硬質(zhì)地層條件下大直徑樁基旋挖鉆成孔工藝適用性研究

摘 ?要：旋挖樁以環(huán)保、高效、成本低、自動化程度高等獨特優(yōu)勢在交通行業(yè)與建筑行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，然而在中風(fēng)化、微風(fēng)化基巖等硬質(zhì)地層中，由于地層巖體天然強度較高，旋挖鉆機施工就比較困難。本文以四川某橋梁主墩樁基礎(chǔ)為載體，探索大直徑旋挖樁在硬質(zhì)地層條件下的適用性，結(jié)果表明，通過二次成孔局部取芯法干作業(yè)成孔大直徑旋挖樁在硬質(zhì)地層條件下是適用的，該技術(shù)適用于中風(fēng)化、微風(fēng)化巖層等硬質(zhì)地層條件下直徑大于800mm的旋挖樁成孔，尤其適用于旋挖鉆機功率不足或者鉆桿扭矩超過額定扭矩的情況，同時對于較致密的卵礫石、孤石地層旋挖樁成孔施工也有很強的借鑒和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：硬質(zhì)地層;大直徑樁;旋挖樁;局部取芯法

中圖分類號：U445.551 ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：2096-6903（2021）11-0000-00

0 ?前言

隨著交通行業(yè)與建筑行業(yè)的高速發(fā)展，旋挖樁技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，尤其在較為復(fù)雜的基礎(chǔ)工程中，旋挖樁以其環(huán)保、高效、成本低、自動化程度高等獨特優(yōu)勢得到了廣泛好評和認(rèn)可[1]。旋挖鉆機成孔受各種因素的影響和制約，尤以地層條件影響為重[2]。旋挖鉆機一般適用于黏土、粉土、砂土、淤泥質(zhì)土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的地層，對于中風(fēng)化、微風(fēng)化基巖等硬質(zhì)地層，由于地層巖體天然強度較高，旋挖鉆機施工就比較困難。當(dāng)施工大直徑樁時，旋挖成孔所需要的發(fā)動機功率和動力頭扭矩就更大，極易發(fā)生孔內(nèi)事故與機械事故，導(dǎo)致旋挖鉆進的優(yōu)越性無法充分顯現(xiàn)[3]。為此，在硬質(zhì)地層條件下的旋挖樁施工方面，必須根據(jù)現(xiàn)場地層條件與旋挖鉆機的主要技術(shù)指標(biāo)，切實分析實際問題，有效把控施工技術(shù)特點，科學(xué)合理地選擇旋挖鉆機與鉆進方式，確保旋挖樁施工的成孔質(zhì)量和效率[4]。本文以四川某大橋主墩下的大直徑旋挖灌注樁成孔施工為例，研究硬質(zhì)地層條件下大直徑樁基旋挖鉆成孔工藝的適用性。

1 工程概況

某大橋為三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，主橋跨度為130m，橋型布置圖如圖1所示。主墩墩身采用矩形實心墩，橋墩縱向?qū)?.0m，橫向?qū)?4.85m，主墩承臺厚4.0m，基礎(chǔ)為群樁基礎(chǔ)，縱向3排、橫向3排布置，每墩共9根樁?；鶚稑稄?.5m，采用旋挖灌注樁施工。由于樁基礎(chǔ)位于河道中，為避免濕法作業(yè)產(chǎn)生泥漿污染河道，旋挖樁成孔采用干作業(yè)施工。

1.1 水文地質(zhì)

