高地下水位干挖法成孔技術(shù)的研究與應(yīng)用

尚宗柱

摘要：以興梅路（含一號(hào)溝）建設(shè)工程項(xiàng)目二標(biāo)為工程背景，從干挖法在高地下水位條件下施工可行性理論分析入手，詳細(xì)闡述了鉆頭穿過(guò)素土層、黏土層和巖層過(guò)程中土（巖）體穩(wěn)定性和抗?jié)B性計(jì)算過(guò)程，以及具體應(yīng)用時(shí)作業(yè)要領(lǐng)，最后介紹了高地下水位干挖法成孔技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。

Abstract： Take Xingmei Road （including No.1 ditch） construction project No.2 bid as the engineering background， the feasibility analysis of dry excavation method in high ground water condition is introduced， the calculation process of the stability and impermeability of soil （rock） body in the process of bit passing through plain soil， clay layer and rock layer is described in detail， as well as the concrete application time work main point， at last， the advantages and application prospects of the technology of hole-forming by dry excavation at high groundwater level are introduced.

關(guān)鍵詞：干挖法;高地下水位;抗?jié)B性能;孔壁加固;應(yīng)用

Key words： dry excavation;high groundwater level;impermeability;wall reinforcement;applications

中圖分類號(hào)：TU753.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）32-0226-04

0? 引言

興梅路（含一號(hào)溝）建設(shè)工程項(xiàng)目二標(biāo)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為鉆孔灌注樁，樁尖嵌入中風(fēng)化巖深度不小于2D（D為鉆孔樁直徑），樁長(zhǎng)范圍為25～43m，地勘報(bào)告揭示的土層依次為素填土層、粉質(zhì)黏土層、強(qiáng)風(fēng)化巖層和中風(fēng)化巖層，地下水位在樁頂以下約6m處，由于地層以黏土層和巖層為主，抗?jié)B性能好，為干挖成孔創(chuàng)造了實(shí)施條件，干挖法成孔相對(duì)于泥漿護(hù)壁成孔一方面能有效避免泥漿的地面漫流和地下滲入問(wèn)題，有利于施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)保維護(hù)，另一方面能省去現(xiàn)場(chǎng)泥漿池設(shè)施、泥漿制備和外運(yùn)等相關(guān)費(fèi)用，具有突出的經(jīng)濟(jì)效益，干挖法成孔多在低地下水位灌注樁施工時(shí)采用，在高地下水位灌注樁施工時(shí)采用極少，在地質(zhì)條件允許前提，推廣高地下水位干挖法成樁技術(shù)，對(duì)充分發(fā)揮其工藝的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益具有極其重要意義。

1? 工程地質(zhì)情況

為定量分析，選取具有代表性0號(hào)臺(tái)鉆孔樁地質(zhì)作為研究對(duì)象，鉆孔樁樁長(zhǎng)42m，樁徑1.2m，從樁頂往下揭示地質(zhì)依次為4.8m厚素填土、25.1m厚粉質(zhì)黏土、0.9m強(qiáng)風(fēng)化巖和11.2m弱風(fēng)化巖，其地層斷面見(jiàn)圖1。

2? 干挖法作業(yè)可行性理論分析

2.1 干挖法作業(yè)可行性理論分析的幾個(gè)方向

鉆孔樁干挖作業(yè)需要經(jīng)歷幾個(gè)過(guò)程：其一，鉆頭穿過(guò)素填土層，在此過(guò)程中，素填土松軟，又存在地面設(shè)備碾壓，孔口存在坍塌風(fēng)險(xiǎn);其二，鉆頭穿過(guò)粉質(zhì)黏土層，在該范圍土體靠自身力學(xué)特性無(wú)法穩(wěn)定，需要加固措施來(lái)保證繼續(xù)鉆進(jìn);其三，鉆頭穿過(guò)巖層，該范圍巖層具有很好的穩(wěn)定性;其四，樁身大半處于地下水以下，孔內(nèi)滲水量也會(huì)影響孔內(nèi)土體穩(wěn)定。

據(jù)上所述，孔口土體穩(wěn)定問(wèn)題、黏土層土體穩(wěn)定問(wèn)題和孔內(nèi)滲水量都是干挖法成孔的可行性的理論分析的幾個(gè)方向。

