加納議會大廈基坑支護樁墻潛孔錘施工工藝技術

李保紅，歐陽昊

(1.湖北省地質局 武漢水文地質工程地質大隊，湖北 武漢 430051；2.湖北省地質環(huán)境總站，湖北 武漢 430034)

2018年1月湖北地質工程有限公司與華隴加納有限公司(甘肅建投)簽訂了加納議會大廈基坑支護樁墻施工項目合同，經實地考察和對各類樁機設備施工特點的比較研究，提出下列問題：場地工程地質條件總體良好，但鄰近建筑物基礎埋深僅2.5 m，為筏板基礎類型，基坑開挖勢必對鄰近建筑物基礎造成影響；施工場地狹窄，大型樁機設備無法抵近作業(yè)；沖擊樁機設備施鉆，入巖效果良好，但其成孔工藝無可避免將對鄰近建筑物產生變形影響；回轉鉆機裝備如旋挖樁機成孔效率高，但碎巖能力不強，入巖效果不理想。針對支護樁墻設計方案和場地特殊條件，提出如下合理化建議：①鑒于鋼管支護樁墻單樁口徑為300 mm,與加納水文水井機井施鉆口徑相當(250 mm)，為保證嵌巖樁入巖深度和效果，最大程度提升項目施工效率，潛孔錘施工工藝成為首選；②水文水井鉆機+潛孔錘成孔運用到樁基工程雖然沒有前人應用和成熟經驗可借鑒，但原理相同、路徑相似，施工操作駕輕就熟；③現(xiàn)有水文水井施工裝備經過改進和加工，完全有能力完成基坑支護樁墻任務。湖北地質工程有限公司在項目正式實施過程中，采用水文水井鉆機+空氣潛孔錘施工工藝+技術改進創(chuàng)新，提前24天圓滿完成了支護樁墻施工任務，為業(yè)主單位節(jié)省了大量資金投入，為總包單位爭取了主體工程施工時間，取得了良好的經濟和社會效益。

1 工程概況

1.1 項目概況

加納議會擬新建一幢12層塔樓，用以緩解議會議員們的住宿難題，塔樓地址位于加納首都阿克拉市議會大院內，西面毗鄰11層議會大廈JOB600，南面與一幢三層休息室相鄰，建筑面積785 m2。該塔樓底部擬建兩層地下停車場，開挖面積700 m2，深度9 m，開挖紅線距離11層議會大廈JOB600只有2 m，距離三層休息室只有1 m，為確保西、南兩側現(xiàn)有建筑物基礎安全，須設置鋼管樁墻支擋工程，按照項目咨詢單位關于基坑支護樁的設計方案，擬在西部毗鄰議會大廈和南面休息室分別施工一面U型支護樁墻，如圖1所示。其中，西面支護墻體由83根鋼管支護樁連接而成，南面墻體由68根同規(guī)格鋼管樁構成。鋼管支護樁設計深度13.5m，要求樁體末端進入中風化—微風化花崗片麻巖2～2.5 m，支護樁所用無縫鋼管直徑300 mm，內插規(guī)格為UKB203-133-30的等長20#工字鋼，鋼管與工字鋼間隙澆筑水泥砂漿成樁，樁體中心間距400 mm,如圖2所示。

圖1 基坑支護樁墻設計圖

圖2 基坑支護樁墻剖面圖

1.2 地質概況

依據(jù)加納方提供的初勘資料及實鉆工作揭露場地地質情況如下：

(1)Qml粘性土，黃褐色，埋藏深度0～5 m，稍濕，可塑狀，土體結構較為致密，主要由粘性土夾少量碎石、塊石組成，成分以石英巖為主，呈棱角狀。碎塊石含量約5%，塊徑2～5 cm。

(2)Q4m粘性土，灰褐色，埋藏深度5～8 m，稍濕，可塑狀，土體結構均勻，含少量鐵錳質氧化物，局部夾有少量碎石顆粒，干強度中等，韌性中等，刀切面光滑，手搓成條。