工程場地地貌區(qū)屬河流階地，場地地形平坦開闊，無不良地質(zhì)作用，地形地貌較簡單，場地進行建筑的適宜性為適宜。常年性河流安昌河從工程項目區(qū)北西向南東逕流，隸屬于嘉陵江水系;主要接受大氣降水補給，其次為冰雪融水補給，屬雨源型常年河流。水位、水量變化較大，流量受季節(jié)及降水的影響較大，其徑流特征在年內(nèi)變化與區(qū)內(nèi)氣候相適應(yīng)?？辈炱陂g安昌河水面高程約476.60m，橋址區(qū)河床寬度約200m左右，水深約1.0～1.5m，水量較大。根據(jù)區(qū)域水文資料，橋址區(qū)安昌河五十年一遇洪水位482.30m，百年一遇洪水位483.48m。勘探深度內(nèi)的地層主要由第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml）、第四系沖洪積物（Q4dl）組成，下伏白堊系下統(tǒng)城墻巖群劍閣組砂巖和砂質(zhì)泥巖層（J1jn）等組成，地層建議參數(shù)取值如表1所示。

1.2 施工難點與問題

在主墩旋挖成孔過程中，旋挖鉆機施工比較困難，存在的施工難點與問題為：

（1）旋挖樁成孔工藝應(yīng)用過程中容易受到土層的影響導(dǎo)致鉆頭被掩埋（圖2），如果掩埋鉆頭的土量過大，會對鉆頭的鉆進尺度和鉆進的速度造成影響，使鉆機在鉆進過程中出現(xiàn)阻力過大的情況，影響鉆頭的鉆進，成孔速度慢，旋挖鉆進的優(yōu)越性無法充分顯現(xiàn)[5-6];

（2）當(dāng)樁為大直徑樁時，旋挖成孔過程中所需要的發(fā)動機功率和動力頭扭矩增大，這時就會因為旋挖鉆機功率不足，鉆桿扭矩超過額定扭矩，而致使鉆桿斷裂（圖3），造成現(xiàn)場機械事故，導(dǎo)致鉆頭及斷裂處以下鉆桿掉入孔中。此類機械事故不僅延誤了工期，而且增加了總體造價。

1.3 施工問題解析

通過對工程地質(zhì)、水文情況進一步研究，認(rèn)真分析地質(zhì)勘察報告，及時對現(xiàn)場基巖進行補堪，統(tǒng)計各類巖石的抗壓強度，確定巖石堅硬程度，并根據(jù)風(fēng)化程度確定巖體種類，對工程地質(zhì)進行全面剖析，基巖補堪試驗成果統(tǒng)計如表2所示。

由基巖補堪試驗成果統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，樁基礎(chǔ)深度范圍內(nèi)基巖主要為中風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，其中中風(fēng)化砂巖天然單軸極限抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值為34.4MPa，最大值高達53.7MPa，屬于硬質(zhì)地層條件，巖體天然強度較高，現(xiàn)場鉆機功率不足，鉆桿扭矩超過了額定扭矩，旋挖鉆機施工比較困難。為此，在硬質(zhì)地層條件下，如何有效把控施工技術(shù)特點，科學(xué)合理地選擇旋挖鉆機與鉆進方式，確保旋挖樁施工的成孔質(zhì)量和效率就成為解決問題的關(guān)鍵[7-8]。

2 硬質(zhì)地層條件下大直徑旋挖樁成孔適用性分析

2.1 成孔工藝原理

硬質(zhì)地層條件下大直徑旋挖樁施工是指在微風(fēng)化、中風(fēng)化等硬質(zhì)地層中，采用干作業(yè)成孔。為了能夠在硬質(zhì)地層條件下順利成孔，成孔工藝采用二次成孔的局部取芯技術(shù)。成孔工藝原理為首先利用小直徑截齒筒鉆對硬質(zhì)巖層局部取芯鉆進，然后采用與樁等直徑的截齒筒鉆對硬質(zhì)巖層再次切割，切斷孔徑中巖石與周邊巖層的連接，形成環(huán)形結(jié)構(gòu)鉆孔，最后通過單層底斗鉆進剩余環(huán)形巖體，借助高鉆壓，直接鉆取孔內(nèi)剩余巖體，直至成孔為止。

具體成孔工藝為：

（1）開始施工，將旋挖鉆機固定在樁位一側(cè)，先使用尺寸小于樁孔尺寸的截齒鉆頭精準(zhǔn)對準(zhǔn)樁位，旋挖鉆機所在位置盡可能平穩(wěn)、穩(wěn)固，調(diào)整好旋挖鉆機后，截齒鉆頭進行切割鉆入，直到進尺效率較慢，完成第一次開孔，如圖4所示;

