淺談中～硬質(zhì)巖層鉆孔樁快速施工技術(shù)

湯文濤

廣州市地下鐵道總公司，廣東省 廣州市 510380

1 概述

旋挖鉆機(jī)是一種專門的灌注樁成孔作業(yè)施工機(jī)械，廣泛用于市政建設(shè)、公路和鐵路橋梁、高層建筑等基礎(chǔ)施工。近年來，旋挖鉆機(jī)作為鉆孔灌注樁施工中一種較為先進(jìn)的施工機(jī)械，因其適應(yīng)樁徑范圍廣、樁位定位準(zhǔn)確、成孔速度快質(zhì)量好、自動(dòng)化程度高、移動(dòng)靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，特別是其具有高環(huán)保性和工作效率，在市政及高速公路橋梁樁基施工中，顯示出明顯的優(yōu)越性。旋挖鉆機(jī)配以適宜的鉆具可在填土、黏土、粉土、砂性土、砂卵礫石層以及軟～中硬質(zhì)裂隙層理較發(fā)育的基巖等地層進(jìn)行成孔作業(yè)。但對(duì)于較完整、層理裂隙不發(fā)育的中～硬質(zhì)的巖層，采用旋挖鉆機(jī)施工鉆孔樁存在較大的困難。為了更好地發(fā)揮旋挖鉆機(jī)施工的優(yōu)點(diǎn)，豎井圍護(hù)結(jié)構(gòu)鉆孔樁采用潛孔鉆機(jī)配合旋挖鉆機(jī)進(jìn)行硬巖段鉆孔樁施工，取得了良好的效果。

2 工程概況

豎井圍護(hù)結(jié)構(gòu)鉆孔樁共有40根，設(shè)計(jì)樁長為17.75m，樁徑為800mm。樁設(shè)計(jì)入巖深度不得小于1m。因巖面分布差異較大，樁入巖平均深度為6m。根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料揭示，豎井范圍內(nèi)從上至下依次有：人工填土層（2.02m）、殘積土層（1.8m）、花崗巖全風(fēng)化帶（11.8m）、花崗巖中風(fēng)化帶（12.998m）。根據(jù)場區(qū)地層情況，首先進(jìn)行了4根試樁施工。在試樁施工中風(fēng)化和微風(fēng)化砂巖段的過程中，采用螺旋鑿巖鉆頭進(jìn)行施工。由于巖石整體性好、硬度大，鉆孔樁鉆進(jìn)速度緩慢，入巖鉆進(jìn)速度僅有1m/天,旋挖鉆機(jī)成孔速度快的優(yōu)點(diǎn)沒有得到充分的發(fā)揮，同時(shí)在施工過程中因鉆進(jìn)阻力較大，鉆機(jī)和鉆具損耗太大，硬質(zhì)合金鉆齒更換太頻繁，綜合運(yùn)轉(zhuǎn)成本太高。為了確保鉆機(jī)安全施工并保證施工進(jìn)度，經(jīng)研究決定采用MDL-135D錨固鉆機(jī)成孔配合旋挖鉆機(jī)進(jìn)行硬巖段鉆孔樁施工。

3 施工工藝

初勘地質(zhì)報(bào)告顯示：鉆孔樁由上至下地層為人工填土層、可塑狀殘積土層、硬塑狀殘積土層、全風(fēng)化花崗巖層、中風(fēng)化花崗巖層，最大巖石強(qiáng)度約30MPa。

鉆孔樁施工前對(duì)豎井四個(gè)角點(diǎn)位置進(jìn)行補(bǔ)勘，探明豎井8m*10m范圍內(nèi)中風(fēng)化花崗巖巖面高差達(dá)4.5m，其中豎井東北角鉆孔樁已進(jìn)入微風(fēng)化地層4m，巖石強(qiáng)度達(dá)63MPa，這給施工帶來了極大困難?，F(xiàn)場鉆芯取樣照片見圖1所示。

圖1 鉆芯取樣照片

通過對(duì)地層巖性、深度進(jìn)行分析研究，認(rèn)為僅采用旋挖鉆無法發(fā)揮旋挖機(jī)成孔快的優(yōu)勢，決定采用潛孔鉆配合旋挖鉆機(jī)成孔。具體施工工藝流程如圖2所示。

3.1 施工準(zhǔn)備

施工前，先清除設(shè)計(jì)樁位范圍內(nèi)場地的雜物，平整施工場地，保證潛孔鉆機(jī)及旋挖鉆機(jī)底座場地平整、夯實(shí)，避免在鉆進(jìn)過程中鉆機(jī)產(chǎn)生沉陷。

3.2 測量放線

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，現(xiàn)場測量放樣定出鉆孔樁位置。

3.3 護(hù)筒埋設(shè)

