復(fù)雜地質(zhì)條件下建筑排水工程全鋼護(hù)筒旋挖樁成孔技術(shù)研究

易 榮

(中鐵十八局集團(tuán)房地產(chǎn)開發(fā)有限公司工程管理部，浙江 嵊州 312400)

1 概 述

混凝土灌注樁是建筑工程、橋梁工程和建筑排水工程等中樁基施工中比較常用的灌注樁，傳統(tǒng)成孔方法在成孔時(shí)會(huì)運(yùn)用大量的泥漿，造成環(huán)境污染，且由于鉆進(jìn)工藝的原因制約了成孔的質(zhì)量和鉆進(jìn)速度[1-2]。近年來(lái)隨著全鋼護(hù)筒旋挖鉆機(jī)的研發(fā)成功，全鋼護(hù)筒旋挖成孔灌注樁技術(shù)被大量應(yīng)用到建筑工程中。全鋼護(hù)筒旋挖成孔灌注樁技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)工藝的缺點(diǎn)，確保了成孔質(zhì)量[3]。且全鋼護(hù)筒旋挖成孔灌注樁技術(shù)具有工作速率高、污染少的優(yōu)點(diǎn)[4]。但是當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件比較復(fù)雜時(shí)，樁基施工過(guò)程中仍然容易產(chǎn)生塌孔和縮孔等異常狀況，會(huì)影響成樁質(zhì)量。

排水工程包括各類廢水以及地下水等廢棄水的排出，其主要設(shè)施有各級(jí)排水溝道、管道及其附屬建筑物等，主要應(yīng)用于城鎮(zhèn)、工廠和施工現(xiàn)場(chǎng)等地方。在我國(guó)，類似準(zhǔn)噶爾和四川等地區(qū)的地質(zhì)條件比較復(fù)雜，在這樣的地質(zhì)條件下進(jìn)行施工陸上深井或超深井，會(huì)為全鋼護(hù)筒旋挖成孔灌注樁技術(shù)帶來(lái)一些難題。

因此，為解決上述問(wèn)題，本文以上海洋山海港復(fù)雜的地質(zhì)條件為對(duì)象，研究在復(fù)雜地質(zhì)條件下建筑排水工程全鋼護(hù)筒旋挖樁成孔技術(shù)，從而提高建筑排水工程的成樁質(zhì)量。

2 全鋼護(hù)筒旋挖樁成孔技術(shù)

2.1 工程概況

該工程主要針對(duì)復(fù)雜地形條件下上海洋山海港新建排水工程集裝箱碼頭項(xiàng)目，由206根直徑1.1m的混凝土灌注樁構(gòu)成橋機(jī)岸側(cè)軌道基礎(chǔ)，樁間距3.23m，將樁頂標(biāo)高設(shè)計(jì)成+3.7m，樁孔深度28～31m不等。該鉆孔灌注樁在碼頭陸域完成后進(jìn)行施工[5]。

地勘報(bào)告顯示，該工程中的189根樁頂標(biāo)高以下13～28m有全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和強(qiáng)風(fēng)泥質(zhì)粉砂巖夾層，夾層厚度在4.5～11.0m之間。

3 施工難點(diǎn)和特點(diǎn)

3.1 地質(zhì)條件特殊

碼頭前沿后方28m是灌注樁地域，在樁位挖泥到-11m后，將石料回填在泥坑里形成陸域。海平面高潮位是+3.60m，回填石料后形成的地面標(biāo)高是+3.8m，鉆孔必須穿透碎石層和卵石膠結(jié)層。

3.2 夾層的穿透

根據(jù)地勘報(bào)告，復(fù)雜地質(zhì)條件下上海洋山海港新建排水工程集裝箱碼頭項(xiàng)目建筑基礎(chǔ)存在夾層。將穩(wěn)固的中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖作為持力層，樁端必須穿過(guò)全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層。邊坡(基坑)和樁基開挖時(shí)存在流沙，且全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖含水性不突出。

3.3 全鋼護(hù)筒底部變形

依據(jù)地勘報(bào)告和以往工程經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)地質(zhì)層之間的界面可能存在兩種狀態(tài)：?地質(zhì)不平坦；?位置突變。因此將全鋼護(hù)筒打進(jìn)夾層底端時(shí)，可能會(huì)由于夾層底面不平坦或是突變，造成錘擊力存在較高差異，并引發(fā)護(hù)筒底口變形，致使全鋼護(hù)筒不能下鉆或卡鉆的狀況發(fā)生。

