易塌孔地層長護筒+沖抓+旋挖鉆孔灌注樁施工工法

賈欣媛, 岳大昌, 李 明, 唐延貴

(成都四海巖土工程有限公司， 四川成都 610094)

近年來，隨著城市化進程的不斷加快，土地資源日益緊缺，為解決這一矛盾，地下空間的開發(fā)和利用逐漸成為發(fā)展的新趨勢。高層建筑、地下管廊、下沉廣場等應(yīng)勢而生，此類建筑對地基基礎(chǔ)設(shè)計的承載力、沉降及抗拔要求較高，需采用具有更高承載力的樁基礎(chǔ)將荷載傳至深部土層或巖層，以滿足更多結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。

然而，西南地區(qū)地下水較為豐富，地基土類型和特征復(fù)雜多變，往往給工程樁的施工帶來諸多難題，特別是對于新近填土、含塊石填土、軟塑黏性土、淤泥、松散粉土、厚層松散砂土及卵石土、軟塑等地層，以及含水量高采用泥漿護壁成孔較困難的地層，旋挖成孔時易出現(xiàn)塌孔、流砂、縮頸、填塊石難以穿越等問題，既易造成大量混凝土的浪費，也易導(dǎo)致樁身質(zhì)量存在缺陷進而影響樁身承載力。

解決上述問題的方法一般為采用泥漿或鋼護筒護壁，但泥漿護壁難以徹底解決這類深厚地層存在的縮頸、流砂、塊石鉆進困難等問題，而且泥漿濃度及產(chǎn)生的泥皮對工程樁的性質(zhì)有一定影響；而鋼護筒護壁受旋挖機動力頭提升高度的限制，難以完成長護筒的埋設(shè)以及從長護筒內(nèi)的取土施工。

因此，基于以上背景提出了在易塌孔地層中采用長護筒+沖抓配合旋挖鉆孔的灌注樁施工的新工法，該工法結(jié)合旋挖鉆孔、振動錘埋設(shè)鋼護筒護壁及沖抓錐沖抓取土三種施工方法的優(yōu)點，可以很好解決上述地層中成孔和灌注混凝土?xí)r存在的諸多問題，經(jīng)過在實際工程中不斷摸索以及對施工經(jīng)驗進行不斷總結(jié)，逐步形成了易塌孔地層長護筒+沖抓+旋挖鉆孔灌注樁施工工法。相對于傳統(tǒng)單一的旋挖施工方法，本工法能夠提高在該類地層中旋挖成孔的施工效率、縮短施工工期、降低施工成本、減少灌注樁施工質(zhì)量缺陷。

1 工作原理

易塌孔地層長護筒+沖抓+旋挖鉆孔灌注樁施工工法工作原理分析如下。

1.1 振動錘埋設(shè)長護筒

場地平整、孔位測放等準備工作就緒后，采用旋挖機預(yù)先鉆孔，根據(jù)土層特征、孔壁穩(wěn)定性選擇泥漿護壁或短護筒護壁，旋挖鉆至一定深度時采用振動錘下沉長護筒，液壓振動錘是通過電動機驅(qū)動激振器回轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)振動箱內(nèi)每組成對的偏心輪以相同的角速度反向旋轉(zhuǎn)；這兩個偏心輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，在轉(zhuǎn)軸中心連線方向的分量在同一時間內(nèi)相互抵消，而在轉(zhuǎn)軸中心連線垂直方向的分量則相互疊加并最終形成鋼護筒的激振力，順利把護筒擊沉。

1.2 沖抓錐沖抓取土

當振動錘錘擊停止后，若鋼護筒超出地面以上的高度大于旋挖鉆機動力頭最大提升高度時，則采用履帶式吊車將沖抓錐下放至孔內(nèi)，沖抓錐錐頭葉瓣張開，沖抓錐自由落入孔底沖擊，破碎塊石，使錐瓣切入地層土石中；然后通過鋼絲繩提升沖抓錐時，切入地層的錐瓣收攏并抓取土石，提出沖抓錐，卸去土石。

