旋挖樁水下嵌巖成孔施工技術(shù)在閘泵工程中的應(yīng)用

賀志貞 葉 峰

(浙江省正邦水電建設(shè)有限公司，浙江 杭州 310051)

大多閘泵工程的基礎(chǔ)處理通常采用鉆孔灌注樁形式中的端承樁，而端承樁根據(jù)其持力層介質(zhì)的不同多為嵌巖樁。嵌巖灌注樁傳統(tǒng)的施工方法一般是采用回旋鉆或旋挖鉆進(jìn)行軟土層的鉆孔，鉆孔深度到達(dá)硬巖基層時(shí)換用沖擊鉆進(jìn)行沖擊成孔。但隨著文明施工和環(huán)保要求的不斷提高、水利工程施工場(chǎng)地條件的限制等，采用沖擊成孔的施工工藝出現(xiàn)了越來(lái)越多的局限性。如何提高水下嵌巖樁的鉆孔施工技術(shù)水平，加快施工進(jìn)度，確保工程質(zhì)量和成本控制，是嵌巖樁施工值得探討的問(wèn)題。本文通過(guò)旋挖鉆水下嵌巖樁施工技術(shù)在寧波姚江二通道(慈江)工程鎮(zhèn)海段Ⅱ標(biāo)閘泵工程中的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)水下嵌巖樁成孔的工藝原理、施工流程、技術(shù)控制要點(diǎn)、質(zhì)量檢測(cè)等問(wèn)題進(jìn)行探索總結(jié)，為樁基工程水下嵌巖成孔的施工提供借鑒。

1 工程概況

寧波姚江二通道(慈江)工程是浙江省重點(diǎn)工程。該工程的主要功能是將慈江分洪部分姚江干流洪水，經(jīng)江北、鎮(zhèn)海河道直排入海，緩解姚江干流防洪壓力。鎮(zhèn)海段Ⅱ標(biāo)是該工程的組成部分，主要建設(shè)內(nèi)容為：嵐山一橋—澥浦大閘段5.73km堤防加高與護(hù)岸抗沖刷防護(hù)處理；新建澥浦大河沿線6座排澇閘泵工程。其中化工區(qū)3號(hào)閘站位于嵐山護(hù)塘河出口與澥浦大河交匯處，工程等別為Ⅲ等。閘站工程采用平面并列布置型式，排澇閘與泵站通間布置。水閘設(shè)2孔5.0m開(kāi)敞式水閘，居于主河床左岸，右岸將原河道拓寬布置泵站，泵站設(shè)計(jì)排澇流量15m3/s。閘站基礎(chǔ)采用端承樁，樁徑1.0m，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)26～30m，樁底嵌入花崗巖基層2m。

閘站站址淺部地質(zhì)以軟土為主，深部持力層地質(zhì)為花崗巖。各土層由上到下分布情況為：粉質(zhì)黏土層厚3.00～8.40m；含礫砂粉質(zhì)黏土層厚2.40～12.90m；強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖厚0.60～2.60m；弱風(fēng)化混合花崗巖層厚3.90～6.40m。

2 嵌巖樁成孔方案比選

嵌巖灌注樁傳統(tǒng)的施工方法一般是采用回旋鉆或旋挖鉆進(jìn)行軟土層的鉆孔，鉆孔深度到達(dá)硬巖基層時(shí)換用沖擊鉆沖擊成孔。這樣的施工方法往往受實(shí)際施工條件的限制而進(jìn)度較慢，沖擊鉆施工產(chǎn)生的震動(dòng)及噪聲對(duì)周?chē)用窦敖ㄖ镉绊懘?，難以滿足環(huán)保和文明施工要求，強(qiáng)力的沖擊還會(huì)對(duì)樁底巖層整體性造成破壞。由于該工程位于寧波化工園區(qū)，閘站周邊化工廠對(duì)震動(dòng)要求嚴(yán)格，上述成孔方法顯然不適合在本工程中采用。

