堅(jiān)硬破碎花崗巖地層大直徑潛孔錘跟管鉆孔灌注樁施工技術(shù)

鄧乙民，魏凌浩，周雨田

（1.湖南軍信環(huán)保股份有限公司，長(zhǎng)沙410213；2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長(zhǎng)沙410083；3.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410075）

1 引言

隨著城市建設(shè)和社會(huì)發(fā)展，越來(lái)越多的工程項(xiàng)目在山地削填方而成的場(chǎng)地上進(jìn)行，而較厚的填石層使得樁基礎(chǔ)施工變得更加困難，新型鉆孔技術(shù)如潛孔錘受到了關(guān)注[1，2]。與傳統(tǒng)的鉆孔技術(shù)相比，大直徑潛孔錘鉆孔技術(shù)有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如，在強(qiáng)度大的巖層中成孔更快，孔道更直等[3]。同時(shí)，環(huán)境保護(hù)和施工安全性一直也是工程項(xiàng)目的關(guān)注重點(diǎn)，而潛孔錘的應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致大量可吸入粉塵的產(chǎn)生，配合使用響應(yīng)降塵設(shè)備有利于保護(hù)工人健康和周邊環(huán)境[4]。本文以長(zhǎng)沙市望城區(qū)橋驛鎮(zhèn)黑麋峰固體廢物處理場(chǎng)的垃圾焚燒發(fā)電廠作為案例，分析大直徑潛孔錘在實(shí)際工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和適用情況。

2 工程案例

2.1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于長(zhǎng)沙市黑麋峰固體廢棄物處理場(chǎng)西側(cè)，場(chǎng)區(qū)面積約30 ha，工程場(chǎng)地東、南、西3 面環(huán)山，北面緊鄰黑壩水庫(kù)。場(chǎng)地為山地削填方而成，最大填筑厚度達(dá)35 m，填筑土主要為花崗巖殘積土，且?jiàn)A有大量堅(jiān)硬孤石。本工程最初設(shè)計(jì)采用泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁，樁徑有φ1.0 m、φ1.2 m、φ1.4 m 3 種，樁平均深度約20 m，最大樁長(zhǎng)約71 m，總數(shù)量約為1 799 根，均為嵌巖樁，樁端持力層進(jìn)入中風(fēng)化花崗巖不小于2 倍樁徑。

2.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察資料，主要有人工填土層、耕土層、砂質(zhì)黏性土層，下伏基巖為燕山晚期花崗巖。場(chǎng)地內(nèi)地形起伏大，存在高填深挖，當(dāng)場(chǎng)地平整至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，最大填筑厚度達(dá)35 m，場(chǎng)地南側(cè)地段基巖裸露或覆蓋層較薄，北側(cè)地段存在由回填層、耕土、淤泥質(zhì)砂質(zhì)黏性土組成的深厚覆蓋層?；靥顚又饕缮百|(zhì)黏性土、花崗巖塊石混填而成，偶見(jiàn)塊石堆，最大塊徑可達(dá)2 m，均勻性差，固結(jié)程度低；回填層及全風(fēng)化基巖成樁條件差，孔壁易坍塌；強(qiáng)風(fēng)化基巖成樁條件較好，但由于處于多雨季節(jié)，強(qiáng)風(fēng)化基巖被水浸泡后呈松散、軟塑狀態(tài)，孔壁易坍塌?？傮w來(lái)說(shuō)，該場(chǎng)地的成樁條件較差，巖石較硬，孔壁易坍塌，因此，技術(shù)和設(shè)備的選擇需要多方面考慮。

3 沖擊成孔局限性分析

原設(shè)計(jì)樁基采用泥漿護(hù)壁沖孔樁，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本工程采用泥漿護(hù)壁沖孔施工極其困難，遇到許多無(wú)法解決的難題，主要表現(xiàn)在：

1）泥漿容易漏失。項(xiàng)目選址在山間坡地，回填層孔隙多，滲水能力強(qiáng)，造漿能力差且容易漏漿，且由于場(chǎng)區(qū)緊鄰水庫(kù)，溢流的廢棄泥漿易造成水體污染。

2）工期緊，樁數(shù)多，成孔時(shí)間長(zhǎng)。設(shè)計(jì)要求樁端進(jìn)入中風(fēng)化層，沖孔樁入巖施工進(jìn)度相對(duì)緩慢；施工作業(yè)面有限，不允許投入大量設(shè)備，無(wú)法設(shè)置大面積泥漿池。場(chǎng)地深部堅(jiān)硬花崗巖強(qiáng)度高，沖擊鉆進(jìn)入巖速度極低，成孔時(shí)間長(zhǎng)。

