陳勇 汪平

收稿日期：2024-01-12

作者簡介：陳勇（1982—），男，大專，工程師，從事工程管理工作。

通信作者：汪平（1978—），男，大專，工程師，從事工程管理工作。

摘要 城市化發(fā)展中高速公路線路范圍不斷擴(kuò)大，沿線水文、地質(zhì)條件復(fù)雜，厚砂卵層地質(zhì)頻出。為提升高速公路建設(shè)水平，應(yīng)根據(jù)高速公路項(xiàng)目地質(zhì)情況，科學(xué)選用施工工藝。文章結(jié)合某高速公路橋梁項(xiàng)目，分析厚砂卵層地質(zhì)下旋挖鉆孔樁施工技術(shù)要點(diǎn)，明確旋挖鉆孔樁施工技術(shù)原理，以突出特殊地質(zhì)下旋挖鉆孔樁技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢，完善高速公路樁基技術(shù)方案，保障高速公路樁基質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 高速公路；厚砂卵層；旋挖鉆孔；施工技術(shù)

中圖分類號 U445.551文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0099-03

0 引言

旋挖鉆孔樁施工技術(shù)是公路橋梁樁基技術(shù)之一，常用于土層、砂卵石、風(fēng)化巖及巖層等特殊地質(zhì)的樁孔施工，最大鉆孔深度不低于100 m，最大鉆孔直徑不低于2.8 m。對于厚砂卵層地質(zhì)，旋挖鉆孔樁的技術(shù)優(yōu)勢非常明顯，但需要結(jié)合項(xiàng)目實(shí)況，規(guī)范旋挖鉆孔樁施工工序，保障項(xiàng)目建設(shè)質(zhì)量。

1 項(xiàng)目概況

某高速公路項(xiàng)目，線路全長38.2527 km，沿線包含雙線大橋，橋梁區(qū)域地質(zhì)條件較為特殊，包含雜填土、粉質(zhì)黏土、卵石、風(fēng)化砂巖，具體如表1所示。砂卵石層厚度為7～35 m，樁基施工難度大，擬采用旋挖鉆孔樁施工工藝。

表1 項(xiàng)目地質(zhì)條件

巖土層名稱 工程特征指標(biāo)（旋挖鉆孔樁）

fak/kPa frk/MPa qxis/kPa Eo/MPa Es/MPa

雜填土 100 — 11 4.3 4.2

粉質(zhì)黏土 200 — 33 7 7

稍密狀卵石 420 — 68 — 27

松散狀卵石 200 — 50 — 13

強(qiáng)風(fēng)化細(xì)砂巖 400 — 80 — 43

中等風(fēng)化細(xì)砂巖 2 200 11.25 160 不可壓縮層

2 高速公路厚砂卵層旋挖鉆孔樁施工設(shè)計

項(xiàng)目沿線范圍內(nèi)，厚砂卵層全長568 m，約300 m為高速公路橋梁樁基工程。項(xiàng)目橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計為預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁，跨徑組合為30 m+6×40 m+30 m，橋梁路段樁基為群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，樁直徑分別為1.5 m、1.8 m、2 m，樁基需嵌入后砂卵石層約23 m。成樁工藝均為旋挖鉆孔樁，具體樁型設(shè)計如表2所示。施工流程設(shè)計：定樁位—埋設(shè)鋼護(hù)筒—鉆機(jī)就位—鉆孔—清孔—成孔檢測及二次清孔—下放鋼筋籠—澆筑混凝土，澆筑結(jié)束后拔除導(dǎo)管，卸除護(hù)筒，回填孔口，開挖公路橋梁樁基。

表2 高速公路項(xiàng)目旋挖鉆孔樁設(shè)計參數(shù)

