高邊坡上大直徑嵌巖鉆孔灌注樁施工技術(shù)

繆紹勇

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002

旋挖鉆孔工藝是一種先進(jìn)的鉆孔灌注樁施工技術(shù)，具有施工速度快、適用范圍大、設(shè)備操作靈活等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，采用旋挖工藝進(jìn)行鉆孔灌注樁的施工被廣泛應(yīng)用于全國(guó)各地。隨著工程裝備制造技術(shù)的進(jìn)步，旋挖鉆孔樁機(jī)的施工能力得到了極大的提高，向著大直徑、超深、嵌巖的方向發(fā)展，可施工的樁徑已超過(guò)3 m，樁深超過(guò)100 m，其適用的土層也從各類(lèi)軟土擴(kuò)展到微風(fēng)化硬巖。

在中山大學(xué)深圳校區(qū)建設(shè)工程項(xiàng)目中，綜合服務(wù)大樓基坑采用直徑2.5 m的大直徑嵌巖樁作為支護(hù)樁。由于施工作業(yè)面位于山體高邊坡的一處臺(tái)階平臺(tái)上，一面是30 m高的山體，另一面距離現(xiàn)狀地面有21 m的高差，最小寬度僅10 m，場(chǎng)地條件復(fù)雜，與常規(guī)地面施工相比，施工難度大。

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)概況

支護(hù)樁設(shè)計(jì)樁徑為2 500 mm，間距3 500 mm，樁底進(jìn)入中風(fēng)化花崗巖不小于6 m或者嵌固深度30 m（總長(zhǎng)度約46 m），樁頂標(biāo)高＋52.0 m，數(shù)量44根，采用水下C30混凝土澆筑，支護(hù)樁縱向主筋采用60φ32 mm，加強(qiáng)箍筋采用φ20 mm@2 000 mm，加強(qiáng)筋（三角筋）采用φ20 mm@2 000 mm，螺旋筋（箍筋）采用φ12 mm@120 mm，保護(hù)層厚度為70 mm（圖1）。

圖1 設(shè)計(jì)概況示意

1.2 地質(zhì)、水文概況

由于是在山體上施工，支護(hù)樁施工主要涉及的土層為全風(fēng)化混合花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖（土狀）、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖（塊狀）、中風(fēng)化混合花崗巖。典型地質(zhì)剖面見(jiàn)圖2。涉及主要地下水為基巖裂隙水，主要賦存于強(qiáng)風(fēng)化帶及基巖裂隙中，其含水量、透水性、滲流主要受地層風(fēng)化裂隙的發(fā)育情況控制。地下水主要受上層孔隙水、上游裂隙水側(cè)向徑流補(bǔ)給，基巖出露處則直接接受大氣降水補(bǔ)給；通過(guò)蒸發(fā)、向低洼處滲流等方式排泄。地下水位在38.73～44.93 m。

1.3 場(chǎng)地概況

場(chǎng)地北側(cè)為三級(jí)邊坡，支護(hù)形式為格構(gòu)梁＋錨桿（索），東、西兩側(cè)分別為二級(jí)、一級(jí)邊坡（圖3）。施工自上而下進(jìn)行，先施工三級(jí)邊坡，范圍為標(biāo)高52～82 m，然后再約52 m的標(biāo)高處進(jìn)行φ2.5 m支護(hù)樁施工，而后向下施工至場(chǎng)平平臺(tái)標(biāo)高36.3 m，而后進(jìn)行基坑圍護(hù)樁施工，最后進(jìn)行基坑支護(hù)和開(kāi)挖至標(biāo)高20.5 m。

圖3 場(chǎng)地概況平面示意

φ2.5 m支護(hù)樁樁頂標(biāo)高約52 m，山腳下路面標(biāo)高約31 m，施工平臺(tái)處原狀山體邊線至支護(hù)樁側(cè)最小距離近10 m。

2 施工方案比選

根據(jù)常規(guī)做法和當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗(yàn)，可以采用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔、泥漿護(hù)壁旋挖機(jī)成孔、鋼套筒旋挖鉆機(jī)成孔和人工挖孔的方法進(jìn)行成孔。對(duì)幾種施工方案進(jìn)行梳理，其對(duì)比情況如下（表1）：

