傾斜巖層水上沖孔灌注樁施工技術(shù)分析

郭生強(qiáng) 中交四航局第二工程公司

1.工程概況

碼頭工程是國際商貿(mào)聯(lián)系的紐帶，可促進(jìn)物流中轉(zhuǎn)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長。Boffa鋁礦土配套碼頭工程位于幾內(nèi)亞博法市的Fatala河下游東岸，該工程擬建一個礦石轉(zhuǎn)運碼頭和一個多用途碼頭，前者沿岸線布置2個8000t級內(nèi)河駁船泊位，其前沿設(shè)計底高程為-7.4m，碼頭面高程為+4.1m，單個泊位長度為130m，泊位總長260m；后者單獨布置在轉(zhuǎn)運碼頭東北側(cè)，泊位長度為125m。工程共用灌注樁117根，樁徑均為1200mm，樁長17.7～35.7m，典型結(jié)構(gòu)如圖1。樁基持力層為砂巖層，由地質(zhì)鉆孔資料可知，區(qū)域砂巖坡度較陡（坡比達(dá)1:2.4），若采用常規(guī)方法下沉鋼護(hù)筒，容易導(dǎo)致偏孔及漏漿發(fā)生。為保證上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，結(jié)合工程建設(shè)實際，對其在傾斜巖層的水上沉樁技術(shù)進(jìn)行探討。

圖1 礦石轉(zhuǎn)運碼頭結(jié)構(gòu)圖

2.工程地質(zhì)條件

該工程建設(shè)區(qū)域地形起伏大，地貌單元多，巖土層分布厚度變化大，地質(zhì)構(gòu)造相對簡單。從現(xiàn)場的地形地貌及鉆探所揭露的地層情況看，不良地質(zhì)作用不發(fā)育，場地屬穩(wěn)定場區(qū)，適宜建筑。地質(zhì)鉆孔揭露的土層由上至下主要為淤泥、淤泥混砂、中砂、角礫混粘性土、粘性土混角礫、殘積土、全風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖（上）、強(qiáng)風(fēng)化砂巖（下）、中等風(fēng)化砂巖。其中，強(qiáng)風(fēng)化砂巖（上）、強(qiáng)風(fēng)化砂巖（下）、中等風(fēng)化砂巖工程地質(zhì)性質(zhì)較好，可作為樁基持力層。

3.施工技術(shù)分析

3.1 工藝流程

結(jié)合工程建設(shè)條件，水上沖孔灌注樁施工主要包括施工平臺修建、樁機(jī)定位、鉆孔、清孔、鋼筋籠安裝、水下混凝土澆注，以及樁身檢測等，其施工工藝流程如圖2所示。

圖2 灌注樁施工工藝流程圖

3.2 傾斜巖層沉樁方案

為保證鋼護(hù)筒兩側(cè)同時進(jìn)入傾斜巖層而不存在空隙，可通過以下方式進(jìn)行鋼護(hù)筒施工：（1）鋼護(hù)筒刃腳處外貼Φ=10mm、寬20cm的鋼板并焊接加強(qiáng)；（2）鋼護(hù)筒插打遇阻時，先停止插打，觀察泥漿是否存在漏漿跡象，如無跡象則繼續(xù)沖孔，如有漏漿跡象，填入碎石或塊石并進(jìn)行短程沖擊以堵漏漿孔；（3）如按上述方法施工后，依然存在漏漿，則在沖孔一段距離后，鋼護(hù)筒嘗試?yán)^續(xù)跟進(jìn)，以保證護(hù)筒進(jìn)入巖層內(nèi)一定范圍。

