硬巖地質(zhì)機(jī)械成孔微型樁技術(shù)研究及應(yīng)用

張曉亮 ，王 浩 ，秦向軍 ，曲 趵 ，李 佳 ，曹 桐 ，解科委

（1.山東送變電工程有限公司，山東 濟(jì)南 250022；2.國網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

人工挖孔樁是輸電線路工程常見的基礎(chǔ)形式，具有受力合理、造價(jià)低、棄土量少、易復(fù)耕等優(yōu)點(diǎn)，近幾年應(yīng)用的越來越廣泛。但挖孔樁井下作業(yè)條件差、環(huán)境惡劣、勞動(dòng)強(qiáng)度大；硬巖地質(zhì)挖孔樁，需要爆破施工，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高；雨季施工，降水工作量大，塌方風(fēng)險(xiǎn)升高；掏挖過程完全依賴人力，勞動(dòng)效率低。綜上所述，人工挖孔樁是一種高風(fēng)險(xiǎn)、長周期、效率低下的施工工藝。旋挖鉆機(jī)具有成孔速度快、質(zhì)量高、安全風(fēng)險(xiǎn)低等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到人工挖孔樁基礎(chǔ)施工中。但對于400 kPa及以上的中風(fēng)化巖石，因其額定功率限制無法施工，只能采用人工掏挖的落后工藝，無成型、實(shí)用的新施工工藝。

為破解人工挖孔樁高風(fēng)險(xiǎn)等級、高作業(yè)強(qiáng)度、低施工效率的“兩高一低”的施工難題，以實(shí)現(xiàn)全機(jī)械化施工的指導(dǎo)思想，開展硬巖地質(zhì)機(jī)械成孔微型樁技術(shù)研究，并在1 000 kV山東-河北環(huán)網(wǎng)特高壓工程線路工程（4標(biāo)）3S054基礎(chǔ)開展試點(diǎn)應(yīng)用，取得了一定的成功。

1 微型樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方案

人工挖孔樁直徑最小800 mm，最大能達(dá)到2 200 mm。大直徑和硬質(zhì)地基，要求旋挖鉆機(jī)必須輸出功率足夠大，鉆機(jī)尺寸和重量相應(yīng)增大，制造成本水漲船高，運(yùn)輸難度也成倍增加。為解決以上難題，設(shè)計(jì)單位創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，將大直徑單樁改為小直徑群樁，并增加承臺(tái)［1］。

1.1 設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用

根據(jù)水文地質(zhì)、道路運(yùn)輸?shù)葪l件，選定1 000 kV山東-河北環(huán)網(wǎng)特高壓工程線路工程（4標(biāo)）3S054基礎(chǔ)作為試點(diǎn)研究。3S054基礎(chǔ)具有典型代表性，面向小號左側(cè)70 m為另一條特高壓交流工程，面向小號右側(cè)32 m為村莊，由于環(huán)境受限，無法爆破施工。該基礎(chǔ)0.5 m以下為中風(fēng)化花崗巖，若采取人工掏挖施工工藝，預(yù)計(jì)工期30 d。原設(shè)計(jì)方案計(jì)劃采用樁徑1 800 mm，樁長10 500 mm的人工挖孔樁，每條腿1顆樁［2］，原設(shè)計(jì)圖紙如圖1所示。

圖1 原設(shè)計(jì)方案

微型樁基礎(chǔ)計(jì)劃采用樁徑400 mm，樁長10 000 mm的微型樁，每條腿4顆樁，樁頂設(shè)置1個(gè)承臺(tái)，新設(shè)計(jì)圖紙如圖2所示。

圖2 新設(shè)計(jì)方案

1.2 設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性分析

經(jīng)過對兩種設(shè)計(jì)方案的單腿工程量統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，如表1所示。

表1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比

通過表1對比分析，鋼筋用量基本無變化，混凝土用量減少40%，土方量減少40%，工程造價(jià)大大降低。

2 微型樁基礎(chǔ)施工

微型樁基礎(chǔ)施工最關(guān)鍵的是施工機(jī)械，通過充分的市場調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)勘探中常用的自行式履帶水井鉆機(jī)能夠滿足微型樁施工要求。水井鉆機(jī)是一種巖石鉆孔設(shè)備，能鉆進(jìn)承載力1 000 kPa巖石，鉆孔深度可達(dá)1 000 m。水井鉆機(jī)工作原理為合金錘頭高頻振蕩，將巖石擊碎成細(xì)小粉末，強(qiáng)風(fēng)通過鉆桿中間的風(fēng)管將巖石粉末吹出坑內(nèi)，完成成孔作業(yè)。3S054基礎(chǔ)采用SL1000型水井鉆機(jī)，其性能參數(shù)如表2所示。

表2 SL1000型水井鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.1 施工方案

選定設(shè)備后，施工項(xiàng)目部制定了詳細(xì)的施工方案［3］，工藝流程如圖 3。

2.2 施工關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 基礎(chǔ)分坑

在基坑開挖的基礎(chǔ)上，采用經(jīng)緯儀定位放樣半根開樁，找出基礎(chǔ)中心，再以各腿基礎(chǔ)中心點(diǎn)為基點(diǎn)確定鉆孔中心；最后參照圖紙微型樁孔心分布位置放樣鉆孔，并以鉆孔樣板進(jìn)行校核，保證孔間尺寸準(zhǔn)確無誤。

