灌注樁長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)全護(hù)筒成孔施工技術(shù)

羅偉，武崗松，宋承禹，董良民，韓紹強(qiáng)，劉海民

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066002）

1 工程概況

沙特延布海岸開發(fā)Ⅰ、Ⅱ期工程，位于沙特西部，濱紅海沿岸，是沙特皇家委員會(huì)的一個(gè)海岸景觀項(xiàng)目。施工內(nèi)容包括港池疏浚、場(chǎng)地回填、護(hù)坡、沙灘游泳池和景觀綠化，以及海墻、擋土墻、行車橋等。其中2處海墻和3段擋土墻總長(zhǎng)度約1000 m，2處海墻位于人工島I2島上，3段擋土墻位于C3航道，具體位置如圖1所示。

海墻、擋土墻和橋梁均采用灌注樁基礎(chǔ)，場(chǎng)地標(biāo)高約+1.0 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)35 MPa，表面噴漆環(huán)氧鋼筋。灌注樁參數(shù)如表1所示。

海墻設(shè)計(jì)斷面圖和灌注樁施工示意圖如圖2所示。

2 地質(zhì)條件

圖1 沙特延布海岸開發(fā)Ⅱ期工程平面布置圖

表1 灌注樁參數(shù)匯總表

圖2 海墻設(shè)計(jì)斷面圖和灌注樁施工示意圖

本工程位于沙特紅海沿岸斷裂帶附近，屬生物海岸瀉湖地形地貌。紅海沿岸地殼下降、海平面上升，由古珊瑚礁和地質(zhì)沉積（多由粉砂淤泥質(zhì)夾砂礫石物質(zhì)組成，往往有黑色有機(jī)質(zhì)黏土與貝殼碎屑等沉積物）作用形成目前的地質(zhì)條件。海岸的演變，使珊瑚礁的分布雜亂無章。

施工區(qū)域水深1～5 m。開工前對(duì)灌注樁區(qū)域進(jìn)行了地質(zhì)勘察，勘察鉆孔共48個(gè)，根據(jù)勘察成果，該區(qū)域地基的土層情況自上而下依次為：標(biāo)貫擊數(shù)1～5擊的淤泥、中等密實(shí)的黏性土或砂、密實(shí)或非常密實(shí)的砂或堅(jiān)硬的黏性土，其中表層淤泥層厚度2～23 m不等，部分鉆孔中間夾雜著一層或兩層珊瑚礁。48個(gè)鉆孔之間的地質(zhì)差異非常大，基本沒有規(guī)律。

3 灌注樁護(hù)壁、鉆孔工藝選擇

供選擇的灌注樁護(hù)壁工藝有傳統(tǒng)的泥漿護(hù)壁工藝，和使用通長(zhǎng)護(hù)筒護(hù)壁工藝（以下稱全護(hù)筒工藝）。由于本工程大部分區(qū)域地基表層存在較厚的淤泥質(zhì)土、且護(hù)筒內(nèi)外水頭差比較小（施工平臺(tái)標(biāo)高+1.0 m左右，平均潮位+0.1 m）等特點(diǎn)，故不適合采用傳統(tǒng)的泥漿護(hù)壁灌注樁施工工藝。

為了驗(yàn)證傳統(tǒng)的泥漿護(hù)壁灌注樁施工工藝在本工程特點(diǎn)下的可行性，在正式施工前，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證選擇在施工區(qū)域地質(zhì)條件相對(duì)較好的SW-6號(hào)鉆孔附近。SW-6號(hào)鉆孔地質(zhì)情況如表2所示。

表2 SW-6號(hào)鉆孔地質(zhì)描述表

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的施工方式是履帶吊吊振動(dòng)錘下護(hù)筒，旋挖鉆成孔，泥漿護(hù)壁。實(shí)驗(yàn)樁長(zhǎng)20 m，鉆孔深度26 m，護(hù)筒長(zhǎng)度20 m，護(hù)筒底部進(jìn)入密實(shí)的砂層4 m，護(hù)壁內(nèi)泥漿比重為1.06，在成孔后，護(hù)筒下孔壁坍塌嚴(yán)重，15 min孔深減小了3 m，雖加大了泥漿比重，但仍然不能維持孔壁穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)證明，泥漿護(hù)壁工藝不適用于本工程。

