碼頭項目嵌巖灌注樁成孔技術(shù)分析

司馬紅杏

（湖南省港務(wù)集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410000）

灌注樁在我國橋梁和碼頭工程項目施工中普遍存在，對灌注樁成孔技術(shù)的合理選擇及其質(zhì)量控制至關(guān)重要。本文以某內(nèi)核碼頭工程項目為案例，對復(fù)雜地質(zhì)條件下碼頭項目嵌巖灌注樁成孔技術(shù)情況加以闡述，期望為同類項目施工建設(shè)提供參考。

1 工程概況

某內(nèi)河碼頭項目采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，碼頭總長度為363m，寬61m，橫向6 排縱向間距7m，直徑1m 的鉆孔灌注嵌巖樁支撐，灌注嵌巖樁的長度為26～36m 之間，基底部入中風(fēng)化巖層5m，隨巖石基底沿地面起伏。外套鋼護(hù)筒進(jìn)行灌注嵌巖樁的外立面保護(hù)，護(hù)筒深入中分化巖層0.5m，鋼護(hù)筒沿樁基至樁頂均勻分布。

2 場地地質(zhì)情況及成因分析

2.1 地形地貌

碼頭項目區(qū)域地勢南高北低，區(qū)域內(nèi)地面平坦無明顯起伏，項目核心區(qū)位于山前傾斜區(qū)與河谷區(qū)交匯處。工程區(qū)域河床處水域?qū)挾葹?52m，近岸區(qū)域為不規(guī)則河漫灘地是緩沖區(qū)，可作臨時碼頭備用。

2.2 地基土構(gòu)成

以鉆探揭露地基土質(zhì)為基礎(chǔ)，結(jié)合物理學(xué)特征、成因，工程區(qū)域場地地基土結(jié)構(gòu)如表1 所示。

表1 案例項目場地地基土構(gòu)成情況

2.3 復(fù)雜地質(zhì)成因分析

工程區(qū)域內(nèi)地基土質(zhì)復(fù)雜，鉆探越深土質(zhì)復(fù)雜程度越高，第四層和第五層分別為沖洪區(qū)域?qū)観3al＋dl 和晚侏羅紀(jì)基巖層J3，地質(zhì)復(fù)雜程度較高；第四層土體由卵石和卵石混砂構(gòu)成；第五層則以強風(fēng)化巖和中風(fēng)化巖為主。結(jié)合歷史原因，第四層為早期河段采砂區(qū)域，人工采砂后為避免河岸坍塌維持其穩(wěn)定性，進(jìn)行了卵石回填并在地質(zhì)運動作用下形成了現(xiàn)階段復(fù)雜地質(zhì)條件。第五層位于剝蝕丘陵區(qū)，地形起伏導(dǎo)致該區(qū)域巖面分布不一、巖石強度變化，并最終形成了特殊的地基土層結(jié)構(gòu)。

3 筑島平臺施工要點

本碼頭項目施工環(huán)節(jié)中，少量嵌巖灌注樁可路上施工，多數(shù)需于水上進(jìn)行，為確保施工質(zhì)量需進(jìn)行灌注樁成孔施工作業(yè)平臺的建設(shè)。

項目初期擬定搭建鋼制灌注樁成孔施工作業(yè)平臺，平臺用料以型鋼為主，包括321 型鋼梁結(jié)構(gòu)、H 型鋼、鋼管樁等。平臺搭建需要借助起重船進(jìn)行水上沉樁，而本項目區(qū)域下游內(nèi)河限高，起重船無法順利進(jìn)入平臺施工現(xiàn)場，因此工程實踐中采用筑島平臺方式取代鋼平臺。詳情如圖1 所示。

圖1 筑島平臺示意圖

4 成孔施工流程

傳統(tǒng)成孔工藝混凝土澆筑后，需將灌注嵌巖樁外鋼護(hù)筒拔除，而本碼頭項目的嵌巖灌注樁樁底至樁頂護(hù)有鋼護(hù)筒，且鋼護(hù)筒深入中風(fēng)化巖層0.5m，實際施工中完成灌注嵌巖樁成孔工藝后，未將鋼護(hù)筒拔除。本項目采用的嵌巖灌注樁成孔施工流程，有別于傳統(tǒng)灌注樁成孔施工流程，詳情如圖2 所示。