樁位確定后，利用十字線放出四個(gè)控制樁位，并以四個(gè)控制樁為基準(zhǔn)埋設(shè)護(hù)筒。護(hù)筒直徑比樁基孔徑大100mm～150mm，長2m，護(hù)筒至少高出地面300mm。挖埋護(hù)筒時(shí)坑底應(yīng)整平，然后找出護(hù)筒的圓心位置，用十字線定在護(hù)筒頂部或底部，然后移動(dòng)護(hù)筒使護(hù)筒中心與鉆孔中心位置重合，用水平尺或錘球檢查，保證護(hù)筒垂直度。

3.4 潛孔鉆成孔

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況選擇合適的潛孔鉆施工機(jī)械。本工程采用了MDL-135D錨固鉆機(jī)進(jìn)行潛孔鉆施工。

（1）鉆孔布置

在樁孔內(nèi)施工足夠數(shù)量的不小于鉆孔樁設(shè)計(jì)孔深的小口徑梅花形布置的鉆孔（本工程每樁布置3～5個(gè)孔），以便在孔底形成便于旋挖鉆機(jī)進(jìn)行全面破碎的結(jié)構(gòu)面。潛孔鉆成孔直徑為130mm，按5個(gè)孔計(jì)算，潛孔破碎面積為0.066m2，占鉆孔樁面積的13.2%?，F(xiàn)場潛孔鉆鉆孔布置見圖2所示。

（2）鉆進(jìn)成孔

鉆機(jī)就位對(duì)準(zhǔn)布置好的孔位，然后開始鉆進(jìn)。每節(jié)鉆桿長度為3米，鉆進(jìn)過程中通過依次添加鉆桿達(dá)到設(shè)計(jì)孔深。鉆機(jī)配套動(dòng)力為一臺(tái)15m3空壓機(jī)。鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中一方面通過活塞桿往返運(yùn)動(dòng)，使回轉(zhuǎn)供風(fēng)機(jī)構(gòu)向前滑動(dòng)，鉆具以一定軸壓作用于孔底，實(shí)現(xiàn)鑿巖推進(jìn)；另一方面，通過其空心軸把高壓風(fēng)送入鉆桿直達(dá)沖擊器，經(jīng)由鉆頭通風(fēng)孔完成孔底吹碴動(dòng)作，將孔底雜物吹出孔外。鉆頭構(gòu)造見圖3所示。

圖2 現(xiàn)場潛孔鉆鉆孔布置圖

圖3 鉆頭構(gòu)造圖

3.5 鉆孔樁成孔

鉆孔樁內(nèi)的潛孔鉆施工完成后用旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)施工。本工程采用SR-150C旋挖鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔樁成孔施工。鉆孔進(jìn)行前，司鉆人員必須先熟悉地質(zhì)狀況，從而確定所處地層，調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)。在鉆進(jìn)過程中鉆機(jī)不能產(chǎn)生位移或沉陷，否則應(yīng)及時(shí)處理。處理孔內(nèi)事故或因故停鉆時(shí)，必須將鉆頭提出孔外。

首先是通過鉆機(jī)自有的行走功能和桅桿變幅機(jī)構(gòu)使得鉆具能正確的就位到樁位，利用桅桿導(dǎo)向下放鉆桿將底部帶有活門的桶式鉆頭置放到孔位，樁機(jī)就位后開始鉆孔。在護(hù)筒底處應(yīng)低壓慢速鉆進(jìn)，鉆至護(hù)筒底下1.0m左右后開始正常鉆進(jìn)。鉆機(jī)動(dòng)力頭裝置為鉆桿提供扭矩、加壓裝置通過加壓動(dòng)力頭的方式將加壓力傳遞給鉆桿鉆頭。土層段一般采用筒式鉆頭，施工時(shí)在孔內(nèi)將鉆頭下降到預(yù)定深度后，轉(zhuǎn)鉆頭并加壓，旋起的土擠入鉆筒內(nèi)，泥土擠滿鉆筒后,反轉(zhuǎn)鉆頭，鉆頭底部封閉并提出孔外，然后自動(dòng)開啟鉆頭底部開關(guān)，倒出棄土。巖層段成孔采用螺旋破巖鉆頭回轉(zhuǎn)破碎巖體，并直接將其裝入鉆頭內(nèi)，然后再由鉆機(jī)提升裝置和伸縮式鉆桿將鉆頭提出孔外卸土，這樣循環(huán)往復(fù)，直至鉆至設(shè)計(jì)深度。鉆進(jìn)過程中注意調(diào)整成孔垂直度，樁深度不得小于設(shè)計(jì)深度。

3.6 吊裝鋼筋籠、下放導(dǎo)管、澆筑砼

鋼筋籠吊放采用25T汽車吊車一次性下放，采用兩點(diǎn)起吊法。鉆孔樁身混凝土采用導(dǎo)管法灌注水下混凝土。具體施工方法與鉆孔灌注樁施工方法相同。

4 常見問題及相應(yīng)的對(duì)策

4.1 卡鉆及處理措施

在施工過程中入較深的中風(fēng)化花崗巖或微風(fēng)化花崗巖巖層時(shí)，會(huì)出現(xiàn)鉆頭卡鉆情況，卡鉆后鉆桿拔出困難，導(dǎo)致無法繼續(xù)施工，旋挖鉆無法施工到設(shè)計(jì)深度，如下圖。