全護(hù)筒施工采用120M-608型履帶式長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)，鉆機(jī)如圖3，鉆頭和鉆桿如圖4。設(shè)備自重約120 t，高度41 m，適合于樁長(zhǎng)在32 m以內(nèi)的灌注樁施工。

主臂呈豎直狀態(tài)，通過后部?jī)筛螚U的伸縮，調(diào)整垂直度，其上安裝了兩套驅(qū)動(dòng)裝置，分別驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)螺旋鉆桿和驅(qū)動(dòng)護(hù)筒。主機(jī)尾部配發(fā)電機(jī)和空壓機(jī)，為鉆桿和護(hù)筒驅(qū)動(dòng)裝置提供動(dòng)力；下方設(shè)兩根液壓油缸，工作中通過伸縮，支撐在地面上，增加設(shè)備的穩(wěn)定性。主機(jī)配置三套卷?yè)P(yáng)，主臂頂部設(shè)多套滑輪組，可兼做起重設(shè)備。長(zhǎng)螺旋鉆桿分節(jié)拼裝，每節(jié)長(zhǎng)度6～9 m，連接方式為內(nèi)六角承插接頭，銷子固定，組裝、拆卸比較方便。120M-608型長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)能夠在鉆孔的同時(shí)驅(qū)動(dòng)護(hù)筒，直至整個(gè)鉆孔。

圖3 120M-608型長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)圖

圖4 鉆頭和鉆桿圖

4 全護(hù)筒施工工藝流程及施工要點(diǎn)

4.1 施工工藝流程

全護(hù)筒施工工藝流程與傳統(tǒng)的泥漿護(hù)壁工藝基本相同，如圖5所示，其主要區(qū)別在于成孔設(shè)備和鉆孔方式。

圖5 施工工藝流程圖

在成孔前要完成連接護(hù)筒與其驅(qū)動(dòng)裝置。具體步驟如下：首先在鉆孔附近開動(dòng)鉆桿鉆進(jìn)，至地面以上剩余15 m左右，卸掉鉆桿的驅(qū)動(dòng)連接銷，旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)，將鉆桿留在土中，吊車吊護(hù)筒，套在鉆桿外側(cè)，鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)將護(hù)筒驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)準(zhǔn)護(hù)筒，對(duì)正、旋轉(zhuǎn)將其連接，開動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，將護(hù)筒向下驅(qū)動(dòng)，至鉆桿頂部以下，連接另一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置與鉆桿，旋轉(zhuǎn)拔出護(hù)筒和鉆桿，鉆桿和護(hù)筒同時(shí)連接到鉆機(jī)上。全護(hù)筒工藝使用的護(hù)筒，壁厚10～12 mm，其外徑略大于設(shè)計(jì)樁徑，每延米重量約300 kg。

鉆機(jī)對(duì)準(zhǔn)鉆孔位置后，開動(dòng)鉆桿驅(qū)動(dòng)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆進(jìn)約2～3 m后，同時(shí)開動(dòng)護(hù)筒驅(qū)動(dòng)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)跟進(jìn)，保持護(hù)筒底部與鉆桿底部基本平齊。在鉆進(jìn)過程中，土方隨螺旋上升，從護(hù)筒驅(qū)動(dòng)上部的排渣孔向外排放，直至達(dá)到要求的深度。鉆桿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，慢慢提升，清理鉆孔內(nèi)的土方，采用氣舉反循環(huán)或旋挖鉆機(jī)清孔，孔深驗(yàn)收合格后，下鋼筋籠，澆筑混凝土。在混凝土澆筑后，使用鉆機(jī)迅速拔出護(hù)筒，其最大上拔力60 t。拔出2～3 m時(shí)，補(bǔ)澆混凝土，填補(bǔ)由于護(hù)筒拔出其側(cè)壁占用的空隙，確保護(hù)筒拔出后的混凝土頂面高于設(shè)計(jì)頂標(biāo)高。

