硬質(zhì)巖旋挖成孔取芯施工技術(shù)

程飛翔，周伏萍，胡培強(qiáng)，敖小平

(1.江西省地質(zhì)工程(集團(tuán))公司，江西 南昌 330002；2.贛中南地質(zhì)礦產(chǎn)勘查研究院，江西 南昌 330002)

1 工程概況

廈門帝景苑二期工程結(jié)構(gòu)形式為鋼框架結(jié)構(gòu)，5號(hào)樓地上62層，整體地下室有4層，5號(hào)樓主樓工程樁為樁徑1 200mm旋挖成孔泥漿護(hù)壁灌注樁，共275 根，單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值≥27 000kN，設(shè)計(jì)要求進(jìn)入中微風(fēng)化巖持力層深度≥1.00m。根據(jù)地質(zhì)勘察資料顯示，項(xiàng)目處于廈門地區(qū)筼筜湖斷裂帶，地層強(qiáng)風(fēng)化層厚度大，中微風(fēng)化花崗巖層層頂坡度大，巖層堅(jiān)硬，旋挖鉆機(jī)成孔機(jī)具磨損大，并易造成孔斜，5號(hào)樓80個(gè)超前鉆孔中有超過半數(shù)勘察孔在強(qiáng)風(fēng)化層中含有厚度不等的中微風(fēng)化孤石，風(fēng)化嚴(yán)重不均勻。例如，5號(hào)主樓5-137樁超前勘察，通過5-137樁工程地質(zhì)柱狀圖(見圖1)看出，在深度53.5～83.3m的碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層中，存在7段呈串珠狀中風(fēng)化花崗巖孤石層，孤石層厚9.6m，經(jīng)取巖樣進(jìn)行巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度范圍在32.3～59.1MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為39.6MPa。這是較為典型的旋挖成孔工藝在深孔硬質(zhì)巖地層中鉆進(jìn)的施工案例。

圖1 5-137樁超前勘察工程地質(zhì)柱狀圖(局部)

2 硬質(zhì)巖層旋挖取芯鉆進(jìn)施工

硬質(zhì)巖地層旋挖成孔取芯施工工藝是在一般旋挖成孔灌注樁的基礎(chǔ)上，增加硬質(zhì)巖層入巖并取芯的施工工序，其主要施工工藝流程如圖2所示。

圖2 施工工藝流程

硬質(zhì)巖地層旋挖取芯鉆進(jìn)施工是在硬質(zhì)巖層旋挖成孔時(shí)，利用自制刻槽牙輪鉆頭鉆進(jìn)成槽，加壓鉆進(jìn)使得硬質(zhì)巖在刻槽牙輪鉆頭內(nèi)呈圓柱狀巖芯，直到樁底標(biāo)高。再更換相應(yīng)規(guī)格自制大直徑巖體取芯鉆頭掰斷巖芯直接提取出來的入持力層巖層的成孔方法。大直徑巖體取芯鉆頭取芯原理如圖3所示。

圖3 取芯鉆頭取芯原理示意

硬質(zhì)巖地層旋挖掰取巖芯鉆進(jìn)施工技術(shù)要點(diǎn)如下。

2.1 施工準(zhǔn)備、設(shè)備機(jī)具選型

旋挖鉆孔施工前，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖要求放線，放出樁位，備好鋼護(hù)筒、攪漿用的黏性土或膨潤土，主材及其他輔材按設(shè)計(jì)要求準(zhǔn)備到位，設(shè)置好施工場地泥漿池。

鉆孔施工中，根據(jù)不同地層，選擇不同鉆速及鉆壓，在硬質(zhì)巖鉆進(jìn)時(shí)，旋挖鉆機(jī)通過鉆桿將鉆機(jī)壓力施加到鑲焊在筒鉆端部的鉆齒，作用在鉆齒的壓強(qiáng)大于地層的抗壓強(qiáng)度時(shí)，鉆齒壓入地層，通過回轉(zhuǎn)，鉆齒將巖石切割成塊并鉆進(jìn)形成進(jìn)尺。因此，一方面應(yīng)選擇合理的鉆機(jī)設(shè)備，旋挖鉆機(jī)型號(hào)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、樁徑、樁長來選擇，在正式開工前可進(jìn)行試成孔，帝景苑二期樁基工程根據(jù)設(shè)計(jì)樁徑、樁長及地質(zhì)條件選用的為360型(最大扭矩360N·m)以上設(shè)備。另外，選擇合適的鉆頭與鉆齒，選擇牙輪筒鉆，適用于大孤石(漂石)、中風(fēng)化巖石、弱風(fēng)化巖石、未風(fēng)化巖石。牙輪筒鉆如圖4所示，施工中使用的牙輪鉆齒如圖5所示。在巖層中鉆進(jìn)成孔過程中，鉆齒會(huì)逐漸磨損直至報(bào)廢，需及時(shí)更換鉆齒。鉆齒的選擇以耐磨、強(qiáng)度高為原則。

