硬質(zhì)巖抗拔樁大直徑潛孔錘施工技術(shù)

楊守興，張在云，商吉慶

（中建八局第一建設(shè)有限公司，山東濟南250014）

0 引 言

青島地區(qū)多以硬巖地層為主，其地質(zhì)類型為典型的“上軟下硬”地層，這給明挖車站地鐵抗拔樁的施工帶來了一定難度。如何解決大直徑抗拔樁“入巖”難的問題，已成為亟待解決的技術(shù)難題。

目前大直徑抗拔樁一般采取在原地表使用沖擊鉆或旋挖鉆進行施工。此類施工方法存在虛樁比例高、施工效率低、噪音大、產(chǎn)生大量泥漿等問題。為滿足施工進度需要，機械投入量較多，致使安全文明施工管控難度較大［1-3］。

潛孔錘施工方法與傳統(tǒng)工法相比具有施工效率高、環(huán)保無泥漿、綜合成本低、成樁質(zhì)量高等特點，尤其在單軸飽和抗壓強度60MPa以上的巖層中優(yōu)勢更為明顯［4-7］。

1 工程概況

青島市地鐵8號線紅島火車站位于青島市城陽區(qū)，海蝕堆積地貌，屬于典型的濱海沼澤帶，環(huán)境水土具有強腐蝕性。海相濱海沖積及人工堆積土、白堊系凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)角礫巖、安山巖。該工程抗拔樁完全嵌入中風(fēng)化凝灰質(zhì)角礫巖、安山巖中。地鐵紅島火車站共建段長度為315.5m，呈“工”字型。中間部分為地下兩層結(jié)構(gòu)三柱四跨，結(jié)構(gòu)高15.2m，寬45.4m；兩側(cè)地下一層結(jié)構(gòu)七柱八跨，結(jié)構(gòu)高7.65m，寬70m。地下二層為站臺層，共建段南、北端東西兩側(cè)為地下一層結(jié)構(gòu)，建筑功能為地鐵設(shè)備用房區(qū)。共建段北端接地鐵非共建段，南端接8、12號線區(qū)間（暗挖法施工），共建段采用明挖順做法施工，共包括上部放坡+下部樁錨支護、上部放坡+下部樁撐等支護型式。地鐵抗拔樁樁徑1m，總計776根，采用潛孔錘成樁工藝進行成孔。

2 工程地質(zhì)條件

紅島站房勘探深度范圍內(nèi)揭露地層為第四系全新統(tǒng)沖海積層（Q4al+m）粉土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，白堊系上統(tǒng)青山組（K1q）安山巖、局部表層覆蓋第四系人工堆積層（Q4al）素填土。基坑開挖深度為18.8m，自上而下依次為：①灰褐色，強風(fēng)化安山巖，斑狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，平均厚度4.30m；②灰褐色～青褐色，中風(fēng)化安山巖，巖體堅硬程度為較硬巖，巖體完整程度較完整，平均揭露厚度5.75m；③微風(fēng)化安山巖，斑狀、塊狀構(gòu)造，主要礦物成分為斜長石、灰石，巖體基本質(zhì)量級別為Ⅲ級，最大揭露厚度約19.6m。微風(fēng)化安山巖抗壓強度高達145MPa。根據(jù)鉆孔灌注樁設(shè)計要求以及場地地層條件，抗拔樁大部分坐落在中風(fēng)化安山巖，抗拔樁樁端入中風(fēng)化、微風(fēng)化安山巖巖深度約為6.00～12.00m。

3 大直徑潛孔錘施工技術(shù)

潛孔錘成孔原理是以風(fēng)動高頻潛孔錘快速擊打巖石，螺旋鉆桿排渣實現(xiàn)樁基成孔。采用汽車吊安裝鋼筋籠，導(dǎo)管法灌注混凝土，樁基施工完畢后，樁頭鋼筋采用液壓鉗按設(shè)計彎錨。

本工程應(yīng)用的潛孔錘鉆機構(gòu)成包括：全液壓雙動力頭和高穩(wěn)定性全液壓履帶式樁架，配備新式套管螺旋組合鉆具及套管潛孔錘組合系統(tǒng)，液壓動力頭旋轉(zhuǎn)螺旋鉆桿。破碎硬巖的沖擊動能由高壓風(fēng)動力提供，鉆頭帶動鉆桿及潛孔錘進行適度的鉆壓與回轉(zhuǎn)鉆進，這樣產(chǎn)生的動能及沖擊能既能起到研磨硬巖的作用，潛孔錘底部的合金突出點又能刻碎巖石。風(fēng)動潛孔錘的高壓縮空氣不僅起到冷卻鉆頭的作用，而且能夠?qū)⑵扑榈挠矌r鉆渣通過螺旋鉆桿的排渣管排到孔口，從而達到快速破碎硬巖石的目的。潛孔錘鉆機構(gòu)造如圖1所示。