樁型 樁數(shù)/

個 樁直徑/

m 主筋/

cm 主筋保護(hù)層

厚度/cm 樁身混凝土

強(qiáng)度等級

Ⅰ型 25 1.5 37×30 ≥8 C35

Ⅱ型 18 1.8 40×30 ≥8 C35

Ⅲ型 16 2 50×30 ≥8 C35

3 厚砂卵層旋挖鉆孔樁施工技術(shù)原理

旋挖鉆孔樁施工的成孔工藝與其他樁基工程存在差異，旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)時會基于無沖洗介質(zhì)循環(huán)、靜態(tài)泥漿護(hù)壁、鉆斗取土原理在保護(hù)孔壁的基礎(chǔ)上，在孔內(nèi)注入優(yōu)質(zhì)泥漿。旋挖過程中，旋挖機(jī)可靈活移動，但對于厚砂卵層地質(zhì)，旋挖機(jī)本身的自重力不足，需利用加壓油缸增加鉆桿鉆入壓力，將斗齒鉆入地層內(nèi)，完成鉆孔取土任務(wù)。取土后經(jīng)鉆桿、鉆斗將土層移動到地面，后下放鋼筋籠，灌注成樁[1]。常用旋挖工藝包括“干作業(yè)旋挖”“濕作業(yè)旋挖”“全鋼護(hù)筒護(hù)壁旋挖成孔”，項(xiàng)目采用全鋼護(hù)筒護(hù)壁旋挖工藝，旋挖鉆孔時，使用鋼護(hù)筒進(jìn)行護(hù)壁。

4 高速公路厚砂卵層旋挖鉆孔樁施工技術(shù)要點(diǎn)

4.1 施工前準(zhǔn)備

（1）確定樁位。平整場地后，測樣放樣出旋挖鉆孔樁樁位，包括樁中心位置、樁軸線，設(shè)計旋挖機(jī)行走路線。明確樁位后，插打短鋼筋標(biāo)識，插入深度應(yīng)大于30 cm。校核樁位后方可開始成樁作業(yè)。

（2）埋設(shè)護(hù)筒。項(xiàng)目所用鋼護(hù)筒為10～15 mm鋼板制作而成，埋設(shè)深度為13 m，需用多節(jié)鋼護(hù)筒拼接，護(hù)筒直徑大于孔徑約20 cm。護(hù)筒埋設(shè)時，若地面標(biāo)高低于樁頂標(biāo)高，應(yīng)使鋼護(hù)筒高出樁頂約30 cm，反之需高于地面約30 cm。為保障旋挖鉆孔施工質(zhì)量，應(yīng)嚴(yán)格控制鋼護(hù)筒垂直度，護(hù)筒周圍、底部應(yīng)連接緊密，無滲水情況[2]。由于項(xiàng)目鉆孔區(qū)底部土層非黏性土，埋設(shè)護(hù)筒時還應(yīng)回填350 mm厚的黏土，夯實(shí)后安裝護(hù)筒。護(hù)筒上端綁扎方木，對稱吊緊到孔口，避免鋼護(hù)筒下沉，護(hù)筒頂面中心與設(shè)計樁位允許偏差應(yīng)小于5 cm，傾斜度小于1%。

（3）開挖泥漿池。旋挖鉆孔施工前，應(yīng)開挖泥漿池，并根據(jù)地層條件制造泥漿護(hù)壁?？蛇x擇良好造漿黏土或膨潤土，造漿量為旋挖鉆孔樁混凝土體積的2倍，泥漿比重以鉆入地層條件為準(zhǔn)。對于厚砂石層地質(zhì)，泥漿性能指標(biāo)如下：①泥漿比重，應(yīng)用管形鉆頭時，入孔泥漿比重為1.1～1.3，鉆頭為實(shí)心時，泥漿比重需適當(dāng)減小，約為1.2～1.4，巖石為1.2，黏土、粉土為1.3，卵石為1.4。②黏度：入孔時，一般地層的泥漿黏度為16～22 s，松散易坍地層19～28 s。③含砂率小于4%，pH值大于6.5。

（4）鉆機(jī)就位。檢查鉆機(jī)性能，調(diào)整鉆機(jī)垂直度參數(shù)，使鉆桿正對旋挖鉆孔樁基的鋼護(hù)筒中心點(diǎn)。項(xiàng)目所用旋挖鉆機(jī)為中型機(jī)、大型機(jī)，中型機(jī)鉆機(jī)扭矩為180 kN·m，鉆孔直徑約為0.8～1.8 m，可鉆入深度為60 m，發(fā)動機(jī)功率200 kW。大型機(jī)扭矩為240 kN·m，鉆孔直徑1～2.5 m，發(fā)動機(jī)功率300 kW。鉆機(jī)型號分別為XR240E、XR360E。

4.2 旋挖鉆孔

（1）正式鉆孔前，用水準(zhǔn)儀測量護(hù)筒標(biāo)高，將其作為旋挖鉆孔基點(diǎn)，計算孔深。低速鉆進(jìn)后，觀察鉆桿是否垂直，為預(yù)防孔位偏差，主卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩承受荷載應(yīng)大于鉆具重量的20%。

