長螺旋鉆孔壓灌樁嵌巖技術(shù)的改進與應(yīng)用

丁旭亭，蘇 華，虞利軍

(浙江省巖土基礎(chǔ)公司，浙江 寧波315040)

1 長螺旋鉆孔壓灌樁概述

長螺旋鉆孔壓灌樁是由長螺旋鉆具向下鉆孔，土體順著鉆桿的螺旋葉片向上輸送至地面，鉆孔至設(shè)計標高后，通過混凝土泵送設(shè)備將混凝土泵入鉆桿心管，然后邊泵送混凝土邊提拔鉆桿，直至地表面，最后將鋼筋籠插入樁身成樁。該灌注樁工藝的優(yōu)點有:(1)無需泥漿護壁，噪聲小，(2)成孔時無振動、無擠土效應(yīng)，對相鄰基樁及周邊環(huán)境無不良影響;(3)成孔穿透能力強，可穿透一般的砂層、礫石層、硬土層及軟巖(飽和單軸抗壓強度fr≤15 MPa);(4)施工效率高，對于直徑600 mm、深20 m的鉆孔，非巖石層鉆進，成孔時間約0．5 h;進入軟巖(fr≤15 MPa)1D(D 為樁徑)，成孔時間約0．5 h。

普通長螺旋鉆頭切削具一般為鏟形耐磨硬質(zhì)合金截齒(見圖1)，鉆進原理為鉆頭回轉(zhuǎn)，切削具吃入地層，將地層按螺旋線切削下一層，切刮下的巖土碎屑沿螺旋葉片上返輸送到孔口。由于切削具吃入硬巖困難，普通長螺旋鉆孔壓灌樁一般僅適用于砂層、礫石層、硬土層及軟巖層，對于飽和單軸抗壓強度fr＞15 MPa的巖層，成孔十分困難。如能提高嵌巖能力，則可以大幅度提高單樁承載力，從而拓寬該成樁工藝的適用范圍。

圖1 普通長螺旋鉆頭

2 長螺旋鉆孔壓灌樁嵌巖技術(shù)的改進

2．1 嵌巖技術(shù)破巖機理分析

嵌巖的關(guān)鍵是碎巖，只要巖石被破碎，則其適用于普通長螺旋鉆孔壓灌樁技術(shù)。因此，嵌巖技術(shù)的關(guān)鍵是解決碎巖技術(shù)。長螺旋鉆孔壓灌樁嵌巖技術(shù)的碎巖形式主要表現(xiàn)為硬質(zhì)合金對巖石的壓碎作用，而鉆壓不同，硬質(zhì)合金破碎巖石會呈現(xiàn)出表面破碎(研磨性破碎)、疲勞破碎及體積破碎等不同的特征。當(dāng)鉆壓過小，硬質(zhì)合金在巖石表面作沖擊、滑動復(fù)合研磨性破碎，產(chǎn)生點狀微細裂紋或只產(chǎn)生塑性或彈性變形，其破碎效果極差。當(dāng)鉆壓雖有增加，但仍達不到所鉆巖石的抗壓強度極限值，不能夠形成體積破碎，只是在巖石表層經(jīng)過多次往復(fù)交替破碎，才能將部分巖石破碎分離，其鉆進效果亦不理想。當(dāng)鉆壓達到巖石抗壓強度極限值后，才呈現(xiàn)體積破碎，這時鉆進效率就較高。據(jù)以上分析，嵌巖鉆頭破碎巖石的過程是當(dāng)鉆壓達到巖石抗壓強度極限值后，發(fā)生突然壓入破碎。所以在鉆進時，應(yīng)根據(jù)巖石強度，增加鉆壓，以便有效破碎巖石。

為此，本文提出對長螺旋鉆孔壓灌樁的嵌巖技術(shù)實施改進，具體有3個方面:(1)改進長螺旋鉆頭，使鉆頭具備碎巖能力;(2)增設(shè)加壓系統(tǒng)，使鉆壓可超過巖石抗壓強度;(3)增設(shè)冷卻水系統(tǒng)，使鉆頭在鉆進過程中得到降溫，保持正常工作。

2．2 鉆頭改進

普通長螺旋鉆頭底部一般鑲嵌鏟形塊狀截齒(參見圖1)，材料選用YG8硬質(zhì)合金，通過截齒切入地層刻取巖土實現(xiàn)鉆進，遇硬巖時，截齒不能切入巖石，無法進尺。