3.4 施工干擾多

對(duì)鉆孔灌注樁施工影響比較嚴(yán)重的因素有兩個(gè)方面：多項(xiàng)工序交互工作，如前沿的鋼管樁沉樁和錨桿安裝等施工作業(yè)交互進(jìn)行；碼頭施工地域較小。

4 鉆孔灌注樁施工流程

圖1是工程鉆孔灌注樁施工流程，詳細(xì)如下。

圖1 工程鉆孔灌注樁施工流程

4.1 測(cè)量放線

復(fù)雜地質(zhì)條件下施工樁位利用全站儀進(jìn)行精確放樣，并將護(hù)樁設(shè)置在施工樁周圍，以便施工時(shí)實(shí)行校核。

4.1.1 護(hù)筒加工制作及運(yùn)輸

將護(hù)筒的內(nèi)徑設(shè)計(jì)成1200mm，每節(jié)5m，外圍選用11mm厚的鋼板卷制作。護(hù)筒在加工廠精密加工，第一節(jié)護(hù)筒下端添加加強(qiáng)箍，加強(qiáng)箍的長(zhǎng)和厚分別是29cm和11mm，為了防止護(hù)筒在吊運(yùn)過(guò)程中變形，利用“米”形支撐桿在護(hù)筒內(nèi)側(cè)進(jìn)行支護(hù)。

4.1.2 第一節(jié)護(hù)筒定位和振沉

由于第一節(jié)護(hù)筒的位置和傾斜度非常重要，因此樁心坐標(biāo)平面位置和傾斜度偏差小于49mm和1%。

利用“栽樁法”完成第一節(jié)鋼護(hù)安裝定位，其過(guò)程為：在樁位處挖出大約2.1m深的坑，清除坑底大塊石，將坑底找平；在地面上放置一臺(tái)活動(dòng)式井子架，將井子架依據(jù)樁位位置固定好；利用吊車將首節(jié)護(hù)筒放入井子架里；調(diào)整護(hù)筒的傾斜度，采用長(zhǎng)靠尺或經(jīng)緯儀完成；為了使護(hù)筒固定，確保護(hù)筒位置和傾斜度準(zhǔn)確沒(méi)有偏差后，在護(hù)筒四周用石料回填，回填速度緩慢且對(duì)稱。

振沉鋼護(hù)筒利用振動(dòng)錘完成，振動(dòng)錘沉樁的工作原理是：利用鉗口剛性連接振動(dòng)錘和鋼，連接的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)振動(dòng)體系，偏心輪在振動(dòng)錘工作時(shí)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生振動(dòng)力，該力讓樁體產(chǎn)生正弦波的垂直振動(dòng)，迫使樁體四周的土體發(fā)生液化和位移，在樁體本身和振動(dòng)錘的作用下，由于土體位移，使得樁體切入底層。當(dāng)振動(dòng)終止后，土體也漸漸復(fù)原。同理，施工中的樁體可以由起重機(jī)吊鉤的吊力拔出。

鋼護(hù)筒振沉施工過(guò)程中，吊車應(yīng)適當(dāng)上拔或帶力，使護(hù)筒沉入的速度受到均勻的控制，要時(shí)常停擺對(duì)傾斜度進(jìn)行校驗(yàn)，如果護(hù)筒發(fā)生微小傾斜，則使用外力實(shí)行糾正[6]。

4.2 鋼護(hù)筒接長(zhǎng)

復(fù)雜地質(zhì)條件下振動(dòng)錘克服的護(hù)筒端部阻力和摩擦力較大。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，振動(dòng)錘能將護(hù)筒振沉8.5m長(zhǎng)，如果超出該深度進(jìn)尺不顯著，因此在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中利用“鉆振結(jié)合”的方式，避免該種狀況的發(fā)生。當(dāng)把護(hù)筒下沉6.5m后，利用鉆機(jī)在護(hù)筒內(nèi)部進(jìn)行旋挖直至挖空，并適當(dāng)?shù)厣钔谝恍?，將新的護(hù)筒焊接在頂部，反復(fù)進(jìn)行振沉、旋挖、焊接和振沉，直到黏土層進(jìn)入到護(hù)筒底部，為了讓施工效果更好，可以將15m的鋼護(hù)筒，依照6.2m、5m、3.8m進(jìn)行分節(jié)施工。