（2）順時針鉆入后，使鉆機(jī)筒體翻板、切削板末端對齊，使鉆屑順利進(jìn)入鉆斗。鉆斗滿后，逆時針旋轉(zhuǎn)鉆頭，封死底板底端開口，提升鉆頭卸土后重新鉆入?？卓谧o(hù)筒需地面0.5 m，便于向孔內(nèi)補(bǔ)漿，套管跟隨鉆進(jìn)時，管底口與旋挖深度相同。孔內(nèi)水位需高于護(hù)筒底腳0.5 m，或高于地下水位1.5～2 m。

（3）鉆入后應(yīng)根據(jù)鉆機(jī)壓力控制進(jìn)尺速度。鉆壓小于150 MPa后，進(jìn)尺速度約為0.2 m/min；鉆壓為150～200 MPa時，進(jìn)尺速度為0.3 m/min；鉆壓為200～260 MPa時，進(jìn)尺速度應(yīng)調(diào)整為0.5 m/min。對于厚卵石層，土層中包含卵石、砂石等硬質(zhì)雜物，鉆入后需減壓，預(yù)防跨孔、孔斜，合理鉆壓為15 MPa，鉆頭速度為15～22轉(zhuǎn)/分[3]。

（4）厚砂卵層砂石區(qū)域土層黏聚力小，旋挖鉆孔時土層穩(wěn)定性差，為減少對砂層擾動，預(yù)防塌孔風(fēng)險，鉆孔時采用“間隔跳鉆”方式，避免影響未澆筑、初凝時間不到的混凝土樁。

（5）鉆入深度為設(shè)計深度以上的20 cm后，停止鉆進(jìn)，更換擴(kuò)底鉆頭鉆孔。首先，提起鉆機(jī)，緩慢放下后，在鉆桿上標(biāo)記深度，計算擴(kuò)孔終點(diǎn)。其次，提起鉆頭，使其懸吊在孔底上，啟動鉆機(jī)、水泵后排出沉渣。最后，開始擴(kuò)孔，慢鉆后上下提升鉆桿，直至鉆入深度符合要求，且擴(kuò)底過程中鉆頭轉(zhuǎn)動順暢無阻。

（6）鉆入深度符合設(shè)計深度后開始清孔，清除孔內(nèi)沉渣，使混凝土澆筑后緊密貼合基巖，提升鉆孔樁承載力。清孔方式是利用清孔鉆頭取出孔底沉渣，清孔后孔內(nèi)泥漿密度應(yīng)控制在1.0～1.2 kg/m3左右。清孔后緩慢提升鉆機(jī)，利用重力作用收攏鉆頭，將鉆頭徹底提升到孔外后驗(yàn)收成孔，測量孔深、孔徑、垂直度，無誤后進(jìn)入下一道工序，旋挖鉆孔樁成孔施工允許誤差如表3所示。

表3 旋挖鉆孔成孔施工允許誤差

項(xiàng)目 允許誤差/mm

孔徑（θ≤1 000 mm） ≤?50

孔深 摩擦樁 不小于設(shè)計孔深

柱樁 不小于設(shè)計孔深，并進(jìn)入設(shè)計巖層

孔位中心偏心 ≤100

傾斜度 ≤1%

澆筑前樁底沉渣厚度 摩擦樁 ≤200

端承樁 ≤50

4.3 鋼筋籠制作與安裝

項(xiàng)目所用鋼筋籠在加工廠集中生產(chǎn)，由多節(jié)鋼筋制作而成，每節(jié)鋼筋長度控制在10 m以內(nèi)。

（1）鋼筋加工時，需提前焊接加強(qiáng)筋、主筋，綁扎箍筋后編號。使用主筋時，應(yīng)將主筋調(diào)直，確保主筋無彎折情況，加工時可采用電弧焊工藝，焊接區(qū)域接頭應(yīng)錯開，且相同區(qū)域接頭數(shù)量應(yīng)小于主筋總數(shù)的二分之一。鋼筋籠肋筋實(shí)施雙面搭接焊接工藝，搭接長度為5d，d為鋼筋直徑，主筋間距、箍筋間距、鋼筋籠長度、傾斜度應(yīng)符合鋼筋籠安裝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。比如，主筋間距誤差應(yīng)小于10 mm，箍筋間距誤差應(yīng)小于20 mm，鋼筋傾斜度誤差應(yīng)小于1%，鋼筋籠長度誤差應(yīng)小于50 mm[4]。

