沖擊成孔工藝在海域回填地層的應(yīng)用

黃 勇，王雪貞

(中國(guó)核工業(yè)第五建設(shè)有限公司,上海 201599)

漳州核電廠位于福建省漳州市云霄縣列嶼鎮(zhèn)刺仔尾，臨近臺(tái)灣海峽，屬濱海廠址。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，工程場(chǎng)地主要為第四系地層，包括海積層、殘坡積層和人工堆積層等。該廠區(qū)采取半挖半填的形式，通過(guò)塊石回填方式進(jìn)行“填海造地”，回填材料主要為山體爆破而成的微分化花崗巖碎石，填齡小于5年，屬新近填土，人工回填土層均處于欠固結(jié)狀態(tài)，厚度平均厚度約20 m[1]?；靥詈穸入S原地形起伏情況變化大，整體上沿遠(yuǎn)離海岸線方向厚度逐漸增加。夾層為淤泥和砂質(zhì)黏性土，物理力學(xué)性能較差。區(qū)內(nèi)地下水可分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩類，地下水位較高，且水位受大氣降水及潮位影響變化較大。這種塊石回填地基塊石、孤石較多，淤泥層沿地下巖層差異性分布，給樁基施工帶來(lái)很大困難，如何保障成孔工序的順利實(shí)施成為首先要解決的問(wèn)題。

1 成孔工藝選擇

1.1 方案比選

目前工程中應(yīng)用較為廣泛的樁型主要包括泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁、旋挖成孔灌注樁、沖孔灌注樁、長(zhǎng)螺旋鉆孔壓灌樁以及沉管灌注樁。根據(jù)巖土勘察報(bào)告結(jié)論，經(jīng)對(duì)地基基礎(chǔ)條件分析，建議采用沖(鉆)孔灌注樁。為選擇適當(dāng)?shù)某蓸豆に嚕_保施工質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試樁工作。經(jīng)調(diào)研分析結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件，在試樁時(shí)選用了潛孔錘套管護(hù)壁成孔方案和沖擊鉆沖擊成孔方案。

1)方案1采用潛孔錘套管護(hù)壁成孔方案，該成孔工藝鉆機(jī)由內(nèi)、外雙動(dòng)力頭分別驅(qū)動(dòng)內(nèi)部鉆桿和外部套管，在掘削鉆進(jìn)時(shí)外部套管同時(shí)跟進(jìn)護(hù)壁，入巖或鑿巖需將螺旋鉆頭替換為潛孔錘，進(jìn)行嵌巖或鑿巖施工。該工藝屬于干作業(yè)成孔，施工時(shí)無(wú)需進(jìn)行泥漿護(hù)壁。

2)方案2采用沖擊鉆沖擊成孔，該工藝沖擊鉆機(jī)采用連桿機(jī)構(gòu)或卷?yè)P(yáng)機(jī)帶動(dòng)鋼絲繩提升沖擊鉆頭，利用沖擊鉆頭下落的動(dòng)能產(chǎn)生沖擊作用，破碎巖土實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)。成孔過(guò)程中的塌孔與否，依賴于土的物理力學(xué)性能和施工工藝，而泥漿的靜水壓力總體上緩解了各個(gè)極大剪切面上的應(yīng)力[6]，進(jìn)而可以減少成孔過(guò)程塌孔現(xiàn)象，維持孔壁穩(wěn)定。沖孔的同時(shí)進(jìn)行孔內(nèi)造漿，由于泥漿對(duì)孔壁產(chǎn)生的靜壓力而在孔壁上形成的泥皮，可以有效地防止孔壁坍塌。

根據(jù)地質(zhì)層分布情況，從AB綜合倉(cāng)庫(kù)子項(xiàng)選取24號(hào)、670號(hào)、720號(hào)樁基執(zhí)行潛孔錘套管護(hù)壁方案，AE棚庫(kù)子項(xiàng)選取7號(hào)、9號(hào)、18號(hào)樁基執(zhí)行沖擊成孔方案，經(jīng)統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別如表1、表2所示。

表1 潛孔錘套管護(hù)壁混凝土數(shù)據(jù)

表2 沖擊成孔混凝土數(shù)據(jù)

