力影響最大的是土層粘聚力和內(nèi)摩擦角；土層粘聚力和內(nèi)摩擦角越小，主動土壓力越大。

孔內(nèi)泥漿壓力Pm參照《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)范：JGJ 120—2012》中的靜止地下水壓力，按下列公式計算：

式中：γw為地下水重度（kN/m3），取γw=10 kN/m3；hwa為基層外側(cè)地下水位至主動土壓力強度計算點的垂直距離（m）；對承壓水，地下水位取測壓管水位；當有多個含水層時，應(yīng)取計算點所在含水層的地下水位；hwp為基坑內(nèi)側(cè)地下水位至被動土壓力強度計算點的垂直距離（m）；對承壓水，地下水位取測壓管水位。

算式中同一計算點對孔內(nèi)泥漿壓力影響最大的是泥漿密度和漿液面高度；泥漿越濃、泥漿液面越高，孔內(nèi)泥漿壓力約大。

所以，在一定深度和土層情況下主動土壓力是確定的，所以泥漿護壁的重點就是調(diào)制泥漿的密度和提高泥漿液面，從而使泥漿產(chǎn)生的向鉆孔外部的泥漿壓力大于或等于主動土壓力。

3.1.4 課題驗算結(jié)果

依托南沙慶盛項目地質(zhì)情況進行受力驗算，驗算參數(shù)如下：泥漿比重1.25 g/cm3計算；泥漿面按高于地下水位1 m 計算；本項目淤泥、淤泥質(zhì)土層的粘聚力、內(nèi)摩擦角比其他土層數(shù)值更小。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比，淤泥層含水率越大，粘聚力和內(nèi)摩擦角越小。粘聚力和內(nèi)摩擦角按不同含水率分區(qū)取值，計算孔內(nèi)泥漿壓力和被動土壓力情況如表1所示。

表1 淤泥、淤泥質(zhì)土土層特性統(tǒng)計表Tab.1 Statistical Table of Soil Characteristics of Silt and Mucky Soil

3.1.5 成孔護壁工藝分析

根據(jù)上述孔內(nèi)泥漿壓力和被動土壓力驗算，部分土層泥漿護壁穩(wěn)定不滿足要求，因此，應(yīng)該有針對性的選擇成孔方式［8］。

軟塑～流塑狀淤泥質(zhì)土含水率少于60%，含水量較低，驗算孔內(nèi)泥漿壓力均大于被動土壓力，孔壁穩(wěn)定滿足要求，可采用泥漿護壁旋挖樁直接成孔；

軟塑～流塑狀淤泥含水率約60%～75%，含水量較高，部分驗算孔的泥漿壓力少于被動土壓力，孔壁穩(wěn)定不滿足要求，計劃采用6～12 m 長護筒護壁，旋挖機成孔施工；

流塑狀淤泥含水率大于75%，含水量高，全部驗算孔的泥漿壓力均少于被動土壓力，孔壁不穩(wěn)定不滿足要求，計劃采用6～12 m 長護筒護壁，采用反循環(huán)鉆機成孔；

3.2 使用精準儀器測量施工參數(shù)

3.2.1 使用超聲波井經(jīng)儀測量

超聲波井徑儀是一種基于水下超聲測距原理的儀器。在成孔施工完畢后進行成孔檢測，可以準確測量灌注樁鉆孔孔徑和垂直度等施工參數(shù)［9］，以評價鉆孔的成形質(zhì)量，如圖1所示。

圖1 超聲波井徑儀Fig.1 The Ultrasonic Well Dimater Measurement Instrument

在項目實施過程中，根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求及施工經(jīng)驗，樁孔按照0、4、8、12、16、20、24 h 類推間隔時間對成孔進行連續(xù)觀察和檢測，即檢測次數(shù)1 為清孔完畢時，檢測次數(shù)2 為清孔完畢4 h，通過大量成孔觀察數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，總結(jié)出以下規(guī)律：成孔4～8 h后開始輕微縮徑，8～12 h 后開始輕微塌孔。故施工過程中樁孔靜置時間最好不要超過8 h，加強鋼筋籠下放及水下砼澆筑安排，樁孔靜置時間超過8 h最好要重新清孔，便道暢通、泥漿比重跟蹤調(diào)查、泥漿護壁相當重要，鉆進速度適當控制。成孔靜置16 h后孔底泥漿比重增大，導(dǎo)致超聲波井徑儀無法下放至孔底，成孔靜置16 h后必須重新清孔。