（2）安裝聲測管，項(xiàng)目聲測管采用3根D≥5 cm鋼管，可直接綁扎于加強(qiáng)箍筋，呈等邊三角形。管上、下端與鋼板密封焊接。聲測管上端應(yīng)高于旋挖鉆孔樁頂面20 cm，下端緊挨樁底。聲測管每節(jié)長8～12 m，各管節(jié)間焊接套管焊接。將聲測管存放于鋼筋籠時還應(yīng)設(shè)置醒目標(biāo)識，每2～3 m放置墊木，覆蓋管節(jié)。

（3）檢驗(yàn)鋼筋籠加工質(zhì)量后吊裝鋼筋籠。頂端節(jié)鋼筋籠可設(shè)置吊筋，應(yīng)用起重機(jī)起吊。吊點(diǎn)拴牢后將鋼筋起吊到鋼筋籠直徑方向。鋼筋籠離地約0.5 m后，還應(yīng)檢查其穩(wěn)定性，緩慢起吊后調(diào)整其垂直度，使其和地面垂直，緩慢將鋼筋籠下放到孔內(nèi)。鋼筋下放到位后，移除鋼絲繩、卡環(huán)，調(diào)整吊點(diǎn)，繼續(xù)下放到設(shè)計位置。

4.4 二次清孔

吊放鋼筋籠后進(jìn)行二次清孔，根據(jù)旋挖鉆孔樁施工技術(shù)規(guī)范，處理孔底沉渣，設(shè)計無要求時，柱樁底沉渣應(yīng)小于10 cm，摩擦樁孔底沉渣小于30 cm?？椎壮猎环弦髸r，需按照首次清孔方式清孔，沉渣厚度較大時，應(yīng)吊出鋼筋籠，懸吊后清孔，二次清孔后孔底泥漿密度應(yīng)小于1.15 kg/m3，泥漿黏度為16～18 Pa·s，含沙量小于2%，膠體率≥95%。清孔結(jié)束后垂直吊放鋼筋籠，安裝導(dǎo)管，灌注混凝土。

導(dǎo)管采用ф300鋼管，首節(jié)鋼管長度為400 cm，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)為270 cm，同時配有150 cm的短管，管徑基本一致，內(nèi)壁光滑。安裝時可用汽車吊裝，接頭處采用絲扣連接，連接后應(yīng)用橡膠墊圈密封[5]。導(dǎo)管安裝時，管底和孔底間距應(yīng)控制在50 cm左右，使用前進(jìn)行水密試驗(yàn)，不得漏水。組裝后，導(dǎo)管軸線偏差不得小于孔深0.5%，連接螺栓螺帽在上，試壓壓力宜為孔底靜水壓力1.5倍。

4.5 澆筑混凝土

項(xiàng)目混凝土強(qiáng)度設(shè)計為C35，集中攪拌后通過混凝土泵車現(xiàn)場澆筑。拌和混凝土?xí)r應(yīng)控制好材料坍落度，坍落度約為20～22 cm。

（1）應(yīng)用導(dǎo)管法澆筑混凝土，料斗內(nèi)裝滿混凝土后，檢查灌注機(jī)具，確保設(shè)備滿足混凝土正常澆筑條件后，開始澆筑混凝土。首批混凝土應(yīng)提前計算，一次性澆筑后混凝土厚度應(yīng)大于50 cm，使鉆孔底部混凝土一次封底。封底混凝土下落應(yīng)帶有沖擊能量，可將泥漿從導(dǎo)管中排出，并使導(dǎo)管下端埋入深度孔樁為1～3 m?？讖捷^大時，可適當(dāng)增加澆筑時泵送量，加速泵送，直至料斗內(nèi)的混凝土順利封底。

（2）由于澆筑過程中孔底混凝土?xí)蚩卓跀D壓上升，每15 min需升降導(dǎo)管，起到振搗作用?；炷撩嫔吆?，注意孔內(nèi)混凝土坍落情況，實(shí)時監(jiān)測孔內(nèi)混凝土高度，記錄澆筑過程中導(dǎo)管埋設(shè)深度，結(jié)合實(shí)際情況提升、拆卸各節(jié)導(dǎo)管，將導(dǎo)管實(shí)際埋深控制在3 m左右。埋深過小時會引起斷樁風(fēng)險，過大時則會造成導(dǎo)管封堵，導(dǎo)致導(dǎo)管難以拔出。

（3）正常澆筑期間，提升導(dǎo)管時應(yīng)使導(dǎo)管位置居中，沿著鉆孔軸線緩慢提升，直至澆筑作業(yè)完成。為保證旋挖鉆孔樁長符合要求，混凝土澆筑時，澆筑高度應(yīng)大于設(shè)計標(biāo)高約0.6 m。澆筑結(jié)束后依次拔出導(dǎo)管，及時清洗導(dǎo)管。