1.2 對(duì)比分析

1)方案1在拋石層進(jìn)尺正常，進(jìn)入淤泥層時(shí)，樁身長(zhǎng)度較長(zhǎng)，潛孔錘套管護(hù)壁進(jìn)入后被淤泥包裹，導(dǎo)致護(hù)筒無(wú)法拔出或拔出困難。方案2在拋石層運(yùn)用泥漿護(hù)壁進(jìn)行成孔，進(jìn)尺較為順利，在淤泥層進(jìn)尺正常。

2)方案1選用了鋼套管護(hù)壁進(jìn)行干作業(yè)成孔，套管外側(cè)均為裂隙孔洞，混凝土澆筑完進(jìn)行振動(dòng)拔管時(shí)，混凝土流失嚴(yán)重，造成充盈系數(shù)過(guò)大。方案2選用了泥漿護(hù)壁系統(tǒng)，在成孔的同時(shí)用對(duì)周邊土體進(jìn)行了填充擠密，并在內(nèi)側(cè)形成了一層泥皮，有效的防止混凝土流失，因此能把充盈系數(shù)控制在一個(gè)較低水平。通過(guò)試樁最終混凝土數(shù)據(jù)分析，方案1最終混凝土灌注充盈系數(shù)平均值為3.79，方案2最終混凝土灌注充盈系數(shù)平均值為1.64。

對(duì)成孔工藝的過(guò)程分析，潛孔錘套管護(hù)壁方案由于復(fù)雜地質(zhì)原因而無(wú)法順利成孔或成孔較為困難，過(guò)程質(zhì)量無(wú)法掌控，混凝土充盈系數(shù)偏大，經(jīng)濟(jì)性較差。沖擊成孔工藝方案在該地層中整體上進(jìn)尺較為順利，混凝土充盈系數(shù)相對(duì)較低，經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)。因此經(jīng)綜合分析，本工程選用沖擊成孔工藝方案。

2 實(shí)施難點(diǎn)

根據(jù)試樁情況中，沖擊成孔工藝主要在沖擊人工回填層和淤泥地層中出現(xiàn)問(wèn)題，經(jīng)分析總結(jié)有以下幾種問(wèn)題：

1)在人工回填層過(guò)程中發(fā)生泥漿反復(fù)滲漏問(wèn)題；

2)在人工回填層中屢次發(fā)生偏孔問(wèn)題；

3)在淤泥層進(jìn)尺慢，泥漿指標(biāo)不符合要求及易塌孔問(wèn)題。

因此需進(jìn)一步對(duì)上述成孔質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行研究分析，尋求針對(duì)性的解決辦法。

3 質(zhì)量問(wèn)題分析及預(yù)防措施

3.1 泥漿滲漏質(zhì)量問(wèn)題

3.1.1 漏漿質(zhì)量問(wèn)題分析

根據(jù)資料調(diào)查研究，當(dāng)潮汐當(dāng)來(lái)時(shí)，會(huì)造成泥漿反向滲漏，當(dāng)潮汐退后易造成泥漿正向流失，如流失過(guò)大就會(huì)造成塌孔或埋鉆[3]。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告顯示，東山灣的潮汐屬不規(guī)則半日潮，潮汐存在日不等現(xiàn)象，即漲潮歷時(shí)與落潮歷時(shí)不等，相鄰高低潮的潮高不等。平均高潮位標(biāo)高2.21 m，平均低潮位標(biāo)高-1.58 m，平均潮差2.30 m，最大潮差4.14 m。一段時(shí)間內(nèi)潮水位觀測(cè)表明，潮差約3.00 m[1]。通過(guò)對(duì)連續(xù)7天漏漿現(xiàn)象最嚴(yán)重的時(shí)間點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，曲線如圖1所示。

圖1 漏漿時(shí)間統(tǒng)計(jì)圖Fig.1 Statistical chart of slurry leakage time

經(jīng)對(duì)東山縣區(qū)潮汐規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)總結(jié)，得出漲落潮時(shí)間和潮汐峰值關(guān)系如圖2所示。

