超厚砂層地質(zhì)條件下鉆孔灌注樁的施工方法探討

程千紅，王立學(xué)

（蘭州市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅蘭州 730030）

1 工程概況

張掖市高臺縣六壩黑河大橋位于高臺縣城北約1.5 km處，為跨越黑河而設(shè)。根據(jù)現(xiàn)有河床寬度及主河道、上下游已建橋梁情況，擬建11跨25 m(4×25 m+3×25 m+4×25 m)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋連接黑河兩岸。該橋下部結(jié)構(gòu)采用三柱式橋墩，兩岸為肋板式橋臺，均為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，全橋長283.0 m。橋面全寬15.0 m。箱梁布置為2片邊梁、2片中梁和1片中間梁。橋墩采用130 cm柱式橋墩，橋臺采用肋板式橋臺，樁基直徑150 cm，其中橋墩樁基30根，每根長30 m，橋臺樁基12根，每根長15 m。

2 區(qū)域水文地質(zhì)條件

工程位于河西走廊中段，南部為祁連山北麓，中部是走廊平原，北部是合黎山地，地勢南北高，中間低，形若馬鞍，境內(nèi)主要河流黑河在橋址處自東向西流經(jīng)。本橋地貌單元屬河流侵蝕堆積的黑河河漫灘地貌，河床寬淺，該河床擺蕩明顯，主河槽寬約280 m，低河漫灘地寬約500～1 000 m。地形相對平坦，起伏較小。

本橋址含水層為第四系全新統(tǒng)沖、洪積砂層，類型為孔隙潛水。主要靠大氣降水（包括春融季節(jié)的冰雪融水）補(bǔ)給，故地下水隨季節(jié)而明顯變化，一般小于1.5 m。此外，由山前洪積平原潛流和雨水滲透補(bǔ)給，并與黑河河水具有明顯的水力聯(lián)系。

根據(jù)地勘資料二號鉆孔位于橋梁跨中以北28 m處，能夠代表該區(qū)域的地質(zhì)情況，見表1。

表1 2號鉆孔詳細(xì)情況一覽表

3 樁基施工方案比選

該工程地處祁連山北麓黑河流域，地下水位高，砂層厚度達(dá)到20 m以上，施工難度大。在施工基礎(chǔ)時(shí),設(shè)備的選型非常重要,要根據(jù)現(xiàn)場條件、工期要求、地質(zhì)情況及成本分析等,用科學(xué)的方法來選擇設(shè)備和工藝手段,用最佳的施工工藝,在保證質(zhì)量、工期、安全的情況下產(chǎn)出最佳的效益。

3.1 沖擊循環(huán)鉆機(jī)與回轉(zhuǎn)鉆機(jī)在施工過程中的優(yōu)缺點(diǎn)

鉆進(jìn)口徑相同的條件下,沖擊循環(huán)與回轉(zhuǎn)循環(huán)各有優(yōu)點(diǎn),一般在粘土、亞粘土、淤泥質(zhì)土層、粉砂層施工時(shí),回轉(zhuǎn)鉆機(jī)要比沖擊循環(huán)鉆機(jī)施工快1倍左右,沖擊鉆機(jī)自重大搬遷困難、時(shí)間長等因素,在土層中施工不如回轉(zhuǎn)正循環(huán)鉆機(jī)快,但在卵礫石層、基巖施工中,沖擊反循環(huán)鉆進(jìn)明顯比回轉(zhuǎn)鉆機(jī)要快3倍左右,從上述情況分析來看,沖擊循環(huán)在施工復(fù)雜地層即卵石層,嵌巖鉆孔樁成孔速度上優(yōu)點(diǎn)明顯,尤其在一些丘陵山區(qū)地帶較為適用,優(yōu)越性更加顯著。