1.3 三種設(shè)備配合施工

旋挖鉆孔、長護筒護壁、沖抓取土配合施工在該類地層區(qū)域旋挖成孔時，采用鋼護筒護壁，鋼護筒長度一般為6～15 m，甚至大于20 m，利用旋挖鉆機預(yù)成孔3～5 m，然后采用履帶式吊車將鋼護筒下放至預(yù)成孔深度時，隨即采用振動錘錘擊護筒，使護筒繼續(xù)下沉，當護筒下沉至一定深度，振動錘擊難以使護筒繼續(xù)下沉?xí)r，停止錘擊，但是由于旋挖鉆機動力頭提升高度低于地面以上鋼護筒剩余長度，此時需要采用沖抓錐下放至護筒中進行沖抓取土，取土后繼續(xù)下沉護筒，三種設(shè)備協(xié)調(diào)配合，多次循環(huán)作業(yè)成孔。

2 適用范圍

(1)適用地層：本工法適用于新近填土、含塊石填土、軟塑黏性土、淤泥、松散粉土、厚層松散砂土及卵石土、軟塑等地層，以及含水量高采用泥漿護壁成孔較困難的地層。

(2)適用條件：當上述軟弱地層較厚或埋置較深、普通吊車卷揚長度無法滿足護筒下放時，適用本工法。

(3)適用工程類型：本工法適用于樁徑800～2 000 mm的支擋結(jié)構(gòu)樁、地基基礎(chǔ)樁等。

3施工工藝流程

本工法施工工藝流程見圖1：①施工準備→②場地平整→③孔位測量→④旋挖預(yù)鉆孔→⑤振動錘埋設(shè)鋼護筒→⑥沖抓錐沖抓取土→⑦重復(fù)⑤、⑥直至將護筒下放至穩(wěn)定地層→⑧旋挖鉆進直至終孔及清渣→⑨下放鋼筋籠→⑩二次清孔→澆筑混凝土→振動錘拔護筒。

圖1 施工工藝流程

4 操作要點

4.1 鉆機進場通道及鉆機作業(yè)平臺處理

由于旋挖鉆機及吊車設(shè)備均為履帶底盤，機動靈活，對進出通道及作業(yè)平臺沒有特殊要求，適合于各種施工現(xiàn)場。施工前，將場地平整至樁頂標高位置以上(保護樁長頂)，清除空中、地下影響施工作業(yè)的管線及其他障礙物，確保施工機械設(shè)備擁有足夠的施工工作面，為灌注樁施工順利地進行創(chuàng)造基本條件。其中：

(1) 鋼筋加工作業(yè)面：樁徑2倍，樁長1.5倍且不小于1.5 m×20 m場地范圍。

(2) 寬通道進出口≥5 m，用于運輸進出及架安吊車。

(3) 臨時出土場≥50 m2。

4.2 鉆孔定位

首先對設(shè)計圖紙?zhí)峁┑淖鴺?、高程等有關(guān)數(shù)據(jù)進行認真復(fù)核，確認無誤后采用全站儀進行樁位放樣，樁中心放樣完畢后，沿樁中心拉十字線至1.5樁徑以外并作好護樁標記。

4.3 開孔

完成樁孔定位后即可進行開孔和埋設(shè)鋼護筒。

(1)開孔：鉆機設(shè)備就位、升舉鉆桿、安裝鉆斗、調(diào)整鉆桿垂直度、對準樁孔中心，然后開機進行旋挖取土開孔為鋼護筒埋置作準備。開孔采用干式鉆頭進行，開孔大小為設(shè)計樁徑。

(2)高程標注：鋼護筒安裝完成后用測量水準儀測出護筒頂面高程并予以標注，用于鉆孔深度及混凝土澆筑高度的輔助測定。

4.4 旋挖鉆進成孔

(1)鉆進取土。將鉆機鉆桿回轉(zhuǎn)到樁孔位置后將鉆斗垂直放下并開始轉(zhuǎn)動取土，依據(jù)鉆桿下將高度及檢驗判斷鉆斗裝滿土多少，起斗卸土前應(yīng)先反向旋轉(zhuǎn)2周利用摩擦將活動底板關(guān)閉進料口，之后方可緩緩將鉆斗提升并移出護筒卸土。升降速度不宜太快，應(yīng)保持在0.4 m/s左右。卸土依靠土體自重和旋轉(zhuǎn)擺動鉆斗時土體慣性作用排出鉆斗。