（2）旋挖鉆機上更換成與樁孔相同尺寸的截齒鉆頭，使大尺寸截齒筒鉆對準(zhǔn)樁位進行切割鉆入，使進尺深度與取芯鉆孔深度相同，然后反向旋轉(zhuǎn)大尺寸截齒筒鉆，使大尺寸截齒筒鉆從巖層中退出，完成樁孔周邊切斷，切斷了孔徑中巖石與周邊巖層的連接，形成環(huán)形結(jié)構(gòu)的鉆孔，如圖4-D所示;

（3）將旋挖鉆機上的大尺寸截齒筒鉆更換成單層底旋挖鉆斗，借助高鉆壓，直接鉆取剩余環(huán)形巖體;

（4）在完成旋挖樁孔的施工后，檢測樁孔的孔徑、孔深和垂直度。

2.2 成孔工藝特點

采用二次成孔的局部取芯技術(shù)，具有以下特點：

（1）采用旋挖鉆機干作業(yè)成孔替代濕式作業(yè)，無泥漿污染河道，環(huán)保特點突出，依據(jù)現(xiàn)有施工機械條件，合理安排施工工序，提高施工工藝，安全性好、綜合造價低，施工周期短;

（2）局部取芯施工技術(shù)合理采用不同尺寸筒式鉆頭分割巖體，提高了旋挖鉆機的破巖能力，對于硬質(zhì)地層條件下大直徑樁成孔時易出現(xiàn)的因旋挖鉆機功率不足或鉆桿扭矩超過額定扭矩而造成的鉆桿斷裂等機械事故，處理效果好，有利于安全施工和質(zhì)量控制;

（3）成孔過程中幾種鉆頭配合使用，預(yù)先鉆進的鉆頭為下一個鉆頭創(chuàng)建了巖體的自由表面，交互提供的自由面利于巖石破碎。采用單層底旋挖鉆斗進環(huán)形巖體，借助高鉆壓，直接鉆取孔內(nèi)剩余巖體，提高了鉆進速度，旋挖機的鉆孔效率高，破巖能力強;

（4）在巖體受到應(yīng)力后，無約束的自由表面為小巖塊的運行提供了空間。這極大地提高了旋挖機的破巖能力和成孔效率，并減少了對主機的過度動力需求，確保了旋挖樁施工的順利進行，保證了施工進度。

2.3 應(yīng)用實踐效果

針對現(xiàn)場情況，分別從施工機械和成孔工藝兩個方面進行優(yōu)化。

1.施工機械

遵循技術(shù)和經(jīng)濟協(xié)調(diào)統(tǒng)一的原則，針對地質(zhì)情況，對旋挖鉆機的鉆桿、鉆斗、鉆頭（斗齒）、護筒、清孔工具等施工機械設(shè)備進行了選擇和優(yōu)化。其中，用于巖體取芯的小功率旋挖鉆機仍然采用現(xiàn)場旋挖鉆，用于分割巖體及破碎巖體的大功率旋挖鉆機選用三一SR360R型與徐工XR400E型。最為重要的是，一臺旋挖鉆機至少要配置若干數(shù)量的不同種類和規(guī)格的高強度合金鉆頭、嵌齒鉆斗和嵌巖筒鉆及取芯等嵌巖鉆斗，各類型鉆斗如圖5至7所示，以適應(yīng)不同土層及巖層地質(zhì)強度的施工。