2.2 孔口土體穩(wěn)定性分析

孔口往下為4.8m厚素填土，土體較為松散，在干挖鉆進(jìn)過(guò)程中，該土體要承受鉆機(jī)（旋挖鉆）自重及沖擊荷載等，以孔口土為對(duì)象，計(jì)算土體主動(dòng)土壓力，計(jì)算如下：

加固方式為埋設(shè)鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒壁厚1.0cm，長(zhǎng)度5.1m（穿透素填土層），為了簡(jiǎn)便計(jì)算，鋼護(hù)筒自上而下受線性荷載（頂部荷載q1=0kPa，底部荷載q2=22.41kPa），借助Midas Civil軟件計(jì)算，得出結(jié)果見(jiàn)圖4。

根據(jù)計(jì)算，鋼護(hù)筒最大應(yīng)力和最大位移值僅為[3.7MPa，0.03mm]，綜上所述，干挖法在孔口素填土層內(nèi)鉆孔理論上是可行的。

2.3 黏性土體穩(wěn)定性分析

根據(jù)圖1所示，粉質(zhì)黏土層多位于地下水以下，旋挖鉆在地層內(nèi)干挖鉆進(jìn)存在孔內(nèi)土壓力釋放和地下水滲透導(dǎo)致孔內(nèi)坍塌風(fēng)險(xiǎn)。在沒(méi)有任何加固措施情況下，黏土要具備很強(qiáng)的抗?jié)B透性和自穩(wěn)能力才能保證鉆頭正常鉆進(jìn)，否則孔壁內(nèi)必須采取護(hù)壁、防滲措施。

2.3.1 先計(jì)算黏性土內(nèi)滲流量

鉆孔樁鉆孔、鋼筋籠安裝及灌注混凝時(shí)間總和一般為7h，單根樁施工周期內(nèi)總滲流量為Q=3.9×10-4×7=0.003m3，可見(jiàn)，鉆孔樁中部黏土層抗?jié)B性能極強(qiáng)，干挖法施工無(wú)需對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行抗?jié)B處理。

2.3.2 再計(jì)算黏性土層自穩(wěn)情況

2.3.3 采用護(hù)壁措施

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，行之有效的方法是選用黏土護(hù)壁法對(duì)孔內(nèi)土層進(jìn)行加固，該方法通過(guò)壓力和孔內(nèi)土體孔隙水將黏土與孔壁周圍土體相粘結(jié)，形成泥壁，以保證鉆進(jìn)過(guò)程中不出現(xiàn)塌孔。

具體實(shí)現(xiàn)方法是旋挖鉆機(jī)正常鉆進(jìn)一段深度，再回填約1m厚黏土，鉆頭施壓反轉(zhuǎn)，將黏土擠壓至孔壁內(nèi)，形成板結(jié)層，以此循環(huán)直至鉆頭穿透黏土層，該護(hù)壁結(jié)構(gòu)層厚度大約30cm，有效強(qiáng)度約100kPa，這是抵抗孔內(nèi)土發(fā)生主動(dòng)滑移的有效抗力層，因此選取直徑1.2m，壁厚30cm，高度3m的護(hù)壁進(jìn)行受理分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

采用Midas FEA軟件對(duì)護(hù)壁實(shí)體建模計(jì)算后，得出護(hù)壁有效壓應(yīng)力多數(shù)維持在85kPa左右（小于護(hù)壁自身強(qiáng)度100kPa），完全能滿足護(hù)壁自身穩(wěn)定性要求。

2.4 巖層穩(wěn)定性分析

該項(xiàng)目鉆孔樁基礎(chǔ)嵌入的巖體有強(qiáng)風(fēng)化巖和中風(fēng)化巖兩類，根據(jù)地勘報(bào)告，強(qiáng)風(fēng)化巖呈沙土夾碎塊狀、軟質(zhì)、遇水易散開(kāi)，相對(duì)不穩(wěn)定，但其厚度僅為0.9m，在該巖層中鉆進(jìn)時(shí)仍然采用黏土加固方法施工即可，對(duì)于中風(fēng)化巖，靠巖體自身強(qiáng)度和完整性完全能保持穩(wěn)定，可不做處理。