圖2 潮汐漲落曲線圖Fig.2 Tidal fluctuation curve

經(jīng)數(shù)據(jù)分析得出漏漿最嚴(yán)重時(shí)間點(diǎn)與落潮期較為重合，經(jīng)判定落潮時(shí)地下水位降低，孔側(cè)壓力減弱，導(dǎo)致孔內(nèi)泥漿正向流失嚴(yán)重。隨機(jī)抽取2#樁基施工數(shù)據(jù)分析，顯示漏漿處位于塊石回填區(qū)，在淤泥層、砂質(zhì)黏土層和強(qiáng)分化巖層均未發(fā)現(xiàn)漏漿現(xiàn)象。經(jīng)初步判斷由于該回填區(qū)域采取花崗巖塊(碎)石回填而成，回填粒料級(jí)配不滿足要求，未進(jìn)行分層回填和壓實(shí)，導(dǎo)致回填區(qū)空隙較大。沖孔時(shí)進(jìn)行泥漿循環(huán)時(shí)泥漿從石縫中流失，在混凝土灌注時(shí)易造成混凝土充盈系數(shù)過(guò)大、混凝土漿體流失造成斷樁及樁身成型不均等質(zhì)量缺陷。

3.1.2 預(yù)防措施

1)先對(duì)近海側(cè)邊樁進(jìn)行施工，沖擊成孔工藝對(duì)土體有一定的擠密效果，同時(shí)泥漿循環(huán)時(shí)將樁間土的裂隙都封堵嚴(yán)實(shí)，利用外排樁基形成一道“止水體”，降低潮汐對(duì)內(nèi)側(cè)樁基的影響。

2)鉆進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)進(jìn)尺深度、地層地質(zhì)情況、水位變化情況有效控制泥漿液面高度。根據(jù)資料研究，施工期間護(hù)筒內(nèi)的泥漿面應(yīng)高出地下水位1.0 m 以上，在受水位漲落影響時(shí)，泥漿面應(yīng)高出最高水位1.5 m[2]。在透水層位置處，水頭位置越高則水壓力就越大，滲透壓力也就越大，泥漿漏失量越大，因此根據(jù)水位變化情況及時(shí)調(diào)整泥漿液面高度。

3)根據(jù)潮汐表掌握漲落潮規(guī)律，及時(shí)調(diào)整泥漿指標(biāo)。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，總結(jié)出一定周期內(nèi)的漲落潮時(shí)間及潮高(高峰和低峰)數(shù)據(jù)。當(dāng)漲潮時(shí)，水面水位升高，孔壁壓力增大，泥漿護(hù)壁形成的泥皮厚度較薄，護(hù)壁效果較差，因此需加大泥漿稠度和泥漿液面高度，及時(shí)向孔內(nèi)補(bǔ)優(yōu)質(zhì)泥漿，防止塌孔。

4)向孔中加入適量碎石，利用沖錘沖孔將較大漏漿孔進(jìn)行封堵，然后向其中加入黏性土，繼續(xù)沖孔造漿，保持泥漿稠度。也可使用優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土進(jìn)行初始造漿，膨潤(rùn)土泥漿是相分散和細(xì)分散的混合分散體，對(duì)泥粒有選擇性絮凝作用，使沖孔鉆進(jìn)過(guò)程中的泥粒在泥壁表面堵塞粗空隙，泥漿的分散體堵塞細(xì)孔隙，能有效形成致密泥皮濾失量低。

5)將黏土和水泥按照5∶1的配合比進(jìn)行孔內(nèi)回填，然后利用沖擊錘進(jìn)行孔內(nèi)造漿，將黏土和水泥充分拌和，封堵下部漏漿縫隙。

6)退潮時(shí)，孔側(cè)壓力減弱，地下水對(duì)孔壁侵蝕較弱，能有效形成較厚泥皮，護(hù)壁效果較好，但泥漿用量較大。高潮位時(shí)孔側(cè)壓力與孔內(nèi)保持平衡，此時(shí)適宜進(jìn)行混凝土澆筑作業(yè)，能有效控制混凝土充盈系數(shù)。