3.2.2 使用探針式孔槽沉渣厚度檢測儀測量

使用孔槽沉渣厚度檢測儀采用探針壓力-傾角測試法檢測沉渣厚度。沉渣探頭下放到孔槽底時，停止下放探頭，主機讀取探頭狀態(tài)，當探頭傾斜超過一定范圍時提示調(diào)整探頭位置直至探頭近似直立。主機控制探針緩慢伸出，同時測定探針壓力、探頭傾角和伸出長度，當探針抵達孔底硬巖時，探針壓力和探頭傾角突然增大，此時探針伸出長度即為當前位置沉渣厚度，如圖2所示。

孔槽沉渣厚度檢測儀探針直徑小，可以直達孔底基巖，探頭帶托盤，可確保探頭停于沉渣表面，因此，測量精度高、誤差小，本現(xiàn)場采用沉渣厚度檢測儀測量的沉渣厚度都比較準確，有利于控制成樁質(zhì)量，確保灌注樁承載力滿足設(shè)計要求。

3.3 研發(fā)新型泥漿取樣器

3.3.1 研發(fā)新型泥漿取樣器的原因

灌注樁成孔、地下連續(xù)墻成槽等泥漿護壁工序，受地質(zhì)條件影響較大，在成孔施工過程中，泥漿質(zhì)量的動態(tài)控制就變得尤為重要，按照規(guī)范在施工不同階段對泥漿進行取樣試驗以掌握泥漿各項指標，在清孔時，要求對槽（孔）底以上0.2～1.0 m 處泥漿進行取樣，常規(guī)的敞口單線泥漿取樣器密封性差且無法做到在特定深度準確取樣下，不利于通過泥漿濃度控制成樁質(zhì)量。因此，對泥漿取樣器進行了新型的研發(fā)。

3.3.2 設(shè)計思路

取樣器在鉛錘牽引下端口朝下下放，下放時取樣桶內(nèi)充滿空氣，空氣壓力可防止泥漿入取樣桶內(nèi)，下放到指定深度后拉緊提拉繩索，使取樣器翻轉(zhuǎn)180°，端口朝上，取樣桶內(nèi)空氣上升，泥漿進入取樣桶，待泥漿裝滿后，樁孔內(nèi)無氣泡冒出，將取樣器提升出地面，完成泥漿取樣，如圖3所示。

圖3 泥漿取樣器設(shè)計圖Fig.3 The Design Drawing of Mud Samplers

3.3.3 創(chuàng)新點

就地取材，利用施工現(xiàn)場的鋼套管等材料，研發(fā)一款新型泥漿取樣器，工藝簡捷，操作簡單，經(jīng)濟又實用。

取樣器密封性好，在翻轉(zhuǎn)取樣前泥漿無法進入，保證泥漿取樣的準確。創(chuàng)新設(shè)置下降繩索和提升繩索，能控制在任意深度進行泥漿取樣，保障泥漿取樣深度滿足規(guī)范及設(shè)計要求，有利于更好的掌握泥漿質(zhì)量，保證地下連續(xù)墻/灌注樁清孔效果，確保施工質(zhì)量滿足設(shè)計要求。

3.3.4 泥漿取樣器工作流程

⑴鉛錘在下，取樣器孔朝下進入樁孔

在下降過程中，取樣器孔口始終朝下，在取樣器筒內(nèi)部空氣壓力的作用下，泥漿無法進入取樣器筒內(nèi)部；

⑵取樣器筒翻轉(zhuǎn)180°取樣

直至取樣器孔口下降到達所需取樣的泥漿深度；拉緊提拉繩索，將取樣器筒翻轉(zhuǎn)180°，泥漿從取樣器孔進入取樣器筒內(nèi)部。

⑶提拉繩索將取樣器筒提升出樁孔

泥漿質(zhì)量控制對施工質(zhì)量的影響又十分顯著。本次研究的泥漿取樣器有利于現(xiàn)場更好的正確掌握不同深度泥漿的質(zhì)量，具有廣泛的應(yīng)用前景，如圖4所示。

