特殊海洋環(huán)境下鉆孔灌注樁護筒底部防穿孔研究

強 龍，孫麗琦，謝友紅

（1.天津中北建設(shè)工程管理有限公司，天津 300222；2.天津銘睿管理咨詢有限公司，天津 300450）

1 工程概況

1.1 工程主要內(nèi)容

江蘇沿海某跨海大橋全長10 km。橋梁上部采用3 榀30 m 或40 m 標(biāo)準(zhǔn)跨距的組合箱梁結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)包括承臺、立柱及蓋梁結(jié)構(gòu)和樁基礎(chǔ)，深水區(qū)樁基礎(chǔ)采用打入式PHC 樁，淺水區(qū)樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。其中，鉆孔灌注樁總數(shù)為484 根，分為1.8 m 和1.6 m 兩種直徑，樁長從67.1 m～72.9 m 不等，樁頂標(biāo)高+11.85 m～+6.1 m 不等。鉆孔灌注樁在搭設(shè)的鋼結(jié)構(gòu)鉆孔平臺上采用回旋鉆機施工，護筒頂標(biāo)高與鉆孔平臺頂標(biāo)高一致，從近岸側(cè)最高處+15.5 m 向海域最低處+10.8 m 平緩過渡，護筒入土深度在普遍10 m～12 m 左右。

1.2 工程水文地質(zhì)情況

1）工程水文情況

本工程施工區(qū)域?qū)儆谝?guī)則的半日潮海區(qū)，淺海分潮作用比較顯著。根據(jù)國家海洋局第二海洋研究所2008 年7 月～2009 年6 月實測資料統(tǒng)計，潮位情況如下（以當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵嫫鹚悖?/p>

最高高潮位7.74 m；最低低潮位0.00 m；平均高潮位6.02 m；平均低潮位1.58 m；平均潮差4.44 m；最大潮差7.27 m；最小潮差0.95 m；平均海面3.81 m。

2）工程地質(zhì)情況

根據(jù)工程勘察結(jié)果，鉆探揭露深度內(nèi)土層分布較有規(guī)律，勘察單位綜合地層的物理力學(xué)性質(zhì)等特征，對勘察深度內(nèi)的土層進行了單元土體的劃分，主要土層自上而下依次為：

第一大層：海相沉積層，主要地層為①粉砂。

第二大層：海相沉積層，主要地層為②1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉層、②2粉砂夾層、粉土、②3粉砂。

第三大層：海陸過渡相沉積層，主要地層為③1粉質(zhì)粘土、③2粉質(zhì)粘土、粉土夾層。

第四大層：海陸過渡相沉積層，主要地層為粉砂夾層、④1粉砂及④2粉細砂。

2 穿孔描述

2.1 首批鉆孔灌注樁穿孔

本工程首批鉆孔灌注樁開工后，多次發(fā)生鉆進至護筒底口處穿孔。在組織首批鉆孔的12 根灌注樁中，就有5 根灌注樁發(fā)生護筒底部穿孔。具體情況詳見表1。

表1 首批鉆孔灌注樁施工情況一覽表

2.2 第二批鉆孔灌注樁穿孔

結(jié)合首批灌注樁的成孔情況，分析研究后增加了過渡段鉆孔灌注樁的護筒長度和入土深度2m。繼續(xù)開始第二批8 根鉆孔灌注樁的施工。其中，又有3 根灌注樁在護筒底部發(fā)生穿孔。具體情況詳見表2。

表2 新增鉆孔灌注樁穿孔施工情況一覽表

3 研究分析

3.1 初步分析

一般地，在鉆孔灌注樁鉆孔施工過程中發(fā)生的穿孔主要是由于地質(zhì)太差，存在流沙、流塑狀淤泥層，相鄰樁孔間距過小或者孔內(nèi)水位過高導(dǎo)致。

根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)反映，墩300-5、墩298-1、墩295-2、墩297-1 灌注樁護筒底口穿孔發(fā)生的主要地層為②3粉砂，墩7-2、墩11-2 灌注樁護筒底口穿孔發(fā)生的主要地層為②2粉砂夾層、粉土，墩300-1墩3-2 灌注樁護筒底口穿孔發(fā)生的主要地層為②1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉層，不存在明顯不良地質(zhì)影響。

其次，灌注樁鉆孔施工嚴(yán)格遵循跳樁鉆進的原則，相鄰孔位間距均大于3 倍樁徑。灌注樁護筒底部穿孔發(fā)生時，出現(xiàn)護筒內(nèi)液面急速下降和護筒外壁海水變得非常渾濁的現(xiàn)象，其相鄰灌注樁護筒內(nèi)的液面沒有發(fā)生變化，說明護筒底部的穿孔是單一自內(nèi)向外的“外穿孔”，而非孔間互穿的情況。

最后，根據(jù)收集到的8 根鉆孔灌注樁穿孔前護筒內(nèi)的液化變化數(shù)據(jù)，查詢當(dāng)日對應(yīng)時刻的潮汐表數(shù)據(jù)分析對比發(fā)現(xiàn)，護筒內(nèi)的液面標(biāo)高與護筒外的潮位相差均超出設(shè)計要求的1.5 m～2.0 m，最小值為4.52 m，最大值為6.17 m。具體情況見圖1。

