硅藻土復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆孔灌注樁施工研究
——以納米比亞某港口工程灌注樁施工為例

楊鐵梁

（中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京100027）

1 引言

高樁碼頭鉆孔灌注樁施工檢驗(yàn)工序眾多、各施工環(huán)節(jié)銜接緊密、等待時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，并且施工質(zhì)量直接影響碼頭整體結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。由于硅藻土特殊的工程性質(zhì)，在硅藻土區(qū)域施工鉆孔灌注樁極易出現(xiàn)擴(kuò)孔、縮頸、樁基混凝土保護(hù)層缺陷等缺陷，因此，如何保證硅藻土復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆孔灌注樁的施工質(zhì)量對(duì)硅藻土區(qū)域高樁碼頭項(xiàng)目有關(guān)鍵作用。

2 案例項(xiàng)目概況

案例工程包括600m 泊位、后方堆場(chǎng)及配套設(shè)施等。碼頭結(jié)構(gòu)為高樁梁板式碼頭，采用英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)與施工。泊位基樁采用524 根直徑1 300mm 的鉆孔灌注樁。施工過(guò)程中，施工方采用筑島施工工藝，然后清除樁間土并理坡護(hù)坡。

整個(gè)碼頭位于硅藻土地質(zhì)層上方，樁基區(qū)域下主要分布2 層硅藻土層，第一層分布在-17～-22m（CD 海圖水平面）；第二層分布在-26～-47m。硅藻土化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，輕質(zhì)多孔，土質(zhì)似粉土，局部夾薄層粉細(xì)砂，天然飽和密度為1.13～1.28g/cm3，干密度為0.3～0.5g/cm3，孔隙率達(dá)80%～90%，能吸收其本身質(zhì)量1.5～4 倍的水，塑限38%～87%[1]，硅藻土具有特殊的工程性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)，硅藻土區(qū)域鉆孔灌注樁施工是該工程的重難點(diǎn)。

3 硅藻土地質(zhì)條件下鉆孔灌注樁施工工藝研究

依據(jù)地質(zhì)勘察資料和樁基設(shè)計(jì)文件，為驗(yàn)證并規(guī)避硅藻土復(fù)雜的工程力學(xué)性能對(duì)灌注樁施工的影響，本工程通過(guò)典型樁施工的方法探索了硅藻土地質(zhì)條件下的灌注樁施工工藝。

3.1 鉆孔定位與準(zhǔn)備工作

根據(jù)設(shè)計(jì)坐標(biāo)放樣出樁的中心位置，周圍設(shè)置4 個(gè)控制樁。用導(dǎo)向架對(duì)鋼護(hù)筒進(jìn)行定位，并用振動(dòng)錘施打安裝，控制護(hù)筒中心豎直線，水平允許誤差50mm，傾斜誤差不大于1%。為減少硅藻土附著在孔壁侵占樁基混凝土保護(hù)層空間，加大了鋼護(hù)筒直徑，樁基設(shè)計(jì)直徑1 300mm，鋼護(hù)筒直徑為1 500mm。

3.2 泥漿制備

鉆孔過(guò)程需采用泥漿護(hù)壁，開孔泥漿各項(xiàng)指標(biāo)需滿足規(guī)范要求。試驗(yàn)室試拌泥漿的配合比和性能參數(shù)如表1 和表2 所示。另外，泥漿制備過(guò)程中應(yīng)控制泥漿池、沉淀池、廢漿池容積滿足本項(xiàng)目《鉆孔灌注樁施工管理若干規(guī)定》的要求。

表1 泥漿配合比 g

表2 泥漿性能指標(biāo)參數(shù)

3.3 鉆孔工藝流程

鉆孔設(shè)備的選擇應(yīng)綜合考慮設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)和地質(zhì)情況，典型樁樁底設(shè)計(jì)標(biāo)高-56m，勘探資料顯示-17～-47m 存在2 層硅藻土層，-47.78～-56.14m 為密實(shí)砂層和強(qiáng)膠結(jié)砂層。為了減少鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中對(duì)硅藻土層的擾動(dòng)，并適當(dāng)加快穿越硅藻土層的鉆進(jìn)速度，施工方選擇利用回旋鉆鉆進(jìn)至-47m，之后換沖擊鉆繼續(xù)鉆至樁底設(shè)計(jì)標(biāo)高。

3.3.1 回旋鉆安裝

回旋鉆設(shè)備就位后，需保證底座平穩(wěn)，不產(chǎn)生位移和沉陷；鉆桿安裝完成后需對(duì)鉆桿進(jìn)行垂直度測(cè)量調(diào)整，鉆桿中心與護(hù)筒中心在同一鉛垂線上，傾斜度偏差不超過(guò)1%。

