深厚碎石回填層旋挖成孔處理工藝研究

黃邦杰

(中煤長江基礎(chǔ)建設(shè)有限公司， 南京 210046)

0 引言

國家電網(wǎng)恩施高壓柔性直流換流站項(xiàng)目位處湖北恩施杉樹園村。東南距咸豐縣約6km，東北距恩施州城區(qū)約55km，西距S248省道約500m。

高壓柔性直流換流站項(xiàng)目區(qū)域?qū)偾鹆甑孛?，地形較為破碎，植被覆蓋良好，丘陵間洼地多為旱地，巖性從上到下分別為素填土、黏土、泥巖和灰?guī)r。項(xiàng)目區(qū)域進(jìn)行平整場地施工時，先對山體坡面植物及土層進(jìn)行清理，然后用潛孔錘鉆機(jī)鉆孔裝藥爆破，挖掘機(jī)將爆破產(chǎn)生的碎石堆放到標(biāo)高較低的區(qū)域，回填最深處達(dá)到30m。施工場地區(qū)域在進(jìn)行場地平整清理時已將全部土層剝離清理，低標(biāo)高區(qū)域回填的全部是高硬度石灰?guī)r塊石，且大小不一，塊石間存在大量縫隙。

本項(xiàng)目樁基采用鋼筋混凝土灌注樁，樁徑為800mm，樁端持力層為中風(fēng)化灰?guī)r層，樁底需進(jìn)入中風(fēng)化灰?guī)r3m，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)最短樁長6m，最大樁長38m，設(shè)計(jì)試樁共計(jì)614根樁。項(xiàng)目部原考慮采用沖擊式鉆機(jī)沖擊成孔工藝，但在試樁施工的鉆進(jìn)過程中經(jīng)常嚴(yán)重漏漿、塌孔卡鉆，成孔速度非常緩慢[1-3]，混凝土充盈系數(shù)甚至高達(dá)1.8以上[4]；沖擊式鉆機(jī)沖擊成孔工藝從開孔到灌注成樁，時間為4～5d，施工效率較低，再考慮設(shè)備維修等不確定因素，要在3個月內(nèi)完成工程樁的施工任務(wù)，則需30余臺設(shè)備，而現(xiàn)場電力供應(yīng)無法滿足[5-7]；另外，每臺設(shè)備需挖泥漿池，輔助黏土堆放、水儲存等均需要較大的工作面，場地條件不足，平面布置難以進(jìn)行。因此，為保證方案的科學(xué)合理性及進(jìn)度目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，綜合考慮改為旋挖成孔施工工藝。

1 旋挖成孔施工

1.1 試樁孔施工

2017年10月1日徐工XR360型旋挖鉆機(jī)設(shè)備進(jìn)場，10月3日設(shè)備組裝調(diào)試完畢，10月4日開始，旋挖鉆機(jī)開始進(jìn)行試樁鉆進(jìn)成孔。7根試樁全部分布在場地的塊石回填區(qū)域，旋挖成孔過程中也出現(xiàn)了不同程度的塌孔情況，鉆進(jìn)較為困難。

試樁成孔施工具體情況如下：試樁1鉆進(jìn)深度為3m，提鉆后塌孔，坍塌2m；試樁2鉆進(jìn)深度為6.8m，提鉆后多處塌孔，局部地段孔壁較完整，部分地段坍塌嚴(yán)重；試樁3鉆進(jìn)深度為3m，提鉆后塌孔2m，施工過程中部分區(qū)域碎石較松散，導(dǎo)致坍塌嚴(yán)重；試樁4鉆進(jìn)深度為3m，提鉆后塌孔1.5m，碎石較松散，導(dǎo)致坍塌嚴(yán)重；試樁5鉆進(jìn)深度為11m，提鉆后塌孔，塌孔深度位于4～7m處；試樁6鉆進(jìn)深度為19.2m，提鉆后塌孔，塌孔深度位于約7.5m處(圖1)。

經(jīng)過分析，認(rèn)為塌孔的原因如下：

1)回填料土石比為0.1∶0.97，有少量原狀土層主要集中在回填的碎石與原場地覆蓋層界面處，上部回填料全為碎石、無黏性土。塊石之間沒有黏結(jié)度，鉆進(jìn)成孔后，孔壁位置塊石失去側(cè)向支撐，稍有振動，便造成塌孔。

2)強(qiáng)夯分層厚度太大(為6m)，且只有最上層采用滿夯，其余各層采用點(diǎn)夯，存在部分未能夯實(shí)的部位，且未夯實(shí)部位極易坍塌。

