軟土地區(qū)嵌巖灌注樁關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

李 翠 黃金寶

中億豐建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 江蘇 蘇州 215131

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為蘇州軌交1號(hào)線(xiàn)木瀆公交換乘樞紐項(xiàng)目基坑支護(hù)工程，擬建建筑物設(shè)有2層地下室，基坑開(kāi)挖深度約12 m，基坑安全等級(jí)為一級(jí)，場(chǎng)地北部分布有大量巖層，且?guī)r石強(qiáng)度較高，基坑采用鉆孔灌注樁加水平支撐的支護(hù)形式，同時(shí)配以三軸攪拌樁（土層區(qū)域）、高壓旋噴樁（基巖區(qū)域）止水帷幕止水。其中嵌巖立柱樁采用φ800 mm灌注樁，立柱采用Q235角鋼及鋼板，長(zhǎng)度3.5～40.5 m，共137根。

1.2 工程地質(zhì)條件

場(chǎng)地原為荒地，表層分布有大量建筑垃圾及雜填土，起伏較大，場(chǎng)區(qū)自然地面下最大勘探深度58.50 m以淺褐色的（巖）土體為第四系以來(lái)的沖湖積沉積物及燕山期花崗巖。地層起伏較大，Ⅰ2中風(fēng)化花崗巖為持力層，呈長(zhǎng)柱狀、短柱狀，強(qiáng)度高，巖體較完整，巖石單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk達(dá)64.77 MPa，大于60 MPa，屬堅(jiān)硬巖。

2 設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析

場(chǎng)地大部分為巖石地基，灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)需滿(mǎn)足抗傾覆穩(wěn)定性、整體穩(wěn)定性和抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算要求，計(jì)算方法與普通土質(zhì)條件相同，棧橋區(qū)域的嵌巖樁分析與普通灌注樁不同，應(yīng)予以重視。

2.1 嵌巖立柱樁承載力分析

嵌巖樁承載力計(jì)算公式如下：

嵌巖樁承載力計(jì)算[1]時(shí)，嵌巖段采用側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)ζr進(jìn)行計(jì)算，不再區(qū)分側(cè)阻力和端阻力，本項(xiàng)目中ζr采用0.65。樁端進(jìn)入基巖1 m，經(jīng)計(jì)算，極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為28 687 kN，承載力特征值Ra為14 343 kN。

棧橋區(qū)基巖最大埋深為坑底下24 m處，且棧橋區(qū)立柱樁樁端均進(jìn)入基巖，立柱樁承載力特征[2]最小值為Ra＝14 343 kN，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

當(dāng)設(shè)計(jì)條件一定時(shí)，施工質(zhì)量的好壞直接影響灌注樁的承載力大小，施工質(zhì)量最直接的影響因素是沉渣厚度。規(guī)范要求施工沉渣厚度不超過(guò)5 cm。本項(xiàng)目嵌巖樁施工采用旋挖成孔，同時(shí)配合閉口式撈砂鉆頭，在施工過(guò)程中嚴(yán)格控制沉渣厚度，經(jīng)檢測(cè)沉渣厚度仍普遍為10～100 cm不等。為研究沉渣厚度對(duì)嵌巖樁承載力的影響，選取5組相同深度、相同承載力的嵌巖樁研究其承載力，每組嵌巖樁沉渣厚度分別為10～15 cm、50～55 cm以及95～100 cm。經(jīng)承載力檢測(cè)可知，隨著沉渣厚度的增加，樁基承載力略有減小，但相差不大，且均可以滿(mǎn)足立柱樁的承載力要求。嵌巖樁的施工工藝使得沉渣厚度相對(duì)較小，同時(shí)根據(jù)對(duì)比試驗(yàn)可以看出，沉渣厚度對(duì)嵌巖樁承載力的影響可以忽略不計(jì)。

2.2 嵌巖樁圍護(hù)止水關(guān)鍵技術(shù)

為截?cái)酀撍疂B流路徑，本工程選擇落底式止水帷幕，保證坑內(nèi)降水不對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響。止水帷幕常用水泥土攪拌樁或高壓旋噴樁，三軸攪拌樁比高壓旋噴樁造價(jià)相對(duì)較低，但因本工程圍護(hù)樁需進(jìn)入花崗巖，成孔時(shí)鉆進(jìn)困難，故在圍護(hù)樁需進(jìn)入花崗巖地段采用φ900 mm@1 300 mm疏樁支護(hù)形式。為防止在樁間淤泥質(zhì)土擠出的同時(shí)兼顧截水，根據(jù)基坑情況，在支護(hù)灌注樁間施工三軸攪拌樁或高壓旋噴樁作止水帷幕。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，采用高壓旋噴樁的止水效果優(yōu)于三軸攪拌樁，現(xiàn)場(chǎng)未出現(xiàn)基坑滲漏情況。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 場(chǎng)地條件分析

