吉世林

(中鐵十一局集團(tuán)第三工程有限公司)

巖溶地區(qū)地下水作用明顯，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，廣泛存在于我國西南地區(qū)，其成因是可溶性巖石和地下水相互作用，形成溶溝、溶洞等。[1]鉆孔灌注樁可適用于各種地質(zhì)條件，因此在巖溶地區(qū)，為保證建筑物的安全，通常選用此樁型。在巖溶一般發(fā)育的地區(qū)，旋挖樁通常可以取得較好的成樁效果；然而在極發(fā)育地區(qū)，通常存在溶槽、溶溝、基巖內(nèi)部溶蝕裂隙、基巖面起伏較大、溶洞充填物力學(xué)性能差等不良地質(zhì)，造成成樁效率低的問題。[2]為了解決這些問題，本文提出了旋挖灌注樁高效成樁工藝，并進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

1 工程概況及存在的問題

1.1 工程概況

本工程位于云南省某地區(qū)，建筑層高為99m，建筑面積約為20m2，基礎(chǔ)采用旋挖灌注樁，端承樁，樁徑為800mm，樁長10～55m。

地層分布依次為（由上而下）：人工填土、圓礫、土洞（局部）、強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r、中風(fēng)化灰?guī)r、溶洞。①巖溶裂隙極度發(fā)育，洞頂埋深6.0～50.1m，見洞隙率大于77%；洞低深度6.9～62.1m，單個溶洞垂高0.2～17.9m，揭露洞徑最大值為22.0m。②巖溶發(fā)育性狀包括：鷹嘴巖、石筍、溶洞、石芽、溶槽、溶溝等。③溶洞充填物主要為流塑狀黏性土，部分為角礫、圓礫、塑狀態(tài)黏性土等。④巖土交界面起伏大，基巖面呈彎曲狀或傾斜狀。

1.2 存在的問題

本工程旋挖灌注樁施工過程中，受地質(zhì)條件影響，施工過程中存在溶洞充填物坍孔、土巖交界面坍孔、偏斜、卡鉆、混凝土流失、充盈系數(shù)較大、沉渣過厚及斷樁等問題。為了解決上述問題，本文提出以下解決措施：①優(yōu)化旋挖鉆機(jī)施工參數(shù)控制鉆進(jìn)；②采用雙護(hù)筒防止土巖交界面坍孔；③采用鉆孔注漿填充對溶洞進(jìn)行預(yù)處理。

2 優(yōu)化旋挖鉆機(jī)施工參數(shù)防止偏斜、卡鉆

2.1 鉆頭適應(yīng)性分析

根據(jù)巖石力學(xué)特性可知，其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉及抗剪強(qiáng)度，因此在鉆進(jìn)過程中，選擇將壓力轉(zhuǎn)化為剪切力的鉆頭。由文獻(xiàn)[3]可知，選擇截齒作為刀具，截齒轉(zhuǎn)動過程中，可對巖石造成擠壓和切削，鉆進(jìn)效率高。在斜巖面，截齒壓力傳導(dǎo)至巖石接觸面時，截齒能夠形成有效吃巖深度，創(chuàng)造鉆頭全斷面吃巖的條件，從而減少偏斜、卡鉆的情況。

2.2 鉆進(jìn)參數(shù)分析

旋挖鉆機(jī)的鉆進(jìn)參數(shù)主要包括轉(zhuǎn)速、給盡力、鉆進(jìn)速度等，為適應(yīng)不同地層，須根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化。其中給進(jìn)力由旋挖鉆機(jī)直測參數(shù)轉(zhuǎn)化計算求出，鉆進(jìn)速度為單位時間內(nèi)鉆進(jìn)深度。給盡力計算公式為：[4]

F=G+(P-P1)A1-P2A2⑴

式中：G為鉆頭和最后一節(jié)鉆桿的自重，N；P為輔泵壓力，MPa；P1為液壓泵傳遞至液壓缸的壓力損失，MPa；A1為液壓缸的大腔面積，mm2；P2為液壓缸的回油背壓，MPa；A2為液壓缸的小腔面積mm2。

2.2.1松軟地層鉆進(jìn)參數(shù)

