外海鋼管斜樁嵌巖混凝土芯柱成孔技術(shù)

遠(yuǎn) 航，任志杰，王保華，張仲民

(1.青島港國際股份有限公司， 港建分公司，山東 青島266001；2.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京100007；3.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島266071)

隨著船舶大型化發(fā)展，碼頭工程也日益向開敞化、大型化、深水化發(fā)展，外海開敞式大型碼頭和引橋樁基承受波浪力等水平荷載較大，為了有效抵抗水平荷載，樁基通常考慮設(shè)計斜樁；若工程所處區(qū)域樁基持力層為巖基，且?guī)r基上覆蓋層較薄，直接采用鋼管樁沉樁困難，則需要通過在鋼管樁下端增加鋼筋混凝土嵌巖芯柱來提高樁基承載力，以滿足樁基承載力要求[1-2]。此類大直徑嵌巖斜樁的鋼筋混凝土樁芯成孔一直以來是施工中的難題。經(jīng)過不斷探索，目前已經(jīng)在鉆具開發(fā)[3]、成孔工藝[4-6]、成孔質(zhì)量控制[7]等方面取得了一定成果，積累了相關(guān)工程經(jīng)驗。

本文以青島港董家口港區(qū)原油碼頭二期工程為例，對30萬噸級泊位引橋樁基施工中不良地質(zhì)條件下嵌巖芯柱斜向成孔、鉆孔偏位、坍孔、硬質(zhì)巖層鉆孔進(jìn)尺緩慢等施工難點(diǎn)及問題原因進(jìn)行分析，并從成孔機(jī)具選型、增加導(dǎo)向裝置、海水泥漿護(hù)壁、鉆孔技術(shù)參數(shù)等方面提出相應(yīng)解決技術(shù)措施，形成外海斜樁嵌巖成孔技術(shù)，為同類工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 樁基設(shè)計

青島港董家口港區(qū)原油碼頭二期工程30萬噸級油品泊位位于董家口嘴作業(yè)區(qū)西防波堤二期工程外側(cè)，平面采用蝶型布置，工作平臺、靠船墩與系纜墩與引橋呈T形布置，引橋長456 m、總寬12 m，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁形式，引橋墩采用高樁墩臺結(jié)構(gòu)，每個高樁墩臺由8根φ1.5 m鋼管樁組成，鋼管樁斜度為4.5:1，鋼管樁打入強(qiáng)風(fēng)化巖面不少于4 m，巖面以下4.5 m芯柱嵌巖，引橋墩樁位布置見圖1，引橋墩結(jié)構(gòu)斷面見圖2。

圖1 引橋墩樁位布置(單位：mm)

圖2 引橋墩結(jié)構(gòu)斷面(高程：m；尺寸：mm)

1.2 工程地質(zhì)條件

工程位于青島市西海岸新區(qū)泊里鎮(zhèn)的瑯琊臺灣董家口嘴作業(yè)區(qū)西防波堤二期工程外側(cè)，泥面高程在-16.99～-15.41 m。在鉆探深度范圍內(nèi)巖土層自上而下分布為：淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、夾層粉質(zhì)黏土混砂及強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖等。其中粗粒強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為黃褐色，局部灰白色，原巖結(jié)構(gòu)可見，主要成分為石英、長石，原巖已風(fēng)化呈砂土狀，手掰易碎，遇水易軟化崩解，局部呈碎塊狀。該層連續(xù)分布，平均標(biāo)貫擊數(shù)N>50擊。

2 施工技術(shù)難點(diǎn)

2.1 斜樁成孔難度大

本工程位于外海無掩護(hù)水域，浪大、水深，樁基受到的波浪等外部荷載大，為了有效抵抗水平荷載，鋼管樁采用4.5:1的斜樁，因此鋼管樁下端嵌巖芯柱為斜樁嵌巖。在斜樁嵌巖成孔時，由于孔位傾斜，鉆頭回旋鉆進(jìn)時，在自重作用下緊貼鋼管樁內(nèi)壁的下側(cè)，如不采取相應(yīng)措施則會造成咬樁，更為嚴(yán)重的是當(dāng)鉆頭進(jìn)入鋼管樁刃腳以下位置，孔位將向下偏斜，嚴(yán)重影響成樁質(zhì)量。

2.2 強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r層中鉆進(jìn)易塌孔

本工程區(qū)域范圍內(nèi)巖層風(fēng)化程度差異性較大，強(qiáng)風(fēng)化巖層較發(fā)育區(qū)域厚度超過10 m，強(qiáng)風(fēng)化上亞帶原巖已風(fēng)化呈砂土狀，手掰易碎，遇水易軟化崩解(圖3)，在鉆頭的擾動下極易導(dǎo)致坍孔，斜孔與直孔相比，上部側(cè)壁巖體軟化崩解后在重力作用下更易發(fā)生坍孔。