3.3 主要施工方法

3.3.1 前期準(zhǔn)備工作

1）土方平臺填筑及鋼平臺定位：根據(jù)現(xiàn)場地形及施工需求，在引橋靠陸側(cè)回填土方形成施工平臺，其坡比為1:1，高程為+3.65m。在土方回填過程中，采用分層回填，分層碾壓，并控制分層厚度為1m。施工平臺碾壓完成后，在四周用防護(hù)欄桿圍蔽，并樹立警示標(biāo)語。礦石轉(zhuǎn)運泊位、多用途泊位位于水域，需采用搭設(shè)臨時鋼平臺方式進(jìn)行沉樁操作。鋼平臺采用Ф600mm鋼管樁作為基礎(chǔ)，單樁長15～22m，其搭設(shè)工藝為：臨時管樁沉樁→樁頂開槽口焊接型鋼主梁→鋪設(shè)工字鋼分配梁→鋪8mm鋼面板→安裝護(hù)欄。根據(jù)地質(zhì)資料可知，臨時鋼管樁難以完全進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化砂巖，為保證平臺基礎(chǔ)順利施工，現(xiàn)場先施工嵌固深度較深的鋼管樁，搭設(shè)平臺穩(wěn)定后，繼續(xù)施工嵌固較淺的鋼管樁，最后搭設(shè)上部平臺。

2）施工測量放樣：對建設(shè)單位提供的坐標(biāo)基點、水準(zhǔn)基點及測量資料進(jìn)行檢查和核對，引入現(xiàn)場后實施保護(hù)。根據(jù)設(shè)計文件采用全站儀測設(shè)出各鉆孔樁的中心位置，其誤差須控制在規(guī)范要求范圍。在平臺上設(shè)置護(hù)樁時須保證護(hù)樁穩(wěn)定，不影響施工；在樁基成孔過程中隨時用交匯法測出其中心位置，檢查是否偏孔。之后測設(shè)鋼護(hù)筒頂面標(biāo)高，并定期進(jìn)行復(fù)檢。

3）鋼護(hù)筒的制作與沉放：施工前對鋼護(hù)筒進(jìn)行沉樁可行性分析計算，受力計算表明，鋼護(hù)筒入土深度達(dá)5.0m以后，貫入速率驟減，小于1.0mm/s，繼續(xù)沉樁則存在困難。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)條件，鋼護(hù)筒采用寬2m、長6m，厚度δ=10mm的鋼板（材質(zhì)為Q235鋼）制作，成型后鋼護(hù)筒直徑為1250mm。鋼護(hù)筒分節(jié)加工，并采用電焊接縫。鋼護(hù)筒加工標(biāo)準(zhǔn)為垂直度偏差不超過1/300，橢圓度不大于2cm，所有焊縫連續(xù)。在施工平臺搭設(shè)完成后定出樁位，采用吊機(jī)船將護(hù)筒吊裝就位并垂直沉放，然后用90kW振動錘振壓下沉，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定土層時立即停止沉放。結(jié)合鋼護(hù)筒受力情況，施工中保證護(hù)筒埋深進(jìn)入不透水層不小于1m。護(hù)筒埋設(shè)時要求護(hù)筒中心與測量標(biāo)定的樁中心偏差小于5cm，并保持垂直。陸域護(hù)筒頂標(biāo)高高出地面0.3m，并高出地下水位1.5～2.0m；水域護(hù)筒的頂標(biāo)高高出施工期水位1.5～2.0m。

4）泥漿配比及循環(huán)：結(jié)合項目地質(zhì)條件及護(hù)筒埋深，鉆進(jìn)時采用合格泥漿成孔。泥漿循環(huán)過程中及時補充新漿，以滿足鉆進(jìn)成孔要求；清孔時采用膨潤土泥漿置換，確保清孔質(zhì)量滿足要求；灌注后將循環(huán)后的合格泥漿收集于泥漿池內(nèi)，以供下根樁成孔使用。泥漿使用過程中控制標(biāo)準(zhǔn)為：一般泥漿粘度18～22Pa.S，含砂率不超過4%，PH值為8～10，鉆進(jìn)過程中相對密度為1.08～1.15，灌注時相對密度控制在1.05～1.1。

3.3.2 施工過程

1）樁基選型：項目灌注樁持力層為強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化砂巖層等，采用沖孔鉆機(jī)（JK-6型）施工，錘直徑為Ф1100mm。