4 工藝流程及操作要點

4.1 施工工藝流程

潛孔錘的施工工藝流程如圖2所示。

圖1 鉆機構(gòu)造圖

圖2 潛孔錘施工流程

4.2 操作要點

4.2.1 場地平整

施工場地的地層要具有足夠承載能力，能穩(wěn)固地支撐鉆機。若場地的地層條件不能滿足承載能力要求時，需在鉆機履帶移動方向放置大于履帶寬度的25mm厚鋼板來支撐鉆機，同時禁止鉆機在超過允許坡度值的地面行駛。

4.2.2 施工放樣

建立測量控制網(wǎng)，用全站儀或GPS對樁位進行施工放樣。定出的樁位，及時設(shè)置護樁，并交作業(yè)人員看管保護，嚴(yán)禁機械在樁位和護樁上行走碾壓。

4.2.3 鉆機準(zhǔn)備及就位

根據(jù)地層選擇合適的開孔鉆具，若地表為裸巖地層，選擇外側(cè)套管及鉆桿與潛孔錘的組合鉆具；若上軟下硬地層，采用外側(cè)套管與螺旋鉆桿的組合鉆具開孔，鉆至硬質(zhì)巖層后更換潛孔錘鉆具。鉆機行駛至樁位附近后打開支腿，調(diào)整鉆桿使鉆頭位于設(shè)計孔位。

4.2.4 鉆進

用夾樁器在設(shè)計孔位固定套筒后，開啟高壓風(fēng)測試正常后，開始鉆進，鉆進過程中著重控制鉆壓、轉(zhuǎn)速、風(fēng)壓、風(fēng)量幾個參數(shù)［8］。

1）鉆壓。潛孔錘鉆破碎硬巖的基本過程是由鉆桿提供的靜壓力、回轉(zhuǎn)力，潛孔錘提供的沖擊力構(gòu)成。穩(wěn)定的鉆壓是為保證鉆頭合金突出點與巖石接觸緊密，防止在鉆進過程中潛孔錘沖擊器及鉆具的反彈，以便巖石能夠有效地接受潛孔錘沖擊器產(chǎn)生的沖擊功力。若鉆壓過小，鉆機很難克服沖擊器工作時的背壓和反彈力，形成鉆機“跳頭”現(xiàn)象，直接影響成孔的效率；若鉆壓過大，鉆機的回轉(zhuǎn)阻力將會增大，加大了鉆頭早期磨損。對于本工程潛孔錘鉆進的過程中，單位直徑的壓力值控制在在30～90kg/cm。

2）轉(zhuǎn)速。潛孔錘鉆機的轉(zhuǎn)速主要取決于巖石的性質(zhì)、沖擊功和沖擊頻率、樁孔直徑。因為潛孔錘主要是以沖擊動能來破碎巖石的，轉(zhuǎn)機回轉(zhuǎn)速度僅僅是為了改變硬質(zhì)合金刃具破巖的位置，所以合理的回轉(zhuǎn)速度應(yīng)保證在最優(yōu)的沖擊間隔范圍內(nèi)破碎巖石，避免重復(fù)破碎，降低成孔效率。本工程鉆機的轉(zhuǎn)速通過現(xiàn)場試驗確定，控制在每分鐘20轉(zhuǎn)。

3）風(fēng)壓。潛孔錘鉆進施工時，潛孔沖擊器的沖擊頻率和沖擊功均與空氣壓力有關(guān)?？諝鈮毫κ菦Q定沖擊功的重要因素，因而也是影響鉆機鉆進速度的主要參數(shù)，鉆機鉆速的提高與空氣壓力的提高呈正相關(guān)［9］?？諝鈮毫Τ凉M足潛孔錘工作壓力外，還應(yīng)克服管道壓力損失，孔內(nèi)壓力降、潛孔錘的壓力降低，還要克服地下水柱壓力，才能正常工作，空氣壓力計算公式見公式（1）。

式中：P為空氣壓力，MPa；Q2為每米干孔的壓力降（一般為0.0015MPa/m）；Pm為管道壓力損失（Pm=0.1～0.3MPa）；P錘為潛孔錘壓力降，MPa；P水為鉆孔內(nèi)水柱壓力。

本工程大直徑潛孔錘施工技術(shù)建議采用高風(fēng)壓2.4MPa。

4.2.5 風(fēng)量

潛孔錘在鉆進的過程中，通過孔壓機和儲氣罐送入壓縮空氣。壓縮空氣不僅為沖擊器活塞提供動能還能夠攜帶巖屑、冷卻鉆頭。供風(fēng)量多少與沖擊器性能及鉆桿環(huán)狀空間有關(guān)，利用壓縮空氣的氣流進行洗孔排除巖屑屬于氣力輸送問題。巖屑的自由懸浮速度與本身的粒度、密度和形狀有關(guān)。根據(jù)經(jīng)驗當(dāng)風(fēng)壓2.4MPa，φ1000mm鉆錘建議風(fēng)量85～100m3/min。

