高效穩(wěn)定液在旋挖鉆成孔技術(shù)中的研究與應(yīng)用

盛漢洋

（1.中南建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410015；2.湖南省有色地質(zhì)勘查局工程地質(zhì)總隊，湖南 長沙 410015）

0 引言

橋梁施工中鉆孔灌注樁成孔方法很多，根據(jù)灌注樁工藝的不同，主要有長短螺旋鉆、機(jī)動洛陽鏟、潛水鉆、正反循環(huán)回旋鉆、沖擊鉆及旋挖鉆等。但適用大直徑、深基礎(chǔ)及軟弱復(fù)雜地層的成孔方法，比較常見的有沖擊鉆、正反循環(huán)回旋鉆和旋挖鉆等幾種。其中無套管旋挖鉆具有成孔速度快、質(zhì)量好、移動方便等特點(diǎn)，目前在工程建設(shè)中被廣泛使用。

旋挖鉆成孔法利用的是旋挖鉆可調(diào)節(jié)長度的伸縮鉆桿的插入以及鉆斗的正反旋轉(zhuǎn)及重力作用而使巖土進(jìn)入鉆斗，土屑切滿后，即提升鉆斗出渣；經(jīng)過鉆斗深入、旋轉(zhuǎn)、切土、提升和出渣一系列反復(fù)循環(huán)的動作，達(dá)到切入設(shè)計樁底標(biāo)高的目的。該方法的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

1 工程概況

1.1 水文、氣候、氣象

岳陽市華容縣梅田湖大橋橋位所跨藕池河屬洞庭湖水系，水量較豐富，具有明顯的季節(jié)性河流特性，河水受降水影響明顯，雨季多集中于4～7月，此期間為汛期，洪水泛濫，水流急，含泥、砂量大，具較強(qiáng)的沖刷力；一般10月至翌年3月為枯水期，為橋梁基礎(chǔ)工程的良好施工期。

表1 旋挖鉆成孔法優(yōu)缺點(diǎn)

橋位區(qū)地下水類型主要為第四系覆蓋層中的孔隙潛水。主要含水層為細(xì)砂、礫石、礫砂層，水量較豐富。地下水水位埋深1.00～4.00m，水位標(biāo)高27.00～30.00m，場地地下水對混凝土具有微腐蝕性。

1.2 地形、地貌

岳陽市華容縣梅田湖大橋及其接線工程位于岳陽市華容縣西側(cè)，場地地貌類型屬于洞庭湖平原。特大橋跨越藕池河?xùn)|支，勘察時水面寬約120m，水深不到1m。兩岸河堤間距約465m，堤內(nèi)東側(cè)分布有寬約300m的河漫灘，河漫灘標(biāo)高為34～35m，河堤標(biāo)高約37m；大堤堤外兩側(cè)地形平坦開闊，地面標(biāo)高為30～33m，溝渠縱橫，農(nóng)田遍布，以種植水稻、棉花等經(jīng)濟(jì)作物為主，其間零星分布農(nóng)舍，有機(jī)耕道相通，交通較為便利。

1.3 地層巖性

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪和鉆探揭露，結(jié)合室內(nèi)巖土土工試驗，橋位區(qū)地層按時代及成因分類，在勘察深度范圍內(nèi)地層為第四系全新統(tǒng)（Qh）及更新統(tǒng)（Qp），其地層主要性質(zhì)及物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

2 泥漿與高效穩(wěn)定液對比

2.1 泥漿

鉆孔灌注樁的泥漿由水、黏土（或膨潤土）攪拌而成，可就地取材、造價低。鉆孔中，泥漿的降水壓力比水大，在此壓力作用下，泥漿在孔洞井壁形成一層較穩(wěn)定的泥皮，能阻止隔離孔內(nèi)外水的滲流，保護(hù)井壁不坍塌。

2.2 高效穩(wěn)定液

高效穩(wěn)定液以合格水即人畜可飲用水為主體，按比例加入膨潤土或CMC（羧甲基纖維素）為主要成分的各種原料（見表3），造價較高。高效穩(wěn)定液適宜在軟土、粉砂、淤泥、有承壓水等復(fù)雜地層的大直徑、深孔旋挖鉆且容易塌孔的成孔工藝中使用。

2.3高效穩(wěn)定液的作用

（1）保護(hù)孔壁，防止從開始鉆進(jìn)到水下混凝土灌注完成期間發(fā)生孔壁坍塌現(xiàn)象。

（2）抑止樁位地基的地下水壓力，使其保持相對靜止。

表2 地層主要性質(zhì)及物理力學(xué)指標(biāo)