2.成孔工藝

在成孔過程中，為了防止此類機械事故再次發(fā)生，成孔工藝按照小功率旋挖鉆機巖體取芯，大功率旋挖鉆機分割巖體及破碎巖體的二次成孔局部取芯技術(shù)進行，首先使用尺寸小于樁孔尺寸的截齒鉆頭通過局部取芯鉆進，所取巖芯如圖8所示。隨后在旋挖鉆機上更換成與樁孔相同尺寸的截齒鉆頭，使大尺寸截齒筒鉆對準(zhǔn)樁位進行切割鉆入，切斷孔徑中巖石與周邊巖層的連接，形成環(huán)形結(jié)構(gòu)的鉆孔;最后將旋挖鉆機上的大尺寸截齒筒鉆更換成單層底旋挖鉆斗，借助高鉆壓，直接鉆取剩余環(huán)形巖體。通過在2#、3#橋墩樁基礎(chǔ)中運用本工法，有效地解決了上述施工難題，確保了旋挖樁施工的順利進行和施工安全，縮短了工期，降低了造價。

通過二次成孔局部取芯技術(shù)的應(yīng)用，依據(jù)現(xiàn)有施工機械條件，合理安排施工工序，有效地解決了濕式作業(yè)產(chǎn)生的泥漿污染河道，硬質(zhì)地層條件下大直徑樁成孔時因旋挖鉆機功率不足或者鉆桿扭矩超過額定扭矩而造成的鉆桿斷裂等多項難題，達到了減小對周邊環(huán)境的影響、提高施工效率、降低施工難度、消除安全隱患的目的。最大限度地降低了施工成本，節(jié)約了1/3的施工工期，減少了現(xiàn)場機械事故的發(fā)生，從而實現(xiàn)了綜合成本低、施工周期短、安全性好、環(huán)境影響小的重大社會效益和經(jīng)濟效益。

3 結(jié)論

本文通過理論與實踐相結(jié)合的方式，探索硬質(zhì)巖層條件下旋挖樁成孔工藝的適用性。通過對復(fù)雜地層的補堪，旋挖鉆成孔機理的解析，從施工機械和成孔工藝兩個方面解決了旋挖樁成孔過程中存在的施工難題。工程實踐也進一步證明，在中風(fēng)化、微風(fēng)化基巖、較致密的卵礫石、孤石等硬質(zhì)地層中采用二次成孔局部取芯技術(shù)是切實可行的。通過工程實踐證明，在硬質(zhì)巖層中采用二次成孔局部取芯技術(shù)可以有效解決中風(fēng)化、微風(fēng)化基巖、較致密的卵礫石、孤石等硬質(zhì)地層旋挖樁成孔施工難題。該技術(shù)適用于中風(fēng)化、微風(fēng)化巖層等硬質(zhì)地層條件下直徑大于800mm的旋挖樁成孔，尤其適用于旋挖鉆機功率不足或者鉆桿扭矩超過額定扭矩的情況，同時對于較致密的卵礫石、孤石地層旋挖樁成孔施工也有很強的借鑒和指導(dǎo)意義。該工藝技術(shù)先進、成孔速度快、環(huán)保無污染、綜合成本低，為旋挖樁施工提供了有力的技術(shù)支持，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

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收稿日期：2021-10-08

作者簡介：張志偉（1979—），男，吉林長春人，博士，工程師，研究方向：土木工程類施工技術(shù)。

Abstract：Rotary digging pile has been widely used in transportation industry and construction industry due to its unique advantages of environmental protection， high efficiency， low cost and high degree of automation. However， the construction of rotary drilling rig is difficult due to the high natural strength of strata rock mass in hard strata such as moderately weathered and slightly weathered bedrock. The text researches the applicability of large diameter rotary digging Pile in hard stratum. The results showed， the large-diameter rotary drilling pile with hole-forming by secondary hole-forming and local coring method is applicable in hard stratum. This technology is suitable for the hole-forming of rotary drilling pile with diameter greater than 800 mm in hard stratum such as medium-weathered and slightly-weathered strata. It is especially suitable for the case of insufficient power of rotary drilling rig or the torque of drill pipe exceeding the rated torque. At the same time， it also has a strong reference and guiding significance for the hole-forming construction of rotary drilling pile in dense gravel and boulder stratum.

Keywords：hard stratum; large diameter pile; rotary digging pile; local coring method