錐螺旋鑿巖鉆頭在嵌巖長螺旋壓灌樁的應(yīng)用

李洪春，丁征祥

(山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南250101）

·隧道與建設(shè)工程·

錐螺旋鑿巖鉆頭在嵌巖長螺旋壓灌樁的應(yīng)用

李洪春*，丁征祥

(山東正元建設(shè)工程有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南250101）

以青島即墨寶龍城市廣場(chǎng)樁基工程為實(shí)例，開發(fā)引進(jìn)了錐螺旋鑿巖鉆頭，使原樁基方案調(diào)整為長螺旋超流態(tài)壓灌混凝土、振動(dòng)下放鋼筋籠樁基方案。該工藝有效解決在該地區(qū)樁基施工中樁端入中風(fēng)化巖層1～2倍樁徑鉆進(jìn)困難的問題，在青島即墨寶龍城市廣場(chǎng)得以推廣和使用，將有很大的市場(chǎng)前景和巨大的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益。

長螺旋超流態(tài)壓灌樁；錐螺旋鑿巖鉆頭；靜載試驗(yàn)；抽芯；低應(yīng)變

青島即墨寶龍城市廣場(chǎng)分為A、C、E三個(gè)區(qū)，是一集酒店、百貨、商業(yè)、住宅一體的建筑群體，A區(qū)擬建物為1幢19～23層公寓式酒店（帶3層裙房）；C區(qū)擬建物主要包括2幢27～32層高層住宅樓（帶2層裙房，）2幢18層百貨商廈（帶2～3層裙房）、1幢購物廣場(chǎng)、8幢2～7層商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)；E區(qū)擬建物主要包括6幢31～32層高層住宅樓（帶2層裙房）。原設(shè)計(jì)擬采用沖擊成孔鉆孔灌注樁工藝。

1 場(chǎng)地工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

1.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)場(chǎng)區(qū)《巖土工程勘察報(bào)告》，場(chǎng)區(qū)各巖土層分布特征分述如下：

第（1）層雜填土：廣泛分布于整個(gè)場(chǎng)區(qū)。層厚0.30～4.40m，層底標(biāo)高16.5～21.9m。

第（3）層中粗砂：該層零星分布于場(chǎng)區(qū)東側(cè)及南側(cè)。褐—黃褐色，松散—稍密，以長石、石英中粗顆粒為主。層厚1.00～4.20m，層底標(biāo)高14.54～20.32m。地基承載力特征值fak=120kPa。變形模量模量E0= 7MPa。

第（7）層粉質(zhì)粘土：該層在場(chǎng)區(qū)分布較廣泛?；液帧稚贮S色，可塑，含鐵錳質(zhì)氧化物、中粗砂顆粒，干強(qiáng)度中等，韌性一般，切面略有光澤，具中等壓縮性。層厚1.00～9.20m，層底標(biāo)高12.28～18.40m。地基承載力特征值fak=170kPa。壓縮系數(shù)a1-2＝0.325MPa-1，壓縮模量Es1-2=5.4MPa。

第（9）層粗礫砂：該層在場(chǎng)區(qū)分布較廣泛。褐黃色，飽和，中密，以長石、石英為主要礦物，碎石含量較高，一般直徑2～5cm，磨圓較好，呈亞圓狀。層厚2.10～9.80m，層底標(biāo)高6.97～11.98m。地基承載力特征值fak=300kPa，變形模量E0=20MPa。

第（16）層砂巖強(qiáng)風(fēng)化帶：該層在場(chǎng)區(qū)分布較廣泛。以黃色為主，局部紫紅色。以中細(xì)砂質(zhì)結(jié)構(gòu)為主，局部為粉細(xì)砂質(zhì)結(jié)構(gòu)；層狀構(gòu)造；巖芯以砂土狀為主，局部見碎塊狀、片狀巖芯；受沉積韻律影響，巖體局部呈現(xiàn)軟硬交替出現(xiàn)的特征。揭露厚度0.30～4.00m，層頂標(biāo)高6.97～10.80m。地基承載力特征值fak=500kPa，變形模量E0=30MPa。