松軟地層包括粉質(zhì)黏土層和地表人工填土，由于地下水位淺且豐富，鉆頭采用雙底盤旋挖鉆斗，其直徑為750～780mm，切削齒選用鏟型齒。旋挖鉆回轉(zhuǎn)扭矩大，加壓能力強(qiáng)，在松軟土層鉆進(jìn)時，應(yīng)設(shè)定事宜的回轉(zhuǎn)速度和鉆進(jìn)壓力。人工填土層鉆進(jìn)時，鉆進(jìn)速度1-3m/min，轉(zhuǎn)速15～20r/min，給進(jìn)力20～50KN；粉質(zhì)黏土層鉆進(jìn)時，鉆進(jìn)速度0.8～1.5m/min，轉(zhuǎn)速12～15r/min，給進(jìn)力25～85KN。

2.2.2圓礫地層鉆進(jìn)參數(shù)

由于圓礫層較厚，在鉆進(jìn)過程中，易出現(xiàn)塌孔，因此可采取以下措施：①配制泥漿，提高孔壁穩(wěn)定性。②增大旋挖鉆斗底盤開口面積，保證較大直徑的礫石進(jìn)入鉆斗。③采用直徑大、齒形長的截齒作為切削齒，增強(qiáng)抗沖擊性。④鉆進(jìn)速度0.5～0.7m/min，轉(zhuǎn)速7～12r/min，給進(jìn)力50～100KN。

2.2.3巖層鉆進(jìn)參數(shù)

在斜巖層位置采用低轉(zhuǎn)速，高鉆進(jìn)壓力，鉆進(jìn)速度0.1～0.2m/min，轉(zhuǎn)速5～8r/min，給進(jìn)力100～120KN。如果巖石硬度大或傾角較大，可進(jìn)一步提高給進(jìn)力，待破碎斜巖后，再提高鉆進(jìn)速度。

2.3 提鉆參數(shù)分析

提鉆速度是孔壁穩(wěn)定的重要影響因素，鉆孔灌注樁鉆頭提升過程中，泥漿會造成一定的壓力損失并產(chǎn)生抽吸力，影響孔壁的穩(wěn)定性。如果鉆孔深度較大，提鉆過快將剝蝕充填黏土及誘發(fā)圓（角）礫充填物的垮塌。因此，在本工程中，應(yīng)嚴(yán)格控制提鉆速度。文獻(xiàn)[5]對提鉆速度進(jìn)行定量研究，并提出最佳提鉆速度計算公式，帶入本工程的實(shí)際參數(shù)，計算得出提鉆速度不大大于0.34m/s。

3 雙鋼護(hù)筒處理土巖交界面坍孔施工技術(shù)

由于本工程下伏基巖面為彎曲狀或傾斜狀，地下水豐富，基巖上覆圓礫層松散，富水性強(qiáng)，承載力低，密實(shí)度差，難以控制溶洞內(nèi)充填物和圓礫的坍塌。因此采用傳統(tǒng)泥漿護(hù)壁或鋼護(hù)筒難以滿足要求，在施工過程中都可能出現(xiàn)坍孔和縮頸。由于溶槽、溶溝極度發(fā)育，旋挖灌注樁施工時易發(fā)生樁身填充不密實(shí)、混凝土流失等問題，造成充盈系數(shù)過大，嚴(yán)重時出現(xiàn)斷樁、樁身空洞等問題，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度及質(zhì)量。為了解決上述問題，采用雙護(hù)筒鉆孔灌注樁施工技術(shù)，該技術(shù)護(hù)筒可循環(huán)重復(fù)利用。

雙護(hù)筒鉆孔灌注樁施工技術(shù)原理如下：①將外護(hù)筒打入粉質(zhì)黏土層1～2m，然后采用護(hù)壁保水頭進(jìn)行成孔施工，鉆進(jìn)至外護(hù)筒底部。②精確定位內(nèi)護(hù)筒中心，使之與樁孔中心重合，將內(nèi)護(hù)筒從外護(hù)筒內(nèi)下埋設(shè)至穩(wěn)固土層。護(hù)筒施工過程如圖1所示，具體實(shí)施過程如下：

圖1 雙護(hù)筒沉入過程

⑴泥漿制備和樁位放樣。泥漿制備材料選用膨潤土、纖維素、純堿。樁位放樣作業(yè)按照從整體到局部的原則，按照設(shè)計圖紙，對樁孔中心測量定位，完成后埋設(shè)四角護(hù)樁進(jìn)行保護(hù)。

⑵護(hù)筒制作與埋設(shè)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，外護(hù)筒長度選定為4m，壁厚6mm，內(nèi)護(hù)筒壁厚10mm。樁位放樣完成后，旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)約2m，然后埋設(shè)外護(hù)筒。埋設(shè)過程中應(yīng)注意檢查期垂直度及中心坐標(biāo)。埋設(shè)完成后，為防止土體坍塌或漏漿，采用粘土對護(hù)筒底部進(jìn)行回填夯實(shí)。

