水磨鉆咬合取芯在巖溶區(qū)臨近公路人工挖孔樁硬巖中的應(yīng)用

茍?zhí)柶?/p>

（中交四航局第二工程有限公司 廣州510230）

0 引言

隨著高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，橋梁工程臨近居民區(qū)及重要（構(gòu)）建筑物施工已成為不可避免的現(xiàn)狀，尤其是樁基礎(chǔ)施工，受場(chǎng)地或地質(zhì)條件限制，對(duì)于硬巖，大型鉆機(jī)無(wú)法施鉆，人工手持風(fēng)鎬又鑿不動(dòng)硬巖，當(dāng)巖溶區(qū)人工挖孔樁遇到巖層嚴(yán)禁采用炸藥爆破作業(yè)時(shí)，如何提高巖溶區(qū)臨近既有線人工挖孔樁的施工進(jìn)度、質(zhì)量，保證施工安全將成為一大技術(shù)難題［1］。為了解決這個(gè)難題，我們通過(guò)不同方案可行性分析比選，采用水磨鉆成孔施工工藝，既保證了工期，又降低了施工成本，取得了良好的效果。本文結(jié)合具體的工程實(shí)例，對(duì)水磨鉆斷面咬合取芯在巖溶區(qū)臨近既有線人工挖孔樁的施工工藝進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 工程概述

新建廣州到連州高速公路TJ09 標(biāo)段桂巖2 號(hào)大橋左線在26#、27#墩及右線63#、64#墩之間跨越358 國(guó)道，桂巖橋上部結(jié)構(gòu)采用30 m 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，下部橋墩采用φ 1 600的雙柱式橋墩，橋墩高度18～20 m；樁基礎(chǔ)采用φ 1 800 鉆孔灌注樁，兩樁間距為8.95 m。樁基與國(guó)道硬路肩最小距離不足2.0 m。巖性主要由黏土、粉質(zhì)黏土、砂、卵石土組成，局部低洼地段有薄層透鏡狀淤泥（淤泥質(zhì)土）軟土。厚度一般0.6～1.5 m。地基承載力基本容許值［fa0］=150 kPa。中風(fēng)化灰?guī)r（C1ym）：青灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，由方解石脈充填，巖質(zhì)硬，巖體較完整。揭露最大層厚1.5～34.2 m。地基承載力基本容許值［fa0］=2 000 kPa。因施工地形較復(fù)雜，場(chǎng)地限制，安全要求高，樁基礎(chǔ)施工設(shè)計(jì)采用人工挖孔樁工藝。項(xiàng)目部擬采用人工風(fēng)鎬開(kāi)挖巖層，但施工存在一定困難，最終采用水磨鉆斷面取芯法施工工藝克服了不利影響。

2 樁基施工方案比選

考慮樁基地質(zhì)為中風(fēng)化石灰?guī)r，參考以往類(lèi)似工程嵌巖樁樁基施工經(jīng)驗(yàn)，有3 種可選擇的施工工藝方案：①?zèng)_擊鉆施工，②水磨鉆咬合取芯施工，③人工空壓機(jī)開(kāi)鑿施工［2］。

3種不同施工方案的可行性分析如表1所示。

通過(guò)對(duì)巖溶區(qū)臨近國(guó)道以上3種不同的樁基施工方案進(jìn)行可行性對(duì)比分析后，因水磨鉆成孔方案具有占用場(chǎng)地小、干擾小、無(wú)泥漿排出、不污染周邊環(huán)境、噪音小、成孔質(zhì)量可控、機(jī)具設(shè)備安裝調(diào)整操作簡(jiǎn)便，人員投入少，能夠滿足施工進(jìn)度及工期要求，為此我們選擇第②種施工方案。

表1 3種不同施工方案可行性對(duì)比分析Tab.1 Feasibility Comparative Analysis of Three Different Construction Schemes