第（17）層砂巖中等風(fēng)化帶：該層在場(chǎng)區(qū)分布廣泛。以灰黃色為主，局部為紫紅色，結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、礦物成份同上，層理及裂隙發(fā)育，層理面見有礦染，巖芯呈碎塊—短柱狀，錘擊易碎裂。該帶為較破碎的軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)Ⅴ級(jí)。揭露厚度1.30～9.00m，層頂標(biāo)高4.98～10.40m。地基承載力特征值fak=2000kPa，彈性模量E=3×103MPa。下伏為砂巖微風(fēng)化帶。

1.2 水文地質(zhì)條件

地下水類型主要為孔隙潛水—弱承壓水，弱承壓水主要含水層為第（9）層粗礫砂層，局部分布在第③層中粗砂層的為孔隙潛水。穩(wěn)定水位埋深2.30～8.20m，水位標(biāo)高11.87～17.72m。場(chǎng)區(qū)地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給，年變幅約1～2m。

2 常規(guī)工法及前期實(shí)踐

2.1 常用工法

按照?qǐng)鰠^(qū)巖土工程勘察報(bào)告地基基礎(chǔ)方案建議，設(shè)計(jì)單位建議的樁基方案為沖擊鉆泥漿護(hù)壁成孔水下澆注混凝土成樁工藝。項(xiàng)目部按照此方案進(jìn)行了樁基施工，但面臨的問題是：①由于樁長較短，沖擊鉆成孔市場(chǎng)價(jià)在380元/m以上，若考慮泥漿外運(yùn)措施費(fèi)，成孔單價(jià)超過420元/m，施工成本較高；②本項(xiàng)目要求工期緊，計(jì)劃工期80d。而沖擊鉆成孔效率低，每臺(tái)鉆機(jī)每天成樁2～3根，要在上述時(shí)間內(nèi)完成，需投入鉆機(jī)約30臺(tái)。

2.2 難點(diǎn)

設(shè)計(jì)要求樁端入第（17）層砂巖中等風(fēng)化帶不小于1.0m，第（17）層中風(fēng)化砂巖單軸抗壓強(qiáng)度平均值為15MPa，端阻力極限值為5500kPa，強(qiáng)度較高，入中風(fēng)化砂巖1.0m有較大的施工難度。

3 施工工藝調(diào)整

鑒于以上情況，考慮長螺旋成孔在濟(jì)南地區(qū)施工交結(jié)礫巖層的施工經(jīng)驗(yàn)和旋挖鉆機(jī)鉆頭破碎巖層的原理，本項(xiàng)目開發(fā)引進(jìn)了長螺旋專用的錐螺旋鑿巖鉆頭嵌巖鉆孔（如圖1所示），原樁基方案調(diào)整為長螺旋嵌巖成孔，超流態(tài)壓灌混凝土、振動(dòng)后下鋼筋籠樁基方案。原理是成孔后泵送壓灌混凝土，在壓灌混凝土過程中提升鉆具（鉆具提升速度合適，鉆頭始終在混凝土下），灌注完畢后，利用振動(dòng)器將鋼筋籠置入素混凝土內(nèi)，從而形成鋼筋混凝土灌注樁。

圖1 本工程使用的錐螺旋鑿巖鉆頭

(1)鉆頭構(gòu)造和特點(diǎn)：回轉(zhuǎn)時(shí)穩(wěn)定性好，既能鉆土也能鉆巖，采用硬質(zhì)合金釬頭按螺旋排列組成刀片，其硬度、抗彎、抗扭、抗沖擊等強(qiáng)度均大于一般的中硬巖石，從而使鉆進(jìn)中硬巖石成為可能；硬質(zhì)合金釬頭可自由旋轉(zhuǎn)；多釬頭的合理組合，形成階梯狀，造成多環(huán)自由面的破碎方式（即下方刀頭形成的切槽為上方刀頭碎巖提供了自由面）；硬質(zhì)合金釬頭磨損后可較方便的更換（擊出頭后按入新頭即可，而不用更換整個(gè)鉆頭）。