2）灌注樁成孔：樁基成孔主要采用正循環(huán)法，輔以撈渣桶和空壓機(jī)清孔。沖孔施工樁位對準(zhǔn)開沖時，在樁內(nèi)加入粘土或泥漿。開沖過程中定期復(fù)檢樁位，偏差超過規(guī)范要求時須重新修正。沖孔過程中，鋼絲繩上須設(shè)有標(biāo)記，提升落錘高度要適宜，防止提錘過高擊斷錘齒。沖孔時應(yīng)視具體地質(zhì)條件控制好泥漿比重。每工作班及時將沖錘提出孔口并清洗檢查有無斷齒，鋼絲繩扎口是否松動等，若存在問題應(yīng)及時處理。

3）終孔、清孔及驗收：沖孔過程中每進(jìn)尺1m取一次巖樣，入巖后每進(jìn)尺0.5m取一次巖樣。到達(dá)設(shè)計標(biāo)高后，進(jìn)行樁底巖石取樣，并邀請參建各方共同驗收。確定終孔后，進(jìn)行孔徑及標(biāo)高測量，以及樁位偏差值復(fù)測，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)后立即進(jìn)行清孔。清孔的目的是使孔底沉渣（虛土）厚度、泥漿液中的含鉆渣量和孔壁垢厚度符合質(zhì)量要求，以便為水下混凝土灌注創(chuàng)造良好條件。當(dāng)鉆孔達(dá)到設(shè)計高程后，經(jīng)對孔徑、孔深、孔位、垂直度進(jìn)行檢查確認(rèn)鉆孔合格后，即可使用泥砂分離器進(jìn)行第一次清孔。清孔完畢后抽取孔內(nèi)泥漿進(jìn)行性能檢查。

4）鋼筋籠制作安裝：鋼筋籠在臨時作業(yè)區(qū)分段加工成型，每根樁鋼筋籠分2段加工，每段重約2t，相鄰接頭錯開1～2m。之后分節(jié)吊裝入孔對接，對接方式采用電焊焊接及套筒連接。鋼筋籠根據(jù)需要每隔2m在內(nèi)箍內(nèi)側(cè)設(shè)置“△”型內(nèi)撐，以防止鋼筋籠存放、轉(zhuǎn)運、吊裝時變形；每節(jié)鋼筋籠的吊點位置還要設(shè)特別加強(qiáng)撐，同時對同一條鋼筋籠逐節(jié)增大加強(qiáng)撐的剛度，以防止吊裝時變形。鋼筋籠統(tǒng)一集中加工后，利用平板車運至臨時碼頭，采用水上吊機(jī)進(jìn)行鋼筋籠的下放以及接長等工作。

5）混凝土澆注：灌注樁混凝土型號為C35，采用吊機(jī)+吊斗澆筑，單根灌注樁最大耗用混凝土28.4m，需現(xiàn)場協(xié)調(diào)3臺10m泵車運輸，以確保整根樁能連續(xù)性澆注完成?；炷翑嚢柢囘\輸至現(xiàn)場后，采用泵送方式將車上的混凝土輸送到儲料斗，儲料斗內(nèi)盛滿混凝土后，剪除球體的鐵絲，使混凝土迅速落至孔底把導(dǎo)管包裹住。首批混凝土量按下式估算：

式中：V為混凝土初灌量（m3）；K為混凝土充盈系數(shù)，取1.04；D為樁孔直徑（m）；d為導(dǎo)管內(nèi)徑（m），取0.25；h為導(dǎo)管內(nèi)混凝土高度（m）；h為導(dǎo)管外混凝土面高度（m）。