經(jīng)過(guò)對(duì)比，結(jié)合工程實(shí)際情況，最終確定支護(hù)樁采用泥漿護(hù)壁旋挖工藝成孔。

3 施工難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

3.1 樁徑大，成孔深，入巖厚

3.1.1 特點(diǎn)、難點(diǎn)分析

支護(hù)樁樁徑為2.5 m，屬于大直徑樁。設(shè)計(jì)深度為入坑底中風(fēng)化6 m或者嵌固30 m。根據(jù)樁頂標(biāo)高52 m和基坑底標(biāo)高20.5 m，推算支護(hù)樁底標(biāo)高為－14.5～－9.5 m，成孔深度最大超過(guò)60 m。根據(jù)超前鉆勘察報(bào)告，施工區(qū)域東側(cè)揭示巖面標(biāo)高為30.4 m，因此其最大入巖深度16 m。樁徑大、成孔深、入巖厚，且不排除涉及微風(fēng)化巖層施工，這樣的旋挖鉆孔灌注樁施工難度大，成孔周期長(zhǎng)，對(duì)旋挖設(shè)備的性能要求非常高。

表1 施工方案對(duì)比

3.1.2 應(yīng)對(duì)措施

1）為適應(yīng)樁徑大、成孔深和入巖厚的特點(diǎn)，使用先進(jìn)的大型旋挖樁機(jī)寶峨BG46F型及中車(chē)550型旋挖機(jī)進(jìn)行成孔施工。

2）為確保良好的護(hù)壁效果，在施工前進(jìn)行護(hù)壁泥漿材料的試配及室內(nèi)性能試驗(yàn)，施工過(guò)程中動(dòng)態(tài)監(jiān)控泥漿護(hù)壁情況，實(shí)時(shí)調(diào)控泥漿配比，保證孔壁的穩(wěn)定性。

3）考慮到土層中粉砂含量較高，采取改變振動(dòng)篩篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)、除砂機(jī)、增設(shè)旋流器分離等措施，提高較大顆粒泥沙、垃圾和細(xì)微砂粒的分離效率，以確保泥漿質(zhì)量。

3.2 場(chǎng)地狹小、高差大

3.2.1 特點(diǎn)、難點(diǎn)分析

支護(hù)樁作業(yè)平臺(tái)標(biāo)高約52 m，地面標(biāo)高約31 m，高差較大，大型旋挖機(jī)、吊機(jī)等設(shè)備就位需要爬坡，存在較大的困難；作業(yè)平臺(tái)原狀山體土最窄處寬度僅10 m，難以滿(mǎn)足設(shè)備作業(yè)和布置泥漿循環(huán)系統(tǒng)的場(chǎng)地要求；大型旋挖樁機(jī)自重大，在高邊坡上作業(yè)和行走存在極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.2 應(yīng)對(duì)措施

1）施工道路爬坡段寬不小于8 m，道路采用厚30 cm的C30混凝土進(jìn)行硬化，坡度不大于1∶6，確保滿(mǎn)足施工設(shè)備交通需求；在52 m平臺(tái)四周填土，形成寬約30 m的平臺(tái)，確保滿(mǎn)足設(shè)備站位和泥漿箱放置空間的要求。利用邊坡計(jì)算軟件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析、驗(yàn)算，確保邊坡在施工荷載滿(mǎn)荷情況下的安全、穩(wěn)定（圖4）。

圖4 臨時(shí)道路及作業(yè)平臺(tái)布置剖面示意

2）在回填區(qū)域打設(shè)2排直徑32 mm的錨桿，打入角度45°，錨桿長(zhǎng)度為12 m，間距4 m，增加回填區(qū)域的抗滑移能力。

3）對(duì)平臺(tái)處臨時(shí)道路區(qū)域采用厚30 cm的C30鋼筋混凝土硬化，配置φ18 mm@300 mm雙向鋼筋，提高施工平臺(tái)的地基承載力。

4）由于回填后土方地基承載力較低，而施工機(jī)械荷載達(dá)到230 t，為避免局部地面沉陷，在支護(hù)樁施工設(shè)備的施工范圍內(nèi)鋪設(shè)路基箱分散壓力。

