全套筒潛孔錘跟管灌注樁基施工技術(shù)應(yīng)用

向 帥,鄧正定,高戰(zhàn)祥,田衛(wèi)明,吳秉其

(1.深圳市勘察測(cè)繪院有限公司，廣東 深圳，518000；2.江西理工大學(xué) 建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州,341000；3.重慶電訊職業(yè)學(xué)院，重慶，402247；4.無(wú)錫地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇 無(wú)錫,214000)

在進(jìn)行鉆探施工作業(yè)過(guò)程中，遇到情況復(fù)雜的地層，會(huì)出現(xiàn)鉆孔漏失、縮徑、涌水、掉塊、坍塌、超徑等不同程度的復(fù)雜情況。有多方面的因素可以造成這一情況，如地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)的影響、以及地層巖性的固有因素，此外鉆進(jìn)的技術(shù)與鉆進(jìn)工藝也會(huì)造成影響，比如鉆進(jìn)速度高、深孔裸眼時(shí)間太長(zhǎng)、提下鉆速度過(guò)快與壓力過(guò)大、環(huán)空間隙太小、泵壓較大，在不穩(wěn)定的地層中沖孔的時(shí)間長(zhǎng)等。這些現(xiàn)場(chǎng)工藝因素與地層情況均能使鉆探的孔內(nèi)產(chǎn)生各種各樣的復(fù)雜現(xiàn)象，使得鉆進(jìn)不能正常進(jìn)行，甚至造成孔內(nèi)事故。

而潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)可以較好地解決此類(lèi)問(wèn)題，它在松散、漏失、破碎等復(fù)雜的地層中鉆進(jìn)是有效的方法。

1 工程實(shí)例背景

1.1 場(chǎng)地巖土層

擬建項(xiàng)目為佛山市順德區(qū)順控環(huán)投熱電項(xiàng)目，位于佛山市順德區(qū)右灘村，場(chǎng)地北側(cè)為象山，西側(cè)為已建發(fā)電廠房。依據(jù)建筑總平面圖，其中廠區(qū)總建筑面積85536m2，廠區(qū)建、構(gòu)筑物用地面積51083m2，擬建建(構(gòu))筑物包括：主廠房、輔助與附屬建筑、煙囪。根據(jù)鉆探揭露，場(chǎng)地內(nèi)埋藏地層自上而下依次描述如表1所示：

表1 項(xiàng)目巖土層一覽表

Table 1 List of rock and soil layer of project

巖土層層厚/m層頂埋深/m雜填土0.7～7.50 淤泥0.8～20.00 0.00～15.60含淤泥粉細(xì)砂1.90～13.50 3.50～7.00全新統(tǒng)沖～洪積層粘土0.5～18.40 0.00～20.50卵石0.80～6.50 3.00～21.00淤泥質(zhì)土1.00～6.00 11.20～22.00晚更新統(tǒng)沖～洪積層粘土0.50～6.30 8.00～21.50強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖1.00～36.50 0.00～30.60中風(fēng)化粉砂巖1.10～6.60(揭露層厚)25.50～35.50強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖0.80～47.10 2.80～39.80中風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖3.00～13.30(揭露層厚)15.30～52.10

其中風(fēng)化粉砂巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得為18.26MPa，中風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得為24.0MPa。

1.2 擬建建(構(gòu))筑物情況

擬建建(構(gòu))筑物設(shè)計(jì)參數(shù)如下表2：

表2 擬建建(構(gòu))筑物設(shè)計(jì)參數(shù)一覽表

Table 2 List of design parameters for proposed buildings

建筑總高結(jié)構(gòu)類(lèi)型擬采用基礎(chǔ)型式主廠房建筑高度約40～50m鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)輔助與附屬建筑3～4F,建筑高度約15m鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)煙囪高度約120m鋼筋砼結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)