圖4 牙輪筒鉆

圖5 施工中使用的牙輪鉆齒

在巖層中鉆進(jìn)時(shí)鉆桿應(yīng)選擇機(jī)鎖桿，用以傳遞大扭矩及施加鉆壓，根據(jù)施工孔深，深孔樁旋挖鉆機(jī)配備18.4×5，19.3×5，20×5五節(jié)機(jī)鎖桿的鉆桿，滿足施工孔深要求。

2.2 下鋼護(hù)筒

根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖精確放出施工平面位置標(biāo)高處樁位，工程樁護(hù)筒的埋設(shè)深度以穿過雜填土為宜。安放護(hù)筒需旋挖鉆機(jī)擴(kuò)孔鉆進(jìn)一定深度后,再使用旋挖鉆桿將護(hù)筒壓下，護(hù)筒中心位置可利用旋挖鉆斗適量擠壓作相應(yīng)調(diào)整，護(hù)筒頂面高出地面30cm，以防止雜物、泥水流入孔內(nèi)，護(hù)筒底部和四周采用黏質(zhì)土回填并分層夯實(shí)。對(duì)于下深長護(hù)筒則采用機(jī)械手振動(dòng)安放。

2.3 泥漿調(diào)制

旋挖鉆進(jìn)需備足優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁。

1)在黏性土中成孔時(shí)，可采用原土造漿，此時(shí)旋挖鉆進(jìn)邊回轉(zhuǎn)邊注入清水，泥漿相對(duì)密度宜控制在1.1～1.3。

2)在砂土和較厚的礫砂層中成孔時(shí)，應(yīng)制備泥漿，泥漿相對(duì)密度應(yīng)控制在1.2～1.3。

3)在松散卵礫石等易塌孔的地層中成孔時(shí)，應(yīng)提前制備好泥漿，泥漿相對(duì)密度宜為1.2～1.4，保證泥漿水頭高度。根據(jù)工程特點(diǎn)，在易塌孔地層，一般采用泥漿配合比為水∶膨潤土∶CMC∶純堿=1 000∶140∶2.5∶4施工，必要時(shí)適當(dāng)調(diào)整，并加入少量黏土攪拌均勻。

2.4 上部地層成孔

上部地層采用普通的截齒鉆頭，通過泥漿護(hù)壁，保證成孔過程中不塌孔、不頸縮，并嚴(yán)格控制好鉆孔垂直度。

2.5 硬質(zhì)巖層成槽鉆進(jìn)

在進(jìn)入硬質(zhì)巖層后，要及時(shí)更換自制刻槽牙輪鉆頭先鉆進(jìn)成槽，加壓鉆進(jìn)進(jìn)尺使得硬質(zhì)巖在自制刻槽牙輪鉆頭先鉆進(jìn)成槽呈圓柱狀巖芯。前面提到作用在鉆齒的壓強(qiáng)需大于地層的抗壓強(qiáng)度，也就是說，鉆壓是旋挖鉆進(jìn)孔底破碎巖石的必要條件。通過鉆機(jī)加壓，鑲焊在牙輪鉆頭端部的輪齒依靠沖擊壓碎作用、滑動(dòng)剪切作用、輪齒本身的剪切作用綜合破碎巖石，鉆壓越大，破巖進(jìn)尺鉆速將不斷提高。鉆機(jī)操作手在加壓鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)高度注意是否鉆遇到裂隙巖層產(chǎn)生鉆機(jī)跳鉆，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低鉆壓，鉆遇到研磨性較大的巖層時(shí)又需適當(dāng)增加鉆壓，這樣可有效降低輪齒磨損、變鈍及輪軸損壞。在正常施加鉆壓而明顯鉆速較低時(shí)，應(yīng)將牙輪鉆頭提出孔口進(jìn)行檢查，對(duì)磨損嚴(yán)重或損壞的輪齒及時(shí)進(jìn)行更換。

在廈門帝景苑二期樁基工程項(xiàng)目施工中，強(qiáng)風(fēng)化層中存在風(fēng)化不均的中風(fēng)化孤石，對(duì)于軟硬不均的地層，可選用長(鉆頭長2m)直筒鉆頭，鉆頭自身具備垂直導(dǎo)正功能，遇到孤石層時(shí)，先輕壓慢轉(zhuǎn)，在孤石層面上鉆鑿成槽，再沿槽加壓鉆進(jìn)，有利于垂直度控制。

2.6 壓取巖芯

采用自制刻槽牙輪鉆頭鉆進(jìn)尺至設(shè)計(jì)底標(biāo)高后，由于刻槽牙輪鉆頭是在硬質(zhì)巖中切削巖芯呈環(huán)形槽，硬質(zhì)巖在刻槽牙輪鉆頭呈圓柱狀巖芯，如何加壓掰斷圓柱狀巖芯并整節(jié)取出是關(guān)鍵，為此研制了相應(yīng)規(guī)格的大直徑巖體取芯鉆頭，如圖6所示。

圖6 取芯筒鉆

由圖6可看出，加壓掰斷巖芯并將巖芯卡住提出的關(guān)鍵器具是鑲焊在筒鉆內(nèi)側(cè)的梯形楔，梯形楔一般采用50mm厚鋼板制作，采用CO2氣體保護(hù)焊呈倒梯形牢固焊接在大直徑巖體取芯鉆頭筒內(nèi)側(cè)，為了能有效一次性掰斷并取出巖芯，一般在梯形楔觸碰到巖芯頂部后，梯形楔水平向富余有30～50mm行程，大直徑巖體取芯鉆頭工作如圖7所示。