3.2 偏孔質(zhì)量問(wèn)題

3.2.1 偏孔質(zhì)量問(wèn)題分析

偏孔問(wèn)題易導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的偏心受力，對(duì)樁基承載力會(huì)產(chǎn)生較大影響。對(duì)偏孔原因分析，產(chǎn)生的原因主要有：在沖孔樁施工作業(yè)中，操作人員為了提高進(jìn)尺，在沖孔過(guò)程中不管實(shí)際地質(zhì)情況如何，都采用大沖程，一味追求成孔速度，容易造成樁孔偏斜；鉆進(jìn)遇孤石、大漂石或半巖體，鉆頭受力不均偏向?qū)е缕祝换鶐r面不平，傾斜；鉆機(jī)底座不平或產(chǎn)生不均勻沉降，長(zhǎng)時(shí)間沖鉆作業(yè)導(dǎo)致樁基偏位形成偏孔。

3.2.2 預(yù)防措施

對(duì)偏孔質(zhì)量問(wèn)題的分析措施有：

1)沖孔樁施工時(shí)，開(kāi)始時(shí)宜采用低錘間斷沖擊法，進(jìn)入不均勻地層、傾斜狀巖層或遇到孤石時(shí)，則宜采用高錘沖擊。

2)及時(shí)向樁孔內(nèi)回填塊石和黏土塊至偏孔位置以上至少0.5 m，保持沖錘的作業(yè)面強(qiáng)度均勻，然后采用低錘密沖，反復(fù)校正，直到將偏孔校正好。

3)沖孔過(guò)程中平臺(tái)反復(fù)沖擊地面，造成鉆機(jī)平臺(tái)傾斜，致使沖錘、牽引鋼絲繩、鉆機(jī)支架不在同一直線上，因此在沖孔過(guò)程中必須隨時(shí)監(jiān)測(cè)鉆機(jī)平臺(tái)平整度并及時(shí)調(diào)整，保持沖孔設(shè)備沖擊方向始終與樁基軸線保持重合。

4)控制沖進(jìn)鋼絲繩的對(duì)中，在四周做好保護(hù)樁，拉線呈“十”字形校核鋼絲繩，檢查鋼絲繩是否偏位。

5)當(dāng)采用回填塊石進(jìn)行糾偏后，應(yīng)及時(shí)清理泥漿池沉渣，以避免影響正常反渣，造成持力層誤判。

6)糾偏前應(yīng)修復(fù)已損壞的樁錘，補(bǔ)焊好樁錘齒頭。

3.3 淤泥層鉆進(jìn)質(zhì)量問(wèn)題

3.3.1 進(jìn)尺質(zhì)量問(wèn)題分析

根據(jù)資料顯示，當(dāng)土層塑性指數(shù)大于25時(shí)，可采取自成泥漿，否則要用膨潤(rùn)土造漿[4]。進(jìn)入淤泥層時(shí)，鉆頭容易被淤泥包裹導(dǎo)致無(wú)法提錘，同時(shí)塌孔率也較高。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，淤泥層塑性指數(shù)Ip值為18.39，為保證護(hù)壁效果，使用膨潤(rùn)土進(jìn)行造漿最為適宜。

受場(chǎng)拋填擠淤影響，厚度變化大，且空間分布不連續(xù)，層厚0.40～2.20 m。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土屬于微～極微透水，屬于可液化地層，當(dāng)沖孔至該地層時(shí)，孔壁極不穩(wěn)定，沖擊過(guò)程中可能致使底部淤泥液化，導(dǎo)致局部擴(kuò)徑過(guò)大，從而增加上部塌孔風(fēng)險(xiǎn)。此時(shí)沖孔鉆已穿過(guò)拋石層，沖程高度較大，孔徑較小，提鉆的過(guò)程中孔側(cè)易被擾動(dòng)。

3.3.2 預(yù)防措施

進(jìn)廠質(zhì)量問(wèn)題的預(yù)防措施有：

1)泵管離孔底的距離為100～200 mm，輸入新泥漿進(jìn)行循環(huán)，將樁孔內(nèi)的沖渣替換出來(lái)，并進(jìn)行清理孔底，泥漿上返流速不應(yīng)小于0.25 m/s。