2.2.2 鉆機(jī)就位

1）鉆機(jī)和空氣壓縮機(jī)進(jìn)入作業(yè)現(xiàn)場后，在施工面內(nèi)合理布置鉆機(jī)和空氣壓縮機(jī)。

2）根據(jù)施工面的實(shí)際情況，確定各基礎(chǔ)及孔位的鉆孔順序，并向施工作業(yè)人員交底。

3）鉆機(jī)操作人員將鉆機(jī)固定于待鉆孔位，由技術(shù)員配合鉆機(jī)對位，并用鉆孔樣板校核鉆頭對點(diǎn)精度。

4）聯(lián)結(jié)鉆機(jī)和空壓機(jī)間的管路，確保接頭連接牢固，膠管合理彎曲。

圖3 微型樁施工工藝流程

5）鉆機(jī)鉆桿垂直度控制，鉆桿的垂直度采用2臺(tái)經(jīng)緯儀正交測量監(jiān)控（即在相互垂直的正面、側(cè)面各架設(shè)1臺(tái)），當(dāng)鉆桿發(fā)生偏移或傾斜時(shí)應(yīng)及時(shí)糾偏。

2.2.3 鉆孔清孔

1）鉆孔需鉆通巖石層，因此宜采用濕鉆法。

2）開鉆前，專職機(jī)手檢查設(shè)備各部位是否安裝穩(wěn)妥，連接牢固。

3）3S054基礎(chǔ)為中風(fēng)化巖層，選擇鎢合金鉆頭，確保成孔質(zhì)量可靠。

4）啟動(dòng)鉆機(jī)動(dòng)力設(shè)備及液壓設(shè)備，采用油缸推進(jìn)沖擊器，在接近工作孔位前開始送風(fēng)，沖擊器開始工作，當(dāng)沖擊器進(jìn)入巖層后，控制推進(jìn)和回轉(zhuǎn)速度以適應(yīng)該巖土層鉆進(jìn)作業(yè)，確保開孔良好。

5）當(dāng)一根鉆桿（2 m）行程結(jié)束后，進(jìn)行下一根鉆桿的連接、鉆孔，之后重復(fù)進(jìn)行直到完成鉆孔施工。倒換鉆具時(shí)，須使用專用卡具卡牢鉆頭后方可拆卸。根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)深度，換接不同數(shù)量的鉆桿，直至孔深滿足要求。

6）清孔。成孔過程中，渣土、巖粉隨鉆進(jìn)過程吹出，完成該鉆孔作業(yè)后，鉆機(jī)停止鉆進(jìn)，繼續(xù)送風(fēng)和回轉(zhuǎn)，直至孔口無明顯可見顆粒及粉塵吹出，停止清孔，然后向上提升回轉(zhuǎn)頭，逐根拆除鉆桿，直至全部鉆具都提出孔外為止，鉆孔作業(yè)結(jié)束。

2.2.4 成孔質(zhì)量檢查

1）清孔后，用垂球測量鉆孔深度，為防止清孔沉渣影響孔深，鉆孔深度應(yīng)略大于設(shè)計(jì)孔深，檢查合格后使用專用封孔器材封堵孔口，防止鉆頭及雜物掉入孔內(nèi)，然后轉(zhuǎn)動(dòng)鉆架完成該基礎(chǔ)腿的其他鉆孔的鉆孔工作。

2）每個(gè)孔鉆完之后，應(yīng)立即檢查成孔質(zhì)量，進(jìn)行根開校正，確保其誤差在規(guī)定范圍內(nèi)。

2.2.5 安裝鋼筋籠灌漿

1）微型樁采用直徑為384 mm的鋼筋籠，鋼筋籠安裝完畢后盡快灌注混凝土，本工程微型樁基礎(chǔ)采用商混澆筑。

2）在孔口放置小型漏斗，將拌制好的混凝土均勻、平緩灌注，分層搗固，每灌注約200～300 mm，沿微型樁四圍用搗固釬進(jìn)行搗固，每一次搗固要徹底均勻，灌注至基底之上0.5 m為止。

3）核對灌入混凝土體積，一般應(yīng)與實(shí)際容積相同，保證灌注的密實(shí)度［4］。

3 應(yīng)用效果

硬巖地質(zhì)機(jī)械成孔微型樁技術(shù)在3S054基礎(chǔ)成功應(yīng)用，通過現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)收集整理，與人工挖孔樁基礎(chǔ)進(jìn)行對比分析，如表3。

表3 應(yīng)用效果對比表

通過與人工挖孔樁基礎(chǔ)對比分析，我們發(fā)現(xiàn)：“硬巖地質(zhì)機(jī)械成孔微型樁技術(shù)”的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)“四級風(fēng)險(xiǎn)雙降”，提高施工質(zhì)量，縮短50%施工周期，機(jī)械化應(yīng)用率達(dá)到100%，減少土方外運(yùn)40%，減少勞動(dòng)強(qiáng)度，是一種安全高效的新工藝。

4 結(jié)束語

經(jīng)過在3S054基礎(chǔ)中實(shí)際應(yīng)用，硬巖地質(zhì)機(jī)械成孔微型樁技術(shù)解決了人工挖孔樁基礎(chǔ)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、施工效率低等問題。水井鉆機(jī)適用于全地形、全地質(zhì)作業(yè)，重量輕 、便于運(yùn)輸，該技術(shù)可在輸電線路施工中廣泛推廣應(yīng)用。