5）加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工管理，避免旋挖機(jī)等大型超重設(shè)備停留在填方區(qū)域。

6）對(duì)臨時(shí)邊坡采取掛網(wǎng)噴射混凝土進(jìn)行坡面封閉處理，同時(shí)設(shè)置擋水墻、排水溝，確保施工期間雨水不滲透至填方區(qū)。

7）加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)，在臨時(shí)邊坡周邊按20～30 m的間距布置1個(gè)水平、豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)加強(qiáng)邊坡監(jiān)測(cè)和日常巡檢。

4 施工方案

4.1 施工工藝流程

清理場(chǎng)地→測(cè)量放樣→埋設(shè)護(hù)筒→鉆機(jī)就位→鉆孔→檢孔→清孔→鋼筋籠吊裝→安放導(dǎo)管→檢查孔底沉淀（二次清孔）→灌注水下混凝土→覆蓋護(hù)筒→打下一個(gè)樁

4.2 施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

4.2.1 泥漿制備與控制

因鉆機(jī)施工中泥漿有防止孔壁坍塌、抑制地下水、懸浮鉆渣等作用，為此，泥漿是保證孔壁穩(wěn)定的重要因素。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，泥漿主要指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 泥漿主要指標(biāo)

為滿(mǎn)足成孔要求，如部分區(qū)域施工，自然造漿無(wú)法滿(mǎn)足施工需要時(shí)，可選用優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土人工造漿，新造泥漿需靜置膨脹24 h以上方可使用。施工過(guò)程中需根據(jù)實(shí)測(cè)泥漿指標(biāo)及時(shí)抽除廢漿，補(bǔ)充新漿。

施工過(guò)程中隨時(shí)檢測(cè)清孔后灌注混凝土?xí)r泥漿的各項(xiàng)性能指標(biāo)，確保泥漿對(duì)孔壁的撐護(hù)作用，避免發(fā)生坍孔現(xiàn)象。同時(shí)，考慮到護(hù)壁泥漿有可能在土層中向邊坡滑動(dòng)面滲漏，導(dǎo)致邊坡的抗滑力減小而產(chǎn)生安全隱患。在成孔過(guò)程中額外采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)儀對(duì)邊坡滑動(dòng)面進(jìn)行掃描，探測(cè)地下水位是否存在非正常上升的情況，提前預(yù)判風(fēng)險(xiǎn)。

4.2.2 成孔控制

1）在鋼護(hù)筒埋設(shè)以及鉆頭對(duì)中復(fù)核后，旋挖鉆機(jī)開(kāi)始鉆進(jìn)。

2）根據(jù)地質(zhì)柱狀圖掌握鉆進(jìn)標(biāo)高判斷，當(dāng)鉆進(jìn)松軟粉細(xì)砂層時(shí)鉆頭應(yīng)堅(jiān)持“三慢”原則，即轉(zhuǎn)速慢、提鉆慢、放鉆慢。通過(guò)上述措施為孔壁泥皮形成創(chuàng)造有利條件，當(dāng)鉆進(jìn)礫巖層出現(xiàn)打滑不進(jìn)齒的情況時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換鉆頭或改變操作方式，應(yīng)放慢鉆進(jìn)速度，且密切關(guān)注泥漿液位。

3）鉆孔過(guò)程中隨時(shí)注意地層變化，在土層變化處撈取鉆渣，判斷土層，記錄成孔過(guò)程并與地質(zhì)柱狀圖進(jìn)行核對(duì)。操作人員必須認(rèn)真貫徹執(zhí)行崗位責(zé)任制，隨時(shí)填寫(xiě)成孔施工記錄，交接班時(shí)應(yīng)詳細(xì)交代本班鉆進(jìn)情況及下一班需注意的事項(xiàng)。

4）當(dāng)鉆孔進(jìn)至巖層時(shí)，由于樁直徑較大，采取更換鉆頭分次進(jìn)行套鉆的方式，并根據(jù)巖層強(qiáng)度分3次進(jìn)行成孔（圖5）。