3.3.2 回旋鉆鉆進(jìn)

回旋鉆選取鉆頭直徑1 440mm，鉆孔速率控制在1.5m/h以內(nèi)，其中在砂層鉆進(jìn)過(guò)程中使用濾砂機(jī)濾砂，降低泥漿含砂率。當(dāng)鉆進(jìn)至硅藻土層后，應(yīng)每間隔2h 打撈渣樣檢查硅藻土塊上浮情況，以驗(yàn)證硅藻土層鉆進(jìn)速度和硅藻土塊狀大小的關(guān)系，若發(fā)現(xiàn)大塊硅藻土浮出，應(yīng)立即適當(dāng)降低進(jìn)尺速率。經(jīng)施工實(shí)踐驗(yàn)證，硅藻土塊的大小與鉆進(jìn)速度成正比關(guān)系，鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭切碎原狀硅藻土層，一部分硅藻土融進(jìn)泥漿；另一部分形成小型硅藻土塊（直徑≤2cm）隨泥漿排除。

3.3.3 泥漿稀釋與置換

鉆孔穿越硅藻土層后，需在孔底注入淡水稀釋孔中混有大量硅藻土的泥漿，保持泥漿的相對(duì)密度約在1.05g/cm3。待泥漿稀釋完成，利用比重差把新造的比重較大的膨潤(rùn)土泥漿注入孔底，置換比重較輕的硅藻土泥漿。通過(guò)置換后的泥漿顏色和測(cè)量孔底、孔口、孔中處的泥漿比重判定是否完成置換。

3.3.4 沖擊鉆鉆進(jìn)

密實(shí)砂層和強(qiáng)膠結(jié)砂層使用沖擊鉆鉆進(jìn)工藝，沖錘直徑選取1 440mm，平均鉆孔速率控制在0.145～0.155m/h。砂層鉆進(jìn)過(guò)程中，需全程施用濾砂機(jī)濾砂，并定期抽檢泥漿密度。鉆進(jìn)過(guò)程中，保持泥漿面高于孔外水位1m 以上，并距護(hù)筒頂部0.5m，嚴(yán)防塌孔。做好鉆進(jìn)記錄，并監(jiān)控地質(zhì)與設(shè)計(jì)資料的一致性。

3.3.5 終孔檢測(cè)

嚴(yán)格重視對(duì)孔徑和孔深的測(cè)量，終孔高程達(dá)標(biāo)后方可停止鉆進(jìn)。終孔完成后需繼續(xù)進(jìn)行泥漿正循環(huán)濾砂，以控制泥漿的含砂率和泥漿的相對(duì)密度滿足規(guī)范要求。然后對(duì)樁孔進(jìn)行超聲波孔徑測(cè)量，重點(diǎn)檢測(cè)硅藻土層是否出現(xiàn)明顯孔徑異常。 超聲波檢測(cè)完成后進(jìn)行探籠測(cè)孔，探籠上下移動(dòng)通暢無(wú)阻表明孔徑符合要求。完成探籠孔徑測(cè)量后，再次進(jìn)行超聲波孔徑測(cè)量以保證樁徑設(shè)計(jì)要求。

施工驗(yàn)證，在鉆進(jìn)硅藻土層過(guò)程中，孔內(nèi)泥漿的性能會(huì)顯著降低，濾失量加大，泥皮厚度增長(zhǎng)加快，硅藻土?xí)蛎洸⒃诳妆谏衔叫纬蓧K狀附著物。說(shuō)明開孔泥漿在鉆進(jìn)硅藻土層的過(guò)程中護(hù)壁有效性降低，需在施工過(guò)程中重點(diǎn)防控。

3.3.6 第一次清孔

通過(guò)第一次清孔，將沉渣厚度、含砂率、泥漿相對(duì)密度和黏度等指標(biāo)控制在規(guī)范和設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，為提高清孔效率并保護(hù)護(hù)壁泥皮，清孔可采用氣舉反循環(huán)法。清孔時(shí)，應(yīng)保持孔內(nèi)足夠的水頭壓力，防止塌孔。