改進后的鉆頭，在底部鑲嵌高強度球狀硬質(zhì)合金，材料選用鎢鈷硬質(zhì)合金YG8C或YG11C，通過硬質(zhì)合金對巖石的壓碎、沖擊作用實現(xiàn)鉆進。要求鑲嵌的硬質(zhì)合金具有硬度高、強度高、耐磨性好、耐熱、耐腐蝕等性能。要求鋼胎體耐磨性好，硬質(zhì)合金鑲嵌牢固。長螺旋鎢鈷硬質(zhì)合金鉆頭如圖2所示。

圖2 長螺旋鎢鈷硬質(zhì)合金鉆頭示意圖

2．3 加壓系統(tǒng)

普通長螺旋鉆孔壓灌樁鉆壓由動力頭及鉆桿自重提供，鉆壓不可調(diào)節(jié)，達不到球齒壓碎硬巖所需的壓力。長螺旋鉆孔壓灌樁加壓系統(tǒng)由加壓卷揚機、滑輪組(上、下滑輪組及導(dǎo)向滑輪)、鋼絲繩及配重組成。配重的作用是平衡巖石通過鉆頭、螺旋鉆桿傳導(dǎo)至機臺的反作用力。加壓卷揚機啟動后，拉緊鋼絲繩，通過滑輪組的作用，將加壓卷揚機的張拉力擴大6倍施加給動力頭，使動力頭經(jīng)鉆桿加壓至鉆頭球齒，從而實現(xiàn)碎巖鉆進。通過調(diào)節(jié)加壓卷揚機的張拉力可調(diào)節(jié)施加至鉆頭的鉆壓，根據(jù)加壓卷揚機的電動機功率及鋼絲繩強度，加壓系統(tǒng)最多可加壓600 kN。加壓后，球齒壓力應(yīng)大于巖石抗壓強度，一般為15～50 MPa。加壓系統(tǒng)示意圖見圖3。

圖3 長螺旋鉆孔壓灌樁加壓系統(tǒng)示意圖

2．4 冷卻水系統(tǒng)

長螺旋鉆孔壓灌樁冷卻水系統(tǒng)由高壓泵、蓄水箱、輸水管及噴嘴組成(見圖4、圖5)。冷卻水系統(tǒng)的作用是使鉆頭在鉆進塊石層、卵石層、基巖過程中得到降溫，保持正常工作。

3 長螺旋鉆孔樁機高度改進

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)，長螺旋鉆孔壓灌樁適用的建議樁徑為300～800 mm，最大樁長≯25 m。規(guī)范對樁徑和樁長作出限制，主要是考慮了樁機動力頭電機功率大小及樁架、鉆桿的穩(wěn)定性。經(jīng)增大樁機動力頭電機功率、提高樁架及鉆桿強度、驗算樁架穩(wěn)定性后，經(jīng)工程實例驗證，長螺旋鉆孔壓灌樁樁徑可擴大為1000 mm，樁長可增至55 m。

4 長螺旋鉆孔壓灌樁嵌巖成孔施工要點

嵌巖鉆進不同于普通軟地層鉆進，其施工要點如下。

(1)鉆進至風(fēng)化基巖時，成孔速度顯著放緩，此時同時啟動加壓系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。

(2)啟動加壓系統(tǒng):開啟加壓卷揚機，拉緊鋼絲繩，經(jīng)過滑輪組的作用，將加壓卷揚機對鋼絲繩的張拉力擴大至6倍施加給動力頭，通過動力頭經(jīng)螺旋鉆桿傳導(dǎo)至鉆頭，巖石被壓碎后，隨著螺旋葉片被推送至地面(見圖6)。

(3)啟動冷卻系統(tǒng):開啟高壓泵，使冷卻水經(jīng)過膠皮管和鉆桿內(nèi)的輸水鋼管傳送至鉆頭的噴嘴噴出，冷卻鉆頭。

(4)轉(zhuǎn)速控制:選用低轉(zhuǎn)速動力頭鉆進，4 r/min。

圖6 嵌巖鉆進

(5)鉆速控制:較硬巖石進尺速度≯10 cm/min。

(6)壓力控制:根據(jù)巖石強度確定壓力，鉆壓應(yīng)超過巖石抗壓強度。具體操作時根據(jù)鉆速、動力電流強度來判斷鉆壓是否合理。

(7)動力電流強度控制:非巖石層鉆進時，電流強度讀數(shù)為額定值的40% ～60%;入巖時，電流強度急劇增大，可至額定值的90% ～100%，此時，應(yīng)及時減壓空鉆，以防燒壞電機;入巖后，調(diào)節(jié)鉆壓，使電流強度穩(wěn)定為額定值的50%～70%。