擬建場(chǎng)地淺表西北部為施工活動(dòng)房拆除后的水泥地坪，其余為民房拆除后散落的厚度不均的建筑垃圾，下部基本為正常沉積的第四系黏土、粉質(zhì)黏土及粉土層等，土質(zhì)較均勻。在土層的底層與基巖接觸部位，局部地段分布有少量孤石，對(duì)鉆孔灌注樁樁基施工較為不利；在基巖分布較淺部位分布的①2淤泥質(zhì)填土，含碎石子，易坍塌，屬對(duì)工程不利的埋藏物；下部為完整的花崗巖巖體，巖質(zhì)較硬，基坑開(kāi)挖時(shí)需進(jìn)行爆破處理。上述因素對(duì)基坑開(kāi)挖及樁基施工均會(huì)產(chǎn)生不利影響，且基坑北側(cè)基巖面標(biāo)高高于基底標(biāo)高，需要進(jìn)行開(kāi)挖處理。

3.2 嵌巖樁施工技術(shù)

3.2.1 嵌巖樁施工機(jī)械選擇

蘇州地處長(zhǎng)江三角洲地區(qū)，土質(zhì)相對(duì)較軟，屬于軟土地區(qū)，巖石區(qū)域相對(duì)較少，基坑支護(hù)大多采用鉆孔灌注樁，施工機(jī)械采用GPS-10鉆機(jī)或GPS-20鉆機(jī)，而對(duì)于較堅(jiān)硬的土層及巖層，一般使用沖擊鉆或者旋挖鉆機(jī)，但沖擊鉆機(jī)施工進(jìn)度相對(duì)較慢。本項(xiàng)目北部區(qū)域分布有大量巖層，且樁基入巖深度在1.5～9.0 m不等，工程量較大，不適宜選擇沖擊鉆。旋挖鉆機(jī)工藝成熟，且信息化程度較高，不僅在巖層施工時(shí)具有良好的效果，而且可通過(guò)計(jì)算機(jī)控制其成孔速度、垂直度以及鉆進(jìn)深度等，施工質(zhì)量有保證。因此，本項(xiàng)目根據(jù)工程實(shí)際情況，選擇中聯(lián)460V型旋挖鉆機(jī)進(jìn)行嵌巖施工，同時(shí)在施工過(guò)程中根據(jù)地層的不同配以不同的鉆頭。當(dāng)鉆頭未進(jìn)入巖層時(shí)，采用閉口式撈砂鉆頭（圖1）；當(dāng)鉆頭進(jìn)入巖層時(shí)，換用開(kāi)口式牙輪筒鉆（圖2）和開(kāi)口式截齒筒鉆（圖3）。

圖1 閉口式撈砂鉆頭

圖2 開(kāi)口式牙輪筒鉆

圖3 開(kāi)口式截齒筒鉆

本項(xiàng)目巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)64.77 MPa，大于60 MPa，屬于堅(jiān)硬巖，可采用開(kāi)口式牙輪筒鉆或開(kāi)口式截齒筒鉆。其中，開(kāi)口式牙輪筒鉆采用的是三牙輪鑲齒鉆頭，由優(yōu)質(zhì)碳化鎢新配方和新工藝制作完成，具有較強(qiáng)的耐高壓性能，對(duì)破碎硬-極硬地層巖石具有良好的研磨性。而開(kāi)口式截齒筒鉆采用高強(qiáng)度合金作為鉆頭，同時(shí)在截齒有效截割部分制作有3 mm的耐磨層，同樣具有良好的耐磨性能，適用于堅(jiān)硬巖石的鉆進(jìn)及取芯。

3.2.2 旋挖鉆機(jī)嵌巖鉆進(jìn)關(guān)鍵施工技術(shù)

1）施工工藝流程。旋挖鉆機(jī)嵌巖樁施工流程為：施工準(zhǔn)備—測(cè)量放線(xiàn)—預(yù)埋鋼護(hù)筒—泥漿制備—成孔施工。其中，泥漿制備時(shí)的主要原料為鈉基膨潤(rùn)土和水，同時(shí)為增強(qiáng)泥漿對(duì)地層適應(yīng)性，適量添加相關(guān)外加劑，主要為羧甲基纖維素和碳酸鈉。