(3)Qel海陸交互相沉積粘土，灰褐—黃褐色，埋藏8～10 m，稍濕，硬塑狀，土體結構不均勻，母巖成分以花崗片麻巖為主，結構已分解，含少量鐵錳質氧化物，局部夾母巖碎塊，干強度高，韌性中等。

(4)強風化—中風化片麻巖，深灰色，埋藏10～15 m，中厚層狀結構，片麻構造，硅質膠結，主要礦物為石英、長石。

1.3 氣象、水文地質條件

場地位于加納阿克瓦皮丘陵地帶，在首都阿克拉中心城區(qū)，南面距大西洋海岸線直線距離約400 m。屬熱帶雨林氣候，氣候干熱，分為雨季和旱季，5—10月為雨季，11—4月為旱季。3—4月氣溫最高，為23～35 ℃，最高可達43 ℃；8—9月較為涼爽，為22～27 ℃，最低氣溫15 ℃左右。西南部平均年降雨量1 200～1 800 mm，北部地區(qū)為600～1 200 mm。

首都阿克拉一帶，年平均降雨量為731 mm，降雨量最多為6月(180 mm)和10月(66 mm)；11—2月和7月中旬—9月為兩個旱季。日平均氣溫在24.2～27.9 ℃，月平均氣溫最高為3月(32 ℃)，月平均氣溫最低為8月(21.3 ℃)。

項目施工期間正值加納旱季，地下水補給條件差，埋藏水位深，加之場地在構造單元上劃分屬于泛非活動帶，以片麻巖和上地殼巖石為主，地下水以全—中風化裂隙水為主，水量普遍不大，為樁墻施工創(chuàng)造了有利條件。

2 鉆進施工工藝

2.1 施工工藝的選擇

原基坑支護樁設計擬采用800 mm鉆孔灌注樁，但受到施工場地和設備能力的限制，無法實現(xiàn)。擬施工西面支護樁軸線距議會大廈基礎僅1 800 mm，南面支護樁軸線距休息室基礎僅1 500 mm，樁基施工設備無法貼近施工；另外，設計要求支護樁樁體末端進入中風化—微風化花崗片麻巖2～2.5 m，首選采用沖擊鉆進工藝，但該鉆進方法會對鄰近建筑物產生破壞性影響，可能造成無可估量的損失。經參考國內類似工程施工案例[1-3]，并與業(yè)主單位、項目總包和設計單位充分商榷后，擬采用車載水文水井鉆機，利用氣動潛孔錘工藝進行施工，該工藝以壓縮空氣為動力，產生沖擊功可以直接傳遞給鉆頭，再通過鉆機和鉆桿的回轉驅動，形成對孔底巖石的脈動破碎能力，同時利用潛孔錘排出的壓縮空氣，將破碎后的巖石顆粒以氣舉懸浮形式排出鉆孔，清除孔底沉渣。該方法能克服場地條件的限制，鉆機搬遷方便，對原建筑物不會產生破壞性影響，與沖擊鉆進工藝相比，能極大提升碎巖功效，顯著提高成孔效率。

2.2 主要機械設備

空氣潛孔錘鉆孔灌注樁施工選用SPC-300D型車載式水文水井回旋鉆機，配備30 m3英格索蘭空壓機作為空氣循環(huán)動力，采用英格索蘭DHD360和DHD380型氣動潛孔錘分2-3級沖鉆成孔。采用的主要機械設備如表1所示。

表1 基坑支護樁墻施工設備

2.3 空氣潛孔錘鉆孔灌注樁施工工藝

空氣潛孔錘鉆孔灌注樁施工工藝流程包括：場地平整→樁位放線→鉆機就位→孔位校正→下入工作套管→一級造孔→二級造孔→終孔驗收→下入鋼管→下入風管→氣舉清除孔底沉渣和積水→下入工字鋼梁→灌注水泥砂漿→振動搗實→成品養(yǎng)護。

(1)鉆機就位并進行孔位校正。啟動空氣壓縮機，當氣壓達到3 MPa壓力時，開動鉆機下入臨時工作套管，進行空氣潛孔錘第一級開孔鉆進。為保證垂直度防止偏孔，開孔時應采取慢速回轉低頻沖擊，防止設備跑偏移位。