在樁孔成型方面,沖擊循環(huán)施工孔徑一般在粘土、亞粘土、淤泥質(zhì)土層、粉砂層施工時(shí)易坍孔,易縮徑,但樁的垂直度比較好。在卵、礫石層施工中都采用沖擊循環(huán)鉆進(jìn),由于沖擊力較大,容易坍孔,充盈系數(shù)偏大。

在成本消耗方面沖擊循環(huán)的成本消耗要比回轉(zhuǎn)鉆機(jī)消耗大,沖擊鉆機(jī)動力功率大、耗電量高。鋼絲繩消耗大,因自身重量大,搬遷運(yùn)輸成本也比較高。但在卵、礫石層、漂石、塊石、基巖施工中,沖擊鉆進(jìn)效率高,而回轉(zhuǎn)鉆機(jī)研磨材料消耗大,鉆進(jìn)速度慢,成孔周期長,如遇大漂石、大塊石、硬度較高的花崗巖回轉(zhuǎn)鉆機(jī)是無法鉆進(jìn),只用沖擊反循環(huán)鉆機(jī)來完成。

在環(huán)境影響方面,沖擊反循環(huán)鉆進(jìn)振動對周圍環(huán)境影響比回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)要大,特別是沖擊下部堅(jiān)硬基礎(chǔ)巖面時(shí),沖擊對周圍產(chǎn)生較大振動，噪音較大，對周圍生活環(huán)境造成較大影響。

3.2 旋挖鉆機(jī)施工

旋挖鉆機(jī)是一種多功能、高效率的灌注樁樁孔的成孔設(shè)備。旋挖鉆機(jī)一般適用粘土、粉土、砂土、淤泥質(zhì)土、含有部分卵石、碎石的地層，適應(yīng)于干式（短螺旋）、濕式（回轉(zhuǎn)斗）及巖層（巖心鉆）的成孔作業(yè)。

旋挖鉆機(jī)行走機(jī)動、靈活，施工方法具有施工質(zhì)量可靠、成孔速度快、成孔率高、適應(yīng)性強(qiáng)大，廢漿少、低噪音、污染小保護(hù)了環(huán)境，克服了機(jī)械成孔時(shí)孔底沉淤土多，樁側(cè)摩阻力低，泥漿管理差的缺點(diǎn)，極大地提高了施工質(zhì)量。成本方面較沖擊鉆及回轉(zhuǎn)鉆機(jī)高。

結(jié)合本項(xiàng)目地質(zhì)情況，施工環(huán)境、工程規(guī)模及成本分析等，選用正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)進(jìn)行樁基施工。

4 施工工藝

樁基施工工藝見圖1。

4.1 施工準(zhǔn)備

（1）本項(xiàng)目位于黑河流域，場地部分在河灘地，部分在河道水域，采用筑島方法及施工圍堰，變水中施工為旱地施工。場地準(zhǔn)備要確保護(hù)筒安設(shè)方便，鉆機(jī)就位穩(wěn)固，轉(zhuǎn)移運(yùn)輸方便。

（2）制漿池、沉淀池和泥漿池，以及設(shè)置泥漿循環(huán)凈化系統(tǒng)，根據(jù)樁基間距兩組橋墩（6根樁）設(shè)置一組。

圖1 樁基施工工藝圖

（3）根據(jù)設(shè)計(jì)單位移交的測量控制點(diǎn)，布設(shè)施工測量控制網(wǎng)，依據(jù)施工測量控制網(wǎng)進(jìn)行施工放樣。首先放出墩位中心線，再放各樁位中心線，并設(shè)置護(hù)樁。

4.2 埋設(shè)鋼護(hù)筒

（1）鉆孔前應(yīng)設(shè)置堅(jiān)固、不漏水的鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒內(nèi)徑應(yīng)大于鉆頭直徑，使用回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆孔應(yīng)比鉆頭大20 cm。

（2）護(hù)筒頂面宜高出施工水位或地下水位1.5～2 m，還應(yīng)滿足孔內(nèi)泥漿面的高度要求，在旱地或筑島時(shí)應(yīng)高出施工地面0.5 m。

