鉆孔樁穿越粉質(zhì)土層的施工工藝

梁建忠 梁永忠

1 工程簡述

濉河特大橋是京滬高速鐵路JHTJ-4標(biāo)段的一部分,根據(jù)公司初步劃分方案,我部負責(zé)濉河特大橋DK712+990.00(712號墩)～DK721+570.00(978號墩)全部樁基的施工,線路全長8.58 km,樁基2144根,其中 φ 1.0m 樁2114根,φ 1.25 m 樁30根。鉆孔樁施工采用旋挖鉆機、反循環(huán)鉆機、沖擊鉆機。

2 地質(zhì)條件

本標(biāo)段地層主要為上更新統(tǒng)粉土、粉細砂、粉質(zhì)黏土、黏土(下屬黏土),含鐵錳結(jié)核,厚2 m～45m,部分地段表層為第四系全新統(tǒng)粉土、粉細砂、粉質(zhì)黏土,厚 2 m～15m,下伏寒武、奧陶系白云巖、灰?guī)r、泥灰?guī)r,白堊系泥巖、礫巖、泥質(zhì)砂巖,下元古界云母片巖、角閃巖、變粒巖等。地下水發(fā)育,主要為孔隙潛水,水位埋深1 m～4m。

3 粉土的一般特性

粉土是指塑性指數(shù)不大于10,且粒徑大于0.075 mm的顆粒含量不超過全重的50%的土。粉土中粒度以分離為主,粗粒和粘粒含量很少,與水結(jié)合能力弱,土中毛孔隙發(fā)達,毛細作用顯著,由于粘粒含量少,粒間聯(lián)結(jié)力弱,抗?jié)B性差。當(dāng)土中含水量較低時,由于毛細水的存在,使粉土具有水聯(lián)結(jié),但當(dāng)土體含水達到飽和,水聯(lián)結(jié)就會消失,土體結(jié)構(gòu)軟化,此時粉土就會呈散粒體狀態(tài)。因此粉土的水穩(wěn)性很差,鉆機鉆孔施工時很容易塌孔,屬不良地質(zhì)條件,鉆孔樁施工中主要的工作就是防止塌孔。

4 粉質(zhì)土層塌孔的預(yù)防及處理

4.1 粉質(zhì)土層塌孔的預(yù)防

4.1.1 施工準(zhǔn)備階段

1)場地準(zhǔn)備和測量放樣:鏟除施工場地的雜物,換填30cm～40cm的碎石黏土混合物,表面壓實、平整,對于雨季施工的墩位,上臥粉土層若不是很厚,可以考慮全部換填,碾壓密實。場地填筑完成后由測量人員進行樁位放樣。

2)護筒埋置:粉土地質(zhì)鉆孔成敗的關(guān)鍵是如何保證成孔。當(dāng)鉆孔較深時,在地下水位以下的孔壁土在靜水壓力下會向孔內(nèi)坍塌,甚至發(fā)生流砂現(xiàn)象。埋置護筒可以使鉆孔內(nèi)能保持比地下水位高的水頭,增加孔內(nèi)靜水壓力,形成孔內(nèi)向孔外的壓力差,就可有效防止塌孔。除起到這個作用外,護筒同時還有隔離地表水、保護孔口地面、固定樁孔位置和作鉆頭導(dǎo)向等作用。護筒埋置時頂面高出地面30cm,高出地下水位2 m以上,雨季地下水位升高,土層浸水飽和,護筒埋置深度和出露地面高度可以適當(dāng)增大。護筒周圍要用黏土回填夯實。護筒中心與樁位中心偏差不大于5cm,護筒傾斜度不大于1%,護筒內(nèi)徑為設(shè)計樁徑加上20cm～30cm。為防止塌孔,理論來說護筒的埋置深度應(yīng)穿越表層的粉土層為好,但護筒埋置過深可能導(dǎo)致護筒拔不出來。結(jié)合鉆機特點及實際的施工設(shè)備情況護筒埋置深度為:旋挖鉆6 m～8m,反循環(huán)3 m以上,沖擊鉆4 m～6m。

3)泥漿制備:鉆孔泥漿由水、黏土(膨潤土)和添加劑組成。具有浮懸鉆渣、冷卻鉆頭、潤滑鉆具,增大靜水壓力,并在孔壁形成泥皮,隔斷孔內(nèi)外滲流,防止塌孔的作用。在施工中使用的泥漿有兩種:一種為普通泥漿,另一種為PHP泥漿。泥漿稠度應(yīng)視地層變化或操作要求機動掌握,泥漿太稀,排渣能力小、護壁效果差;泥漿太稠會削弱鉆頭沖擊功能,降低鉆進速度。在穿越粉土層時鉆孔泥漿稠度應(yīng)控制在規(guī)范值的上限,而且最好使用膨潤土和火堿配制的優(yōu)質(zhì)泥漿,以起到更好懸浮鉆渣,保護孔壁,防止塌孔的作用。

4.1.2 鉆孔實施階段

1)旋挖鉆孔施工是利用鉆桿和鉆斗的旋轉(zhuǎn),以鉆斗自重并加液壓作為鉆進壓力,使土屑裝滿鉆斗后提升鉆斗出土。通過鉆斗的旋轉(zhuǎn)、挖土、提升、卸土和泥漿置換護壁,反復(fù)循環(huán)而成孔。旋挖鉆機具有鉆機鉆進速度快,施工效果顯著的特點,但在施工中它需要反復(fù)的將鉆頭放入提出,對孔壁的影響較大,在穿越粉質(zhì)土層時,很可能因為鉆頭刮擦孔壁而破壞了孔內(nèi)的護壁泥皮,另外在上下提動鉆頭時會帶動孔內(nèi)泥漿流動,泥漿的流動沖刷也可能破壞泥皮,引起孔壁坍塌,有時還會在上提鉆斗時在其下方產(chǎn)生負壓而導(dǎo)致孔壁坍塌。