2)通過(guò)沖錘沖擊，并加入碎石及黏土進(jìn)行填充，對(duì)周圍孔壁淤泥土進(jìn)行置換，后用黏土和膨潤(rùn)土調(diào)配造好的泥漿進(jìn)行護(hù)壁。黏土選用塑性指數(shù)不小于15、粒徑小于0.074 mm的黏粒含量大于50%。通過(guò)工地試驗(yàn)確定泥漿質(zhì)量配比為水：黏土：膨潤(rùn)土=1∶0.4∶0.08，并加入適量的離子膜燒堿提高泥漿性能，摻入量約為孔內(nèi)泥漿土量的0.1%～0.4%。

3)采用重錘輕擊加塊石護(hù)壁加厚施工法[4]。對(duì)于承載力fk<80 kPa的淤泥層，沖擊成孔施工到位時(shí)，其深度填入2倍淤泥層高度的顆粒較大塊石、硬塑黏土等，并進(jìn)行重錘輕擊。

4)當(dāng)沖至淤泥含砂層時(shí)，開(kāi)啟泥漿分離器降低含砂率，如圖3所示。

圖3 泥漿分離器Fig.3 Mud separator

4 漳州核電AE棚庫(kù)樁基礎(chǔ)中的應(yīng)用

AE棚庫(kù)位于海域回填區(qū)，基底整體標(biāo)高-2.000 m，地基處理方式采用混凝土灌注樁，基總數(shù)為64 根，樁身直徑600 mm。成樁作業(yè)需穿越人工回填層和淤泥層。

4.1 成孔工藝實(shí)踐

在成孔作業(yè)過(guò)程中成功應(yīng)用了潮汐規(guī)律，通過(guò)調(diào)泥漿稠度及泥漿液面高度等措施，減弱了潮汐變化對(duì)成孔作業(yè)的影響，極大的減少了成孔過(guò)程中的漏漿頻次。成孔完成后按照檢驗(yàn)工藝流程，對(duì)樁基孔進(jìn)行了孔徑、樁基垂直度、孔深及沉渣等檢測(cè)，均滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)優(yōu)化對(duì)泥漿的運(yùn)用管理，采用優(yōu)質(zhì)泥漿進(jìn)行護(hù)壁，通過(guò)對(duì)AE棚庫(kù)15根樁基的記錄分析，對(duì)泥漿比重、含沙率及黏度等泥漿關(guān)鍵指標(biāo)記錄如圖4～圖6所示。根據(jù)施工數(shù)據(jù)得出，在淤泥層沖孔鉆進(jìn)時(shí)，使用黏土配合膨潤(rùn)土進(jìn)行造漿，護(hù)壁效果較好，指標(biāo)符合規(guī)范要求，在此范圍內(nèi)成型的混凝土樁混凝土充盈系數(shù)在規(guī)范允許范圍內(nèi)，效果較好。

圖4 泥漿比重曲線圖Fig.4 Mud specific gravity curve

圖5 含沙率統(tǒng)計(jì)圖Fig.5 Statistical chart of sediment concentration

圖6 黏度曲線圖Fig.6 Viscosity curve

4.2 成樁檢測(cè)

在成樁完成后，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求進(jìn)行成樁質(zhì)量檢測(cè)。先對(duì)全部樁基采用低應(yīng)變法進(jìn)行樁身完整性進(jìn)行檢測(cè)，再用單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)進(jìn)行承載力檢測(cè)，檢測(cè)抽取數(shù)量為總樁數(shù)的1%(且不少于3根)。AE棚庫(kù)樁基施工完成后，樁基低應(yīng)變(樁身完整性)檢測(cè)全部合格，均為I類樁，無(wú)樁身質(zhì)量缺陷，單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

5 結(jié)論

文章以實(shí)際案例為研究對(duì)象，對(duì)混凝土灌注樁成孔工藝施工難點(diǎn)及原因分析進(jìn)行了詳細(xì)論述。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，提出了針對(duì)性的解決辦法，驗(yàn)證了沖擊成孔工藝在海域回填層中的良好應(yīng)用。通過(guò)工程實(shí)踐，在海域塊石回填地質(zhì)情況下，沖擊成孔工藝成孔效果較好。