在巖溶性地區(qū)采用風(fēng)動(dòng)潛孔錘鑿巖引孔施工技術(shù)

廣西建工集團(tuán)第一建筑工程有限責(zé)任公司 南寧 530001

0 引言

南寧市地處喀斯特地貌區(qū)域，地質(zhì)條件復(fù)雜，存在著大量溶洞、溶溝、溶隙等不良地質(zhì)情況。這種地質(zhì)條件下的樁基施工，往往遇到樁底高程很難確定、施工質(zhì)量難以保證等情況[1]。本文采用“CFG樁（水泥粉煤灰碎石樁）+褥墊層”的地基處理方式，通過長(zhǎng)螺旋潛孔錘鑿巖引孔技術(shù)，在保證施工安全的前提下，使基礎(chǔ)施工達(dá)到設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

某工程位于南寧市平樂大道東側(cè)，由2棟L形塔樓和裙樓組成，建筑面積128 735 m2，塔樓結(jié)構(gòu)類型均為地下3層、地上23層的核心筒-框架結(jié)構(gòu)，總高度為99.95 m。原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)形式為單樁單柱，設(shè)計(jì)共布設(shè)工程樁213根，采用旋挖樁機(jī)澆筑成型。

1.2 地質(zhì)條件

本工程整個(gè)場(chǎng)地土層分布大致可分為7層，依次為第四系素填土、殘積硬塑含碎石黏土、碎石、硬塑黏土、可塑黏土和泥盆系上統(tǒng)較破碎石灰?guī)r及較完整石灰?guī)r。場(chǎng)地覆蓋層主要為第四系人工填土、第四系殘積黏性土及碎石土，其最大厚度為51.90 m，下伏基巖為泥盆系上統(tǒng)扁豆?fàn)钍規(guī)r，巖層產(chǎn)狀較平緩。巖體上段巖溶較發(fā)育，巖體較破碎，下部巖體較完整，基巖面起伏變化大，場(chǎng)地地質(zhì)條件復(fù)雜。

1.3 水文地質(zhì)

本工程地下水主要為第四系覆蓋層中的上層滯水及深部扁豆?fàn)罨規(guī)r中的巖溶裂隙水。其中上層滯水主要賦存于素填土①層及殘積含碎石黏土層上部，水量較小。巖溶裂隙水主要賦存于石灰?guī)r的溶蝕裂隙及洞穴中，溶蝕裂隙水位、水量主要受巖溶貫通程度的影響，變化較大。

1.4 新基礎(chǔ)形式的確定

在實(shí)際施工過程中發(fā)現(xiàn)：

1）已施工的工程樁進(jìn)行樁基靜載試驗(yàn)時(shí)，靜載試驗(yàn)的12#、13#樁試驗(yàn)荷載加載到第七級(jí)時(shí)，樁頭已沒入土層，樁端下存在未探明的溶洞。

2）對(duì)裙樓及純地下室部分已施工的146根樁抽取15根樁進(jìn)行鉆芯檢測(cè)，結(jié)果表明，15根樁均未進(jìn)入較完整巖層，且有的樁底尚有較厚黏土層。

上述問題出現(xiàn)后，原有支護(hù)方案顯然存在較大安全隱患，因此立即組織專家對(duì)基礎(chǔ)重新選型進(jìn)行分析論證。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，最終確定采用“CFG樁+褥墊層”的方式進(jìn)行地基處理，即基礎(chǔ)類型為筏板基礎(chǔ)，樁頂鋼筋與筏板采取柔性連接。

本工程最終共設(shè)計(jì)1 151根CFG樁，樁徑為600 mm，樁長(zhǎng)為11.90～28.50 m。由于本工程填土層硬度較高、石灰?guī)r分布相當(dāng)不規(guī)則，且持力層為石灰?guī)r，普通樁機(jī)難以有效地穿透，故需先進(jìn)行樁位的鑿巖引孔，之后再利用長(zhǎng)螺旋樁機(jī)進(jìn)行混凝土澆筑，本工程共需要潛孔錘鑿巖引孔600根。

2 潛孔錘鑿巖引孔特點(diǎn)及施工難點(diǎn)