鉆孔前,縱橫調(diào)平鉆機,保持鉆機垂直穩(wěn)固、位置準(zhǔn)確,防止鉆進過程中因鉆桿晃動引起鉆頭刮擦孔壁。鉆孔過程中上提下放鉆斗都要緩慢進行(升降速度以控制在0.5 m/s以下為宜),防止速度過快,鉆頭碰撞孔壁,放入鉆頭時還要注意將鉆桿對準(zhǔn)孔位慢慢將鉆斗放入。為提高孔壁的穩(wěn)定性,進入粉質(zhì)土層時,可以采用空鉆和反鉆的方法,加強泥漿護壁。鑒于旋挖鉆機鉆斗護壁性能差,鉆孔時宜采用PHP優(yōu)質(zhì)泥漿,在穿越粉質(zhì)土層時,泥漿比重應(yīng)調(diào)至1.20左右,泥漿粘度調(diào)至22 s左右,并隨時補充孔內(nèi)損失的泥漿。

2)沖擊鉆進成孔是利用沖擊式裝置或卷揚機提升鉆頭(鉆錐),上下往返沖擊,將土石劈裂、劈碎,部分被擠入井壁之內(nèi)。有泥漿懸浮鉆渣,使鉆頭每次都能沖擊到孔底新土層。由于鉆頭沖擊時對孔壁的振動作用,使沖擊鉆成的孔很容易出現(xiàn)孔壁坍塌現(xiàn)象,尤其在雨季施工時,土層含水飽和,鉆頭的沖擊振動作用就更顯著,嚴(yán)重制約了沖擊鉆的使用范圍,影響工程進度。

為解決這一難題,一方面在頂部要加強護筒的護壁作用,加大護筒的埋置深度和出露地面高度,另一方面要盡量減小上臥粉土層的不利影響,開孔時先往孔內(nèi)投入黏土和片石的混合物,黏土與片石的體積比為1∶3,填入量應(yīng)超過護筒刃腳至少 1.0m,然后采用小沖程(≤0.75 m)沖進,待沖至護筒刃腳下1.0m左右時,重新填入片石與黏土的混合物,填入高度仍為超過護筒刃腳至少1.0m,然后沖進。如此反復(fù)2次～3次,以加固刃腳,防止孔口坍塌。在沖進過程中為避免粉質(zhì)土層的坍塌,在粉土層附近沖進時要用小沖程(≤2.0m),減少沖擊振動作用,泥漿比重應(yīng)適當(dāng)加大(比重不小于1.2,粘度不小于20s)。進至巖層以上1 m～2 m左右時,投入片石與黏土的混合物,投入量約為孔深1 m的容量,然后小沖程沖進,待沖至巖面附近時,再行投入片石與黏土的混合物,投入量約為孔深2 m的容量,如此反復(fù)1次～2次以加固孔壁,減少沖巖層的振動對孔壁的影響。

3)旋轉(zhuǎn)鉆機成孔,正循環(huán)鉆機鉆進具有較好的造漿性能,泥漿護壁效果好,穿越上臥粉土層時宜用正循環(huán)開孔,且宜選用低鉆速(3 r/m～5 r/m)、大泵量、稠泥漿鉆進,在粉土層形成穩(wěn)固的護壁泥皮。泥漿比重控制在1.15～1.2之間,泥漿粘度在20s～22 s。穿過粉土層改用反循環(huán)鉆機鉆進,鉆進過程中根據(jù)地層條件控制鉆進速度,調(diào)整泥漿指標(biāo),在穿越中間粉質(zhì)土層時適當(dāng)減慢鉆進速度,加大泥漿比重。旋轉(zhuǎn)鉆成孔工藝由于泥漿護壁效果好,鉆進過程中對孔壁影響不大,只要控制好泥漿指標(biāo)和鉆進速度,一般不會出現(xiàn)塌孔。

4.2 粉質(zhì)土層塌孔的處理

發(fā)現(xiàn)孔口坍塌時,可立即拆除護筒,回填黏土與碎石混合物,夯實穩(wěn)定后重新埋置護筒再鉆進。如發(fā)生孔內(nèi)坍塌,判明坍塌位置,回填砂(或黏土)混合物到塌孔處以上1 m～2m,如塌孔嚴(yán)重時應(yīng)全部回填,待回填物沉積密實后再行鉆進。若在成孔后,下完鋼筋籠,導(dǎo)管,等待灌注混凝土前塌孔,應(yīng)視塌孔情況具體處理。若塌孔后孔底沉渣不厚(3 m以內(nèi))且不再增加,可拔出導(dǎo)管,將泥漿泵放入孔底,將沉渣抽出,然后重新安裝導(dǎo)管,調(diào)整泥漿指標(biāo),循環(huán)泥漿,保持孔底不沉淀沉渣,待混凝土到后迅速灌下。若孔底沉渣很厚,就回填黏土與碎石混合物,待土層穩(wěn)定后重新鉆孔。

5 結(jié)語

由于粉土本身在達到水飽和后會結(jié)構(gòu)軟化,呈散體狀,因此在有粉土的地質(zhì)鉆孔時,鉆進過程中關(guān)鍵要作好泥漿護壁,并注意保護已成的泥皮,防止粉土層塌孔。并且不論采用哪種成孔工藝成孔,成孔后都要抓緊時間灌注混凝土,防止因等待時間長而塌孔。

[1]盧廷號.土力學(xué)[M].南京:河海大學(xué)出版社,2002.

[2]莫海鴻,楊小平.基礎(chǔ)工程[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.