（3）護(hù)筒埋設(shè)時(shí)應(yīng)使護(hù)筒平面位置中心與樁設(shè)計(jì)中心一致，中心偏差不得大于5 cm，傾斜度偏差不大于1%。岸灘上護(hù)筒埋深砂類土不小于2 m，當(dāng)表層土松軟時(shí)，宜將護(hù)筒埋置到較堅(jiān)硬密實(shí)的土層至少0.5 m。

4.3 泥漿備制

泥漿性能指標(biāo)，按地質(zhì)情況確定，其各項(xiàng)指標(biāo)參見表2。

造漿后應(yīng)試驗(yàn)全部性能指標(biāo)，鉆孔過程中應(yīng)隨時(shí)檢驗(yàn)?zāi)酀{比重和含砂率，并填寫泥漿試驗(yàn)記錄表。

4.4 鉆孔

4.4.1 安裝鉆機(jī)

鉆機(jī)安裝前，檢查鉆機(jī)平臺是否平整、穩(wěn)固。鉆機(jī)安裝主要控制鉆機(jī)及鉆架的穩(wěn)固可靠性，保證位置準(zhǔn)確。鉆機(jī)安裝完成后，進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)，并檢查下列各項(xiàng)，若不符合要求應(yīng)進(jìn)行調(diào)整、加固。

表2 泥漿性能指標(biāo)

（1）鉆機(jī)平臺、鉆機(jī)及鉆架穩(wěn)定牢固，不產(chǎn)生位移及沉降。

（2）應(yīng)對鋼護(hù)筒的位置及直徑進(jìn)行復(fù)查，鉆頭、鉆桿中心與護(hù)筒中心的偏差不得大于5cm。

（3）電力及機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，備好造泥漿粘土和泥漿池。

（4）鉆機(jī)就位后，應(yīng)測量護(hù)筒頂及平臺標(biāo)高，用于鉆孔過程中進(jìn)行孔深測量參考。孔內(nèi)出土不得堆積在鉆孔周圍。

4.4.2 鉆進(jìn)

（1）開鉆前應(yīng)在護(hù)筒內(nèi)存進(jìn)適量泥漿，開鉆時(shí)宜低檔慢速鉆進(jìn)，鉆至護(hù)筒下1 m后再以正常速度鉆進(jìn)。

（2）砂類土鉆進(jìn)時(shí)容易坍孔，鉆進(jìn)時(shí)選用平底鉆頭，控制進(jìn)尺，低擋慢速。

（3）開鉆前調(diào)制足夠數(shù)量的泥漿，鉆進(jìn)過程中如泥漿有損耗、漏失應(yīng)予補(bǔ)充。每鉆進(jìn)2 m或地層變化處，應(yīng)在泥漿槽中撈取鉆渣樣品，查明土類并記錄，以便與設(shè)計(jì)資料核對。

（4）鉆進(jìn)過程中經(jīng)常測量孔深，并對照地質(zhì)柱狀圖隨時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)。達(dá)到設(shè)計(jì)孔深后及時(shí)清孔提鉆，清孔時(shí)以所換新鮮泥漿達(dá)到孔內(nèi)泥漿含砂量逐漸減少至穩(wěn)定不沉淀為度。

4.4.3 檢孔

鉆進(jìn)中應(yīng)用檢孔器檢孔，檢孔器用鋼筋籠做成，其外徑等于設(shè)計(jì)孔徑，長度等于設(shè)計(jì)孔徑的4～6倍，按要求檢查鉆進(jìn)中和終孔的孔徑。

4.4.4 清孔

在終孔后停止進(jìn)尺，稍提鉆頭離孔底10～20 cm空轉(zhuǎn)，并保持泥漿正常循環(huán)，以中速將相對密度1.03～1.10的較純泥漿壓入，把鉆孔內(nèi)懸浮鉆碴較多的泥漿換出。直至孔底鉆碴清除干凈。