（3）抵抗和支撐孔壁土壓力，防止地基土層流動。

（4）從鉆孔開始至水下混凝土灌注完成期間，保持孔壁表面較長時間穩(wěn)定。

（5）高效穩(wěn)定液能緩慢滲入地基，增加地基強(qiáng)度。（6）容易清孔。

（7）保證灌樁順利。由于高效穩(wěn)定液穩(wěn)定的親液膠體和不與混凝土相混合的性質(zhì)，水下灌注時能被混凝土代替而排出。

2.4 高效穩(wěn)定液制備方法

（1）機(jī)械攪拌。用泥漿攪拌機(jī)攪拌成漿后放至泥漿池內(nèi)，再抽至孔內(nèi)。也可在混凝土攪拌站攪拌成漿，用灌車運(yùn)至工地現(xiàn)場。

（2）人工攪拌。將各種原料按配比加入制漿池內(nèi)，然后用人工攪拌均勻。

（3）鉆錐攪拌。將各種原料直接投入鉆孔內(nèi)，利用鉆錐攪拌。此方法勞動強(qiáng)度低，效率高，但均勻性稍差。

2.5 高效穩(wěn)定液各性能指標(biāo)的測定

（1）相對密度ρx。工地上一般用相對密度計直接測定。若無儀器，可用一口杯，先標(biāo)其質(zhì)量m1（g），裝滿水成為m2（g），倒去清水后裝滿泥漿，并擦去溢出的泥漿，稱重為m3（g），則相對密度ρx為：

（2）靜切力θ。用空心不銹鋼泥漿切力計測定，泥漿靜切力θ計算式[1]為：

式中：θ為泥漿切力，N/m2；a為切力計重力（1.4855N）；F為切力計橫斷面積（7.5cm2）；h為切力計沉入泥漿中的深度，cm；r為泥漿容重，N/cm3；S為切力計橫斷面周長（13cm）。

計算出的切力單位為N/cm2，按1Pa=1×10-4N/cm2，換算成Pa。

（3）黏度η?，F(xiàn)場用工地標(biāo)準(zhǔn)漏斗黏度計測定。以500mL泥漿（無大砂粒）從標(biāo)準(zhǔn)漏斗中流出所需時間為所測泥漿的黏度，單位s。

（4）含砂率。用含砂率計直接測定。小型含砂率計測定值為儀器下端沉淀（體積）讀數(shù)乘2；大型含砂率計測定值為直接讀取，不乘2。

（5）膠體率。膠體率是泥漿中土粒保持懸浮狀態(tài)的性能。測定方法是用100mL量杯倒入100mL泥漿靜置24h后，量取杯中上部清水的體積，膠體率為100-上部清水體積。

（6）失水率。工地上用濾紙法測定。用1張12cm×12cm的濾紙，放置于水平的玻璃板上，在濾紙中央畫出直徑為3cm的圓圈，將2mL的泥漿輕輕滴入圓圈內(nèi)，30min過后，按規(guī)定方法測量濕圓圈的平均直徑；將圓圈內(nèi)泥漿攤平，用同樣方法測量泥皮平均直徑。2個直徑的差值即為失水率。

（7）酸堿度（pH值）。工地上一般用比色法，或用pH酸堿計直接測量。

表3 高效穩(wěn)定液主要成分和配比

（8）穩(wěn)定度。穩(wěn)定度是高質(zhì)量泥漿的穩(wěn)定性指標(biāo)，為不同部分泥漿相對密度的差值。

2.6 鉆孔工藝

選用ZR360C-2鉆機(jī)，動力頭輸出扭矩360kN·m，成孔直徑為1.5～3.0m，成孔深度為65～110m，完全適合岳陽市華容梅田湖大橋樁基工程的施工。

2.6.1 護(hù)筒埋設(shè)

護(hù)筒用厚10mm鋼板卷制焊接而成，直徑比樁基設(shè)計直徑大0.6～1.0m。護(hù)筒底置于穩(wěn)定的黏土層中（如不含黏土層則開挖換填黏土），周邊夯實，護(hù)筒標(biāo)高高于施工最高水位2m以上，并高于地下水位。

2.6.2 鉆進(jìn)工藝參數(shù)的控制與確定

（1）鉆壓。施加壓力為軸向壓力，壓力與孔底工作面垂直，不偏壓。鉆壓需根據(jù)巖層的物理性質(zhì)、工程力學(xué)性質(zhì)、鉆斗的直徑、類型和操作人員技能，并結(jié)合其他鉆進(jìn)參數(shù)予以綜合確定。如軟土巖層單軸抗壓強(qiáng)度[N]=30～70MPa，鉆孔直徑1.5m以上時，則鉆壓經(jīng)驗數(shù)據(jù)為30～40kN。