4 設(shè)備機具

該施工方法使用的機械設(shè)備如表1所示。

表1 主要機械設(shè)備表

5 質(zhì)量控制措施

5.1 成孔質(zhì)量控制措施

1）鉆頭直徑不小于設(shè)計樁徑，土層采用鋼套管穿越，以保證樁孔質(zhì)量。

鉆孔過程中做好記錄，將實際地層與勘察地層進行核對，若與勘查不符及時報設(shè)計院研究確定。孔深、垂直度通過設(shè)備駕駛室LED顯示面板實時監(jiān)測，采用測繩進行核對孔深。

2）潛孔錘鉆機鉆到設(shè)計深度后，更換清渣斗進行清孔，不得用加深鉆孔深度的方式代替清孔。必須清理至潛孔錘入巖位置，孔底沉渣不得超過設(shè)計要求。

5.2 鋼筋籠質(zhì)量控制措施

1）鋼筋接頭優(yōu)先采用直螺紋套筒連接，對鋼筋斷面進行打磨，直螺紋擰緊的過程中漏絲不能超過1P。

2）鉆孔樁鋼筋籠制作時，主筋直徑大于25mm時宜采用直螺紋套筒，小于25mm采用焊接。焊接時采用單面焊接滿足10d，雙面焊接滿足5d，接頭位置應(yīng)相互錯開，在鋼筋外漏35d接頭連接處，鋼筋接頭面積不得超過鋼筋橫截面面積的50%。

3）鋼筋籠應(yīng)按設(shè)計要求加工，注意抗拔樁頂部直角彎錨部分宜先不預(yù)彎，待底板施工時，用專用手持液壓鋼筋彎曲機對鋼筋籠主筋進行彎錨。

4）鋼筋籠采用汽車吊吊裝入孔，注意控制鋼筋籠居中，保證保護層厚度。鋼筋籠吊裝入孔時，由專人指揮，不得碰損孔壁，以免造成孔底沉渣厚度過大，二次清孔。

5）鋼筋籠安裝完成后注意保護外露主筋，提前規(guī)劃好設(shè)備運行路線，避免設(shè)備碰撞損壞鋼筋籠主筋。

5.3 混凝土澆筑質(zhì)量控制

1）混凝土配合比應(yīng)通過試驗確定，在灌注混凝土?xí)r，現(xiàn)場工長、試驗室人員必須全程旁站，現(xiàn)場進行坍落度的測試及試塊的制備，確保水下灌注混凝土具備良好的和易性。

2）下放導(dǎo)管時，導(dǎo)管底部距孔底宜為300～500mm。

3）灌注第一料斗時，容量應(yīng)滿足封底要求。封底時，導(dǎo)管埋入混凝土灌注面以下不應(yīng)少于0.8m。

4）灌注混凝土必須連續(xù)施工，不得間斷，防虛樁、端樁的情況發(fā)生。每根樁的灌注時間應(yīng)按初盤混凝土的初凝時間控制，對灌注過程中的故障應(yīng)記錄備案。

5）當(dāng)抗拔樁鋼筋籠低于孔口時，采用常規(guī)方式灌注，超灌高度50～100cm；當(dāng)抗拔樁鋼筋籠高于孔口時，無法安裝導(dǎo)管支架，需要用吊車提住料斗，采用泵車泵送混凝土至料斗內(nèi)?；炷凉嘧⑦^程不拆導(dǎo)管，使用吊車提升導(dǎo)管，混凝土灌注完成后一次性拔除導(dǎo)管，混凝土超灌30～50cm。混凝土灌注至孔口后，人工清除樁頭浮漿，減少后續(xù)截樁工作量。使用全套管施工時，混凝土澆筑完成后，應(yīng)在混凝土初凝前拔出鋼護筒。

6 結(jié) 語

紅島火車站工程抗拔樁設(shè)計739根，設(shè)計樁長7～11m，設(shè)計樁徑1000mm，樁身全部位于安山巖中。施工工期 3 個月。采用旋挖樁無法保證工期，根據(jù)地質(zhì)特點，采用大直徑潛孔錘工法施工，自2017年4月15日至5月31日，節(jié)省了一半工期，樁基檢測結(jié)果全部為Ⅰ類樁，承載能力滿足設(shè)計要求，取得良好的經(jīng)濟和社會效果。潛孔錘成樁法適用于各種硬巖地層、卵礫石層，是解決工程中大直徑樁高效率“入巖”難題和克服泥漿污染問題的最有效的手段之一。與傳統(tǒng)工法相比具有施工效率高、環(huán)保無泥漿、綜合成本低、成樁質(zhì)量高等特點。潛孔錘非常適用青島地區(qū)“上軟下硬”的地層條件，應(yīng)在青島地區(qū)繼續(xù)大力推廣。