2.1 風(fēng)動(dòng)潛孔錘施工特點(diǎn)

風(fēng)動(dòng)潛孔錘施工的特點(diǎn)有：

1）潛孔錘根據(jù)其直徑的不同，其用途也有所不同：直徑小于500 mm的潛孔錘大多用于管樁引孔和錨碇樁工程；直徑大于500 mm的潛孔錘則直接用在鉆孔灌注樁嵌巖施工

中[2-5]。

2）潛孔錘鉆進(jìn)是屬于慢回轉(zhuǎn)的一種鉆進(jìn)方法。沖擊器所產(chǎn)生的能量可通過鉆頭破碎巖石，所以巖石要受沖擊和研磨雙重作用。

3）潛孔錘完成引孔后，應(yīng)立即進(jìn)行回填施工，然后再用長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)進(jìn)行后續(xù)鉆孔。這樣能克服孔壁坍塌問題，保證樁身質(zhì)量穩(wěn)定、可靠。

2.2 風(fēng)動(dòng)潛孔錘引孔施工難點(diǎn)

本工程處于巖溶發(fā)育地區(qū)，由于巖體較破碎，基巖面起伏變化大，場(chǎng)地地質(zhì)條件復(fù)雜，實(shí)際施工中將面臨著許多難題，主要表現(xiàn)在：

1）在廣西較少采用長(zhǎng)螺旋潛孔錘鑿巖引孔技術(shù)，施工經(jīng)驗(yàn)欠缺。

2）本工程填土層硬度較高，持力層為石灰?guī)r且石灰?guī)r分布不規(guī)則，普通樁機(jī)難以有效穿透，如何有效地鉆進(jìn)及澆筑混凝土是本次風(fēng)動(dòng)潛孔錘鑿巖需解決的問題。

3）通過前期的試鉆可知，長(zhǎng)螺旋潛孔錘鑿巖的一次引孔成功率低，僅為55%，施工中經(jīng)常出現(xiàn)斜孔和卡鉆等問題。

3 風(fēng)動(dòng)潛孔錘引孔施工工藝原理

以長(zhǎng)螺旋多功能樁機(jī)作樁架，采用長(zhǎng)螺旋動(dòng)力頭作旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，在特制的鉆桿下懸掛風(fēng)動(dòng)式潛孔錘，潛孔錘沖擊破碎巖石的同時(shí)，動(dòng)力頭帶動(dòng)鉆桿及潛孔錘進(jìn)行適度的鉆壓與回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，既能研磨破碎巖石，又能使?jié)摽族N擊打位置不停地變化，使?jié)摽族N底部的合金突出點(diǎn)每次都擊打在不同位置，風(fēng)動(dòng)潛孔錘的空氣既能冷卻鉆頭，又能將破碎的巖屑吹離孔底并排出孔口，達(dá)到快速破碎巖石的作用。潛孔錘引孔后，仍然采用長(zhǎng)螺旋樁機(jī)澆筑混凝土完成后續(xù)成樁[6-9]。

4 風(fēng)動(dòng)潛孔錘施工技術(shù)

4.1 施工流程

本工程潛孔錘鑿巖引孔施工的流程為：施工場(chǎng)地平整→施工機(jī)具進(jìn)場(chǎng)安裝→樁基放線→樁機(jī)就位→長(zhǎng)螺旋鉆孔→遇巖面換潛孔錘鉆頭樁機(jī)→潛孔錘鑿巖破碎至設(shè)計(jì)標(biāo)高→驗(yàn)收孔深并清孔→換長(zhǎng)螺旋樁機(jī)進(jìn)行澆筑混凝土→成樁完成。

4.2 施工要點(diǎn)

4.2.1 施工準(zhǔn)備

編制CFG樁專項(xiàng)施工方案并對(duì)施工作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)交底；根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際情況對(duì)潛孔錘鉆頭進(jìn)行選擇，本次采用平底型潛孔錘鉆頭，這是一種在破碎和裂隙性以及巖性多變的巖層中有良好鉆進(jìn)效果的鉆頭，能大幅提高鉆進(jìn)效率；2臺(tái)25型長(zhǎng)螺旋潛孔錘引孔鉆機(jī)、長(zhǎng)螺旋樁機(jī)等機(jī)械設(shè)備及工具進(jìn)場(chǎng)就位，在允許的情況下，變幅油缸盡可能將桅桿縮回，這樣可以減小鉆機(jī)自重和提升下降脈動(dòng)壓力對(duì)孔的影響。