圖5 巖層更換鉆頭示意

4.2.3 水下混凝土澆筑

1）灌注樁應(yīng)采用預(yù)制混凝土，灌注前做好混凝土質(zhì)量驗(yàn)收及坍落度測(cè)試等相關(guān)工作。

2）混凝土采用導(dǎo)管法水下澆灌，采用內(nèi)徑為32.5 cm的導(dǎo)管，中間節(jié)等長(zhǎng)，每節(jié)2～3 m，配2～3節(jié)1.0～1.5 m的短管，底節(jié)長(zhǎng)度4 m。鋼導(dǎo)管內(nèi)壁光滑、圓順，內(nèi)徑一致，接口嚴(yán)密。導(dǎo)管長(zhǎng)度按孔深和工作平臺(tái)高度決定。導(dǎo)管接頭采用螺旋絲扣型接頭，設(shè)防松裝置，導(dǎo)管使用前必須進(jìn)行水密性試驗(yàn)，檢驗(yàn)導(dǎo)管密封性能。導(dǎo)管安裝后底口距離孔底0.5～0.8 m為宜。

3）初灌注時(shí)，先在導(dǎo)管中安放球膽隔水栓，隔水栓置于導(dǎo)管內(nèi)泥漿面，初灌斗與導(dǎo)管連接處用錐形隔水盤(pán)封閉，混凝土倒入初灌斗后，拿出隔水盤(pán)，保證導(dǎo)管埋入混凝土面超過(guò)0.8 m，孔口大量返出泥漿，說(shuō)明初灌成功，初灌量應(yīng)達(dá)到埋管1.5 m深度，以后工序進(jìn)行連續(xù)灌注作業(yè)，經(jīng)計(jì)算本工程初灌量不少于10 m3。

4）混凝土灌注過(guò)程中須連續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)管埋入混凝土深度控制在2～6 m，嚴(yán)禁將導(dǎo)管提出混凝土灌注面，最后一次灌注量宜超灌0.8～1.0 m。

4.3 主要質(zhì)量問(wèn)題預(yù)防措施

4.3.1 孔斜預(yù)防措施

1）鉆具要保持垂直度、剛度、同心度，鉆頭須具有保徑裝置，鉆機(jī)就位必須準(zhǔn)確平穩(wěn)，確保機(jī)座處在穩(wěn)固的地坪上。開(kāi)鉆前，為防止鉆孔傾斜，首先鉆機(jī)在軌上移行就位后，調(diào)整鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)的水平位置，保持鉆塔天車(chē)轉(zhuǎn)盤(pán)中心、樁孔中心在同一鉛垂線上。

2）由于鉆孔深度較深，開(kāi)孔時(shí)大鉤必須吊緊，保持泥漿泵量、輕壓慢轉(zhuǎn)，鉆頭在吊緊狀態(tài)下鉆進(jìn)，確保開(kāi)孔垂直度。

3）樁基成孔深度較大，施工過(guò)程中，定期利用水平管或水準(zhǔn)儀校核轉(zhuǎn)盤(pán)、鉆機(jī)水平，發(fā)現(xiàn)鉆機(jī)傾斜時(shí)及時(shí)采取糾正措施。

4.3.2 防止坍孔措施

樁基施工過(guò)程中一旦發(fā)生坍孔，輕則影響成孔進(jìn)度，嚴(yán)重時(shí)直接影響工程質(zhì)量和整個(gè)工程的進(jìn)度，給工程帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。施工時(shí)采取如下措施防止坍孔：

1）為防止相鄰孔施工過(guò)程中的泥漿串孔，需合理安排施工順序，采用跳打施工，跳孔間距按2根樁控制，確保相鄰樁施工間距4倍樁徑以上或間隔36 h以上。

2）按照既定的泥漿參數(shù)，配置漿液，同時(shí)施工過(guò)程中做好泥漿比重測(cè)試和記錄，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和分析，確保不坍孔。

3）在不同的地層采用合理的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)壓，進(jìn)入巖層時(shí)，適當(dāng)減小鉆速，減少由此對(duì)孔壁穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。