擬建主廠房、輔助與附屬建筑的地基變形允許值：相鄰柱基的沉降差不大于0.002L(L為相鄰柱基的中心距離)，擬建煙囪(高聳結(jié)構(gòu))的地基變形允許值為400mm。擬建(構(gòu))筑物對(duì)差異沉降敏感程度屬敏感。

場(chǎng)地為海陸混合沉積地貌單元。場(chǎng)地現(xiàn)狀主要為魚(yú)塘、樹(shù)林、空地及現(xiàn)狀水泥道路，地勢(shì)較為平坦，孔口高程在0.40～5.30m之間。

場(chǎng)地為海陸混合沉積地貌單元。巖土種類(lèi)多，性質(zhì)差異大，屬?gòu)?fù)雜地基。各巖土層分布厚度及范圍不一，工程特性差異顯著；基巖面起伏變化很大，風(fēng)化巖空間分布及風(fēng)化程度不均。本場(chǎng)地地基均勻性為不均勻。

1.3 基礎(chǔ)類(lèi)型分析與選型

場(chǎng)地±0.00的黃海高程為5.20m，擬建場(chǎng)地現(xiàn)狀地面標(biāo)高約4.6m，垃圾池頂板標(biāo)高約為-6.0m，滲濾液處理站頂板標(biāo)高約為-8.0m。場(chǎng)地整平后主廠房的基底地層主要為人工填土、垃圾池與滲濾液處理站基底主要為第四系海積層。雜填土層松散狀態(tài)為主，工程力學(xué)性質(zhì)差，且下臥較為深厚的軟弱土層淤泥，擬建主廠房單柱最大荷載特征值約8000kN，擬建其他建筑單柱最大荷載特征值約2000kN，擬建煙囪對(duì)地基沉降要求高，人工填土層不可直接作為天然基礎(chǔ)持力層。

根據(jù)場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)及擬建物規(guī)模特點(diǎn)及荷載情況，建議采用樁基礎(chǔ)方案。本場(chǎng)地廣泛分布深厚的軟弱土層淤泥及可液化飽和砂層含淤泥粉細(xì)砂，為軟弱土層，較多地段揭示其下為強(qiáng)風(fēng)化巖層。綜上所述，考慮場(chǎng)地地層條件及建(構(gòu))筑物的工程特點(diǎn)，認(rèn)為對(duì)于主廠房、煙囪等高大建(構(gòu))筑物，以及其他輔助或附屬建筑物，其樁基礎(chǔ)的施工工藝宜采用全套筒潛孔錘跟管灌注樁基施工技術(shù)，可采用場(chǎng)地下部的中風(fēng)化粉砂巖、中～微風(fēng)化炭質(zhì)頁(yè)巖作為樁基持力層，且應(yīng)保證一定的嵌巖深度。

2 全套筒潛孔錘跟管灌注工藝介紹

在鉆探過(guò)程中，作業(yè)均是于孔下進(jìn)行的，故將其俗稱為潛孔錘，此工藝在我國(guó)的最初應(yīng)用始于鉆鑿山區(qū)的基巖水井上部覆蓋層。

此工藝的機(jī)具是由跟管鉆具(偏心擴(kuò)孔式或心式，還有三偏心、雙偏心)、潛孔沖擊器、套管柱和套管靴等組成。潛孔錘跟管鉆進(jìn)是結(jié)合空氣潛孔錘相結(jié)合，擴(kuò)底鉆進(jìn)并且同步跟進(jìn)下套管的鉆進(jìn)技術(shù)。

全套筒潛孔錘跟管灌注成樁使用的范圍并不廣泛，主要針對(duì)軟土地區(qū)，當(dāng)成樁樁長(zhǎng)較長(zhǎng)，且容易導(dǎo)致樁內(nèi)壁土坍塌時(shí)，可考慮采用該種工藝。它可以有效控制成樁的垂直度、防止超挖、防止欠挖。還可以避免縮徑等樁身質(zhì)量缺陷的出現(xiàn)，可解決復(fù)雜地層護(hù)壁難的問(wèn)題，鉆孔質(zhì)量較好，具有機(jī)動(dòng)靈活、施工效率高及多功能等特點(diǎn)。