4.2.2 引孔

1）引孔開始時(shí)，首先啟動(dòng)外置高風(fēng)壓空壓機(jī)，在通過集氣管的高壓氣體帶動(dòng)下，潛孔錘向下沖擊破碎巖石，同時(shí)樁機(jī)動(dòng)力頭帶動(dòng)鉆桿及潛孔錘進(jìn)行適度的鉆壓與回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，并由風(fēng)動(dòng)潛孔錘的空氣將破碎的巖屑吹離孔底并排出孔口，從而持續(xù)鉆進(jìn)直至終孔。

2）鉆進(jìn)多采用減壓鉆進(jìn)，即孔底的鉆壓不超過鉆桿、錘頭、壓塊重力之和的80%（扣除浮力），以避免或減少斜孔、彎孔和擴(kuò)孔現(xiàn)象。不同地層采用不同類型的鉆頭和鉆壓，土層采用普通旋挖鉆頭，進(jìn)巖層或孤石層后采用鑿巖錘頭。

3）在不同的地層采用不同的鉆速，一般螺旋桿的轉(zhuǎn)數(shù)為12～16 r/min。當(dāng)空壓機(jī)供氣時(shí)，以合適轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋桿，從而開始鉆孔，當(dāng)接觸到巖石時(shí)，潛孔錘開始工作；在水下鉆孔時(shí)，在供氣正常后逐漸將潛孔錘放下，當(dāng)它接觸到巖石時(shí)，潛孔錘開始工作。這時(shí)回轉(zhuǎn)的螺旋鉆桿將碎石和泥土排出。

4）潛孔錘和它的螺旋桿停留在孔內(nèi)時(shí)不能終止鉆孔，因?yàn)橥恋膲毫?huì)阻止它們轉(zhuǎn)動(dòng)，從而可能使鉆機(jī)被粘留在所鉆的孔內(nèi)（卡鉆）；在鉆孔時(shí)，不能將螺旋桿反轉(zhuǎn)，因?yàn)轵?qū)動(dòng)體和頂端體的螺紋連接可能被松開，這會(huì)使得鉆具和潛孔錘掉落在孔內(nèi)。

5）按鉆孔深度要求，螺旋鉆桿可通過連接加長(zhǎng)桿來(lái)加長(zhǎng)鉆孔深度，但用加長(zhǎng)桿來(lái)接長(zhǎng)的螺旋鉆桿，不準(zhǔn)超越樁架底盤的最大負(fù)荷；當(dāng)潛孔錘浸入水內(nèi)時(shí)，不能將加長(zhǎng)桿連接到螺旋鉆桿上，如果此時(shí)分離螺旋鉆桿，水和其他東西會(huì)倒流，若要分離螺旋鉆桿，應(yīng)先將潛孔錘提離地面，從螺旋鉆桿上清除泥沙和雜物，釋放孔內(nèi)的殘余壓力，并安裝定位圈，然后再將加長(zhǎng)桿連接到螺旋鉆桿上。

4.2.3 終孔

1）鉆孔引孔進(jìn)至設(shè)計(jì)要求的深度后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工程師鑒定后確認(rèn)終孔深度，確認(rèn)鉆孔達(dá)到深度后終孔，進(jìn)行一次清孔，清孔時(shí)將鉆頭提離孔底10～20 cm空轉(zhuǎn)，清孔后孔底沉渣厚度小于5 cm。

2）潛孔錘引孔后，仍然采用長(zhǎng)螺旋工法完成后續(xù)成樁。成孔深度經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工程師鑒定后確認(rèn)終孔深度，確認(rèn)鉆孔達(dá)到深度后終孔。

