淺談全套管旋挖擴大頭灌注樁施工工藝

李 陳

(福建省東辰建設(shè)工程集團有限公司， 福州 350005)

旋挖鉆機具有成孔工效快，污染小等優(yōu)點；但在厚砂卵石等復(fù)雜地層中進行旋挖成孔施工，常會出現(xiàn)孔壁坍塌、施工進度慢、混凝土超灌、沉渣難控制等現(xiàn)象，若處理不當(dāng),不僅會造成施工困難,有時還會引發(fā)孔內(nèi)各種事故,導(dǎo)致鉆孔報廢。隨著我國建筑事業(yè)的不斷發(fā)展,在一些復(fù)雜地層中施工的項目日益增多，對單樁承載力要求越來越高，有些項目設(shè)計要求必須穿過復(fù)雜的砂卵石地層進入下部持力巖層。因此解決在厚砂卵石復(fù)雜地層擴大頭的施工問題,有利于完善提高灌注樁的成孔技術(shù)水平，對提高工程的經(jīng)濟效益和社會效益具有重要的意義。

1 工程概況

漳州某項目二期工程位于漳州舊花山溪的干涸河道上，項目設(shè)計有4棟地面31層的高層建筑，建筑總面積91 732.5 m2,一層地下室建筑面積約10 563.4m2,樁基采用灌注樁基礎(chǔ)，設(shè)計直徑為1.0 m和1.1 m兩種，持力層進入碎塊狀強風(fēng)化花崗巖不小于1.5m，設(shè)計樁端擴大頭直徑分別為1.6 m和1.7 m，,樁長42～46m，單樁極限承載力為14 200和16 000kN，共245根樁。根據(jù)地質(zhì)勘查報告顯示易坍塌的砂卵石層全場分布，層厚12.0～24.1m，由于砂卵石多、粒度大、硬度高，且含有大量的中微風(fēng)化孤石；另外項目所在區(qū)域地下水豐富，水位高。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地層

場地內(nèi)巖土層自上而下簡述如下。

①雜填土：為人工堆填，干～稍濕，結(jié)構(gòu)松散，含生活垃圾和建筑垃圾，堆填時間為1～3a，未完成自重固結(jié)，工程地質(zhì)性能差；層厚0.60～6.50m。

②粉質(zhì)黏土：為第四紀(jì)全新統(tǒng)沖洪積成因，干～稍濕，主要為粉粘粒，稍有光澤，無搖震反應(yīng)，干強度中等，韌性中等，局部土質(zhì)軟硬不均。含部份石英質(zhì)砂，局部含砂較高，呈軟塑～可塑狀態(tài),層厚1.20～3.60m。

③粉砂：為第四紀(jì)全新統(tǒng)沖積成因，稍濕～飽和，稍密狀，礦物成分以長石、石英及云母為主，顆粒形狀為次圓粒狀及針片狀，磨圓較差，顆粒組成以粉細砂為主，其中粉粘粒含量約占15.1%～31.0%，細砂約占30.6%～41.5%，中砂約占19.8%～25.3%，粗砂約占10.8～18.6%，含有少量的礫砂,厚度0.90～3.40m。

④卵石：為第四紀(jì)沖洪積成因，含少量石英砂，呈稍濕～飽和，以中密狀態(tài)為主，局部稍密、密實狀態(tài)。卵石約占56.1%～66.2%，礫石約占6.2%～9.2%，粉粘粒約2.7%～17.1%，余為充填的各粒徑砂，卵石成分主要為中～微風(fēng)化花崗巖、石英砂巖，全場分布分選差，粒徑一般20～60mm，最大約100mm；層厚11.40～19.50m。

⑤殘積黏性土：殘積成因，花崗巖完全風(fēng)化形成，原巖組織結(jié)構(gòu)全部破壞，風(fēng)化成土狀無搖震反應(yīng)，干強度中等韌性低，本層屬特殊性土，遇水易軟化、崩解的特性，自上而下土質(zhì)變硬，可塑～硬塑狀態(tài)；全場分布，層厚5.10～14.30m。

⑥全風(fēng)化花崗巖：花崗巖風(fēng)化形成，風(fēng)化完全，局部見有大小不一的球狀風(fēng)化體分布；巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，泡水易軟化、降低強度；自上而下風(fēng)化減弱，與下伏層呈漸變關(guān)系；全場分布，層厚4.40～12.00m。

⑦散體狀強風(fēng)化花崗巖(γ5)：花崗巖風(fēng)化形成,灰黃或灰白色，風(fēng)化強烈，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級；揭示層厚3.05～11.70m。

⑧碎塊狀強風(fēng)化花崗巖：灰黃色、風(fēng)化強烈、裂隙發(fā)育，原巖結(jié)構(gòu)已部分風(fēng)化破壞，巖芯多呈碎塊狀及少量短柱狀，巖體基本質(zhì)量等級Ⅴ級,層厚5.3～13.20m。