3 工程項(xiàng)目成樁

3.1 成樁施工準(zhǔn)備

①施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整整平后，進(jìn)行施工放樣，隨后復(fù)核控制點(diǎn)，并在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置本項(xiàng)目的水準(zhǔn)點(diǎn)，對(duì)于測(cè)量的點(diǎn)位需要認(rèn)真保護(hù)，避免破壞點(diǎn)位，也要防止對(duì)精度造成影響。

②根據(jù)提供的設(shè)計(jì)樁位圖，將樁進(jìn)行編號(hào)，根據(jù)樁號(hào)對(duì)應(yīng)的軸線，按技術(shù)要求放樁位。

3.2 沖鉆成孔

潛孔錘可以達(dá)到排隊(duì)巖渣的技術(shù)要求。長(zhǎng)螺旋鉆桿的提升可以達(dá)到排渣的目的，渣通過(guò)潛孔錘的排渣孔排出。在鉆探開(kāi)始前，使套管與潛孔錘一起跟進(jìn)，同時(shí)提升1～2次長(zhǎng)螺旋鉆桿排渣，使得鋼套管發(fā)揮護(hù)壁作用，防止卡鉆及提高鉆探效率。特別是在本項(xiàng)目的含淤泥粉細(xì)砂層和卵石層很重要。需要注意的是套管的入巖深度，需嚴(yán)格控制，進(jìn)入巖石最大值達(dá)到20cm，可以使得巖壁和套管的摩擦減少，同時(shí)也可以延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命。

首先是開(kāi)啟空氣壓縮機(jī)，當(dāng)氣壓達(dá)到指定值時(shí)，潛孔錘隨旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，將鉆內(nèi)外動(dòng)力開(kāi)啟，進(jìn)行沖鉆作業(yè)。開(kāi)孔時(shí)采取慢速?zèng)_擊可防止偏孔。鋼套管可以解決塌孔、埋鉆或卡鉆等問(wèn)題。潛孔錘進(jìn)尺時(shí)，套管跟隨進(jìn)尺，當(dāng)跟進(jìn)至基巖面后，將外動(dòng)力關(guān)閉，此時(shí)跟管停止，而內(nèi)動(dòng)力頭帶著潛孔錘繼續(xù)沖鉆，直至入巖至設(shè)計(jì)孔深。

在沖鉆跟進(jìn)過(guò)程中，速度需要慢速控制，阻力較大時(shí)，需將鉆桿向上提升約0.30m～0.50m，隨后繼續(xù)隨旋轉(zhuǎn)振動(dòng)跟進(jìn)進(jìn)尺，當(dāng)沖鉆至5m～8m時(shí)，將螺旋桿提升，排渣一次，當(dāng)沖鉆至10.00m時(shí)，將螺旋桿提升，排渣第二次，當(dāng)孔深至設(shè)計(jì)要求。采用空氣壓縮機(jī)達(dá)到12MPa，壓力清孔2min～3min，將螺旋桿提升，排渣。

鉆進(jìn)過(guò)程中禁止對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行移動(dòng)，機(jī)架需要保持穩(wěn)定，為保證樁基的施工質(zhì)量，潛孔錘進(jìn)入巖層時(shí)，可以聽(tīng)到鉆機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)聲音，故入巖孔深易于控制?？椎椎某猎?jīng)檢驗(yàn)，符合要求后可終孔。圖1為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)圖。

圖1 大直徑全套筒潛孔錘跟管灌注樁有水施工現(xiàn)場(chǎng)Fig.1 Construction site of large diameter full sleeve DTH hammer to have water pipe piles