（2）鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速。根據(jù)地層、鉆速、刀具磨耗、鉆進(jìn)阻力、鉆機(jī)性能等多因素綜合考慮，對于穩(wěn)定較差的土層、極不穩(wěn)定的砂層、流砂層，鉆徑1.5m以上的樁孔，一般轉(zhuǎn)速為5～15r/min。

（3）回次進(jìn)尺長度的確定。不大于鉆斗高度的0.8倍，若鉆斗高度為1m，則回次進(jìn)尺長度不得大于0.8m。

（4）鉆具下降、提升速度控制?？浙@斗升降時，穩(wěn)定液會流入鉆斗內(nèi)部，一般情況下不會破壞孔壁，造成孔壁坍塌。對于直徑大于1.5m的鉆孔，升降速度一般可控制在0.8m/s，小樁徑鉆孔升降速度可適當(dāng)加大。帶渣提升過程相當(dāng)于鉆具在孔內(nèi)做活塞運(yùn)動，提升速度越快，所形成的負(fù)壓力越大，抽吸作用越強(qiáng)，因而對孔壁的穩(wěn)定影響越大，這樣很容易發(fā)生孔壁失穩(wěn)坍塌事故，因此應(yīng)綜合孔徑大小、土質(zhì)情況、人工操作技能去調(diào)整提升速度，提升時要準(zhǔn)、慢、穩(wěn)。孔徑在1.5m以上的鉆孔，升降速度宜控制在0.6m/s以內(nèi)。

（5）孔內(nèi)穩(wěn)定液面的控制。鉆孔過程中，孔內(nèi)液面隨時變動，因鉆具提升瞬間孔內(nèi)液面會迅速下降，這時必須及時補(bǔ)充穩(wěn)定液，盡可能保證鉆孔液柱的平衡。

2.7 高效穩(wěn)定液的性能參數(shù)

根據(jù)地層情況、鉆具性能和工程環(huán)境條件，試驗確定的高效穩(wěn)定液最小黏度為25s；pH值最高為11；膨潤土的最低濃度為8%。

高效穩(wěn)定液性能參數(shù)表見表4。

2.8 造漿池、沉淀池和貯漿池體積的確定

造漿池體積V造為：

式中：Q=（85-115）D2，Q為泥漿循環(huán)所需流量，m3/h，D為鉆孔直徑，m；系數(shù)K=Q/Q1，其中的Q1為造漿能力，m3/h。

沉淀池體積V沉（一般設(shè)2個輪換）為：

式中：H為鉆孔深度，m。

貯漿池體積V貯為：

2.9 泥漿重復(fù)利用

（1）機(jī)械凈化法：用高頻振動篩篩出0.5mm以上顆粒，用皮帶輪輸入汽車、運(yùn)走，混有0.5mm以下顆粒的泥漿返回孔內(nèi)再利用。

（2）重力沉淀法：利用重力原理制造旋流除渣器，排除顆粒物，收集泥漿再利用。

（3）化學(xué)凈化法：在泥漿內(nèi)加入分散劑FCL，使鉆渣顆粒加速聚集沉淀，以重復(fù)利用除渣后的泥漿。

3 特殊地層鉆進(jìn)

3.1 漏失層

（1）對于漏失不嚴(yán)重的地層，選用低密度高效穩(wěn)定液防漏。降低密度的主要方法為：采用優(yōu)質(zhì)膨潤土，用水解度30%的聚丙烯酰胺絮凝清除劣質(zhì)土和鉆渣，并加入煤堿劑鈉、羧甲基纖維素。

（2）漏失嚴(yán)重時，需填土一段一段回轉(zhuǎn)擠壓形成人工護(hù)壁，既堵漏又護(hù)壁。同時加入高效穩(wěn)定液，要求為高黏度，黏度30～50s，高固相含量，相對密度為1.2左右，30min失水率為8～10mL。

（3）遇漏水地段，可配置加重穩(wěn)定液，一邊造孔一邊投入重晶石粉，穩(wěn)定液的相對密度大于1.3，黏度大于30s，pH=8～9，30min失水率小于15mL，靜切力30～50mg/cm2，膠體率不小于97%。