清孔應(yīng)達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)：泥漿比重不大于1.1，含砂率小于2%，粘度17～20 s。同時(shí)保證水下混凝土灌注前孔底沉碴厚度，摩擦樁不大于30 cm。嚴(yán)禁采用加深鉆孔深度的方法代替清孔。

4.5 鋼筋籠制作安裝

鋼筋籠制作成整體，一次吊裝就位，避免現(xiàn)場焊接，以減少現(xiàn)場焊接工作量，縮短成孔后灌注混凝土的時(shí)間。由于砂層厚，成孔后不及時(shí)灌注混凝土容易造成沉渣指標(biāo)超標(biāo)。

4.6 混凝土灌注

（1）澆筑水下混凝土前應(yīng)檢查沉渣厚度，沉渣厚度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，如沉渣厚度超出規(guī)范要求，則利用導(dǎo)管進(jìn)行二次清孔。

（2）采用導(dǎo)管技術(shù)灌注水下混凝土，導(dǎo)管內(nèi)徑為30 cm，導(dǎo)管采用鋼管，每節(jié)2～4 m,鋼導(dǎo)管內(nèi)壁光滑、圓順，內(nèi)徑一致，接口嚴(yán)密。導(dǎo)管直徑與樁徑及混凝土澆筑速度相適應(yīng)。使用前進(jìn)行試拼和水密、承壓和接頭抗拉試驗(yàn)，按自下而上順序編號和標(biāo)示尺度。導(dǎo)管安裝后，其底部距孔底有250～400 mm的空間。

（3）計(jì)算和控制首批封底混凝土數(shù)量，下落時(shí)有一定的沖擊能量，能把泥漿從導(dǎo)管中排出，并能把導(dǎo)管下口埋入混凝土不小于1m且不大于3m深。足夠的沖擊能量能夠把樁底沉渣盡可能地沖開，是控制樁底沉渣，減少工后沉降的重要環(huán)節(jié)。

（4）樁基混凝土采用罐車運(yùn)輸配合導(dǎo)管灌注，灌注開始后，應(yīng)緊湊連續(xù)地進(jìn)行，嚴(yán)禁中途停工。在灌注過程中，應(yīng)防止混凝土拌和物從漏斗頂溢出或從漏斗外掉入孔底，使泥漿內(nèi)含有水泥而變稠凝結(jié)，致使測探不準(zhǔn)確；應(yīng)注意觀察管內(nèi)混凝土下降和孔內(nèi)水位升降情況，及時(shí)測量孔內(nèi)混凝土面高度，正確指揮導(dǎo)管的提升和拆除；導(dǎo)管的埋置深度應(yīng)控制在2～4 m。同時(shí)應(yīng)經(jīng)常測探孔內(nèi)混凝土面的位置，即時(shí)調(diào)整導(dǎo)管埋深。

4.7 質(zhì)量檢驗(yàn)

按設(shè)計(jì)要求在鋼筋籠安裝時(shí)預(yù)埋聲測管，成樁后采用聲波透射法進(jìn)行檢測。鉆孔樁鉆孔允許偏差見表3。

表3 鉆孔樁鉆孔允許偏差

5 結(jié)語

在樁基施工時(shí),設(shè)備的選型非常重要,對不同的地層采用不同的施工工藝方法。要根據(jù)現(xiàn)場條件、工期要求、地制質(zhì)情況及成本分析等,用科學(xué)的方法來選擇設(shè)備和工藝手段,用最佳的施工工藝,在保證質(zhì)量、工期、安全的情況下產(chǎn)出最佳的效益。本工程地處河西走廊北麓黑河流域，針對砂層厚，地下水位高等特點(diǎn)選用正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工橋梁樁基礎(chǔ)，總結(jié)出了相應(yīng)的施工工藝和技術(shù)參數(shù)，對類似地質(zhì)情況的基礎(chǔ)施工具有一定的借鑒作用。