3)軌道、主控樓區(qū)域位于邊坡邊緣，為保證邊坡的穩(wěn)定性與安全性，未采取強(qiáng)夯，只采用普通分層碾壓。

圖1 試樁孔坍塌情況Figure 1 Testing pile foundation hole collapse status

1.2 試樁現(xiàn)場處理措施

塌孔后立即回填黏土，搗實(shí)，經(jīng)過一段時間沉積后再進(jìn)行旋挖，成功率大有提高。試樁孔1～4均對塌孔處以黏性土回填進(jìn)行孔壁保護(hù)，經(jīng)過二次或多次復(fù)打成孔施工，效果明顯，最終鉆進(jìn)成孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度，且入中風(fēng)化灰?guī)r1.3m。試樁5及試樁6(樁長較長、鉆進(jìn)深度較深)塌孔后，立刻充填高黏性土并用鉆頭壓實(shí)，擱置一會后再進(jìn)行施鉆，但仍然在同一位置塌孔，如此反復(fù)多次還不能順利成樁。比如試樁6，鉆孔至18.6m深時突然塌孔埋鉆，經(jīng)過長時間處理鉆桿被拉出來，雖避免了出現(xiàn)機(jī)械埋鉆造成質(zhì)量事故，但長時間的緊急處理措施，也致使鉆機(jī)流水盤及彈簧損壞，維修鉆機(jī)、更換流水盤及彈簧導(dǎo)致鉆機(jī)停工3d。這種情況嚴(yán)重耽誤了工期，而且極大的增加了施工成本。

經(jīng)過對試樁5及試樁6施工遇到的情況進(jìn)行討論和分析，得到如下結(jié)論：樁位所處位置位于碎石回填深度較大區(qū)域，高黏性土充填護(hù)壁只能在一定的時間內(nèi)保證孔壁穩(wěn)定，而樁長較長的樁鉆進(jìn)時間也同時加長，另外鉆進(jìn)過程中鉆桿帶動鉆頭往復(fù)鉆進(jìn)時肯定會產(chǎn)生有振動，于是造成孔壁失穩(wěn)坍塌。經(jīng)過協(xié)商后匯報并征得業(yè)主監(jiān)理同意，決定對填土不起效果的部位以及較深的塌孔部位采用灌水泥漿或早強(qiáng)水泥砂漿等特殊處理措施，即對于深度較大的樁孔，出現(xiàn)坍塌及時提鉆灌注水泥砂漿摻早強(qiáng)劑，待水泥漿終凝后再復(fù)打挖孔(相當(dāng)于人挖樁水泥砂漿護(hù)壁原理)。如此往復(fù)循環(huán)，挖孔至滿足設(shè)計(jì)孔深要求及入巖深度要求。

1.3 特殊處理措施

全回填碎石區(qū)域鉆孔孔坍塌率大于90%，且經(jīng)常發(fā)生塌孔埋鉆等孔內(nèi)事故[8]，徐工XR360旋挖機(jī)因塌孔埋鉆，經(jīng)過長時間硬拉鉆桿處理，雖然成功將鉆具全部拽出孔內(nèi)，但鉆桿發(fā)熱造成主鉆桿彈簧及流水盤損壞而無奈停工進(jìn)行機(jī)械維修[9-10]，嚴(yán)重的影響了工期，還產(chǎn)生了安全和質(zhì)量隱患。為保證施工的順利推進(jìn)，同時最大限度的節(jié)省施工成本，項(xiàng)目部將采取以下施工措施。

1)充填高黏性土。對于短樁(樁長10m以內(nèi)的樁)，旋挖機(jī)施工遇坍塌導(dǎo)致無法鉆進(jìn)時，立即提鉆，采用高黏性土回填，并用旋挖鉆頭搗實(shí)，填充至接近孔口后，再次復(fù)打成孔，直至滿足設(shè)計(jì)深度要求時終孔。

2)灌水泥砂漿。旋挖施工長樁(一般大于10m)過程中，坍塌區(qū)深度較大且位置不一，填土措施保證孔壁穩(wěn)定效果不佳，不能保證深孔施工要求，采取灌注水泥砂漿的措施(經(jīng)數(shù)次試驗(yàn)調(diào)整，確定水灰比為0.5時水泥砂漿效果最佳)，灌注漿液面至坍塌處上部1m時停灌，待砂漿終凝后二次復(fù)打鉆孔施工，如遇再次坍塌，則提鉆重復(fù)灌漿繼續(xù)復(fù)打鉆孔施工，直至終孔。短樁如塌孔嚴(yán)重也采取該措施進(jìn)行處理?；靥顓^(qū)全為碎石，如遇間隙比較大導(dǎo)致水泥砂漿流失嚴(yán)重，水泥砂漿液面始終不能高出坍塌處，則需加大水泥砂漿的濃度，降低水灰比，以保證灌漿效果[11-13]。