3 水磨鉆施工工藝

3.1 施工原理

水磨鉆主要采用小型電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)φ 160 的鋼鉆筒，鋼鉆筒上有8 個(gè)刀頭。鋼鉆筒高750 mm，每層可鉆進(jìn)700 mm。沿設(shè)計(jì)樁徑圓周為圓心成環(huán)狀進(jìn)行全斷面咬合取芯，使樁孔內(nèi)硬樁芯完全脫離巖體形成巖柱塊，制造臨空面。然后對(duì)樁芯部分巖石等分成若干小塊，沿樁基半徑向圓心利用手電鉆鉆一排孔，在孔內(nèi)插入鋼楔子，人工使用大錘使勁錘擊鋼楔子使巖體分解成幾大塊，再利用風(fēng)鎬將巖體大塊破碎，使巖石從樁芯分裂剔除掉，取出分裂破碎的巖塊［3］。

3.2 施工工藝流程

水磨鉆鉆孔工藝流程如圖1所示。

圖1 水磨鉆鉆孔工藝流程Fig.1 Process Flow Chart of Water Grinding Drilling

3.3 人員配置

1 根樁孔為一組，一組配2 人使用l 臺(tái)水磨鉆，其中，1人在孔內(nèi)操作水磨鉆施工，1人在地面配合出碴，2人輪換作業(yè)。

3.4 設(shè)備配置

⑴鉆機(jī)為德國(guó)CAYKEN水鉆SCY-3550型，功率4.88kW，380V電壓，可鉆φ160mm的孔，每層鉆進(jìn)700mm。

⑵電動(dòng)提升機(jī)為Y132S-4 型，電機(jī)功率5.5 kW，380 V電壓，配置φ 12 mm的鋼絲繩。

⑶水磨鉆主要由電動(dòng)機(jī)、鋼鉆筒、專(zhuān)用水泵及支架組成。1個(gè)水磨鉆機(jī)配備3個(gè)高750 mm，外徑φ 160 mm，內(nèi)徑φ 140 mm，壁厚10 mm的鋼鉆筒，1個(gè)鋼鉆筒上有8個(gè)刀頭。

3.5 施工方法

3.5.1 施工準(zhǔn)備

施工前，采用風(fēng)鎬人工進(jìn)行場(chǎng)地整平，場(chǎng)地整平范圍滿足水磨鉆人工挖孔樁施工即可，不宜過(guò)大［4］。整平標(biāo)高應(yīng)高出樁頂標(biāo)高20 cm 為宜，樁基樁頂?shù)刭|(zhì)基本為基巖，平臺(tái)刷坡坡比為1∶0.75，巖層較破碎處采用噴錨防護(hù)。要對(duì)上下邊坡孤石、松散石進(jìn)行清除，防止?jié)L落。

3.5.2 施工放樣

根據(jù)設(shè)計(jì)提供的樁位坐標(biāo)點(diǎn)，利用全站儀放出樁孔中心點(diǎn)，以樁中心為圓心，以樁的半徑為半徑畫(huà)出孔口護(hù)圈內(nèi)徑圓周，撒白灰線，打入標(biāo)樁，并設(shè)置護(hù)樁，便于校核，護(hù)樁埋設(shè)必須穩(wěn)固，且不影響施工，并設(shè)立明顯標(biāo)志。

3.5.3 土層段成孔施工

頂部為雜填土或粘性土層采用人工配合風(fēng)鎬進(jìn)行開(kāi)挖，每次開(kāi)挖深度不宜超過(guò)1.0 m，并及時(shí)澆筑200 mm厚的C25鋼筋混凝土護(hù)壁，孔口處設(shè)置護(hù)壁鎖口，鎖口高出整平面300 mm，鎖口硬化寬度不小于60 cm。在孔口位置埋設(shè)2 根φ 20 圓鋼人員上下的爬梯；另外一側(cè)也埋設(shè)2 根φ 20 的圓鋼，用于固定風(fēng)管和水管。頂部土層段成孔后架設(shè)垂直運(yùn)輸架、安裝垂直運(yùn)輸設(shè)備及附屬設(shè)施，搭好孔口遮雨棚。