4.3 旋挖樁施工

采用旋挖機(jī)械進(jìn)行旋挖作業(yè)時(shí)，選擇下雙全鋼護(hù)筒的施工技術(shù)解決擁有雙夾層的樁，旋挖機(jī)型號(hào)參數(shù)見(jiàn)表1。其施工步驟為：?鉆進(jìn)成孔到(上部和下部夾層地面-0.6m)標(biāo)高位置，分別采用斜I050和斜850的全鋼護(hù)筒旋挖完成；?按照?步驟正常鉆進(jìn)成孔并清空驗(yàn)孔。

表1 旋挖機(jī)型號(hào)參數(shù)

混凝土澆筑分三部分進(jìn)行：?將混土澆筑到內(nèi)側(cè)斜850全鋼護(hù)筒頂面以下-0.6m，將受料斗、導(dǎo)管和支架，用32t履帶吊吊離全鋼護(hù)筒，利用150型振動(dòng)樁錘配合80t履帶吊，拔出內(nèi)側(cè)斜850的全部全鋼護(hù)筒；?對(duì)水下混凝土實(shí)行二次澆筑，當(dāng)澆筑到護(hù)筒頂面以下-0.6m時(shí)，第一次將斜1050全鋼護(hù)筒拔起；?拔出全部的斜1050全鋼護(hù)筒。

4.4 混凝土灌注

a.利用70m汽車天泵進(jìn)行水下混凝土灌注并將混凝土坍落度控制在185～225mm之間：計(jì)算出樁孔的混凝土初灌量(包括不同直徑和深度的孔樁)，導(dǎo)管埋進(jìn)混凝土中1.1m以上，才能確保第一批灌注混凝土方量。第一批混凝土灌注正常后，禁止中途停工，必須持續(xù)不斷地灌注混凝土。在灌注過(guò)程中，為了能精確判斷和分析孔內(nèi)的情況，要一直保持對(duì)混凝土面上升高度和返水情況的全面了解[7]，避免出現(xiàn)塌孔問(wèn)題。

b.隔離層段、全鋼護(hù)筒自身和全鋼護(hù)筒外圍孔段需增添混凝土，在混凝土第一次灌注(全鋼護(hù)筒沒(méi)有開始向上拔)后，將全鋼護(hù)筒的第一次起拔高度控制好，保證水下混凝土的持續(xù)壓灌。以確保埋進(jìn)導(dǎo)管中的混凝土不失去流動(dòng)性控制灌注時(shí)間，導(dǎo)管的埋置深度控制在1～2m之間，表2是導(dǎo)管埋深選擇情況。為填補(bǔ)護(hù)筒起拔的干擾和消除樁頂?shù)母{渣層，依據(jù)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)調(diào)節(jié)樁頂?shù)墓嘧?shí)現(xiàn)填補(bǔ)，避免出現(xiàn)縮孔問(wèn)題。

表2 導(dǎo)管埋深選擇

4.5 成樁檢測(cè)

成樁檢測(cè)過(guò)程中需要依據(jù)有關(guān)英標(biāo)、美標(biāo)對(duì)該工程要求成樁進(jìn)行低應(yīng)變檢測(cè)、高應(yīng)變檢測(cè)和靜載試驗(yàn)。

依據(jù)ASTMD588200標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)成樁進(jìn)行低應(yīng)變檢測(cè)，將低能量的沖擊荷載加到樁頂上，通過(guò)記錄樁身長(zhǎng)度、材料密實(shí)性和持續(xù)性的綜合狀況以及截面尺寸的檢測(cè)來(lái)判斷實(shí)測(cè)響音信號(hào)的特征值，從而完成檢測(cè)，該檢測(cè)的結(jié)果用來(lái)分析樁身有缺點(diǎn)的位置，和對(duì)樁身的影響效果[8]；依據(jù)ASTMD494508標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)成樁進(jìn)行高應(yīng)變檢測(cè)，單樁極限程度的承載力通過(guò)樁側(cè)和樁端土阻力進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)對(duì)樁身的類型、有缺點(diǎn)位置和影響程度的檢測(cè)，判斷樁身完好性類型；依據(jù)BS80041986標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)成樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，為了驗(yàn)證樁基設(shè)計(jì)的承載力，將循環(huán)荷載加在樁頂，依據(jù)成樁的移動(dòng)位置，驗(yàn)證承載力。依據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》JGJ106—2014判定本次成樁檢測(cè)結(jié)果，分析其是Ⅰ類樁還是Ⅱ類樁。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本技術(shù)的預(yù)期效果，以上海洋山海港排水工程為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)通過(guò)運(yùn)用本文技術(shù)對(duì)研究對(duì)象排水工程鉆孔灌注樁進(jìn)行驗(yàn)證，以及記錄對(duì)施工產(chǎn)生影響的不良地質(zhì)現(xiàn)象所帶來(lái)的的的施工效果，這種現(xiàn)象包括石芽、溶溝、溶槽和巖溶洞隙、溶洞裂痕等，詳細(xì)場(chǎng)場(chǎng)地地基情況見(jiàn)表3。