3.2 障礙物

遇到地下障礙物時，采用輕壓慢轉(zhuǎn)上下活動、正反交替轉(zhuǎn)動循環(huán)，反復(fù)切削鉆渣障礙物。

4 清孔

第1次清孔是在鉆孔達(dá)到設(shè)計標(biāo)高后，鋼筋籠未下入孔內(nèi)之前進(jìn)行。用帶擋板的鉆斗清渣，時間較長時，用水泵進(jìn)行抽水循環(huán)。

第2次清孔是在鋼筋籠下入孔內(nèi)后，在混凝土灌注前進(jìn)行。利用灌注導(dǎo)管，用抽水泵反循環(huán)進(jìn)行排渣，直至達(dá)標(biāo)。

5 不同鉆孔方法與高效穩(wěn)定液使用后效果對比

灌注樁第1步工作是造成合格的孔，主要檢查項目要求為：垂直度合格，沉渣不超標(biāo)，樁徑、樁深符合設(shè)計要求，平面位置準(zhǔn)確。只要不趕工期，較復(fù)雜地層條件下用沖擊鉆都可成孔。如遇困難、特殊地段添加穩(wěn)定液、固體填料都可解決，但時間長、成本高，有時會出掉鉆頭等事故。而同樣地質(zhì)條件，使用添加高效穩(wěn)定液旋挖鉆成孔可大大縮短工期，綜合成本低，同時成孔、成樁質(zhì)量又有保證。

表4 高效穩(wěn)定液性能參數(shù)表[2]

岳陽市華容梅田湖大橋13#-1樁采用沖擊鉆成孔，13#-2樁采用添加高效穩(wěn)定液旋挖鉆成孔。兩者地質(zhì)條件完全相同，經(jīng)檢測，添加高效穩(wěn)定液旋挖鉆成孔的各項質(zhì)量指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于沖擊鉆鉆成的孔，且優(yōu)于現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

沖擊鉆成孔與添加高效穩(wěn)定液旋挖鉆成孔的沉渣厚度對照、成孔質(zhì)量比較和成本比較見表5~表7。

表5 沖擊鉆成孔與添加高效穩(wěn)定液旋挖鉆成孔的沉渣厚度對照

表6 沖擊鉆成孔與添加高效穩(wěn)定液旋挖鉆成孔質(zhì)量比較

由表6可知，添加高效穩(wěn)定液旋挖鉆成孔的質(zhì)量完全合格，而沖擊鉆成孔的質(zhì)量有幾項不合格，灌樁前需進(jìn)一步處理。

由表7可知，同地質(zhì)條件、同樁徑、同深度的成孔，旋挖鉆加高效穩(wěn)定液成孔成本比沖擊鉆成孔多70050-53475=16575元，但工期可大大縮短。

綜合表6、表7可知：由于沖擊鉆成孔平均孔徑為235cm，旋挖鉆平均孔徑為228cm，沖擊鉆成孔擴(kuò)孔率較大，同樁徑、同深度沖擊鉆成孔體積比旋挖鉆加高效穩(wěn)定液成孔體積大（2.352-2.282）×3.14÷4×85=22m3，需多灌混凝土22×1.02=22.44m3，按C30水下混凝土600元/m3計，需增加混凝土費(fèi)用13464元。經(jīng)簡單比較，旋挖鉆加高效穩(wěn)定液成孔比沖擊鉆成孔成本多16575-13464=3111元。由于旋挖鉆加高效穩(wěn)定液成孔成樁工藝具有工期和質(zhì)量優(yōu)勢，故綜合效益較好。

表7 沖擊鉆成孔與添加高效穩(wěn)定液旋挖鉆成孔成本比較（采用企業(yè)內(nèi)部單價實測）

6 結(jié)語

湖泊地區(qū)的地質(zhì)大都經(jīng)過雨水長期沖積形成，地質(zhì)條件復(fù)雜，有填土、砂礫、粉砂、流礫、漂石等地層。由于持力層較深，樁基礎(chǔ)都是摩擦樁，樁徑大、樁體深，成孔成樁較困難，一般都采用沖擊鉆、正反循環(huán)回旋機(jī)及旋挖鉆施工，但沖擊鉆、正反循環(huán)回旋機(jī)成孔時間長，施工過程容易塌孔，成孔質(zhì)量不好。采用高效穩(wěn)定液旋挖鉆成孔，不但進(jìn)度快，而且質(zhì)量好，各種材料容易采購，施工時環(huán)保很好控制，綜合成本也不高。岳陽市華容梅田湖大橋的實踐表明，對于粉砂、流砂、有承壓水、軟土、淤泥等復(fù)雜地層的深大樁基施工，采用添加高效穩(wěn)定液旋挖鉆施工是非常有效的，對于其他容易塌孔的樁基成孔施工也有一定的借鑒意義。