原因：1）機(jī)手操作不熟練，非專業(yè)司鉆工；2）在入較深的花崗巖或比較破碎的巖層時(shí)沒有來回反復(fù)的提拔，而是一味地鉆進(jìn)。

預(yù)防措施：

1）在施工前進(jìn)行崗前培訓(xùn)，積累施工經(jīng)驗(yàn)。

2）在入花崗巖巖層較深或巖層比較破碎時(shí)采用來回反復(fù)提拔，多次利用高壓風(fēng)把打碎的巖碴（粉）吹出孔內(nèi)，防止巖碴填滿鉆桿與孔壁之間的空隙出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象。

圖4

4.2 潛孔鉆數(shù)量不夠?qū)е滦跈C(jī)無法鉆到設(shè)計(jì)深度

潛孔鉆卡鉆后未繼續(xù)施工到設(shè)計(jì)深度，以及潛孔鉆施鉆時(shí)相鄰兩孔在巖層位置偏斜造成串孔，這兩種現(xiàn)象均導(dǎo)致潛孔鉆數(shù)量不夠，旋挖鉆鉆不到設(shè)計(jì)深度；而旋挖鉆施工又未達(dá)到設(shè)計(jì)深度且出現(xiàn)中間低四周高現(xiàn)象，二次使用潛孔鉆施工時(shí)造成滑鉆現(xiàn)象，導(dǎo)致工藝失敗。

措施：必須將所有潛孔鉆施工到設(shè)計(jì)深度后，再采用旋挖鉆施工，嚴(yán)格執(zhí)行潛孔鉆與旋挖鉆的施工順序。

4.3 砂層串孔導(dǎo)致砼超灌及其對(duì)策

潛孔鉆與旋挖鉆同時(shí)施工時(shí)，潛孔鉆鉆頭處的高壓風(fēng)對(duì)砂層擾動(dòng)破壞嚴(yán)重，出現(xiàn)與正在施工的鉆孔樁之間地層串通，導(dǎo)致砼超灌嚴(yán)重。

措施：旋挖鉆與潛孔鉆盡量避免同時(shí)施工。

4.4 砂層塌方及處理措施

潛孔鉆施工至砂層位置時(shí)，潛孔鉆鉆頭處的高壓風(fēng)破壞擾動(dòng)該地層，極易造成塌方。

措施：

1）潛孔鉆鉆孔時(shí)下套管護(hù)壁，對(duì)土層擾動(dòng)較小，塌方的幾率較?。?/p>

2）采用跳孔施工，潛孔鉆施工完成后，立即完成旋挖鉆施工，潛孔鉆不宜連續(xù)施工；

3）旋挖鉆施工時(shí)采用泥漿護(hù)壁施工，對(duì)砼超方有了明顯的改善。

5 與沖擊鉆成孔的工期造價(jià)對(duì)比

5.1 工期對(duì)比

施工歷時(shí)共50天，累計(jì)完成鉆孔樁40根，共計(jì)成樁710.95m，其中入中風(fēng)化巖巖層成樁約240m，樁均長入中風(fēng)化巖層6m。

現(xiàn)場潛孔鉆鉆進(jìn)速度約為0.7m/min，每孔鉆進(jìn)時(shí)間約為30min，拔出鉆桿時(shí)間約為15min，包括鉆機(jī)就位、維修等耗費(fèi)時(shí)間，每孔用時(shí)約1h。每根樁按5個(gè)孔計(jì)算，潛孔鉆施工需用時(shí)5h。潛孔鉆完成后采用旋挖鉆成孔時(shí)間約為5h，包括下鋼筋籠和混凝土澆筑時(shí)間在內(nèi)，成樁約14h/根。而采用沖擊鉆機(jī)成孔，入巖約1m/天，成樁約4天/根，速度比潛孔樁配合旋挖鉆施工慢得多。

5.2 造價(jià)對(duì)比

采用潛孔鉆配合旋挖鉆進(jìn)行嵌巖樁施工，成孔成本約300元/m，而采用傳統(tǒng)的沖孔施工成本約200元/m，采用潛孔鉆配合旋挖鉆進(jìn)行嵌巖樁施工成本為傳統(tǒng)施工工藝成本的1.5倍。

6 結(jié)語

潛孔鉆配合旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)行中～硬質(zhì)巖層鉆孔樁施工，充分發(fā)揮了潛孔錘對(duì)硬、脆、碎基巖地層施工小口徑速度快的優(yōu)越性，也發(fā)揮了旋挖鉆機(jī)施工大口徑速度快的優(yōu)越性，解決了僅采用旋挖鉆機(jī)在中硬巖地層施工難題，達(dá)到了中硬巖層快速施工的目的，可供今后類似工程施工借鑒。本工程鉆孔樁直徑較小，僅800mm，對(duì)于大直徑、更高強(qiáng)度硬巖層中采用潛孔鉆與旋挖鉆相結(jié)合施工是否適用，需要進(jìn)一步實(shí)踐。