3.3.7 鋼筋籠安裝

鋼筋籠在鋼筋加工場(chǎng)采用長(zhǎng)線法分節(jié)加工，鋼筋籠加工與安裝過(guò)程中，需重點(diǎn)加強(qiáng)鋼筋籠整體剛度并做好混凝土保護(hù)層厚度保證措施。按設(shè)計(jì)間距設(shè)置加勁箍，并設(shè)置“△”形內(nèi)撐，做好穿心圓餅墊塊的布設(shè)。在鋼筋籠下放過(guò)程中應(yīng)避免碰撞孔壁，如果下放困難則不能強(qiáng)行插入，而需查明原因后做相應(yīng)處置。鋼筋籠就位后的頂面和底面標(biāo)高需符合設(shè)計(jì)要求，誤差控制在5mm 以內(nèi)。

3.3.8 第二次清孔

在安裝鋼筋籠后需要檢測(cè)孔內(nèi)沉渣厚度，進(jìn)行第二次清孔。利用導(dǎo)管輸入相對(duì)密度為1.05g/cm3的干凈泥漿正循環(huán)清孔，使孔內(nèi)沉渣厚度與泥漿比重滿足要求。

3.4 混凝土澆筑

水下混凝土灌注采用直升導(dǎo)管法，導(dǎo)管在使用前要檢查導(dǎo)管的氣密性。澆筑前導(dǎo)管放至距離孔底約0.5m，首灌混凝土量（初灌量）需通過(guò)計(jì)算確定，初灌量應(yīng)確?；炷翝仓髮?dǎo)管埋入混凝土中的深度為1～2m，并能填充管底與孔底的間隙。初灌量計(jì)算式如下：

式中，V 為初灌注量，m3；D 為鉆孔直徑，取 1.5m；H1為樁孔底至導(dǎo)管底端間距，一般為0.5m；H2為導(dǎo)管初次埋置深度，H2≥1.0m；d 為導(dǎo)管內(nèi)徑，取0.28m；h 為孔內(nèi)混凝土達(dá)埋深H2時(shí)，管內(nèi)混凝土柱平衡管外泥漿壓力所需的高度，m。

澆筑過(guò)程中，技術(shù)員需做好混凝土深度與混凝土面上升高度的監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)整導(dǎo)管埋深在2～6m。導(dǎo)管提升時(shí)應(yīng)保持軸線豎直和位置居中，控制拔管速度，以防止樁頂沉淀的泥漿擠入導(dǎo)管下形成泥芯。為了確保樁頂混凝土質(zhì)量，超灌的高度不少于1m。為確保樁基質(zhì)量滿足規(guī)范要求，澆筑充盈系數(shù)不應(yīng)小于1.05。

在澆筑過(guò)程中，要注意監(jiān)控反出的泥漿中是否夾雜硅藻土塊，從典型樁混凝土澆筑過(guò)程分析，在整個(gè)成孔、掃孔過(guò)程中還是有些成小塊狀的硅藻不能隨泥漿排出，但是經(jīng)過(guò)換漿和氣舉反循環(huán)等措施后，殘留的硅藻土數(shù)量很少，不足以影響樁的質(zhì)量。因此，控制鉆進(jìn)速度、及時(shí)置換泥漿、加強(qiáng)氣舉反循環(huán)清孔等措施是保證樁基質(zhì)量的關(guān)鍵。

3.5 樁基完整性檢測(cè)

樁施工完成后，鑿除樁頭到設(shè)計(jì)標(biāo)高。在混凝土澆筑完7～20d 內(nèi)通知檢測(cè)單位進(jìn)行小應(yīng)變和超聲波檢測(cè)，24h 后提交初步檢測(cè)報(bào)告給咨工。本案例典型樁樁基超聲波檢測(cè)，采用φ48m×2.5mm 聲測(cè)管，聲測(cè)管的底管，頂口采用專業(yè)橡膠封頭套密封，管頂口宜高于樁頂設(shè)計(jì)高度約30cm。

鑒于硅藻土地質(zhì)的特殊性，為了彌補(bǔ)小應(yīng)變與超聲波檢測(cè)在檢測(cè)混凝土保護(hù)層缺陷方面的局限性，建議考慮使用熱異常檢測(cè)儀檢測(cè)樁身完整性[2]。

4 結(jié)論與展望

硅藻土工程性質(zhì)和力學(xué)性能復(fù)雜，硅藻土區(qū)域灌注樁施工技術(shù)難度大，工藝要求高，在世界范圍內(nèi)缺乏成功的案例經(jīng)驗(yàn)和完善的施工工藝。本文以案例驗(yàn)證了通過(guò)提高鉆孔泥漿性能要求、控制鉆進(jìn)速度、穿越硅藻土層后進(jìn)行泥漿置換、氣舉反循環(huán)法清孔等措施，可有效保證樁基質(zhì)量，總結(jié)了硅藻土地質(zhì)條件下鉆孔灌注樁施工工藝流程。