4.2 施工要點(diǎn)

成孔質(zhì)量是灌注樁施工中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其質(zhì)量的好壞決定灌注樁的質(zhì)量。在通長(zhǎng)護(hù)筒拔出過程中鋼筋籠的下沉，特別是在松軟地基條件下，是全護(hù)筒工藝需要解決的最大問題，在施工過程中應(yīng)按以下施工要點(diǎn)，加強(qiáng)過程控制。

1）成孔過程中加水維持護(hù)筒內(nèi)外水頭平衡，防止發(fā)生管涌。雖然使用通長(zhǎng)護(hù)筒，但隨著成孔深度的增加，內(nèi)外水頭差加大，若不及時(shí)注水，護(hù)筒周圍土方將沿護(hù)筒底部上涌，形成空洞，在護(hù)筒拔除時(shí)，混凝土面迅速下降，填補(bǔ)底部空洞，造成混凝土的使用量的增大，并且混凝土的下沉將導(dǎo)致鋼筋籠的下沉。全護(hù)筒工藝成孔過程，護(hù)筒周圍土方損失不易察覺，損失量大小不易掌握，需要特別關(guān)注；

2）鉆頭鉆進(jìn)過程中不得低于護(hù)筒底部，保證孔壁不坍塌；

3）鉆孔鉆至螺旋鉆頭底部高于設(shè)計(jì)孔底標(biāo)高0.5 m左右，采用氣舉反循環(huán)清理孔底松散土層，不得擾動(dòng)設(shè)計(jì)孔底標(biāo)高以下土層，以免影響灌注樁的承載力；

4）使用表面噴漆環(huán)氧鋼筋的灌注樁鋼筋籠，建議在主筋搭接和主筋與箍筋交叉位置焊接加強(qiáng)，增加鋼筋籠的整體剛度；

5）混凝土澆筑后拔出護(hù)筒要及時(shí)，并使用履帶吊或鉆機(jī)，懸吊鋼筋籠，防止其下沉。

5 全護(hù)筒工藝的優(yōu)缺點(diǎn)

5.1 全護(hù)筒工藝的優(yōu)點(diǎn)

5.1.1 成樁質(zhì)量好，特別適用于松軟地基條件

鉆孔過程中，鉆桿始終在護(hù)筒跟進(jìn)條件下鉆進(jìn)，護(hù)筒保證孔壁的穩(wěn)定，防止坍塌，同時(shí)，鉆桿清理中間密實(shí)土層，為護(hù)筒的下沉減小了阻力，兩者相輔相成，保證了成孔質(zhì)量，在清孔后，不會(huì)產(chǎn)生沉渣。

鉆孔前調(diào)整主臂的垂直度，鉆孔過程中，護(hù)筒和鉆桿始終沿主臂升降，保證了鉆孔的垂直度。

混凝土澆筑后拔出護(hù)筒，使混凝土澆筑始終在護(hù)筒保護(hù)下進(jìn)行，保證了樁身質(zhì)量，斷面尺寸均勻一致，使灌注樁施工中存在的質(zhì)量通病，如孔壁坍塌、沉渣過厚、擴(kuò)徑、縮徑乃至斷樁等，得到了有效解決。

灌注樁載荷試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，開挖部分樁體質(zhì)量良好（如圖6），低應(yīng)變檢測(cè)樁身質(zhì)量完好。