5 工程實例

5．1 浙江寧波慈城新區(qū)湖東地塊三期樁基工程

該地塊為商住混合用地，總建筑面積超11萬m2，采用灌注樁基礎(chǔ)，要求樁端進入中風(fēng)化凝灰?guī)r≮1D。該中風(fēng)化巖層飽和單軸抗壓強度為30～40 MPa，局部達60～70 MPa，屬較堅硬巖。設(shè)計樁長20～50 m(巖層起伏大，樁長不一)，樁徑700～800 mm，混凝土強度C35，單樁抗壓承載力特征值3000～3700 kN，樁數(shù)1989根。

該工程投入6臺改進型長螺旋壓灌樁機，平均每臺樁機成樁5根/天。施工過程順利，長螺旋鉆機轉(zhuǎn)速統(tǒng)一為4 r/min，非中風(fēng)化巖層施工時不啟動加壓系統(tǒng);進入中風(fēng)化巖層，啟動加壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)，鉆桿跳動明顯，動力頭電機電流強度急劇變化，瞬時值可達300 A，此時及時減壓空轉(zhuǎn)，再緩慢加壓，使動力頭電機電流強度保持在150～200 A范圍內(nèi)，鉆進速度6～10 cm/min。

靜載荷抗壓試驗23根樁、靜載荷抗拔試驗5根樁，經(jīng)檢測，承載力均達到設(shè)計值，小應(yīng)變樁身質(zhì)量檢測均合格。

5．2 浙江奉化金鐘財富廣場樁基工程

該工程主要建筑物為6幢22～32層的酒店式公寓、辦公樓，建筑面積135698 m2，采用灌注樁基礎(chǔ)，要求樁端進入中風(fēng)化凝灰質(zhì)粉砂巖≮1 m。該中風(fēng)化巖層屬較軟巖，少部分區(qū)域為較硬巖。設(shè)計樁長31～48 m，樁徑700 mm，混凝土強度C40，單樁抗壓承載力特征值4000 kN，樁數(shù)663根。

該工程投入3臺改進型長螺旋壓灌樁機，平均每臺樁機成樁6根/天，施工過程順利。靜載荷試驗13根樁，經(jīng)檢測，承載力均達到設(shè)計值，小應(yīng)變樁身質(zhì)量檢測均合格。

6 結(jié)語

(1)普通長螺旋鉆孔壓灌樁適用于砂層、礫石層、硬土層及軟巖層，樁徑300～800 mm，樁長≯25 m，不適用于硬度較高的巖石層。經(jīng)加裝加壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)后，長螺旋鉆孔壓灌樁可用于塊石填土層、卵石層及較軟—較硬基巖的鉆進。

(2)經(jīng)改進長螺旋鉆孔樁機樁架、動力系統(tǒng)后，樁徑可達1000 mm，樁長可增至55 m。

(3)長螺旋鉆孔壓灌樁嵌巖技術(shù)具有無泥漿污染、噪聲小、無振動、無擠土、穿透力強、施工速度快、成本相對較低等特點，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益，具有重要的推廣應(yīng)用價值。

［1］ JGJ 94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］．

［2］ 徐波，王有為，吳慧娟，等．建筑業(yè)10項新技術(shù)(2005)應(yīng)用指南［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005:4－9．

［3］ 張公正．牙輪鉆頭鉆井參數(shù)探討［J］．探礦工程，1999，(5):45－46．

［4］ 許祿，曹國卿．長螺旋鉆孔在CFG樁施工中存在的問題淺析［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2004，31(4):22 －23．

［5］ 陳飛，劉宏標．長螺旋超流態(tài)混凝土灌注樁施工技術(shù)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2009，36(3):41 －44．

［6］ 楊展，湯鳳林．鋼結(jié)硬質(zhì)合金型胎體性能及其熱壓金剛石鉆頭研究［J］．金剛石與磨料磨具工程，2008，(6):37 －40．

［7］ 金成文，閆君，劉吉東．超流態(tài)長螺旋鉆孔灌注樁在西藏日喀則市行政中心工程中的應(yīng)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(3):42－44．

［8］ 蘇明星．長螺旋鉆孔灌注樁施工工藝淺析［J］．科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2010，(8):58－60．

［9］ 胡小兵，華昆．加壓式嵌巖型長螺旋鉆孔灌注樁應(yīng)用技術(shù)［J］．施工技術(shù)，2015，44(9):105－108．