3)埋設(shè)鋼護(hù)筒。在鉆進(jìn)的最初段，是鉆具最容易磕碰孔壁的部位，也是最容易塌孔的部位。為避孔口碎石坍塌，在碎石墜落過程中撞擊孔壁導(dǎo)致撞擊部位坍塌，因此在開孔孔位預(yù)先埋設(shè)2m的鋼護(hù)筒。為保證每臺旋挖機(jī)組的流水施工，為每臺機(jī)組配備5付鋼護(hù)筒。旋挖鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中，遇到塌孔便立即提鉆并灌注早強(qiáng)水泥砂漿，在等待水泥砂漿終凝的時間，旋挖機(jī)移機(jī)至另一樁位繼續(xù)施工，減少設(shè)備及人員的等待時間。

4)根據(jù)旋挖鉆機(jī)試成孔的情況，通過與業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)和地勘單位的協(xié)商，計(jì)劃樁深12m以下的孔，采用對塌孔處以黏性土回填進(jìn)行孔壁保護(hù)，二次或多次復(fù)打成孔施工，加快施工進(jìn)度；計(jì)劃樁深12m以上的孔，為防埋鉆，在挖孔發(fā)現(xiàn)塌孔時就提鉆繼續(xù)灌早強(qiáng)水泥砂漿，待水泥砂漿終凝后繼續(xù)復(fù)打挖孔，如此循環(huán)，確保施工安全及進(jìn)度。

2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析

2.1 塌孔處理措施比較

1)一般情況下，灌注樁施工普遍使用泥漿護(hù)壁。旋挖施工時，利用泥漿與地下水之間的壓力差來控制來穩(wěn)固孔壁和防止坍塌，同時冷卻和潤滑鉆頭，但塊石間孔隙較多，泥漿漏失嚴(yán)重，無法達(dá)到護(hù)壁效果。

2)對塌孔部位采用回填壓實(shí)高黏性土處理。黏土回填壓實(shí)后可以解決短時間的塌孔，若停滯時間較長或遇到振動依然會塌孔，所以回填壓實(shí)黏性土只對淺部塌孔有效果。

3)采用灌注混凝土的辦法處理。混凝土雖然有較好的固結(jié)度，但其不能流動到孔壁的塊石縫隙中去，處理效果不明顯，且浪費(fèi)較大。

4)灌注純水泥漿的辦法處理。水泥漿液有自流動性，可以主動流向孔壁的塊石縫隙中去，但又因?yàn)槠淞鲃有蕴?，空隙稍大便全部流失殆盡，效果不佳且浪費(fèi)較大。

5)參考之前的四種辦法，考慮到固孔回填料要有一定的流動性可以填補(bǔ)空隙，又不能流動性太強(qiáng)導(dǎo)致全部漏失，因此采用了回灌水泥砂漿的辦法。經(jīng)過多次試驗(yàn)，使用添加早強(qiáng)劑的M10水泥砂漿，對塌孔部位的護(hù)壁處理效果最佳。

綜上五種處理辦法，以處理效果、經(jīng)濟(jì)性以及取材的便利性來分析總結(jié)，使用水泥砂漿添加早強(qiáng)劑處理塌孔效果最好，為本項(xiàng)目處理鉆進(jìn)塌孔的最佳方式。

2.2 灌漿處理措施與下鋼護(hù)筒措施比較

在旋挖樁機(jī)施工土層灌注樁，遇淤泥質(zhì)或回填不良土質(zhì)地層時經(jīng)常會塌孔。一般的處理方法是先根據(jù)孔深的數(shù)據(jù)，用振動錘埋設(shè)穿過不良地層深度的鋼護(hù)筒，而后在護(hù)筒內(nèi)鉆進(jìn)成孔，待下籠灌注結(jié)束后，提出鋼護(hù)筒重復(fù)使用。但使用鋼護(hù)筒處理這種地層的深度也是有限的，一般不超過12m。