圖3 強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r

2.3 硬質(zhì)巖層鉆孔進(jìn)尺緩慢

工程所處區(qū)域中風(fēng)化巖層最小單軸抗壓強(qiáng)度均值為67.1 MPa，最大可達(dá)94.1 MPa，嵌巖成孔施工時，鉆頭在進(jìn)入強(qiáng)度較高巖層時鉆孔進(jìn)尺緩慢。

2.4 施工場地局促

工程引橋墩為外海開敞式無掩護(hù)獨(dú)立墩，施工環(huán)境惡劣，施工難度大；引橋墩施工時采用預(yù)制混凝土套箱作為墩臺模板，在嵌巖芯柱成孔施工時存在施工場地局促、無造漿場地等困難。

3 采取的技術(shù)措施

3.1 合理選擇斜樁成孔機(jī)具

目前專門用于斜樁嵌巖成孔的鉆機(jī)多為頂置式，即鉆機(jī)安裝于鋼管樁頂部，通過緊固裝置與鋼管樁固定，鉆機(jī)門架可以旋轉(zhuǎn)一定角度以實(shí)現(xiàn)不同斜率的鉆進(jìn)。主流產(chǎn)品有德國維爾特、寶峨或日本石川島等系列鉆機(jī)，國內(nèi)于20世紀(jì)90年代開展了同類產(chǎn)品的研發(fā)，目前已經(jīng)擁有XD、GPS等系列鉆機(jī)，可專門用于大型碼頭等工程傾斜樁基的成孔。但此類鉆機(jī)往往自質(zhì)量較大，在樁機(jī)定位時需要大噸位起重設(shè)備輔助施工。

沖擊鉆成孔在碼頭斜樁嵌巖成孔施工中也有成功案例，但由于本工程強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層水下易崩解的特性，受到較大震動時容易坍孔，尤其是在鉆至鋼管樁刃腳以下高程時，坍孔將造成鋼管樁刃腳外側(cè)巖體掏空，嚴(yán)重影響鋼管樁側(cè)阻和端阻的發(fā)揮。

綜合考慮上述因素，本工程斜樁成孔選用氣舉反循環(huán)回旋鉆機(jī)(圖4)進(jìn)行施工，通過調(diào)整鉆機(jī)傾斜度以滿足成孔斜率。

圖4 氣舉反循環(huán)回旋鉆機(jī)

施工時選用100 t浮吊配合鉆機(jī)就位，基本就位后使用手拉葫蘆進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，檢查鉆架、轉(zhuǎn)盤、水龍頭、卷揚(yáng)機(jī)、排渣系統(tǒng)、鉆桿夾持裝置、鉆桿指示裝置、鉆桿導(dǎo)向裝置等構(gòu)配件完好情況。隨后下鉆頭、鉆桿，并檢查各部連接螺栓有無松動、各管路接頭密封情況、鉆機(jī)安裝后吊鉤中心是否對準(zhǔn)孔位中心。鉆機(jī)安裝完畢后，接通空氣反循環(huán)系統(tǒng)，經(jīng)空車試運(yùn)行20 min無異常后開始鉆進(jìn)。當(dāng)?shù)?節(jié)鉆桿鉆完時，先停止轉(zhuǎn)動，使反循環(huán)系統(tǒng)延續(xù)工作至孔底沉渣排凈后換接鉆桿，并予以擰緊，以防漏氣、漏水。施工過程中以角度儀測量復(fù)核誤差，控制鉆桿傾斜度在77.40°～77.50°，確保成孔斜率符合設(shè)計要求。

3.2 增加導(dǎo)向裝置

為避免成孔過程中鉆頭咬樁及孔位偏斜，同時增加側(cè)向約束以提高鉆桿線剛度，減小鉆桿在自重作用下的撓曲，便于在頂部施加豎向荷載以保證足夠的鉆壓滿足成孔效率，在鉆桿上加設(shè)有效的導(dǎo)向扶正裝置，保障鉆頭鉆進(jìn)過程中方向正確，減少卡鉆、憋鉆現(xiàn)象。本工程導(dǎo)向裝置采用導(dǎo)向輪(圖5)，導(dǎo)向輪采用環(huán)形鋼帶焊接而成，直徑比鋼管樁內(nèi)直徑小2 cm，固定于鉆頭上方2.5 m處。

圖5 導(dǎo)向輪

增加導(dǎo)向裝置后，保證了鉆桿與樁的設(shè)計軸線始終保持同向，解決了在自重作用下鉆頭向下偏斜的問題，未再出現(xiàn)卡鉆、斷桿等情況，提高了鉆進(jìn)效率，保證成孔質(zhì)量。

3.3 海水泥漿護(hù)壁

在成孔施工時，由于現(xiàn)場無制漿場地等施工條件限制，先期采用清水鉆進(jìn)工藝，結(jié)果坍孔嚴(yán)重導(dǎo)致埋鉆。經(jīng)分析研究后采用泥漿護(hù)壁工藝，根據(jù)現(xiàn)場施工條件利用工程鋼管樁作為泥漿池?，F(xiàn)場泥漿制備及循環(huán)見圖6。