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查研究，旋挖鉆機(jī)應(yīng)能夠滿足本工程嵌巖灌注樁一次性成孔的技術(shù)要求，且具備如下特點(diǎn)：?成孔垂直度好：鉆機(jī)通過(guò)自動(dòng)水平調(diào)整功能，有效保證水下鉆孔的垂直度；?入巖效率高：根據(jù)巖性特點(diǎn)選用不同形式的鉆頭以達(dá)到高效入巖目的；?施工成本低：旋挖嵌巖鉆進(jìn)時(shí)，通過(guò)螺旋鉆頭和不同大小筒鉆的配合應(yīng)用，能夠減少斗齒磨損，加快鉆進(jìn)速度，節(jié)約施工成本；?施工現(xiàn)場(chǎng)文明環(huán)保：軟土層孔內(nèi)原土鉆挖，棄土成塊狀，不需特殊處理可直接外運(yùn)，施工場(chǎng)地整潔環(huán)保；?鉆機(jī)履帶行走，移位靈活方便；?旋挖鉆機(jī)的地層適應(yīng)能力強(qiáng)：旋挖鉆機(jī)可以適用于不同地質(zhì)地層，旋挖鉆進(jìn)時(shí)在孔壁上形成較明顯的螺旋線，有助于提高樁的摩阻力。

經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，本工程嵌巖樁采用旋挖鉆機(jī)單獨(dú)一次性成孔的施工方案。

3 旋挖樁施工流程

旋挖樁施工流程圖如圖1所示。

圖1 旋挖樁施工流程

4 嵌巖成孔工藝原理

鉆機(jī)按設(shè)計(jì)樁位正確就位后，按照常規(guī)的旋挖鉆進(jìn)方法，對(duì)上部的粉質(zhì)黏土層和含礫砂質(zhì)土層進(jìn)行鉆孔和取渣。旋挖鉆進(jìn)至持力巖層后，換用專(zhuān)用的嵌巖鉆頭(鉆筒)進(jìn)行嵌巖鉆進(jìn)和成孔。嵌巖成孔分四步完成(四步法)，鉆進(jìn)過(guò)程中根據(jù)不同的效用階段分別采用不同的鉆具。施工工藝原理如下：

?松動(dòng)巖芯[采用小直徑嵌巖筒鉆，見(jiàn)圖2(a)]→?破碎巖芯[換成螺旋鉆頭，見(jiàn)圖2(b)]→?擴(kuò)孔鉆進(jìn)[換成大直徑嵌巖筒鉆，見(jiàn)圖2(c)]→?撈取巖渣[換成旋挖鉆斗如，見(jiàn)圖2(d)]。重復(fù)?～?的鉆進(jìn)與撈渣循環(huán)，直至達(dá)到嵌巖成孔深度。

圖2 嵌巖成孔工藝

5 嵌巖鉆具

在嵌巖成孔過(guò)程中，通常要根據(jù)鉆孔效用的不同，采用不同的鉆具(見(jiàn)圖3)。常用的鉆具及作用如下：

a.鉆桿。鉆桿常用摩擦鉆桿[見(jiàn)圖3(a)]，其主要作用是連接鉆機(jī)和鉆頭，要求具有一定的強(qiáng)度。最大鉆孔深度可達(dá) 100m左右。

b.鉆頭。常用的鉆頭有螺旋鉆頭[見(jiàn)圖3(d)]、牙輪鉆筒[見(jiàn)圖3(e)]和筒鉆[見(jiàn)圖3(f)]。螺旋鉆頭主要用于軟弱巖層或者強(qiáng)風(fēng)化巖層的巖芯破碎；筒鉆根據(jù)直徑的大小，有多種規(guī)格，小直徑筒鉆一般直徑為30～80cm，大直徑筒鉆最大直徑可達(dá)150cm。其主要用于硬巖層或者弱風(fēng)化巖層的嵌巖鉆孔。有時(shí)與牙輪鉆筒互相交替使用，當(dāng)采用螺旋鉆頭把巖芯破碎后，采用牙輪鉆筒或大直徑的筒鉆進(jìn)行孔壁巖體的破碎和擴(kuò)孔。

c.撈渣斗。常用的撈渣斗有單底土斗[見(jiàn)圖3(b)]和雙底撈砂斗[見(jiàn)圖3(c)]兩種，其主要作用是把被破碎的巖渣取出孔外。

圖3 旋挖鉆嵌巖鉆具

6 嵌巖成孔施工控制要點(diǎn)