(2)沖鉆過程中采用勻速慢進，遇回轉阻力增大時潛孔錘向上提升，提升距離約0.30～0.50 m，再次旋轉振動沖擊進尺，孔深鉆至5～8 m，提升鉆桿排除鉆渣一次，孔深鉆至10 m進行第二次減壓排渣，以此類推，直到鉆進孔深達到設計要求(13.5 m)。

(3)鉆進過程中禁止移動鉆機，保持機架的穩(wěn)定性和成孔的垂直度。發(fā)現(xiàn)偏斜應立即停止鉆進，采取措施進行糾偏。對于變層和易發(fā)生偏斜的層位，應采用低錘輕擊的辦法通過，以保持孔壁完整良好。

(4)二級潛孔錘擴孔鉆進達到預定深度后，起拔鉆具，吊放鋼套管至孔底，下入風管至套管底部，開啟空壓機，利用高壓氣舉方式將孔底沉渣和積水排出套管，確保孔底干凈。如遇鉆孔承壓水位較高，可預先投入1.0～1.5 m混凝土進行孔底滲水封堵，隨即下入工字鋼梁，必要時配置合適比例的扶正器以確保鋼梁居中。工字鋼梁下入并檢查無誤后，立即進行水泥砂漿灌注，灌注過程中采用振動棒振動鋼管和工字鋼，以振動傳導方式便于砂漿灌入和搗實，如照片1所示。

照片1 支護鋼管樁墻鉆孔施工和澆筑

(5)剛澆筑完的水泥砂漿灌注樁，不宜立即在其附近沖擊相鄰樁孔，宜采取間隔施工，間隔距離應在1～2 m，防止因潛孔錘鉆進震動或主體側向擠壓而造成樁體變形或內部砂漿強度降低，影響樁體質量。

2.4 注意事項

(1)鉆進過程中應盡量做到不停頓(加鉆桿及更換鉆頭除外)，如必須停頓時，應及時將鉆頭提離孔底(至少高于孔底1.5 m)，以免鉆渣沉淀而埋鉆。

(2)鉆進過程中，當發(fā)現(xiàn)塌孔、偏孔、斜孔時，應及時處理。

(3)灌注過程中如發(fā)生堵管或砂漿灌注量明顯小于理論方量，應及時分析原因，采取具體措施(如采用振管法)及時恢復灌注，如確實不能續(xù)灌應立即拔出鋼管內工字鋼梁，清除已灌砂漿，然后再按規(guī)范要求進行灌注。

(4)不宜在剛澆筑完混凝土的灌注樁附近立即施工樁孔，而應間隔距離1～2 m外施工，以防止?jié)摽族N鉆進震動或主體側向擠壓而造成樁體變形或內部水泥砂漿強度降低，影響樁體質量。如照片2所示，通過間隔跳鉆方式完成的基坑支護鋼管樁墻。

照片2 完成的基坑支護鋼管樁墻

3 施工中遇到的突出問題及處理措施

潛孔錘鉆進施工過程中，遇到孔斜超標、鋼管下入困難、鉆屑上返困難及局部地區(qū)孔壁失穩(wěn)等問題，項目部人員查閱了相關文獻[4-7]，結合現(xiàn)場條件，創(chuàng)新性地提出了對應的處理措施，有效解決了這些問題。

3.1 潛孔錘擴孔鉆進產生孔斜，導致鋼管下入困難

鉆孔施工完成后，在鋼管下入過程中，孔斜問題凸顯，個別鉆孔鋼管以螺旋旋轉方式能夠勉強下入到設計孔深，大部分鉆孔鋼管下入不到位，甚至高出地面2～3 m，需提拔鋼管，待鉆機重新就位后擴孔，既浪費了大量人力和時間成本，又嚴重影響了施工進度和效率。

在鉆孔施工過程中，采用Φ165 mm潛孔錘開孔，然后分別用Φ250 mm和Φ315 mm潛孔錘進行兩次擴孔，這兩種擴孔方式實際上是一種無導向性的疊加擴孔，水平方向能夠滿足甚至>Φ315 mm口徑，而垂直方向上因同心度無法滿足要求，甚至達不到Φ300 mm口徑，造成鉆孔垂直度有較大偏差，鋼管無法正常嵌入。