⑨中風(fēng)化花崗巖：灰白、灰黃色，原巖組織結(jié)構(gòu)部份破壞，風(fēng)化中等，塊狀構(gòu)造，巖石較堅硬,層厚4.70～11.70m。

⑩微風(fēng)化花崗巖：灰白色，少量風(fēng)化裂隙，為中粒結(jié)構(gòu)塊狀構(gòu)造，巖石較堅硬,層厚2.50～7.10m。

2.2 地下水

擬建場地地下水動態(tài)變化主要受季節(jié)性控制，天然條件下，地下水總體由北向南排泄，地表水和地下水未受污染；勘察期間測得場地各鉆孔中地下水初見水位1.40～8.70m,混合穩(wěn)定水位埋深1.20～8.60m。

3 施工工藝

3.1 工藝原理

全套管回轉(zhuǎn)鉆機是由鉆機卡盤的豎向油缸驅(qū)動徑向夾持套管體，使套管進行360°連續(xù)回轉(zhuǎn)的同時下壓或起拔套管，套管受回轉(zhuǎn)扭矩、軸向壓拔力、徑向夾持力的共同作用，通過卡盤夾持套管使套管實現(xiàn)回轉(zhuǎn)和壓拔，經(jīng)過套管柱的傳遞把軸向壓拔力和回轉(zhuǎn)扭矩傳遞給套管靴(即套管鉆頭)，使鉆頭切削土層或巖石，不斷壓入套管，利用套管的護壁作用，用旋挖鉆機將套管內(nèi)土體掏出的一種新型施工方法。在套管回轉(zhuǎn)過程中，為防止機身跟著套管一起回轉(zhuǎn)而配備專用的反扭矩鎖將機身卡緊，在設(shè)備的工作能力范圍內(nèi)驅(qū)動裝置可以任意調(diào)節(jié)套管的回轉(zhuǎn)扭矩、回轉(zhuǎn)速度、壓入力以及夾緊力，回轉(zhuǎn)速度設(shè)有高、中、低三檔速度，可以根據(jù)套管直徑、地質(zhì)條件以及扭矩的變化情況等來選擇最適宜的回轉(zhuǎn)速度；水平調(diào)整油缸采用專用的液壓回路，所以在套管回轉(zhuǎn)時也可以調(diào)整其垂直度。

3.2 工藝優(yōu)點

①污染小、無振動；②全套管護壁成孔直徑標(biāo)準(zhǔn)，避免了塌孔和砼超灌現(xiàn)象，充盈系數(shù)小，節(jié)約砼的使用，成樁質(zhì)量高；③工效快，土層中可達14m/h，對可能出現(xiàn)的孤石，也可以利用高強刀頭切割通過，達到全套管護壁的效果；④鉆進深度大、根據(jù)地層情況，最大作業(yè)深度可達100m以上；⑤成孔垂直度便于掌握，垂直度可以精確到1/500，但，也存在提升行程較短、套筒鉆進速度慢、對施工場地硬化要求高等缺點。

3.3 工藝流程

測量放樣—鉆機就位—放置鋼套管鉆機驅(qū)動鉆進—旋挖機掏土—鋼套管沉入設(shè)計孔深—擴底—吊放鋼筋籠—氣舉反循環(huán)清孔—灌注混凝土—設(shè)備移位下一樁施工—2d后壓注漿，具體施工流程如下圖1所示。

①路基板定位。利用路基板孔中心對準(zhǔn)樁位中心。

②放置鋼套管鉆機驅(qū)動鉆進。定好樁位以后，用回轉(zhuǎn)鉆機驅(qū)動鋼套管進行鉆進施工，使用壁厚50 mm內(nèi)徑不小于設(shè)計樁徑的鋼護筒，在鉆進第一節(jié)帶套管靴的套管后，用吊機吊起另一節(jié)套管，與鉆入地下的套管進行連接，套管采用內(nèi)螺紋高強度螺栓進行連接，然后繼續(xù)鉆進施工。施工過程中要嚴(yán)格控制套管的垂直度，滿足規(guī)范要求(圖2、圖3)。套管進場前對其進行校直，確保工程樁施工垂直度；成孔過程中樁的垂直度監(jiān)測和檢查。

③旋挖機掏土。套管下到位后需要用旋挖機進行掏土和嵌巖作業(yè)，回轉(zhuǎn)鉆機驅(qū)動套管鉆進和旋挖取土鉆進這兩種工藝要交替進行，直到鉆進至設(shè)計孔深滿足設(shè)計要求后，鉆進工作完成。鉆渣土要及時運出工地，渣土棄運要按照環(huán)保要求運到規(guī)定的地點。