2）超厚、堅(jiān)硬嵌巖旋挖成孔技術(shù)。在旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)仔細(xì)觀察地層變化，并根據(jù)地層情況及時(shí)更換適宜的鉆頭。當(dāng)土層較軟時(shí)，采用閉口撈砂筒鉆；當(dāng)鉆進(jìn)巖石地基時(shí)，采用開(kāi)口牙輪筒鉆或開(kāi)口式截齒筒鉆。本項(xiàng)目灌注樁入巖深度在1.5～9.0 m，巖層較厚，施工難度較大，施工時(shí)應(yīng)安排合理的施工工藝，根據(jù)不同地層采用不同的鉆進(jìn)鉆頭。在土層中采用閉口式撈砂鉆頭，適用于土層及較破碎的巖層，施工過(guò)程中可將土層及破碎巖層帶出樁孔；而巖層中采用開(kāi)口式牙輪筒鉆和開(kāi)口截齒鉆頭，施工過(guò)程中可將截?cái)嗟膸r層取出，利于判別巖層性狀，與地勘報(bào)告進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而校核設(shè)計(jì)。

3）成孔速度分析。成孔的速度直接影響工程的施工進(jìn)度，旋挖機(jī)的成孔速度與地層和施工鉆頭有很大的關(guān)系。本項(xiàng)目巖石的單軸飽和抗壓強(qiáng)度為64.77 MPa，為堅(jiān)硬巖。通過(guò)旋挖鉆機(jī)在項(xiàng)目中的施工得出，對(duì)于直徑為1 m的嵌巖灌注樁，鉆機(jī)在土層中的施工速度為16 m/h，在巖層中的施工速度為0.45 m/h。同時(shí)，為了研究鉆頭的類(lèi)型和角度對(duì)施工速度的影響，本項(xiàng)目分別對(duì)比了開(kāi)口式牙輪筒鉆和開(kāi)口式截齒鉆頭的施工工效，同時(shí)改變開(kāi)口式截齒鉆頭刀口的角度，分別為15°、20°、25°、30°，每種角度選取3個(gè)樣本，記錄鉆頭的施工速度。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)開(kāi)口式牙輪筒鉆更適合于破碎、較破碎巖石的鉆進(jìn)，而開(kāi)口截齒鉆頭由于其端部曲率較大，在完整性較好的巖層中優(yōu)勢(shì)更加明顯。由不同角度情況下開(kāi)口式截齒鉆頭鉆進(jìn)的速度可以得出，刀口角度在20°～25°之間時(shí)鉆進(jìn)速度較快，且刀口角度為30°的鉆頭鉆進(jìn)速度快于刀口角度為15°的鉆頭鉆進(jìn)速度。

3.3 基巖開(kāi)挖

基坑北側(cè)基巖面標(biāo)高高于基底標(biāo)高，計(jì)劃采用破碎機(jī)、風(fēng)鎬進(jìn)行破碎、清理?；哟竺娣e采用破碎機(jī)破除，圍護(hù)樁、立柱樁周邊1 m采用人工風(fēng)鎬破除，減少對(duì)圍護(hù)樁、立柱樁的破壞。必要時(shí)，計(jì)劃采用靜力爆破進(jìn)行基巖破除。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)軟土地區(qū)嵌巖樁關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用分析，得出以下結(jié)論[3-4]：

1）嵌巖樁承載力計(jì)算時(shí)，嵌巖段采用側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)ζr進(jìn)行計(jì)算，不再區(qū)分側(cè)阻力和端阻力，且嵌巖樁施工過(guò)程中產(chǎn)生的沉渣對(duì)承載力的影響很小，可以忽略不計(jì)。

2）旋挖鉆機(jī)在鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)判斷不同的地層，進(jìn)而采用不同的鉆頭進(jìn)行施工。當(dāng)土層較軟時(shí)，采用閉口撈砂筒鉆；當(dāng)鉆進(jìn)巖石地基時(shí)，采用開(kāi)口牙輪筒鉆，同時(shí)應(yīng)控制好施工鉆進(jìn)的速度。

3）開(kāi)口式牙輪筒鉆更適合于破碎、較破碎的巖石鉆進(jìn)，而開(kāi)口截齒鉆頭更適合于完整性較好的巖層。

4）開(kāi)口截齒鉆頭刀口角度在20°～25°之間時(shí)，鉆進(jìn)速度較快，而刀口角度為30°的鉆頭鉆進(jìn)速度快于刀口角度為15°的鉆頭鉆進(jìn)速度。