表3 場(chǎng)地地基情況

依據(jù)探測(cè)報(bào)告得出，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地包括三種巖石，地基厚度變化較大，存在溶槽發(fā)育、溶蝕裂痕、巖溶溶洞隙發(fā)育現(xiàn)象，屬于巖溶強(qiáng)發(fā)育場(chǎng)地。在施工過(guò)程中針對(duì)上述分析的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地情況，采用本技術(shù)進(jìn)行施工，施工過(guò)程如下：

該工程在旋挖施工過(guò)程中，在樁地段會(huì)產(chǎn)生例如斜孔和彎孔等不同程度的孔洞，容易導(dǎo)致在旋挖進(jìn)入溶洞、裂痕的過(guò)程中發(fā)生嚴(yán)重的漏漿，因此需要通過(guò)用造漿來(lái)控制泥漿濃度，并灌注低等級(jí)混凝土，以實(shí)現(xiàn)對(duì)巖溶洞隙故障的有效處理。樁基施工完成后，利用預(yù)埋超聲波檢測(cè)管進(jìn)行超聲波檢測(cè)，樁身的完整性是Ⅰ、Ⅱ類樁。通過(guò)全鋼護(hù)筒旋挖樁成孔技術(shù)對(duì)樁底沉渣進(jìn)行壓漿處理后，該建筑物恢復(fù)正常使用，采用本技術(shù)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下建筑排水工程中巖溶地質(zhì)的處理達(dá)到了預(yù)期效果，說(shuō)明本技術(shù)能有效地實(shí)現(xiàn)全鋼護(hù)筒旋挖樁成孔，且成孔質(zhì)量高，不易坍塌。

實(shí)驗(yàn)為了驗(yàn)證本技術(shù)對(duì)研究對(duì)象成樁的承載力，在該研究對(duì)象中選擇150號(hào)橋墩進(jìn)行成樁工藝試驗(yàn)，150號(hào)橋墩樁由9個(gè)樁構(gòu)成，(見(jiàn)表4)

表4 150號(hào)橋墩試樁基本參數(shù)

實(shí)驗(yàn)利用錨樁橫梁設(shè)備對(duì)單樁豎向抗壓靜載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用2個(gè)4500kN油壓千斤頂并聯(lián)加載，加載的過(guò)程采用電動(dòng)油泵驅(qū)動(dòng)，使千斤頂?shù)暮狭?jīng)過(guò)試樁中心。利用該種設(shè)備通過(guò)分級(jí)加載的方式對(duì)單樁靜力荷載進(jìn)行試驗(yàn)，將150號(hào)墩的單樁加載到設(shè)計(jì)承載力的1.5倍。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)150號(hào)墩的1號(hào)樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，抗壓靜載曲線見(jiàn)圖2。

圖2 抗壓靜載曲線

分析圖2可知，1號(hào)樁沒(méi)有特別顯著的下彎段，當(dāng)試驗(yàn)荷載加到6750kN時(shí)，試樁能夠很快穩(wěn)定，累積沉降量達(dá)到25.60mm，說(shuō)明成樁的承載力較高，在工程施工過(guò)程中，本技術(shù)能提高全鋼護(hù)筒旋挖樁成孔的質(zhì)量。

6 結(jié) 論

本文研究的復(fù)雜地質(zhì)條件下建筑排水工程全鋼護(hù)筒旋挖樁成孔技術(shù)，護(hù)筒選用鋼板卷制作，并在第一節(jié)護(hù)筒下端添加加強(qiáng)箍，以有效增強(qiáng)護(hù)筒的硬度；本技術(shù)利用“米”形支撐桿在護(hù)筒內(nèi)側(cè)進(jìn)行支護(hù)防止護(hù)筒在吊運(yùn)過(guò)程中變形；在施工的最后階段，依據(jù)ASTMD588200標(biāo)準(zhǔn)、STMD494-508標(biāo)準(zhǔn)以及BS80041986標(biāo)準(zhǔn)完成成樁的低應(yīng)變檢測(cè)、高應(yīng)變檢測(cè)和靜載試驗(yàn)。在樁基施工過(guò)程中，本文研究的全鋼護(hù)筒旋挖樁成孔技術(shù)旋挖成孔質(zhì)量高，可在建筑施工中大量使用。