圖4 泥漿取樣器成品、泥漿取樣試驗Fig.4 The Product of Mud Samplers，and the Testing of Mud Sample

3.4 改良清孔撈砂斗

3.4.1 常見鉆頭介紹

旋挖鉆頭是旋挖鉆機上的重要組成部分，它直接與作業(yè)面接觸，旋挖鉆頭的好壞直接影響了鉆進的效率和施工速度。常用撈砂斗根據(jù)地層的硬度不同，可搭配不同的鉆齒進行施工。

3.4.2 現(xiàn)場面臨困難

清孔為鉆孔樁施工中保證成樁質(zhì)量的重要一環(huán)［10］，通過一次清孔盡可能使沉渣全部清除，使混凝土與基巖接合完好，以提高樁底承載力。終孔后，將鉆頭提至距孔底的0.2～0.3 m 處，使之空轉(zhuǎn)，將殘存在孔底的鉆渣吸出；必要時提高泥漿比重和膠結(jié)能力，使沉渣排出孔外；

本項目的深厚淤泥和砂層施工后沉渣較多較厚，使用常見的撈砂斗一次清孔效果一般，沉渣厚度偏大，主要原因是孔底活動底板與固定底板結(jié)合不緊密，將造成鉆斗內(nèi)渣土流失。

3.4.3 改良旋挖鉆機專用清孔鉆斗，主要改良措施如下：

⑴底板使用整體鋼板，筒體和底板間嚴密嚴絲合縫，減少清孔時鉆斗內(nèi)渣土流失，如圖5所示；

圖5 改良清孔鉆斗Fig.5 Improve the Drill Bucket of Cleaning the Hole

⑵鉆具流水口設(shè)置在靠近筒壁頂部位置，以盡量減小筒內(nèi)砂土在提升鉆具過程中的流失；

⑶適當減小筒底直徑，略微增加外側(cè)保徑條的厚度，最大限度降低鉆具提升和下放過程對側(cè)壁的擾動；

⑷鉆具孔底取消布齒而改為刮板，鉆具與孔底更貼近，達到更好清孔效果。

3.4.4 清孔鉆斗使用流程

⑴成孔深度滿足設(shè)計要求后清孔；

⑵更換清孔鉆斗，鉆頭下沉至孔底以上0.5 m，鉆頭正方向旋轉(zhuǎn)同時慢速下鉆，通過刮板下的泥漿口將殘存在孔底的沉渣吸入鉆頭，在鉆頭內(nèi)設(shè)置限位板，有利于減少鉆頭內(nèi)泥漿外溢。

⑶下鉆至孔底完成第一次清孔，慢速提鉆至地面將鉆斗內(nèi)泥漿倒出；

⑷將鉆頭下沉至巖面，調(diào)整鉆頭方向反向旋轉(zhuǎn)，用刮板將殘余沉渣壓實，從而達到減少沉渣厚度的效果，如圖6所示。

圖6 改良清孔鉆斗及清刮示意Fig.6 The Show of Improve the Hole Cleaning Drill Bucket and Clean the Hole

4 結(jié)論

針對我國東南部沿海地區(qū)，常年降水量較多，氣候濕潤，土質(zhì)成分中厚淤泥土層較多的情況，依托廣州市南沙區(qū)慶盛樞紐綜合體項目的灌注樁施工。為了保證在深厚淤泥及砂層中施工鉆孔灌注樁施工質(zhì)量，本次研究從探索灌注樁成孔護壁原理入手，通過使用井經(jīng)儀、沉渣厚度檢測儀等精準儀器、改良泥漿取樣器取得準確成孔成樁施工參數(shù)，以控制施工參數(shù)達到控制施工質(zhì)量效果，并通過改良清孔撈砂進一步提高施工質(zhì)量和施工效率。從深厚淤泥地層的灌注樁施工存在問題入手、提出有效應(yīng)對策略，該灌注樁施工技術(shù)施工速度快，施工質(zhì)量好，施工成本低，能適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境及地質(zhì)條件的施工區(qū)域。研究成果可以為類似的深厚軟弱地層的灌注樁施工提供應(yīng)用參考。