3）施工質(zhì)量難以控制。場(chǎng)地巖層面起伏大，沖擊時(shí)易產(chǎn)生樁孔偏斜，樁孔垂直度無(wú)法滿(mǎn)足要求，回填層大塊徑堅(jiān)硬孤石難以穿透，且易被誤判為入巖。泥漿護(hù)壁導(dǎo)致孔底易出現(xiàn)碎渣沉積，難以保證清孔滿(mǎn)足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

4 大直徑潛孔錘全護(hù)筒跟管鉆孔灌注樁施工工藝

4.1 施工原理

大直徑潛孔錘是以壓縮空氣為動(dòng)力的一種風(fēng)動(dòng)沖擊工具。以長(zhǎng)螺旋動(dòng)力頭做旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，在特制的鉆桿下懸掛氣動(dòng)式潛孔錘，利用空氣壓縮機(jī)帶動(dòng)氣動(dòng)式潛孔錘沖擊破碎巖石。動(dòng)力頭帶動(dòng)鉆桿及潛孔錘進(jìn)行適度的鉆壓與回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，有效提升破碎效率。氣動(dòng)潛孔錘的空氣既能冷卻鉆頭又能將破碎的巖屑吹離孔底實(shí)現(xiàn)清孔[5]。在破碎地層結(jié)合全護(hù)筒跟管鉆進(jìn)工藝，空氣潛孔錘加快了鉆進(jìn)速度，克服了塌孔問(wèn)題，減少了環(huán)境污染，提高了工作效率，確保了順利成孔[6]。

4.2 施工工藝流程

大直徑潛孔錘全護(hù)筒跟管鉆孔灌注樁施工流程如圖1所示。

圖1 大直徑潛孔錘全護(hù)筒跟管鉆孔灌注樁施工工藝流程

4.3 配套機(jī)具設(shè)備

大直徑潛孔錘設(shè)備組成如圖2所示。

圖2 大直徑潛孔錘設(shè)備組成圖

本項(xiàng)目采用的配套機(jī)具設(shè)備如下。

1）鉆機(jī)：工程鉆機(jī)機(jī)架為灤州重工生產(chǎn)的履帶式多功能機(jī)架，鉆機(jī)自重110 t。

2）潛孔錘：潛孔錘鉆頭選用賽柯洛克QL300 型潛孔錘，潛孔錘鉆頭直徑為91.5 mm，沖擊器及鉆頭總質(zhì)量約8 t。

3）鉆桿：鉆桿直徑φ920 mm，自重15 t，鉆桿上設(shè)置風(fēng)道，以便利用風(fēng)壓清孔。鉆孔加設(shè)1 個(gè)外護(hù)套管以減小鉆桿與孔壁之間的孔隙，有利于渣土吹出地表，降低能耗[7]。

4）空氣壓縮機(jī)：本工程采用4 臺(tái)空壓機(jī)（型號(hào)：XRHS506型空壓機(jī)，排氣量：30 m3/min）并行送風(fēng)，保持穩(wěn)定壓力和充足風(fēng)量，為鉆頭提供穩(wěn)定的動(dòng)力，并順利地將巖屑吹至地面。另需配備儲(chǔ)氣罐、油霧器以提供沖擊動(dòng)力并減少摩阻力，同時(shí)對(duì)氣動(dòng)元件進(jìn)行潤(rùn)滑。

5）降塵設(shè)備：氣動(dòng)潛孔錘研磨刻碎巖石過(guò)程中產(chǎn)生大量的粉塵，選用廊坊聚力生產(chǎn)的PMB-50 泡沫泵，通過(guò)專(zhuān)用的發(fā)泡裝置，通過(guò)良好的覆蓋、濕潤(rùn)和黏附等方式作用于粉塵，有效地降低空氣中粉塵濃度。

6）搓管機(jī)：根據(jù)本工程的地質(zhì)情況、樁徑大小及鋼護(hù)筒埋深，選用全液壓旋挖型搓管機(jī)起拔鋼護(hù)筒，本設(shè)備由旋挖型搓管機(jī)、液壓泵站、控制系統(tǒng)等組成。