3）施工隊(duì)進(jìn)行潛孔錘引孔完畢后立即進(jìn)行回填施工，采用小勾機(jī)回填，回填土就近采用引孔時(shí)鉆機(jī)排出的渣土。

4.2.4 成孔澆筑

1）鉆孔機(jī)就位時(shí)應(yīng)校正，要求保持平整、穩(wěn)固，使在鉆進(jìn)時(shí)不發(fā)生傾斜或移動(dòng)。在鉆架上應(yīng)有控制深度的標(biāo)尺，以便在施工中進(jìn)行觀測(cè)、記錄。

2）鉆孔時(shí)，先調(diào)直樁架挺桿，對(duì)好樁位；啟動(dòng)鉆機(jī)鉆進(jìn)0.50～1.00 m，檢查一切正常后，再繼續(xù)鉆進(jìn)，土塊隨螺旋葉片上升排出孔口，達(dá)到設(shè)計(jì)深度后停鉆，然后邊提鉆邊泵壓C25混凝土，直至成樁。

3）鉆進(jìn)過程中，排出孔口的土應(yīng)隨時(shí)清除運(yùn)走，鉆到預(yù)定深度后，應(yīng)在原深度處空轉(zhuǎn)清土，盡量使孔底干凈，無(wú)殘?jiān)?、余土，然后提鉆泵壓混凝土。

4）提鉆泵壓混凝土?xí)r應(yīng)慢速進(jìn)行，一般控制在2.00～3.00 m/min，過快易造成坍孔或頸縮。

5）澆筑的混凝土按批次留置試塊，用于成樁后對(duì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行檢驗(yàn)。

4.2.5 施工中應(yīng)注意的問題

1）采用的長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)應(yīng)與空壓機(jī)型號(hào)相匹配，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際在功率選擇上做相應(yīng)調(diào)整。

2）鉆機(jī)就位前對(duì)樁位進(jìn)行復(fù)核，控制鉆桿垂直度，確保水平和傾斜偏差不超過規(guī)范允許范圍。

3）在潛孔錘鉆頭工作時(shí)，應(yīng)根據(jù)巖層的硬度及時(shí)調(diào)整潛孔錘鉆進(jìn)速度，轉(zhuǎn)速太快將使鉆頭外圍的刃齒較快磨損和碎裂；轉(zhuǎn)速太慢，則將使柱齒沖擊時(shí)與已有沖擊破碎點(diǎn)（凹坑）重復(fù)，導(dǎo)致鉆速下降。一般情況下，巖石越硬或鉆頭直徑越大，越要求用較低的鉆速[10-13]。

4）澆筑混凝土前對(duì)每車混凝土進(jìn)行坍落度檢測(cè)，根據(jù)混凝土泵排量及樁徑確定泵壓一次鉆桿的提升量；勻速提鉆，確保鉆頭刃尖始終在混凝土內(nèi)，防止斷樁，成樁后檢查樁頂標(biāo)高和成樁質(zhì)量。

5）成樁后做好樁頭成品保護(hù)，達(dá)到規(guī)范齡期后及時(shí)做好樁基完整性和承載力檢測(cè)試驗(yàn)。

5 檢測(cè)結(jié)果

按規(guī)范《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79—2002）及參考文獻(xiàn)[5]的要求，對(duì)本工程1 151根CFG樁的復(fù)合地基進(jìn)行檢測(cè)，共選取12根樁進(jìn)行復(fù)合地基載荷試驗(yàn)及116根樁進(jìn)行低應(yīng)變檢測(cè)，選取的試驗(yàn)點(diǎn)在平面上分布均勻、合理。經(jīng)檢測(cè)，本工程的CFG樁復(fù)合地基完全合格，滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)工程實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行分析比較，采用了“CFG樁+褥墊層”的地基處理方式。通過大直徑風(fēng)動(dòng)潛孔錘引孔技術(shù)，成功解決了復(fù)雜巖溶性地質(zhì)條件下普通樁機(jī)難以有效穿透巖層施工的問題。該施工技術(shù)應(yīng)用于CFG樁引孔沉樁工程中，既滿足設(shè)計(jì)和施工要求，又縮短了工期，減小對(duì)環(huán)境的影響，保證了工程質(zhì)量。