根據(jù)上式估算的最小混凝土初灌量為2.5m3。開澆階段完成后，用強(qiáng)光電筒檢查導(dǎo)管空管部分，若不滲水，即可連續(xù)不斷地開始混凝土澆注。當(dāng)導(dǎo)管內(nèi)末端灌滿混凝土，后續(xù)混凝土應(yīng)徐徐傾入承料漏斗內(nèi)，以防止積存在導(dǎo)管內(nèi)的空氣不能及時排出而產(chǎn)生高壓氣囊，避免擠開導(dǎo)管節(jié)間接頭導(dǎo)致漏水。由于混凝土為水下灌注，必須保證其具備良好的和易性并緩凝，同時坍落度宜為180～220mm。灌注時導(dǎo)管、隔水栓應(yīng)符合要求，開始灌注混凝土?xí)r導(dǎo)管口至孔底距離為200～300mm，導(dǎo)管應(yīng)埋入混凝土面下2～6m。灌注水下混凝土必須連續(xù)施工到頂，保證一次成型，嚴(yán)禁有夾層和斷樁。終澆高程為設(shè)計高程以上1.5m，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度75%以上時，鑿除表面軟弱層至設(shè)計標(biāo)高。

6）樁基檢測：灌注樁充盈系數(shù)是判斷樁基工程質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。一般正循環(huán)回旋鉆灌注樁額定充盈系數(shù)為1.1～1.3。當(dāng)充盈系數(shù)小于1時，說明樁身質(zhì)量存在缺陷，可以判斷為廢樁；當(dāng)充盈系數(shù)大于額定充盈系數(shù)時，可根據(jù)當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)定額進(jìn)行調(diào)整。在混凝土澆注完成30d后，應(yīng)進(jìn)行成樁質(zhì)量檢測，具體檢測工作由具有專業(yè)資質(zhì)的第三方檢測單位實施。

4.現(xiàn)場施工情況

該工程按照項目節(jié)點，主要分為兩個階段進(jìn)行施工：（1）第一階段首先完成多用途碼頭、兩個礦山物料轉(zhuǎn)運及擺渡碼頭、營地生活區(qū)，以及可同步進(jìn)行的船臺及配套工程基礎(chǔ)開挖、陸域形成及地基處理；（2）第二階段主要完成鋁土礦裝船泊位、修船船臺、港池、航道、錨地、疏浚以及配套設(shè)施建設(shè)，最后進(jìn)行試運行及工程竣工驗收。工程于2019年3月27日開工，次年2月26日順利完工，共實際實施沖孔灌注樁117根，且采用超聲波檢測樁身混凝土完整性，均符合設(shè)計要求。工程實施后構(gòu)建起了“海外礦山開發(fā)—國內(nèi)終端客戶”的鋁土礦全程物流鏈合作新模式，有力提升了我國和“一帶一路”國家在國際鋁土礦生產(chǎn)、物流等領(lǐng)域的競爭力和話語權(quán)。

5.結(jié)語

在系統(tǒng)分析Boffa鋁礦土配套碼頭工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，對水上沖孔灌注樁的施工技術(shù)進(jìn)行了論述，形成主要結(jié)論如下：

（1）場地樁基持力層為砂巖，其巖面傾斜且坡度較陡，鋼護(hù)筒施打過程中容易產(chǎn)生偏孔和漏漿，通過實施護(hù)筒刃腳處的鋼板補強(qiáng)、筒內(nèi)拋填塊石或碎石以堵漏漿孔等措施，可保證護(hù)筒成功進(jìn)入巖面設(shè)計深度。

（2）灌注樁施工前應(yīng)做好準(zhǔn)備工作，施工過程中應(yīng)針對各工序建立質(zhì)量保證措施。由于樁基為端承樁，成孔深度控制以巖層承載力為主、設(shè)計持力層標(biāo)高為輔。灌注水下混凝土?xí)r，須保證混凝土具備良好的和易性并緩凝，同時控制好坍落度。

（3）工程實踐表明，該水上沖孔灌注樁施工技術(shù)是可行的，有效解決了施工區(qū)域巖面傾斜、施工平臺搭設(shè)困難、成本投入較高等難題，并確保了工期和質(zhì)量滿足建設(shè)要求。工程的實施可為類似碼頭工程的樁基施工提供一定的借鑒經(jīng)驗。