7）鋼護(hù)筒：項(xiàng)目場(chǎng)地回填層松散破碎，易出現(xiàn)跨孔縮徑。采用南通遠(yuǎn)志生產(chǎn)的特制鋼護(hù)筒，內(nèi)徑與樁徑一致，筒靴前端鑲嵌合金鉆齒環(huán)切各類(lèi)地層及巖石，提升護(hù)筒鉆入能力[8]。根據(jù)勘察報(bào)告及實(shí)際情況，護(hù)筒埋設(shè)至中風(fēng)化層頂部，護(hù)筒高出原地面頂面0.5～1.0 m 左右，若鉆孔發(fā)現(xiàn)地基穩(wěn)定性差，出現(xiàn)坍孔、縮孔時(shí)，應(yīng)加深鋼護(hù)筒埋深長(zhǎng)度[9]。

4.4 潛孔錘鉆機(jī)施工

1）潛孔錘鉆機(jī)安裝就位：利用樁機(jī)液壓行走機(jī)構(gòu)將鉆機(jī)移至鉆孔位置，進(jìn)行定位。

2）鉆進(jìn)至樁底設(shè)計(jì)標(biāo)高：樁位、護(hù)筒垂直度檢驗(yàn)合格將鉆具（潛孔錘鉆頭、鉆桿）提離孔底20～30 cm，開(kāi)啟空壓機(jī)和鉆具上方的回轉(zhuǎn)電機(jī)，待護(hù)筒口出風(fēng)時(shí)，將鉆具輕輕放至孔底，開(kāi)始潛孔錘鉆進(jìn)作業(yè)。

3）鉆桿加長(zhǎng)、護(hù)筒接長(zhǎng)：當(dāng)潛孔錘破巖鉆進(jìn)、護(hù)筒下沉至孔口以上約1.0 m 時(shí)，將鉆桿和護(hù)筒接長(zhǎng)。將主機(jī)與潛孔錘鉆桿分離，鉆機(jī)稍讓出孔口，先將鉆桿接長(zhǎng)，需控制鉆桿長(zhǎng)度始終高出護(hù)筒頂。

4）鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)入巖深度、終孔：孔垂直和孔徑檢測(cè)采用6 m 長(zhǎng)的鋼筋籠骨架檢測(cè)，檢查泥渣是否與地勘報(bào)告相符。符合設(shè)計(jì)規(guī)范后，報(bào)請(qǐng)監(jiān)理工程師驗(yàn)收、確認(rèn)同意后方可終孔[10]。終孔前，嚴(yán)格判定樁端巖性和入巖深度，確保樁端持力層滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5）清孔：鉆進(jìn)至持力層深度后，為保證灌注混凝土質(zhì)量，必須清除孔內(nèi)沉渣[11]，終孔后移開(kāi)潛孔錘樁機(jī)，采用空壓機(jī)吹渣清孔，為了避免沉渣增多，樁到位后應(yīng)立即進(jìn)行清孔，清孔結(jié)束應(yīng)立即吊放鋼筋籠，灌注混凝土。

5 工程成果

項(xiàng)目1 799 根樁基施工完畢后采用低應(yīng)變、聲波透射法、鉆芯法及靜荷載試驗(yàn)對(duì)樁身進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明，樁身完整性、混凝土強(qiáng)度、樁端承載力、孔底沉渣等，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，質(zhì)量合格，其中93.6%的工程樁為Ⅰ類(lèi)樁、6.4%的工程樁為Ⅱ類(lèi)樁。目前，長(zhǎng)沙市生活垃圾深度綜合處理（清潔焚燒）項(xiàng)目已投入使用，并榮獲了2018—2019年度中國(guó)建設(shè)工程魯班獎(jiǎng)。

6 結(jié)語(yǔ)

大直徑潛孔錘全護(hù)筒跟管鉆進(jìn)成孔技術(shù)相對(duì)于泥漿護(hù)壁沖擊成孔等傳統(tǒng)成孔工藝而言，雖然能耗較高、整體施工成本較大，但其平均成孔速度可以提高7 倍以上，可以為后續(xù)工序節(jié)約大量時(shí)間，提升了現(xiàn)場(chǎng)文明施工水平。對(duì)于項(xiàng)目整體而言，可以極大地提前項(xiàng)目的投產(chǎn)時(shí)間，因工藝而增加的施工成本相對(duì)于提前投產(chǎn)所產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟(jì)效益而言是微不足道的，是一種值得推廣應(yīng)用的新技術(shù)。