3.5.4 水磨鉆施工

⑴咬合取芯形成臨空面：水磨鉆取芯φ 160 mm，取芯圓的間距為150 mm，咬合50 mm，每層鉆進(jìn)巖層700 mm。沿設(shè)計(jì)樁徑圓周為圓心成環(huán)狀進(jìn)行全斷面咬合取芯，使樁孔內(nèi)硬樁芯完全脫離巖體形成巖柱塊，制造臨空面［5］。

⑵鉆取中部巖柱：水磨鉆全斷面咬合取芯閉環(huán)后將樁芯柱分成若干等份，每一份體積大致相同，再利用手電鉆沿樁半徑方向鉆取取一排眼，以便將巖體破裂。

⑶中部巖柱破碎：在手電鉆已鉆好的孔內(nèi)打入鋼楔子，人工使用大錘使勁錘擊鋼楔子使巖體產(chǎn)生一個(gè)水平的沖擊力，巖石在水平?jīng)_擊力作用下沿鉛錘面慢慢開(kāi)裂，底部會(huì)發(fā)生因水平剪切破壞而斷裂［6］。依次分解該層樁芯直到該層樁芯全部破裂為止。

⑷裝渣，卷?yè)P(yáng)機(jī)出渣：每一層巖體咬合取芯作業(yè)完成后，將分離出來(lái)的大塊碎石利用風(fēng)鎬分解破碎成小塊，人工配合裝渣通過(guò)電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)出渣［7］。

⑸樁孔修正及以下n個(gè)循環(huán)作業(yè)層：由于水磨鉆全斷面咬合取芯后樁孔壁通常成圓盤(pán)鋸鋸齒狀，為保證開(kāi)挖好的樁徑不小于設(shè)計(jì)樁徑，要鑿除掉樁基孔壁鋸齒狀的巖石。通過(guò)孔口護(hù)樁拉十字線吊鉛垂線在樁孔內(nèi)標(biāo)出設(shè)計(jì)樁中心，檢查樁基底部軸線偏位情況并及時(shí)修孔糾偏，與此同時(shí)標(biāo)示出下一個(gè)循環(huán)外壁一圈水磨鉆取芯點(diǎn)位，進(jìn)入下一循環(huán)巖層的挖孔樁施工，依次循環(huán)n次后達(dá)到設(shè)計(jì)挖孔樁的樁長(zhǎng)。

⑹成孔檢查與驗(yàn)收：鉆孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，及時(shí)清除護(hù)壁上的泥土，并做好孔底處理，迅速將孔底碎渣及松渣清理干凈，確?？椎灼秸椎谉o(wú)積水，孔徑、孔深、垂直度均須滿足設(shè)計(jì)要求后立即進(jìn)行下道工序施工。

3.5.5 施工注意事項(xiàng)

施工前要熟悉挖孔樁處地勘資料，查清地質(zhì)構(gòu)造、巖層屬性、巖層厚度、巖石堅(jiān)硬程度及完整性等情況和地下水的狀態(tài)，對(duì)施工中可能遇到的問(wèn)題應(yīng)采取有針對(duì)性的應(yīng)急處理措施。

挖孔樁孔內(nèi)須按相關(guān)規(guī)定配備專(zhuān)用安全軟爬梯，爬梯寬度為0.5 m，高度為0.3 m，承載力不應(yīng)小于2 kN，并用直徑不小于20 mm 的HPB300 圓鋼固定在孔口。人員通過(guò)固定在孔口的軟梯上下，上下時(shí)必須系好安全帶，安全帶掛在安全繩上，安全繩栓固在孔口的預(yù)埋鋼筋上，孔口人員根據(jù)上、下孔作業(yè)的人的速度往下收、松安全繩，人員在孔底作業(yè)時(shí)，也必須系好安全帶和安全繩。