4.6 施工難點(diǎn)及處理

4.6.1 塌孔

項(xiàng)目沿線包含粉質(zhì)黏土地層條件，該區(qū)域土質(zhì)由碎石、黏土組成，難以碾壓密實(shí)，整體結(jié)構(gòu)松散。應(yīng)用旋挖鉆孔工藝時會出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，為預(yù)防塌孔需采取對應(yīng)處理措施。對于普通塌孔情況，可通過鉆機(jī)反轉(zhuǎn)、慢鉆，或是泥漿護(hù)壁的方式輔助鉆孔作業(yè)。土層內(nèi)孔洞較大、無法應(yīng)用泥漿護(hù)壁工藝時，應(yīng)回填混凝土，混凝土強(qiáng)度符合要求后重新旋挖鉆孔。地層內(nèi)包含地下水時，則需埋設(shè)鋼護(hù)筒。

（1）泥漿護(hù)壁、鉆機(jī)翻轉(zhuǎn)及慢鉆。泥漿護(hù)壁的技術(shù)原理是利用泥漿平衡孔內(nèi)壓力，保護(hù)孔壁，使孔壁外形成整體，預(yù)防孔內(nèi)滲流，降低塌孔風(fēng)險。同時，有助于潤滑鉆頭，懸浮孔底沉渣。泥漿制備材料包括膨潤土、CMC、黏土等。膨潤土用量約為5%～8%，CMC摻入量為0.18%，黏土含砂率取值為4%，泥漿比重取值1.15%，黏度需控制值為18～28 Pa·s左右，均符合規(guī)范要求。泥漿護(hù)壁后，旋挖鉆孔時應(yīng)采取反鉆工藝，鉆入后適當(dāng)施壓，提升鉆孔內(nèi)回填土密實(shí)度。壓實(shí)孔內(nèi)回填土后，反鉆鉆孔，緩慢提升鉆頭。制備護(hù)壁泥漿時，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計配比拌和泥漿，每桶泥漿拌和時間應(yīng)大于10 min。拌和后應(yīng)轉(zhuǎn)移到泥漿池內(nèi)，分化24 h后使用。

（2）回填混凝土?xí)r，可將低于旋挖鉆孔樁混凝土等級的素混凝土灌入孔內(nèi)，混凝土強(qiáng)度等級約為C20、C25。混凝土回填后可填充可能塌陷的孔隙，預(yù)防塌孔?；靥詈箴B(yǎng)護(hù)3～5 d，混凝土強(qiáng)度等級為50%后旋挖鉆孔。

4.6.2 孔位偏移

項(xiàng)目沿線地質(zhì)復(fù)雜，部分旋挖鉆孔樁孔徑范圍內(nèi)的土質(zhì)軟硬不同，鉆入后鉆具受力不均勻，容易造成孔位偏移、樁身傾斜情況，需提前預(yù)防。①鉆進(jìn)期間，持續(xù)觀察鉆機(jī)顯示屏上的壓力值、垂直度、鉆進(jìn)速度，將其控制在標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)，預(yù)防孔位偏差。②鉆入后發(fā)現(xiàn)活動石、硬質(zhì)孤石時，若埋深較小，可將其挖出后開始鉆孔。埋深較大時，應(yīng)基于取芯法，減小鉆入壓力，緩慢鉆進(jìn)后實(shí)時糾偏，以提升鉆孔垂直度。③為使鉆頭受力均勻，需在鉆入時及時調(diào)整鉆桿角度。因巖層傾斜角過大、土層軟硬不均導(dǎo)致鉆位傾斜時，可取芯慢鉆，鉆入巖層約30 cm后，調(diào)整鉆桿，加壓垂直鉆孔或投入3 cm碎石，調(diào)整土層硬度，逐層鉆入。

5 結(jié)語

綜上所述，高速公路是城市交通體系的重要組成部分，為保障高速公路樁基施工質(zhì)量，應(yīng)用旋挖鉆孔施工技術(shù)時，還應(yīng)提前做好后砂卵層地質(zhì)勘測工作，掌握地質(zhì)信息后優(yōu)化施工設(shè)計，分別從泥漿制備、護(hù)筒埋設(shè)、旋挖鉆孔、鋼筋籠制作安裝、混凝土澆筑等環(huán)節(jié)入手，明確砂卵層旋挖鉆孔樁施工要點(diǎn)，規(guī)范施工操作，保障高速公路橋梁成樁質(zhì)量，促進(jìn)高速公路樁基施工技術(shù)的完善。

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