為保證兩次擴孔鉆進的同心度，在Φ250 mm和Φ315 mm錘頭底部分別加工了Φ165 mm和Φ250 mm同心導向管，確保了潛孔錘擴孔鉆進的同心度和垂直度，解決了擴孔造成的孔斜問題。在施工過程中發(fā)現(xiàn)，焊接加工的Φ165 mm和Φ250 mm導向管易被錘擊打扁或脫落，在孔內造成次生事故。針對此類情況，采取了優(yōu)化處置，利用氣割對錘頭進行了環(huán)形切槽，導向管采用內鑲方式焊接加固，同時對導向管材料進行了優(yōu)選，采用了廢棄的載重汽車大梁后橋彈簧鋼板，經烘爐彎曲加工而成，有效提高了導向管的強度，可靠性大大增強。

采用經改進的同心導向管施工后的鉆孔，其垂直度明顯改善，鋼管一次下入成功率顯著提升，有效解決了鋼管下入困難的問題。

3.2 孔內鉆屑上返困難，孔底沉渣過厚

在潛孔錘分級擴孔過程中，隨著鉆孔孔徑增大、深度增加，鉆桿與孔壁之間的環(huán)狀間隙空間逐級增大，作為循環(huán)介質的空氣在單位體積內壓力逐級變小，孔內上返風速不足，巖屑攜帶能力明顯減弱，存在巖屑重復破碎，上返粒徑變小，孔底沉渣過厚，鉆探進尺嚴重緩慢的現(xiàn)象。

項目部針對現(xiàn)場情況和既有條件，利用現(xiàn)有的Φ165 mm(內徑150 mm)高強度PVC井管穿過Φ89 mm鉆桿，在鉆桿上下部分別加工焊接兩個托盤夾持固定PVC井管，并保證其同心度和垂直度，如照片3所示。使用經過改造后的鉆桿，增大了鉆桿直徑，減小了環(huán)狀間隙，有效提升了巖屑攜帶能力，同時鉆桿重量變化不大，對工人起下鉆的勞動強度不造成影響。同時，對原鉆桿未造成變形、破壞，加工、拆卸和恢復鉆桿原貌簡單方便。

照片3 改造后的鉆桿

3.3 局部欠穩(wěn)定地層孔內支護問題

場地地質條件基本良好，上部開挖1.8～2.0 m后，土體結構依然堅硬致密，大部分鉆孔僅在孔口安置孔口管，無需套管支護。但西部毗鄰JOB600議會大廈場地情況特殊，施工過程中發(fā)現(xiàn)場地曾被人工開挖建造過一個8 m×4 m×3 m的地下混凝土儲水池，周邊均為人工回填的建筑垃圾和雜填土，潛孔錘鉆進過程中，0～5 m深度土層穩(wěn)定性差，掉渣掉塊嚴重，無完整孔壁，甚至出現(xiàn)孔內無返風返渣現(xiàn)象。

為解決這一問題，現(xiàn)場采用3 mm薄鋼板自制了Φ350 mm卷鐵皮工作套管，同時加工了配套的Φ380 mm擴孔鉆具，并采取了分段分次開鉆擴孔的施工工藝。

上部(0～7 m段)欠穩(wěn)定地層三次擴孔：

(1)開孔。采用Φ165 mm空氣循環(huán)潛孔錘鉆進，控制風量并自然配重鉆進，保證鉆進效率和定位效果，確保上部回填土層鉆孔垂直度，鉆至片麻巖強風化層(7.00 m左右)。

(2)一次擴孔。原采用焊接有165 mm導向管的Φ250 mm空氣循環(huán)潛孔錘鉆進，但因回填建筑垃圾完整性差，內部孔隙發(fā)育疏松，鉆進過程中受風力干擾性強，出現(xiàn)孔壁垮塌、漏風跑氣，最終采用以泥漿循環(huán)為主的Φ250 mm/Φ165 mm梯級葉片刮刀鉆頭鉆進。