4）為防止因水頭壓力不足而導(dǎo)致的孔壁失穩(wěn)坍塌，施工過(guò)程中應(yīng)控制筒內(nèi)水頭不低于地表。

4.3.3 頸縮和糊鉆的預(yù)防措施

在鉆進(jìn)時(shí)，易發(fā)生頸縮、糊鉆現(xiàn)象，為保證鉆頭的有效直徑滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，采取以下預(yù)防措施：

1）改進(jìn)鉆頭結(jié)構(gòu)：調(diào)整刀具的角度、高度，提高鉆頭的切削、排渣能力，從而提高鉆進(jìn)效率，縮短成孔周期。

2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，在保證孔壁穩(wěn)定的前提下，在易糊鉆的地層鉆進(jìn)時(shí)，調(diào)整泥漿性能、鉆進(jìn)參數(shù)等以減少糊鉆。

3）改進(jìn)鉆進(jìn)操作方法，可以采取每鉆完一根鉆桿，上下串拉和重新掃孔的方式防止縮徑。

4）在易頸縮的地層中鉆進(jìn)時(shí)，可適當(dāng)提高水頭高度以及增大泥漿的黏度和相對(duì)密度的方法來(lái)增加泥漿對(duì)孔壁的壓力，減少頸縮。

5 施工效果

施工期間為雨季（6～8月份），是高邊坡施工的高風(fēng)險(xiǎn)期，通過(guò)對(duì)臨時(shí)平臺(tái)采取面層硬化封閉、砌臨時(shí)擋水墻、設(shè)置排水溝等有效的截排水措施，除了對(duì)臨時(shí)平臺(tái)周邊進(jìn)行常規(guī)的沉降、水平位移監(jiān)測(cè)，還采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)儀對(duì)平臺(tái)內(nèi)部地下水位情況進(jìn)行探測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：邊坡區(qū)域最大累計(jì)水平位移3.0 mm，最大累計(jì)豎向位移1.7 mm，采用大型設(shè)備泥漿護(hù)壁成孔工藝施工對(duì)邊坡安全未產(chǎn)生影響。

大直徑支護(hù)樁采用大型設(shè)備和旋挖鉆孔工藝，平均工效達(dá)到1.5根/d。支護(hù)樁成孔過(guò)程中需穿越全風(fēng)化土狀、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化花崗巖等多類(lèi)地層，過(guò)程中嚴(yán)格控制護(hù)壁泥漿的比重、黏度等指標(biāo)，在確?？妆诎踩耐瑫r(shí)，亦保證避免泥漿離析，使泥漿水分通過(guò)護(hù)壁滲透至臨時(shí)施工平臺(tái)內(nèi)而產(chǎn)生安全隱患，采用成熟的泥漿成孔、水下混凝土灌注工藝，樁身檢測(cè)質(zhì)量均符合設(shè)計(jì)、規(guī)范要求[1-2]。在基坑開(kāi)挖后對(duì)支護(hù)樁進(jìn)行外觀檢查，整體樁位偏差、垂直度均滿(mǎn)足要求，也未存在坍孔、頸縮等質(zhì)量缺陷。

通過(guò)對(duì)支護(hù)樁施工安全、質(zhì)量、工期等方面的綜合分析，施工成果達(dá)到預(yù)期效果，本工程高邊坡場(chǎng)地條線下采用大型設(shè)備泥漿護(hù)壁旋挖成孔工藝為最優(yōu)方案。

6 結(jié)語(yǔ)

大直徑嵌巖樁的施工方案，往往需要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、工況、工期、造價(jià)等方面綜合考慮、對(duì)比，最終達(dá)到安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理的目的[3-5]。同時(shí)本文結(jié)合工程實(shí)踐，對(duì)場(chǎng)地環(huán)境復(fù)雜、施工條件有限的高邊坡，采用泥漿護(hù)壁旋挖成孔工藝，成功地應(yīng)用大型旋挖鉆孔樁機(jī)施工大直徑嵌巖樁，對(duì)高邊坡場(chǎng)地處理方案、旋挖鉆孔工藝質(zhì)量控制和常見(jiàn)問(wèn)題預(yù)防等方面進(jìn)行了闡述，進(jìn)一步拓展了旋挖鉆孔工藝的適用范圍，為今后類(lèi)似工程提供了技術(shù)手段和參考資料。