圖1 工藝流程圖Figure 1 Technological flow

圖2 全回轉(zhuǎn)鉆機工人接鋼套管Figure 2 Full rotary drilling rig workers connecting casing

圖3 全回轉(zhuǎn)鉆機下鋼套管Figure 3 Full rotary drilling rig lowering down steel casing

④擴底鉆進 。進入符合設(shè)計要求的地層后，按照設(shè)計擴大頭要求進行擴底作業(yè)。將擴大頭鉆頭可靠連接在旋挖主動鉆桿上緩慢放下孔內(nèi)進行擴大頭施工，其擴底鉆頭的張開翼的張開度應(yīng)事先在地面上進行調(diào)試，便于擴孔時控制，并檢查擴底鉆頭的連結(jié)是否可靠、收張是否靈活。擴底鉆進采用低速回轉(zhuǎn)參數(shù)，擴底完成后，鉆頭在原位回轉(zhuǎn)收起張開翼后方可提鉆。擴底鉆頭見圖4所示。若擴孔時遇到堅硬孤石旋挖機擴不動時，則需繼續(xù)往下鉆穿孤石后方能擴底。若擴孔時遇到堅硬孤石時，擴孔樁徑無法達到設(shè)計要求，應(yīng)通知監(jiān)理、設(shè)計單位和業(yè)主，商議確認(rèn)后方能進行下步工序施工。

圖4 擴底鉆頭示意Figure 4 A schematic diagram of bottom reamer

⑤氣舉反循環(huán)清孔。由于該工程地下水水位較高(地面下約4m)，灌砼導(dǎo)管下好后利用氣舉反循環(huán)在導(dǎo)管混合器內(nèi)形成負(fù)壓把孔底的沉渣和泥漿水通過導(dǎo)管循環(huán)到孔口，并不斷向孔內(nèi)補充稀泥漿，保持孔內(nèi)水位平衡壓力，避免孔壁坍塌；孔底沉渣清理干凈后立即灌注混凝土。該清孔法具有清渣速度快、效果好、降低施工成本等優(yōu)點。

4 施工中的問題及處理方法

①垂直度糾偏。在成孔中若發(fā)現(xiàn)垂直度偏差過大，直接利用鉆機的兩個頂升油缸和兩個推拉油缸調(diào)節(jié)套管的垂直度達到糾偏的目的；若利用鉆機油缸糾偏無效時將套管拔出用粘土回填夯實后重新校正，或者根據(jù)實際地質(zhì)情況在原樁位周邊引孔。

②遇到地下障礙物的處理。在施工過程中若遇到一些較大卵石或小孤石等障礙物，可以直接抽干套管內(nèi)積水后人工下去進行清除；若遇較大孤石先用沖錘打碎后再用沖抓掏出；若遇巖層時，使用旋挖機進行嵌巖施工。

③防止孔壁坍塌。本樁基工程的持力層為碎塊狀強風(fēng)化花崗巖，為了防止孔壁坍塌，在進行擴大頭施工時需要使用泥漿護壁，由于本工程地下水水位較高且存有粘土層，在施工中加入清水具有自然造漿性能，泥漿比重一般控制在1.2-1.3之間，若自然土層造漿不足可以加入粘性土或膨潤土進行造漿調(diào)節(jié)泥漿比重，泥漿起到平衡土壓力的作用，施工時應(yīng)保持護筒內(nèi)的液面高度以達到平衡土壓力的作用，防止擴大頭部分孔壁坍塌。

5 施工效果

①較大地縮短施工工期。經(jīng)過統(tǒng)計比較，該項目一期工程中完成一根樁的綜合時間為36.8h，而二期完成一根樁的綜合時間為19.8h，施工完成一根樁的綜合時間可以節(jié)省17h，則二期245根樁基工程全部完成可以縮短工期174天。

②成孔質(zhì)量好。采用全套管隔離松散易塌的砂卵石地層，避免了塌孔、埋鉆等現(xiàn)象，也確保了樁端擴大頭的順利進行，減少材料的使用并保證了樁基的質(zhì)量。

③樁基質(zhì)量更加優(yōu)良。樁基經(jīng)過靜載、低應(yīng)變、聲波透射檢測試驗結(jié)果均滿足設(shè)計及規(guī)范要求，質(zhì)量達到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)，本樁基工程共抽取12根樁進行靜載試驗檢測，其中最大沉降量為19.82mm，最小沉降量為10.6mm；全部樁基進行低應(yīng)變檢測，其中Ι類樁233根占95.1%，Ⅱ類樁12根占4.9%；共進行超聲波檢測40根，其中Ι類樁38根占95%，Ⅱ類樁2根占5.%；樁基最大偏位小于100 mm；相比于一期樁基工程所采用的液壓振動錘旋挖鉆孔灌注樁工藝施工結(jié)果的靜載試驗的最大沉降量35.4mm、最小沉降量18.6mm的靜載試驗等檢測結(jié)果質(zhì)量更加優(yōu)良。