圖6 泥漿制備及循環(huán)

由于本工程為海上施工，鋼管樁底部存在裂隙與海水連通，無法采用淡水制漿。為克服海水中的陽離子使泥漿中黏土顆粒從懸浮分散狀態(tài)向凝集狀態(tài)轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致泥漿在施工過程中逐漸脫水絮凝[8-9]，失去護(hù)壁作用，在泥漿中按照1.5‰的比例摻入Na2CO3作為分散劑。

根據(jù)現(xiàn)場情況及勘察資料，考慮到強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r密度為2.5～2.7 tm3，兼斜孔上壁自重影響的不利因素，同時為避免泥漿過濃導(dǎo)致糊鉆，其參數(shù)初步確定為密度1.25 tm3、黏度20 Pa·s、砂率6%。開鉆后坍孔現(xiàn)象得到一定改善，但仍未達(dá)到預(yù)期效果。調(diào)整漿液密度為1.3 tm3，并按1:10的比例摻入膨潤土后，坍孔現(xiàn)象得到較好控制。

3.4 合理確定硬質(zhì)巖層鉆孔技術(shù)參數(shù)

根據(jù)鋼管樁沉樁施工記錄，樁底在進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖層后，貫入度小于2 mm擊；勘察資料揭示地層為強(qiáng)風(fēng)化下亞帶及中風(fēng)化粗?；◢弾r，巖體強(qiáng)度較高，鉆孔時進(jìn)尺緩慢，成孔難度大。

為保證鉆進(jìn)效率，采用牙輪滾刀鉆頭鉆進(jìn)。影響鉆進(jìn)效率最重要的因素為鉆壓大小。當(dāng)鉆壓過小時，切削刃齒不能切入巖體，只能在巖石表面以摩擦方式破碎巖石，鉆頭磨損大，鉆進(jìn)效率低。只有當(dāng)鉆壓超過界限鉆壓，切削刃齒侵入巖體產(chǎn)生體積破碎，此時破巖比功較小，破巖效果最好。但鉆壓過大，也會造成切削齒磨損過甚，施工成本增加，同時還會加大鉆桿撓曲，影響鉆孔斜率。因此，選擇合適的鉆壓，是提高鉆進(jìn)效率、保證成孔質(zhì)量的首要前提。

牙輪鉆頭在軟巖中鉆進(jìn)時，通常情況下轉(zhuǎn)速越大則鉆進(jìn)效率越高。但在硬質(zhì)巖層中，當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到一定數(shù)值后，若進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速，機(jī)械鉆速反而下降。其原因在于鉆頭牙輪鉆刃在壓力作用下切入巖石后，需要一定接觸時間以完成應(yīng)力傳遞破碎刃前巖體，當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時，鉆刃還未完成切削動作便與巖體脫離，降低了鉆頭對巖體的侵徹力，造成巖體破碎不充分，使每次旋轉(zhuǎn)完成的破碎深度減小，導(dǎo)致鉆進(jìn)效率下降。同時，轉(zhuǎn)速過高，鉆頭對孔壁沖擊也會加大，會造成擴(kuò)孔甚至坍孔。

根據(jù)本工程現(xiàn)場實(shí)際情況，當(dāng)鉆至強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下亞帶及中風(fēng)化巖層時，應(yīng)采用“兩大一低”的鉆進(jìn)方式，即以大壓力、大泵量、低轉(zhuǎn)速的設(shè)置進(jìn)行鉆進(jìn)，當(dāng)鉆機(jī)輸出明顯增加、并伴有跳鉆現(xiàn)象時，應(yīng)適當(dāng)降低鉆壓，減輕鉆頭磨損，降低轉(zhuǎn)速，盡可能充分破巖，保證鉆進(jìn)效率。

經(jīng)不斷調(diào)整鉆孔參數(shù)，實(shí)際操作中鉆壓保持為170 kN，鉆速為20 rmin，對于花崗巖強(qiáng)風(fēng)化下亞帶及中風(fēng)化巖層進(jìn)尺效率可分別保持為40、15 cmh左右，有效滿足施工要求。

4 結(jié)語

1)采用氣舉反循環(huán)回旋鉆機(jī)可滿足大直徑嵌巖樁芯的成孔施工，施工過程中通過安裝導(dǎo)向裝置，可有效保障成孔符合設(shè)計軸線。

2)采用牙輪滾刀鉆頭鉆進(jìn)，鉆壓保持在170 kN，轉(zhuǎn)速保持為20 rmin，可以在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下亞帶及中風(fēng)化巖層中實(shí)現(xiàn)40、15 cmh的鉆進(jìn)速度。

3)在易崩解的強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r中進(jìn)行鉆孔，必須采用泥漿護(hù)壁。泥漿參數(shù)須綜合考慮巖石密度、斜率大小等因素，對于自穩(wěn)條件較差的巖層，應(yīng)適當(dāng)提高泥漿密度、黏稠度等參數(shù)。