(2)下沉長鋼護筒。為保證鋼護筒與鉆孔的同心度以及護筒的垂直度，采用具有液壓雙夾的振動錘將鋼護筒逐漸擊入土中，當護筒貫入速度明顯較慢時(例如：每10 s貫入深度小于50 cm)停止錘擊。振動錘下放護筒期間，同時利用十字交叉線控制其平面位置，采用吊垂線控制其垂直度。

(3)沖抓錐沖抓取土。振動錘移開后，長鋼護筒超出地面以上的高度大于旋挖鉆機動力頭最大提升高度時，用履帶式吊車起吊沖抓錐進行沖抓取土，履帶式吊車起吊最大重量不小于35 t，吊車具有雙吊鉤和雙卷揚機，卷揚機應(yīng)具有快速釋放機構(gòu)，能保證沖抓錐下落時處于自由狀態(tài)。

當未達到軟弱土層前，可超前一定深度取土，再用振動錘錘擊下放護筒；當?shù)竭_軟弱土層時，在每一次的沖抓取土重，沖抓深度不應(yīng)超過護筒下端深度，完成本次取土后移開沖抓吊車，繼續(xù)用振動錘錘擊護筒入土，護筒下放方法和停止錘擊時機同步驟(3)，停止錘擊護筒后，重復(fù)沖抓取土作業(yè)。

重復(fù)振動錘貫入護筒和沖抓取土的循環(huán)作業(yè)，直到將護筒下放進入穩(wěn)定土層中，再用旋挖機繼續(xù)鉆孔施工至終孔。

4.5 鋼筋籠制作、吊裝及混凝土澆筑

鋼筋制作采用現(xiàn)場加工制作，按設(shè)計和施工驗收規(guī)范進行施工。對鋼筋制作加工、綁扎、安裝各個環(huán)節(jié)加以質(zhì)量控制。

4.6 截樁頭及樁質(zhì)量檢測

(1)在完成混凝土澆注后24 h后應(yīng)即時進行截樁頭，截除掉高于設(shè)計樁頂?shù)亩嘤嗷炷敛糠植俄斏喜夸摻畋砻孢M行清理。

(2)樁施工完成強度達到后，采用聲波法和小應(yīng)變法對樁的混凝土澆筑質(zhì)量進行檢測，確定樁基質(zhì)量滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

4.7 常見問題

在沖抓錐沖抓取土施工過程中，經(jīng)常遇見的問題及解決辦法如下：

(1)當遇到強度較高、體積較大的塊石，正常沖抓作業(yè)無法取土?xí)r，可將沖抓錐閉合，提高沖抓錐落距以破碎塊石，然后再沖抓取出。

(2)當遇到粘性較高的土體，抓斗卸土困難，可將抓斗碰撞地面，加大振蕩外力，以卸出土體，另外，也可考慮向孔內(nèi)注水解決土體與抓斗粘結(jié)問題。

(3)當鋼繩斷裂，抓斗掉入孔內(nèi)時，可采用另一沖抓錐對抓斗進行打撈。當采用另一沖抓錐仍然無法打撈時，可排干孔內(nèi)積水，下人輔助系鋼絲繩將沖抓錐打撈出來。

5 工程應(yīng)用

5.1 工程概況

天府創(chuàng)新中心項目配套公寓及商業(yè)樁基礎(chǔ)工程位于四川省天府新區(qū)興隆鎮(zhèn)鹿溪河附近，興隆湖北岸，主要由多棟16～33F高層住宅、1～2F純地下室組成，主樓采用剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為旋挖鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑為0.8 m，裙樓及純地下室采用框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為柱下獨立基礎(chǔ)及墻下條形基礎(chǔ)。

5.2 地質(zhì)條件

場地地貌單元屬岷江水系III級階地，場地內(nèi)由第四系全新統(tǒng)人工填土(Q4ml)、第四系中下更新統(tǒng)冰水沉積(Q1+2fgl)黏土、粉質(zhì)黏土及卵石、白堊系上統(tǒng)夾關(guān)組基巖(K1j)組成。其中，人工填土按主要成分和狀態(tài)分為下述三層：