本工程灌注樁樁長最長為38m，旋挖施工時，坍塌位置深淺不一，且在土巖交界面和回填土與原土界面處特別容易坍塌。如果本項(xiàng)目單采用鋼護(hù)筒護(hù)壁的辦法存在以下三個問題：一是對于施工超過30m的深樁，在深部遇塌孔處理時，鋼護(hù)筒的埋設(shè)非常困難，幾乎無法完成；二是使用鋼護(hù)筒護(hù)壁，在四周回填碎石壓實(shí)牢固且成孔下籠灌注后，鋼護(hù)筒極難拔出，損耗較大；三是鋼護(hù)筒采購價格較高，如不能重復(fù)使用，則處理塌孔不經(jīng)濟(jì)。

針對本場站特殊地質(zhì)條件，使用水泥砂漿進(jìn)行處理旋挖機(jī)械鉆進(jìn)塌孔則具有較好的實(shí)用性。無論挖孔深淺，遇塌孔時提出鉆桿鉆頭，灌注水泥砂漿進(jìn)行處理以固結(jié)孔壁，停置適當(dāng)時間后復(fù)打鉆進(jìn)繼續(xù)施工，如再遇塌孔則繼續(xù)灌漿護(hù)壁，如此循環(huán)直至成孔灌砼成樁。塌孔時灌注水泥漿進(jìn)行處理措施，其效果相當(dāng)于人工挖孔樁的護(hù)壁，對旋挖成孔的特殊部位進(jìn)行護(hù)壁，保證旋挖鉆機(jī)的后續(xù)施工。并且灌水泥漿只有發(fā)生塌孔時才灌注，不發(fā)生塌孔時不灌水泥漿，有利于節(jié)約成本。

3 結(jié)語

原施工方案是基于樁基施工的常規(guī)經(jīng)驗(yàn)而提出的，包括機(jī)械設(shè)備的配備、施工的順序以及進(jìn)度計(jì)劃安排等，首選沖孔鉆機(jī)沖孔施工，旋挖鉆機(jī)為備選方案。原施工方案根據(jù)招標(biāo)文件及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)提出，但現(xiàn)場地質(zhì)條件與招標(biāo)文件已出現(xiàn)較大偏差，主要表現(xiàn)在全部是高硬度石灰?guī)r塊石，且大小不一，無黏土黏接，塊石間存在大量縫隙，回填最深處達(dá)到30m，鉆進(jìn)成孔施工非常困難，如果采用沖擊鉆機(jī)成孔的方式施工，每根樁平均的施工時間約4d，施工效率較低，成樁速度非常緩慢，再考慮設(shè)備維修等不確定因素，要在3個月內(nèi)完成工程樁的施工任務(wù)，則需30余臺設(shè)備，而電力供應(yīng)方面，現(xiàn)場只能提供3臺沖擊成孔設(shè)備的電量；在場地方面，每臺設(shè)備需泥漿池進(jìn)行循環(huán)，輔助造漿的黏土、水等均需要較大的工作面存放，同時涉及與土建單位交叉施工，施工現(xiàn)場管理難度大，安全文明施工難以實(shí)現(xiàn)。所以無論現(xiàn)場的電力供應(yīng)，還是現(xiàn)場的場地條件都不可能滿足如此多臺沖擊鉆機(jī)進(jìn)場施工。

特殊處理方案是根據(jù)工程進(jìn)度及質(zhì)量要求并綜合現(xiàn)場情況而確定的。一方面，增加進(jìn)場大功率旋挖機(jī)械及輔助設(shè)備挖機(jī)、吊車、發(fā)電機(jī)的投入,增加施工人員；另一方面，針對旋挖鉆進(jìn)塌孔的問題，采取切實(shí)可行的處理措施。從多方面努力，爭搶進(jìn)度，力爭實(shí)現(xiàn)業(yè)主的一級網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃要求。施工過程中保證能成孔的樁及時工序驗(yàn)收直至成樁，對于塌孔的樁孔則進(jìn)行回填高黏土或灌漿等處理，達(dá)到護(hù)壁要求即進(jìn)行復(fù)打施工，深孔若遇多次塌孔，則循環(huán)灌漿復(fù)打施工，確保塌孔樁施工鉆進(jìn)的米數(shù)、成孔深度總量逐漸增大，各樁深度數(shù)量的逐步累積加深，從而達(dá)到成樁總數(shù)增加。在確保機(jī)械使用效率的前提下，保證本工程樁基項(xiàng)目的施工進(jìn)度要求，最終順利完成工程目標(biāo)。