6.1 施工準(zhǔn)備

a.施工前要全面復(fù)核設(shè)計(jì)單位提供的工程水文和地質(zhì)條件，確定強(qiáng)風(fēng)化層、弱風(fēng)化層及硬巖層的埋深厚度，以便選擇不同巖層地質(zhì)情況下的旋挖鉆進(jìn)方式和嵌巖鉆具，制定鉆進(jìn)參數(shù)和質(zhì)量控制措施。

b.施工前要嚴(yán)格復(fù)核測(cè)量控制基線和基準(zhǔn)點(diǎn)，按照設(shè)計(jì)要求精確測(cè)設(shè)樁位控制點(diǎn)，并按照樁位控制中心點(diǎn)就位鉆機(jī)。

c.旋挖鉆機(jī)的自重比較大，就位時(shí)對(duì)地基承載力的要求較高，一般要求不小于100kPa，且履盤(pán)坐落的位置平整，坡度應(yīng)不大于30°，樁機(jī)定位要準(zhǔn)確、水平、垂直、穩(wěn)固，鉆機(jī)導(dǎo)桿中心線、回旋盤(pán)中心線、護(hù)筒中心線應(yīng)保持在同一直線。

d.鉆機(jī)就位后準(zhǔn)確調(diào)整鉆桿垂直度，并確保鉆機(jī)就位平正穩(wěn)定，以免旋挖鉆進(jìn)時(shí)造成鉆孔的偏斜(一般旋挖鉆機(jī)都具有自動(dòng)調(diào)節(jié)控制裝置)。

e.軟土層鉆進(jìn)時(shí)須埋設(shè)護(hù)筒，護(hù)筒采用鋼板制成，護(hù)筒直徑一般大于樁徑200mm，護(hù)筒長(zhǎng)度應(yīng)視軟土層厚度和地質(zhì)情況確定，一般長(zhǎng)度為2m。護(hù)筒埋設(shè)時(shí)高出地面300mm。

6.2 軟土層旋挖鉆進(jìn)

a.軟土層旋挖鉆進(jìn)須制備泥漿，并且要合理地控制泥漿的比重指標(biāo)。在鉆孔過(guò)程中，為了防止坍孔、穩(wěn)定孔內(nèi)水位及便于挾帶鉆渣，通常采用黏土制備成泥漿進(jìn)行護(hù)壁。泥漿護(hù)壁利用泥漿與地下水之間的壓力差來(lái)控制水壓力，以確?？妆诘姆€(wěn)定，所以泥漿的比重起到保持這種壓力差的關(guān)鍵作用。如果鉆孔中的泥漿比重過(guò)小，泥漿護(hù)壁就容易失去阻擋土體坍塌的作用；如果泥漿的比重過(guò)大，則容易使泥漿泵產(chǎn)生堵塞甚至使混凝土的置換產(chǎn)生困難，使成樁質(zhì)量難以得到保證。

b.設(shè)置泥漿循環(huán)系統(tǒng)，泥漿池單個(gè)容積不小于單樁鉆孔容積的1.5～2.0倍，要有較好的防滲能力。泥漿池設(shè)置在樁基區(qū)域附近，所有樁的施工均可用導(dǎo)溝進(jìn)行泥漿引流，旋挖鉆機(jī)泥漿可重復(fù)利用。施工期間及時(shí)清除泥漿池內(nèi)鉆渣。

c.在黏土、粉土、砂土、淤泥質(zhì)土、人工回填土及含有部分卵石、碎石等軟土地層鉆進(jìn)時(shí)，旋挖鉆機(jī)采用摩擦鉆桿和回轉(zhuǎn)鉆頭鉆進(jìn)。護(hù)筒內(nèi)注滿泥漿后，開(kāi)始鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過(guò)程中隨時(shí)不斷補(bǔ)充泥漿，使孔內(nèi)始終保持高于地下水位1～1.5m的水頭，同時(shí)根據(jù)土質(zhì)情況調(diào)整泥漿配方和比重。旋挖鉆進(jìn)時(shí)通過(guò)配備的電子控制系統(tǒng)顯示調(diào)整鉆進(jìn)時(shí)的垂直度，同時(shí)輔以人工觀察來(lái)保證鉆桿的垂直度，從而保證成孔的垂直度。