素填土①-1:紫紅色、土黃色，松散，稍濕。以強風(fēng)化砂巖、泥巖碎塊及少量中等風(fēng)化砂巖、泥巖碎塊為主，粒徑在2～100 cm不等，成分較為混雜，硬雜質(zhì)含量約占65 %左右，局部含少量黏性土，堆填時間小于1年。層厚2.50～13.10 m。

素填土①-2:褐色、黃褐色，松散，稍濕，以黏性土為主，含植物根莖，局部含少量風(fēng)化巖屑，粒徑在2～10 cm，硬雜質(zhì)含量約占30 %左右。該層堆填時間一般在3～5 a，甚至更長。層厚0.40～4.40 m。

淤泥質(zhì)填土①-3:灰褐色、灰黑色，飽和，以黏性土為主，含腐殖質(zhì)，有輕微臭味。層厚0.50～1.00 m。

場地地下水主要為賦存于地勢低洼地帶、少量賦存于場地內(nèi)填土層、粘性土層中的上層滯水、卵石中的孔隙性潛水和基巖裂隙水。靜止水位為1.1～5.5 m，相應(yīng)標高為456.22～459.39 m，地下水水位變化幅度為0.5～2.0 m。

5.3 施工重點、難點

施工重點：鉆孔孔位、孔徑、鉆孔垂直度、孔底沉渣、灌注樁樁身完整性、單樁承載力滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

施工難點：孔深范圍內(nèi)填土厚、填土成分復(fù)雜(回填黏性土、泥巖塊石及淤泥質(zhì)填土)、力學(xué)性質(zhì)差(易縮頸、易塌孔等)，旋挖成孔時護壁難度大、成本高、工期緊。

施工前期采用短護筒+泥漿護壁的方法進行旋挖鉆進，出現(xiàn)了嚴重垮孔現(xiàn)象，施工進展緩慢，效率低，混凝土超灌量大，針對該情況進行了分析研究，決定采用旋挖鉆成孔+振動錘埋設(shè)長護筒+護筒內(nèi)沖抓取土配套工法進行施工，配備2臺旋挖鉆機、1臺振動錘吊車、1臺沖抓錐吊車完成103根灌注樁施工，共用時15 d，提前完成基礎(chǔ)樁施工。施工過程和施工后的檢查和檢測結(jié)果表明，灌注樁樁位、樁徑、垂直度偏差均符合規(guī)范，樁身完整性和單樁承載力均滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

6 結(jié)束語

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷發(fā)展，特殊土地基工程越來越多，常規(guī)單一的旋挖鉆孔施工工藝難以滿足實際需要，采用旋挖、長護筒、沖抓配套成孔施工工法能將幾種工程機械的優(yōu)勢互補，施工時各種機械在時間上和空間上協(xié)調(diào)配合，最大限度提高施工效率，有效防止成孔過程中孔壁縮頸、坍塌、流砂等現(xiàn)象，在確保成孔質(zhì)量偏差滿足設(shè)計和規(guī)范要求時，可最大限度減少混凝土超灌量和樁身質(zhì)量問題，應(yīng)用于地質(zhì)環(huán)境較復(fù)雜或土層性質(zhì)較特殊的灌注樁工程中，能有效縮短工期、降低工程成本、創(chuàng)造較高的經(jīng)濟效益，至少能節(jié)約整個工程造價的25 %。

將該工法應(yīng)用于實踐工程中，可以解決復(fù)雜地層中成孔易出現(xiàn)的塌孔、流砂等問題以及埋設(shè)長護筒的困難，有利于建設(shè)工程施工技術(shù)的突破和發(fā)展。同時，減少護壁泥漿使用，降低了對環(huán)境的污染，施工現(xiàn)場環(huán)境保護、文明施工優(yōu)勢明顯，也能降低勞動強度、保證成孔質(zhì)量、灌注樁質(zhì)量滿足設(shè)計和規(guī)范要求。