工人在孔內(nèi)作業(yè)時(shí)應(yīng)持續(xù)通風(fēng)，現(xiàn)場(chǎng)配備氣體濃度檢測(cè)儀器。工人進(jìn)入樁孔前先通風(fēng)15 min 以上，并檢查確認(rèn)孔內(nèi)空氣滿足要求后，人員才能方可下孔作業(yè)，清理孔壁上松散破裂的護(hù)壁和擱在護(hù)壁上的碴土，并對(duì)護(hù)壁進(jìn)行修補(bǔ)。離開(kāi)前必須用蓋板將孔口覆蓋，并做好圍閉和警示標(biāo)志。

開(kāi)挖利用提升設(shè)備運(yùn)渣，吊碴桶裝運(yùn)土（石）碴時(shí)，裝碴量不應(yīng)裝滿吊桶，一般裝2∕3 桶，以防土（石）碴中途墜落。

采用電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)電纜、鋼絲繩、吊具、連接部件和料桶必須牢固，卷?yè)P(yáng)機(jī)制動(dòng)、止鎖裝置必須完好無(wú)損。出碴時(shí)卷?yè)P(yáng)機(jī)偏向一側(cè)，在儲(chǔ)碴桶平穩(wěn)后再進(jìn)行提升，提升過(guò)程中與孔壁保留20 cm以上距離，確保不得剮蹭孔壁，并要慢速提升，孔內(nèi)人員停止作業(yè)，并站在半圓形防護(hù)板下方。

如遇滲水，孔內(nèi)滲水量不大時(shí)，可用塑料桶盛水提升到孔外排水。當(dāng)滲水量較大時(shí)，可在孔內(nèi)邊角處設(shè)置一個(gè)集水坑，用潛水泵抽水排水，潛水泵必須使用專(zhuān)用防水電纜，在抽完水后把水泵提離孔底后方可再進(jìn)行作業(yè)，嚴(yán)禁邊作業(yè)邊抽水，同時(shí)要及時(shí)加強(qiáng)護(hù)壁支護(hù)，防止水在孔內(nèi)流淌、浸泡。

開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)注意地層變化處，仔細(xì)核對(duì)設(shè)計(jì)地質(zhì)資料是否相符［8］。若孔底地質(zhì)復(fù)雜或作業(yè)時(shí)發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)現(xiàn)象（如溶洞、薄層泥巖、不規(guī)則的淤泥分布等）時(shí)，應(yīng)停止施工及時(shí)確定處理方案再施工。

因場(chǎng)地受限，國(guó)道距離樁孔很近，來(lái)往車(chē)輛產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)護(hù)壁的安全也會(huì)造成不利的影響［9，10］。在下孔施工前，設(shè)專(zhuān)人觀察護(hù)壁有無(wú)裂縫及孔壁坍塌跡象，如有裂縫或坍塌跡象，則應(yīng)立即報(bào)告，待查明原因，采取有效的安全防護(hù)措施后，在確保安全的前提下方可繼續(xù)施工。

4 結(jié)語(yǔ)

采用水磨鉆咬合取芯施工巖溶區(qū)中風(fēng)化石灰?guī)r層臨近既有線人工挖孔樁，解決了受場(chǎng)地受限，大型鉆機(jī)無(wú)法施工，人工采用風(fēng)鎬挖孔遇到巖層鑿不動(dòng)的情況，避免了人工挖孔成孔臨近公路在巖溶區(qū)巖層嚴(yán)禁炸藥爆破作業(yè)的技術(shù)難題，能夠以短時(shí)間、低成本、保質(zhì)量、較安全的完成巖溶區(qū)人工挖孔樁施工任務(wù)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益［11，12］。水磨鉆具有設(shè)備小、自重輕、操作簡(jiǎn)便、無(wú)泥漿排出、噪音小、無(wú)粉塵污染，施工質(zhì)量安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，用來(lái)解決復(fù)雜地質(zhì)條件下、鄰近建（構(gòu)）筑物以及既有線施工環(huán)境下，人工挖孔樁遇到硬巖開(kāi)挖比較有效的一種施工方法，易于技術(shù)推廣，是一種施工工藝上的創(chuàng)新。