圖1 穿孔前液面、潮位差對比圖/m

結(jié)合地勘報告分析，8 根鉆孔灌注樁穿孔前護筒內(nèi)的孔內(nèi)水壓均超出各自護筒底口所處土層的極限應(yīng)力；同時，也驗證了在本工程地質(zhì)條件下，鉆孔灌注樁發(fā)生護筒底部外穿孔和護筒內(nèi)液面高于潮位存在顯著相關(guān)性。

3.2 深入研究

通過研究分析，證明了鉆孔灌注樁鉆孔過程中，護筒內(nèi)液面高度控制不佳是導(dǎo)致鉆孔灌注樁在鉆進至護筒底部后頻繁出現(xiàn)穿孔的主要原因之一。圍繞這個要因，在繼續(xù)進行深入調(diào)查和研究時，又發(fā)現(xiàn)了更深層次的原因和問題。

1）大潮差、潮汐變化快對鉆孔灌注樁護筒內(nèi)液面高度控制的不利影響。

據(jù)了解，8 根鉆孔灌注樁護筒底部穿孔大部分處于大潮汛、大潮差落潮期間，潮位變化快。結(jié)合潮汐表對應(yīng)8 根鉆孔灌注樁當(dāng)日施工時的潮位數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，施工期最大潮差6.85 m，最小潮差6.25 m，高于設(shè)計平均潮差4.44 m。在落潮時段，潮位最大變化達到3.0 m/h。

由于施工過程中，對這種大潮差、潮汐變化快以及高護筒等特殊環(huán)境和特殊工況對施工的不利影響認(rèn)識不足，特別是當(dāng)灌注樁鉆孔鉆進至護筒底口時，未能實時根據(jù)潮位變化動態(tài)調(diào)整護筒內(nèi)的液面高度，護筒內(nèi)液面長期處于高位。

2）護筒周邊的土體液化，抗剪性陡降。

鉆孔灌注樁鋼護筒打入采用振動錘，結(jié)合地質(zhì)情況分析和現(xiàn)場觀察，護筒振動打入土體過程中，護筒周邊的土體均發(fā)生了不同程度的液化現(xiàn)象，護筒周邊的土體抗剪性陡降。當(dāng)灌注樁鉆孔鉆進至護筒底口，護筒內(nèi)的液面仍處于高位而護筒外的潮位處于低位時，護筒周邊液化土體會因土體抗剪性陡降，在壓力差的作用下這一薄弱區(qū)域成為穿孔通道。

3）風(fēng)、浪或水流作用對護筒影響明顯，施工過程護筒穩(wěn)定性差。

本工程鉆孔灌注樁護筒施工長度普遍為24 m，護筒頂標(biāo)高與鉆孔平臺頂標(biāo)高一致，從岸側(cè)平臺最高處標(biāo)高+15.5 m向海域平臺最低處標(biāo)高+10.8 m平緩過渡，護筒入土深度普遍在10 m～12 m 左右，即使受地形變化影響，護筒外露長度均超過10 m。護筒打入后沒有及時固定，在風(fēng)、浪或水流作用下仍會產(chǎn)生細微的晃動，土體應(yīng)力得不到及時恢復(fù)，導(dǎo)致施工過程護筒穩(wěn)定性差。

4 結(jié)語

本文通過對本工程特殊海洋環(huán)境鉆孔灌注樁護筒底部穿孔的研究分析，基本解決了工程后期鉆孔灌注樁護筒底部穿孔問題，也希望能夠為類似工程施工提供參考。在此，提出以下幾點建議：

1）在特殊海洋環(huán)境下，尤其是大潮差、復(fù)雜潮汐變化區(qū)域進行鉆孔灌注樁鉆孔施工時，應(yīng)實時根據(jù)潮位變化動態(tài)調(diào)整護筒內(nèi)的液面高程，保證護筒內(nèi)的液面高程與潮位高度相差不超過設(shè)計或規(guī)范要求；

2）鉆孔灌注樁護筒打入采用振動錘時，要重視護筒周邊土體液化的因素，應(yīng)考慮在進行鉆孔灌注樁施工前結(jié)合地質(zhì)情況給土體應(yīng)力自然恢復(fù)留有時間；土質(zhì)較差的區(qū)域，也可以通過適當(dāng)增加護筒長度的方式，防止護筒底部穿孔；

3）護筒打入后，應(yīng)充分考慮風(fēng)、浪、流作用對護筒穩(wěn)定性的影響，及時對護筒頂部進行固定。

本文分析研究主要圍繞鉆孔灌注樁護筒底部穿孔開展，且分析的數(shù)據(jù)均是與鉆孔鉆進至護筒底部發(fā)生穿孔相關(guān)，實際上在灌注樁鉆孔施工超過護筒底部繼續(xù)鉆進時，更應(yīng)該注意相關(guān)問題。