(3)二次擴孔。采用Φ311 mm牙輪鉆頭+鉆鋌組合鉆進，目的是為了提高鉆孔垂直度，增加對上部雜填土的擠壓和破碎效果，提高擴孔鉆進效率。

(4)三次擴孔。采用Φ380 mm/Φ310 mm擴孔鉆具(如照片4所示)+鉆鋌組合鉆進，保證鉆孔同心度、垂直度的同時確保擴孔效果。擴孔鉆進至預定強風化層深度5～7 m，提鉆下入Φ350 mm卷皮鋼套管。

照片4 Φ380 mm擴孔鉆具

下部(7～13.5 m段)穩(wěn)定堅硬地層二次擴孔：

(1)開孔。采用Φ165 mm空氣循環(huán)潛孔錘鉆進，控制風量并自然配重鉆進，保證鉆進效率和定位效果，鉆至片麻巖微風化層(13.5 m左右)。

(2)一次擴孔。采用空氣循環(huán)潛孔錘擴孔鉆進，下入焊接有160 mm導向管的Φ250 mm潛孔錘鉆進，直至鉆進到預設孔深13.5 m。

(3)二次擴孔。下入焊接有245 mm導向管的Φ315 mm潛孔錘鉆進，直到鉆進孔深達到設計要求。

該工藝方法存在的不足之處：一是采用的鉆探技法較多，提下鉆頻次較高，勞動強度大；二是雜填土成分復雜，均勻性差，擴孔過程鉆機振動劇烈，易導致孔位偏移和垂直度降低；三是雜填土本性疏松，孔隙度大，泥漿漏失嚴重。針對上述困難和問題，采用定向靜錘、吊打吊擴的方式解決了鉆孔偏位、振動過大的問題；因地制宜，挖取場地“螞蟻山”(非洲螞蟻將地下粘性較好的粘土搬運至地面，形成2～5 m高的棲息地)，解決了泥漿材料短缺和孔內漏失封堵等問題。

4 結論

(1)隨著加納經濟社會發(fā)展，高層建筑深基坑支護工程和應用技術將逐步普及，針對首都阿克拉地區(qū)全—中風化基巖地層埋藏較厚的巖土體結構和特點，以潛孔錘高質效施工為代表的鉆探工藝必將成為基坑支護樁成孔鉆探技術首選，大口徑潛孔錘鉆探技術將以其入巖效率高、孔底沉渣少等優(yōu)勢和特點成為鑲嵌式鉆孔灌注樁主流。

(2)新時代鉆探工作需要掌握基礎性巖土工程知識和積累大量的現(xiàn)場施工經驗，以生產實踐中出現(xiàn)的困難和問題為導向，認真研判原因，制訂處置措施，優(yōu)化設計方案，付諸實踐檢驗，善于在生產實踐中提煉和總結新工藝、新工法，不斷研究施鉆條件，改進施鉆技藝，達到提高質效的目的。

(3)在非洲基礎工業(yè)薄弱、物質材料匱乏、交通物流不便的條件下，要充分發(fā)揮專業(yè)技術優(yōu)勢和發(fā)揚地質人“四特別”精神，集思廣益創(chuàng)造性地開展巖土工程掘進工作。同時加強與國內探礦機械生產單位和科研院所的密切聯(lián)系，在廣袤的非洲大地上大膽引進國產高精專成套裝備和技術，以科技創(chuàng)新引領海外工程的高質量發(fā)展。

(4)本項目雖然順利完成，但還存在一些問題和不足，需要不斷引進、消化和吸收。一是國內外先進鉆探技術和裝備在非洲地區(qū)還沒有被充分引進，如擴孔潛孔錘應用、雙壁鉆桿和反循環(huán)潛孔錘應用等在非洲大陸水文水井和樁基工程中尚未被廣泛推廣；二是大口徑組合潛孔錘鉆具的碎巖功效、成孔技術在國內外地災防治治理工程中未被充分發(fā)揮和應用，大多數(shù)滑坡抗滑樁依然采用施工危險性大、風險性高、不確定因素多的人工挖孔樁，不具備高質量發(fā)展要求；三是空壓機并聯(lián)重組或大功率空壓機的研發(fā)是未來潛孔錘施工技藝不斷提升的迫切需求。