(2)鉆頭出刃控制：控制新刀頭的硬質(zhì)合金底出刃4～6mm，外出刃3～4mm，較好地解決了刀頭在鉆進(jìn)時(shí)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下崩刃與出刃之間的矛盾。

(3)鉆進(jìn)參數(shù)：鉆進(jìn)中硬巖層的主要參數(shù)為軸壓，而螺旋鉆機(jī)的動(dòng)力頭和鉆具具有較大的自重（110kW動(dòng)力頭自重70kN,150kW動(dòng)力頭自重85kN），本工程經(jīng)驗(yàn)表明：對(duì)此鉆頭施加200～400kPa軸壓完全可以破碎中硬的巖層，由于此工程地下水位較高（場(chǎng)區(qū)以下1.5m），入巖鉆進(jìn)時(shí)鉆頭能得到及時(shí)的降溫冷卻，鉆進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)速控制在10～30r/min為宜。施工現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示,投入設(shè)備如表1所示。

圖2 施工現(xiàn)場(chǎng)

表1 投入的主要設(shè)備

4 施工效果

兩種樁基施工方案的效果比較如表2所示。

總樁數(shù)5140根，計(jì)劃工期80d，實(shí)際工期72d；該工程產(chǎn)值3360萬元，實(shí)際成本2650萬元，工程利潤710萬元，利潤率21.1%。

表2 兩種樁基施工方案的效果比較

5 驗(yàn)樁結(jié)果

5.1 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)共進(jìn)行13組載荷試驗(yàn)，均加壓到4600kN，沉降量7～18mm），全部滿足設(shè)計(jì)要求和規(guī)范規(guī)定。

表3 樁豎向抗壓靜載部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5.2 抽芯檢測(cè)

抽芯檢測(cè)采用鉆芯法，鉆芯數(shù)量為設(shè)計(jì)總樁數(shù)的10%，共鉆芯525根樁。檢測(cè)表明，基樁的樁身完整性均合格；鉆取砼芯樣質(zhì)量良好；鉆芯揭露基樁樁底沉渣符合設(shè)計(jì)要求；樁端持力層的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5.3 小應(yīng)變檢測(cè)

檢測(cè)數(shù)量為設(shè)計(jì)總樁數(shù)的20%，共檢測(cè)1060根，檢測(cè)基樁樁身完整，均為Ⅰ類樁。

綜合評(píng)價(jià)本工程樁身質(zhì)量及單樁豎向承載力均符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

6 結(jié)論

（1）本項(xiàng)目采用錐螺旋鑿巖鉆頭成孔，在長螺旋超流態(tài)壓灌工藝中成本相對(duì)較低，施工期間沒有泥漿，不污染環(huán)境，施工速度快，工效高，確保成樁質(zhì)量，提高承載力，且履帶的螺旋鉆機(jī)對(duì)場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)，具有泥漿護(hù)壁沖擊成孔無法比擬的優(yōu)越性。

（2）該工藝在青島即墨寶龍城市廣場(chǎng)得以推廣和使用，將會(huì)有效解決在該地區(qū)樁基施工中要求樁端入中風(fēng)化巖層1～2倍樁徑鉆進(jìn)困難的問題，必將有很大的市場(chǎng)前景和巨大的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 鄧艷妹.泥質(zhì)膠結(jié)砂礫巖地層樁基礎(chǔ)成孔施工[J].橋隧工程，2010（5）：10-15.

[2]陳飛，劉宏標(biāo).長螺旋超流態(tài)混凝土灌注樁施工技術(shù)[J].探礦工程;2009（03）.

[3]宋恩民，侯興芝.長螺旋鉆孔壓灌超流態(tài)混凝土樁的應(yīng)用[J].西部探礦工程，2001（04）.

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1004-5716(2015)02-0173-03

2014-12-19

李洪春（1971-），男（漢族），山東濰坊人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事巖土工程技術(shù)工作。