⑶鉆孔施工。樁基中心線、回旋盤中心線、鉆機(jī)導(dǎo)桿中心線要保持在同一直線。鉆進(jìn)遵循“先慢后快”，過程中隨時檢查鉆孔垂直度，偏差不大于1%。深度達(dá)到6m 時，采用振動下沉法放內(nèi)護(hù)筒，下沉至較完整的基巖上，過程中對觀測護(hù)筒垂直度。

⑷清孔排渣。成孔后，檢測樁孔的孔徑、垂直度、孔壁、孔深及樁底沉渣厚度，確保垂直度不大于1%，孔深、孔徑不小于設(shè)計值。[6]確認(rèn)后，立即清孔：鉆至預(yù)定孔深后，轉(zhuǎn)速設(shè)定為10r/min 進(jìn)行空轉(zhuǎn)清土。清孔完成后，再次檢測孔深。

⑸吊放鋼筋籠及安裝導(dǎo)管。鋼筋籠在鋼筋加工廠進(jìn)行分節(jié)加工，運(yùn)至施工現(xiàn)場分節(jié)焊接入孔。下放時要避免碰壞孔壁，達(dá)標(biāo)高后對孔口進(jìn)行固定。采用直徑為300mm 的鋼管作為導(dǎo)管，導(dǎo)管的最終深度與孔底距離保持在40cm?；炷脸跄龝r，拆除豎向固定裝置，防止影響混凝土收縮。

⑹灌注混凝土及回收護(hù)筒。

為確保沉渣厚度滿足規(guī)范要求，灌注前進(jìn)行二次清孔，完成后立即開始灌注。灌注過程中注意導(dǎo)管的埋深和上升高度，導(dǎo)管埋入混凝土的深度為2～3m。導(dǎo)管上提速度不宜過快，且應(yīng)保證連續(xù)澆筑。灌注面超過內(nèi)護(hù)筒底面1.5m 后，邊灌注邊拔出內(nèi)護(hù)筒，直至全部拔出。拔出后應(yīng)立即沖洗，以便重復(fù)利用。

4 鉆孔注漿填充預(yù)處理溶洞施工技術(shù)

4.1 工藝流程

溶洞填充物力學(xué)性能差是造成坍孔的主要原因，因此提高填充物的力學(xué)性能，可以顯著改善坍孔現(xiàn)象?？紤]到現(xiàn)場實(shí)際需求和經(jīng)濟(jì)效益，以渣土作為主要材料制作注漿液。工藝步驟如下：①注漿孔采用“一樁一孔”的勘察孔；②采用孔內(nèi)成像技術(shù)對勘察孔進(jìn)行觀測、檢查，判斷實(shí)際溶巖情況；③注漿并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；④旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)施工；⑤采用孔內(nèi)成像技術(shù)觀察注漿效果，如滿足要求則進(jìn)行灌注，如果不滿足則在孔內(nèi)注漿。

4.2 注漿液制備

以渣土、固化劑、自來水為原料按比例制備注漿液，7d抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.4MPa。材料配比如下：

⑴溶洞及裂隙張開度＞300mm 的裂隙，固化劑：渣土：自來水為0.15:1:1.0～1.5，渣土粒徑＜10mm；

⑵裂隙張開度為100～300mm 的裂隙，固化劑:渣土:自來水為0.12:1:1.0～1.5，渣土粒徑不大于5mm；

⑶裂隙張開度＜100mm 的裂隙，固化劑:渣土:自來水為0.10:1:1.2～1.5，渣土粒徑不大于2mm。

5 結(jié)論

⑴通過對地質(zhì)情況、工程情況的分析，結(jié)合過往的施工經(jīng)驗，提出旋挖灌注樁施工過程中存在的問題及解決的措施；

⑵通過對鉆頭適應(yīng)性分析及相關(guān)計算，得出不同地層的最佳鉆進(jìn)參數(shù)，通過調(diào)整給盡力、轉(zhuǎn)速和鉆進(jìn)速度，防止卡鉆、偏斜、坍孔；

⑶提出雙護(hù)筒鉆孔灌注樁施工技術(shù)防止土巖交界面坍孔；

⑷提出鉆孔注漿填充預(yù)處理溶洞施工技術(shù)，根據(jù)不同的裂隙張開度制備相適應(yīng)的注漿液。