圖6 開挖后的灌注樁

5.1.2 施工成本低

由于采用通長(zhǎng)護(hù)筒，減少了泥漿的使用，節(jié)約了膨潤(rùn)土等原材料和泥漿制作、處理費(fèi)用，而護(hù)筒一次投入，可以循環(huán)使用，該工藝尤其適用于沙特這種膨潤(rùn)土材料稀缺的國(guó)家和地區(qū)，預(yù)計(jì)每延米灌注樁可節(jié)約成本60元。同時(shí)，長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)集鉆孔、下護(hù)筒、拔護(hù)筒和吊裝功能于一身，減少了振動(dòng)錘和履帶吊的配置，節(jié)約了機(jī)械費(fèi)用。

5.1.3 安全環(huán)保

通長(zhǎng)護(hù)筒的使用，避免了成孔、下放鋼筋籠和混凝土澆筑整個(gè)施工過程中的孔壁坍塌，保證了設(shè)備和人員的安全。取消泥漿使用，降低了水土和環(huán)境污染。

5.1.4 對(duì)地質(zhì)變化適應(yīng)能力強(qiáng)，施工效率高

由于鉆桿與護(hù)筒同時(shí)鉆進(jìn)，相輔相成，遇到軟弱土質(zhì)時(shí)，護(hù)筒為鉆桿提供支撐，遇到堅(jiān)硬土質(zhì)時(shí)，鉆桿為護(hù)筒下沉清除障礙，兩者的有機(jī)結(jié)合，提高了施工效率。25 m深的鉆孔，軟弱土質(zhì)成孔時(shí)間1 h，堅(jiān)硬土層1.5 h。對(duì)于直徑0.8 m，樁長(zhǎng)20 m的灌注樁，曾在1 d內(nèi)單機(jī)完成29根。

5.2 全護(hù)筒工藝的缺點(diǎn)

5.2.1 對(duì)地基承載力要求較高

設(shè)備自重120 t，接地壓力較大，施工樁長(zhǎng)29 m灌注樁時(shí)，成孔深度35 m，護(hù)筒長(zhǎng)度36 m，重量10 t，加上護(hù)筒拔出和鋼筋籠懸吊的荷載，總荷載約200 t。場(chǎng)地要回填較好的材料，碾壓密實(shí)，才能滿足設(shè)備行走和作業(yè)要求。

5.2.2 使用范圍有限

該鉆機(jī)主臂長(zhǎng)度41 m，設(shè)備最大起拔能力60 t，僅適用于孔深在32 m以內(nèi)，樁徑小于1.0 m的灌注樁。

5.2.3 混凝土充盈系數(shù)較大

由于在混凝土澆筑后拔出護(hù)筒，混凝土頂面隨護(hù)筒的上拔而下降，混凝土將補(bǔ)充護(hù)筒側(cè)壁所占用的空隙和護(hù)筒與周圍土體之間的空隙，加上土質(zhì)軟硬情況不均，在混凝土的壓力作用下，土質(zhì)向外壓縮，需要耗費(fèi)一定的混凝土。直到護(hù)筒拔出后才能確定混凝土頂面的最終下沉量。土質(zhì)的軟硬程度不均，導(dǎo)致了混凝土的沉降量不易控制，為確?；炷两K灌標(biāo)高高于設(shè)計(jì)標(biāo)高，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，需預(yù)留較大的混凝土沉降量，導(dǎo)致混凝土充盈系數(shù)比較大。

6 結(jié)語(yǔ)

全護(hù)筒施工工藝，通過長(zhǎng)螺旋鉆桿和通長(zhǎng)護(hù)筒的有效配合，解決了灌注樁施工中的存在的一些質(zhì)量通病，施工質(zhì)量高，速度快，方便快捷。在施工過程中，加強(qiáng)過程控制，灌注樁施工將會(huì)在質(zhì)量、進(jìn)度、成本和安全環(huán)保等各個(gè)方面取得理想的效果。長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)全護(hù)筒成孔工藝，在松軟地基條件下，應(yīng)該成為灌注樁施工的首選，值得大范圍推廣和使用。

[1]林宗元.巖土工程治理手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

[2]JGJ 94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[3]JTJ 254—98，港口工程樁基規(guī)范[S].