圖7 大直徑巖體取芯鉆頭工作示意

硬質(zhì)巖單軸抗壓強(qiáng)度較高，特別是堅(jiān)硬的中微風(fēng)化花崗巖地層，采用普通的全斷面回轉(zhuǎn)鉆斗鉆進(jìn)，耗時(shí)費(fèi)工。采用大直徑巖體取芯鉆頭取芯方式鉆進(jìn)節(jié)省工時(shí)，并可有效提升入巖能力。針對(duì)單循環(huán)壓取巖芯概率問題，由于大直徑巖體取芯鉆頭取巖芯概率與巖石層理裂隙有直接關(guān)系，巖層風(fēng)化嚴(yán)重不均勻、存在不規(guī)則裂隙或復(fù)雜的串珠狀孤石地層直接決定了單循環(huán)取芯長度。另外，取芯概率與單斗進(jìn)尺深度及鉆具結(jié)構(gòu)有關(guān)，通過多次實(shí)踐及對(duì)比，得出經(jīng)驗(yàn)值為梯形楔焊接筒鉆距開口底端2/3位置。

2.7 終孔后的清孔、鋼筋籠制安、水下混凝土灌注

在入硬質(zhì)巖深度大時(shí)，通過多次刻槽牙輪鉆頭與大直徑巖體取芯鉆頭配合，鉆進(jìn)達(dá)到終孔設(shè)計(jì)孔深，終孔后進(jìn)行第1次清孔、檢查垂直度并報(bào)請(qǐng)驗(yàn)收，符合要求后進(jìn)行鋼筋籠安裝，混凝土澆筑前，采用導(dǎo)管法配合氣舉反循環(huán)工藝進(jìn)行第2次清孔，并檢查沉渣厚度和泥漿性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，灌注水下混凝土成樁。

3 關(guān)鍵控制點(diǎn)

1)更換刻槽牙輪鉆頭鉆齒要求。更換刻槽牙輪鉆頭個(gè)別或全部鉆齒時(shí)，必須保證整體鉆齒布局的同心度，保證各齒均勻同步受力，這樣可降低鉆具、鉆齒損耗并提升入巖效率。

2)對(duì)于工程存在風(fēng)化不均的中風(fēng)化巖及孤石地層，特別是同一截面軟硬不均時(shí)，在提前做好超前鉆勘察工作的條件下，可直接選用自身具備垂直導(dǎo)正功能的長直筒牙輪鉆頭，有利于垂直度控制，同時(shí)也利于降低鉆具、鉆齒損耗。巖芯一半為強(qiáng)風(fēng)化一半為中微風(fēng)化花崗巖，旋挖刻槽牙輪鉆頭采用長直筒鉆，鉆進(jìn)時(shí)有效保證了垂直度。

3)對(duì)于旋挖成孔泥漿護(hù)壁深孔樁及大直徑樁，應(yīng)注意泥漿性能密度及黏度指標(biāo)，預(yù)防塌孔，同時(shí)應(yīng)輔以必要的清孔手段，保證孔底沉渣在設(shè)計(jì)規(guī)范范圍內(nèi)，本施工技術(shù)采用了氣舉反循環(huán)清孔工藝，同時(shí)，為快速降低泥漿的含砂率，第2次清孔時(shí)采用漿渣分離器快速有效分離濾除泥漿中的細(xì)砂，既保證了灌注前泥漿性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求，也可預(yù)防深孔大直徑樁大方量混凝土灌注時(shí)發(fā)生夾泥夾砂的樁身質(zhì)量問題。通過豎向抗壓靜載試驗(yàn)，廈門帝景苑二期樁基樁徑1.2m樁靜載值達(dá)到29 300kN，滿足設(shè)計(jì)要求，保證了施工質(zhì)量。

4 結(jié)語

在廈門帝景苑二期樁基工程項(xiàng)目中經(jīng)過技術(shù)人員攻關(guān)，通過合理選擇設(shè)備、鉆桿鉆具并自行設(shè)計(jì)改制大直徑取巖體鉆頭，在復(fù)雜硬質(zhì)巖地層通過刻槽鉆頭先鉆進(jìn)成槽和大直徑取巖體鉆頭，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的采用回轉(zhuǎn)鉆斗將巖芯破碎以掏渣方式取出的方法，直接將整段完整圓柱狀巖芯取出，攻克了超深超厚超硬孤石層和入硬質(zhì)巖問題，提高了旋挖鉆進(jìn)在復(fù)雜硬質(zhì)巖層的成孔效率，縮短工期，加快了施工進(jìn)度。硬質(zhì)巖旋挖成孔取芯施工技術(shù)適用于孔深≤95m、樁徑宜≤1 500mm(對(duì)于大直徑樁需采用分級(jí)鉆進(jìn)不在本文中討論)的旋挖成孔灌注樁，值得廣泛推廣應(yīng)用。