6.3 巖基層嵌巖鉆進(jìn)

a.嵌巖鉆孔時(shí)，要分別按照松動(dòng)巖芯、破碎巖芯、擴(kuò)孔鉆進(jìn)及撈取巖渣的“四步法”順序進(jìn)行，鉆具分別以短螺旋鉆頭、牙輪鉆筒和筒鉆交替更換使用。軟弱巖層宜選用短螺旋鉆頭與撈渣斗組合；硬巖層宜選用筒鉆與撈渣斗組合。

b.要控制好地下涌水對(duì)鉆孔的影響。由于泵站工程基礎(chǔ)地下水位較高，土層以下地下含水量大，在鉆孔過(guò)程中應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)埋設(shè)護(hù)筒，使地下水隔絕于樁孔外，確保鉆機(jī)嵌巖作業(yè)的條件。

c.為保證鉆進(jìn)質(zhì)量和進(jìn)度，要定時(shí)檢查鉆具的磨損程度，磨損部分要及時(shí)焊接修補(bǔ)，以保證鉆具的直徑符合設(shè)計(jì)樁孔直徑的要求。

d.為避免造成嵌巖深度的超欠挖，當(dāng)鉆機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)顯示鉆孔深度已達(dá)到設(shè)計(jì)深度要求時(shí)，要采用測(cè)繩對(duì)孔深進(jìn)行復(fù)測(cè)，以準(zhǔn)確判定嵌巖深度。

e.嵌巖鉆進(jìn)過(guò)程中，要隨時(shí)觀察鉆機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中顯示的各種鉆進(jìn)參數(shù)，及時(shí)掌握和控制鉆桿的垂直度，以保證樁孔垂直度符合要求。

f.嵌巖成孔后，要及時(shí)量測(cè)孔底的沉渣厚度和終孔深度，確保沉渣厚度不大于施工規(guī)范值，孔深滿足設(shè)計(jì)要求值。

6.4 水下混凝土灌注

嵌巖樁終孔并清孔后，經(jīng)過(guò)對(duì)沉渣厚度、孔深、孔斜、孔徑、泥漿比重等鉆孔指標(biāo)嚴(yán)格檢查驗(yàn)收后，即可進(jìn)入鋼筋籠安裝和水下混凝土灌注工序。水下混凝土灌注一般采用導(dǎo)管直升法，灌注工藝按規(guī)范規(guī)定的要求進(jìn)行控制。

水下混凝土灌注是成樁的最后一道關(guān)鍵性的工序，施工質(zhì)量將嚴(yán)重影響灌注樁的質(zhì)量，所以在施工中必須注意。灌注前首先檢查漏斗、測(cè)試儀器、量具、隔水塞等各項(xiàng)器械的完好情況。

7 成樁質(zhì)量檢測(cè)

灌注樁成樁后的質(zhì)量檢測(cè)一般采用低應(yīng)變法、高應(yīng)變法和聲波透射法等。本工程的泵站基礎(chǔ)灌注樁完成后，全部采用聲波透射法進(jìn)行檢測(cè)，所有樁均達(dá)到Ⅰ類(lèi)樁標(biāo)準(zhǔn)。

聲波透射法檢測(cè)要點(diǎn)是：在樁孔內(nèi)預(yù)先埋設(shè)聲測(cè)管，在樁基混凝土灌注之前，應(yīng)在管內(nèi)注入清水，防止樁基的泥漿或水泥漿進(jìn)入管內(nèi)而堵塞聲測(cè)管及妨礙超聲波探頭的進(jìn)入。在聲波透射法檢測(cè)完畢并合格后，應(yīng)將聲測(cè)管灌注滿水泥漿，水泥漿強(qiáng)度等級(jí)不低于樁身的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

8 結(jié) 語(yǔ)

旋挖樁水下嵌巖成孔施工技術(shù)的工程實(shí)踐表明，該項(xiàng)施工技術(shù)能夠大大提高文明施工與環(huán)保施工的水平，與傳統(tǒng)的樁基成孔工藝比較，更具有可行性和優(yōu)越性，更能夠提高施工機(jī)械化和自動(dòng)化的程度，能夠縮短施工工期并節(jié)約施工成本，值得在同類(lèi)工程樁基施工中推廣應(yīng)用。缺點(diǎn)在于，單臺(tái)旋挖鉆機(jī)須配備多個(gè)不同規(guī)格和形式的鉆具，嵌巖施工時(shí)不同鉆具交替使用，操作比較復(fù)雜，有待今后不斷地進(jìn)行設(shè)備創(chuàng)新研究和發(fā)展提高。?