3.3 清孔

鉆進(jìn)達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，孔底壓力清孔2min～3min，將螺旋桿提升，排渣，經(jīng)檢測(cè)，沉渣厚度小于50mm并滿足設(shè)計(jì)要求后才可以停止。潛孔錘的端部設(shè)計(jì)有通道以供排渣，可以利用壓力風(fēng)將渣進(jìn)行排到長(zhǎng)螺旋鉆桿上，提升長(zhǎng)螺旋鉆桿，渣就可直接排出孔外，將鉆孔清孔完成后，再利用高速的壓力風(fēng)清理干凈孔底，使其無(wú)沉渣。當(dāng)檢驗(yàn)的沉渣厚度大于50mm，應(yīng)將潛孔錘再次下至孔內(nèi)進(jìn)行第二次清孔，直到滿足技術(shù)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

文中對(duì)在樁基施工階段的施工工藝進(jìn)行了研究，全套筒潛孔錘跟管灌注樁基施工技術(shù)對(duì)于本項(xiàng)目的復(fù)雜地層是適用的，對(duì)于樁基的成孔的作用是顯著的。對(duì)此類(lèi)復(fù)雜地層的樁基成孔工藝可作為一個(gè)借鑒。

采用新型樁，可以準(zhǔn)確判斷入巖，及準(zhǔn)確測(cè)量樁長(zhǎng)，無(wú)需進(jìn)行施工勘察。節(jié)約工程費(fèi)用及節(jié)約工期。

全套筒潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)與復(fù)雜地層潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)研究有如下優(yōu)勢(shì)：全套筒潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)鉆進(jìn)效率高，效率提高的原因是：?jiǎn)未螞_擊功大，排渣風(fēng)速高，孔底干凈，無(wú)二次破碎；由于無(wú)液柱壓力，在無(wú)地下水的情況下，改善了孔底破條件。工作時(shí)單次沖擊功在瞬間即可生產(chǎn)極大作用力，因而它可應(yīng)用于軟層沖擊擠密不排土鉆進(jìn)，也可用于非開(kāi)挖鋪管的夯管技術(shù)。

這個(gè)新工藝的研究還存在著很多問(wèn)題，如：因其需要從地表護(hù)筒開(kāi)始就使用全套筒跟樁同步深入樁下，鋼套筒的使用需要更多研究。

鉆探工程技術(shù)發(fā)展至今，理論體系仍不夠完善，對(duì)鉆探經(jīng)驗(yàn)有一定程度的依賴，需進(jìn)一步提高鉆探技術(shù)水平。

復(fù)雜地層的鉆探是巖土鉆探中的難題，解決好復(fù)雜地層的鉆探問(wèn)題有利于完善和發(fā)展鉆探技術(shù)與理論水平，有利于提高工程的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效果。

參考文獻(xiàn):

[1]莊生明，王茂森，博坤，等.復(fù)雜地層跟管鉆進(jìn)套管強(qiáng)度的有限元元分析[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(03)：9-12.

[2]劉燦銘.國(guó)內(nèi)破碎復(fù)雜地層鉆進(jìn)技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[J].甘肅科技，2010，26(14)：78-80.

[3]吳建明，朱忠寧.空氣潛孔錘灌注樁施工工藝及方法[J].山西建筑，2010，36(09)：89-90.

[4]丁曉慶，何龍飛.氣動(dòng)潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)在巖土工程勘察施工中的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2015，42(01)：17-21.

[5]趙大軍，計(jì)勝利，曲世東，等.潛孔錘沖擊靜壓跟管鉆進(jìn)施工工敢的研究[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版)，2003，33(01)：115-118.

[6]譚現(xiàn)峰，姜春永，朱學(xué)順.跟管鉆進(jìn)在旋挖鉆機(jī)施工樁基工程中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2006，35(06)：17-19.

[7]吳冬宇，殷琨，甘心，等.兩種貫通潛孔錘反循環(huán)鉆頭應(yīng)用效果及理論分析[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版)，2017，47(01)：197-202.

[8]張飛，熊虎林，張建，等.蓄能式繩索取心液動(dòng)潛孔錘的應(yīng)用研究[J].地質(zhì)與勘探，2017，53(06)：1188-1196.