綜合上述4節(jié)論述，高地下水位干挖法成孔技術(shù)在理論上是完全可行的，其技術(shù)特性見(jiàn)圖6。

3? 高地下水位干挖法作業(yè)實(shí)際應(yīng)用

興梅路（含一號(hào)溝）建設(shè)工程項(xiàng)目二標(biāo)橋梁鉆孔樁范圍內(nèi)多為素填土層、黏性土層、強(qiáng)風(fēng)化巖層和中風(fēng)化巖層等地質(zhì)，地下水位雖然較高，但地層抗?jié)B效果好，非常適合干挖法作業(yè)。

3.1 干挖法施工工藝

干挖法施工工藝為：場(chǎng)地平整→測(cè)定孔位→挖埋護(hù)筒→鉆機(jī)就位→鉆進(jìn)1m→回填1m厚黏土加壓反轉(zhuǎn)→重復(fù)上述工序，直至穿透強(qiáng)風(fēng)化巖→成孔檢測(cè)→安裝鋼筋籠→安裝導(dǎo)管→灌注混凝土。

3.2 施工要點(diǎn)

3.2.1 埋設(shè)鋼護(hù)筒

鋼護(hù)筒起到頂層素填土孔壁防護(hù)作用，護(hù)筒底要穿過(guò)該層土，長(zhǎng)度不小于5.1m，壁厚1.2cm，埋設(shè)時(shí)，可用旋挖鉆干挖3m后將護(hù)筒吊入孔內(nèi)，剩余部分采用挖機(jī)靜壓入孔，為防止孔口雜物掉入孔內(nèi)，鋼護(hù)筒頂高于施工地面0.3m。

3.2.2 鉆機(jī)鉆進(jìn)

場(chǎng)地平整鉆機(jī)就位并效準(zhǔn)后開(kāi)始鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過(guò)程中，首先鉆機(jī)采用正常進(jìn)尺速度鉆進(jìn)，每鉆進(jìn)1m時(shí)，采用機(jī)械回填黏土，回填深度與鉆進(jìn)深度保持一致，然后旋挖鉆鉆頭施壓反轉(zhuǎn)，將黏土擠壓至周邊土體中，使之形成有效的護(hù)壁后，然后再正向鉆進(jìn)，以此循環(huán)直至黏土層底。整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程中必須及時(shí)回填黏土，以便護(hù)壁整體板結(jié)成型，且有足夠的強(qiáng)度抵抗周邊土體主動(dòng)土壓力。

3.2.3 混凝土灌注

干挖成孔法鉆孔后，孔內(nèi)沒(méi)有泥漿，但混凝土灌注仍然需要安裝導(dǎo)管，并保證灌注工程中導(dǎo)管的有效埋深，以保證混凝土的密實(shí)性。

3.3 干挖法具體應(yīng)用

興梅路（含一號(hào)溝）建設(shè)工程項(xiàng)目二標(biāo)橋梁鉆孔樁自2020年10月份開(kāi)始施工，直至目前已經(jīng)采用干挖法施工完成284根，這也驗(yàn)證了高地下水位干挖法施工的可行性，具體施工見(jiàn)圖7。

4? 結(jié)論

①干挖法鉆孔常見(jiàn)于低地下水位地質(zhì)區(qū)域，能在高地下水位條件下干挖法施工前提條件是土層的抗?jié)B能力比較強(qiáng)。

②采用干挖法施工，不用設(shè)置泥漿池、配置泥漿，也避免泥漿外運(yùn)等作業(yè)，節(jié)約了大量成本，經(jīng)濟(jì)效益較好。

③干挖法施工不會(huì)產(chǎn)生泥漿漫流和滲入現(xiàn)象，能有效改善鉆孔樁施工時(shí)環(huán)境保持難度大的現(xiàn)狀。

④干挖法施工在鉆孔樁灌注時(shí)能有效地避免混凝土卡管和斷樁事故，可以從埋入式灌注轉(zhuǎn)換到自由下落澆筑，還可以伸入振搗棒振搗，大大降低了灌注事故風(fēng)險(xiǎn)。

⑤高地下水位干挖法的成功應(yīng)用可推廣至類似工程中，應(yīng)用前景非常廣闊。

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