圖2 成孔施工流程圖

5 成孔試樁比選

5.1 試樁理由

本工程的灌注樁成孔工藝復(fù)雜，施工難度大，需穿過四個不同類型的地基土層，不同地基層土質(zhì)、厚度有明顯差別，卵石粒徑不一，施工過程中易坍孔埋鉆，成孔試樁以尋找符合地質(zhì)條件的成孔工藝來高施工效率勢在必行。

5.2 成孔試樁

本項目成孔試樁選定旋挖鉆機械、沖擊鉆機械、回旋鉆機械三種機械類型，采用旋挖鉆成孔和回旋鉆＋沖擊鉆成孔兩種成孔方式進(jìn)行操作。

5.2.1 回旋鉆＋沖擊鉆成孔

灌注嵌巖樁外鋼護(hù)筒為分節(jié)焊接工藝，成孔試樁采用鉆沖結(jié)合的成孔工藝。回旋鉆＋沖擊鉆成孔會存在以下問題：a.施工時間長，一般一根灌注嵌巖樁成孔試樁需3 天時間；b. 回旋鉆＋沖擊鉆成孔作業(yè)方式為滾軸移動，動作緩慢且流暢度不高；c.噪聲污染，沖孔過程中泥漿護(hù)壁產(chǎn)生巨大的沖擊力，噪音污染明顯。

5.2.2 旋挖鉆成孔

地面至5m 嵌巖完成，均以旋挖鉆成孔，灌注嵌巖樁外護(hù)有鋼護(hù)筒，鉆桿需比常規(guī)短5m 以適應(yīng)鋼護(hù)筒并為鉆頭抬出棄土提供便利。旋挖鉆機便于攜帶，設(shè)備小巧且為履帶式，無泥漿掛壁、噪音污染小。

5.3 方案比選

成孔試后進(jìn)行成孔機械和成孔方案的選擇，從作業(yè)效率、費用指出、環(huán)保效力等多角度比對，選擇實用性強、經(jīng)濟性突出的方案，詳情如表2 所示。對表2 分析可知，旋挖鉆的綜合單價成本高于回旋鉆＋沖擊鉆，但其性能更突出，顯著縮短工期且無噪音污染，施工中不易出現(xiàn)坍孔，實用性更強。

表2 成孔方案比選

6 旋挖鉆機成孔技術(shù)優(yōu)化要點

旋挖鉆機適用范圍廣，可在復(fù)雜地基條件下應(yīng)用，成孔時間短且無噪音污染，不易出現(xiàn)坍孔，綜合性能優(yōu)越。但是在強風(fēng)化巖層和中風(fēng)化巖層中成孔操作，遇到卵石層時，鋼護(hù)筒的跟進(jìn)不及時則會降低成孔效率，并對旋挖鉆產(chǎn)生損壞。為克服不良因素影響，利用旋挖鉆機成孔操作時應(yīng)采取有效措施加以改善。

6.1 采用擴孔鉆頭擴孔

旋挖鉆機在中高風(fēng)化巖層中成孔，尤其在卵石層中操作時，鋼護(hù)筒跟進(jìn)不及時易出現(xiàn)頸縮、坍孔現(xiàn)象。旋挖鉆機施作階段，進(jìn)入卵石層成孔操作前，以擴孔鉆頭替換旋挖鉆頭，解決旋挖鉆機成孔操作時鋼護(hù)筒跟進(jìn)不及時的問題，擴孔鉆頭替換后，鉆孔直徑增加，為鋼護(hù)筒及時沉降跟進(jìn)提供空間。

6.2 采用小直徑鉆頭預(yù)破巖

中風(fēng)化巖層的土質(zhì)復(fù)雜程度高，土層強度大，旋挖鉆機成孔施工至該區(qū)域時，摩擦阻力增加，成孔效率降低。旋挖鉆機成孔施工進(jìn)入中風(fēng)化巖層前，以直徑0.8m 的嵌巖筒鉆替換旋挖鉆頭克服中風(fēng)化巖層摩擦阻力大、成功施工效率低的問題。更換鉆頭后，孔內(nèi)巖芯松動，巖層自由度增加，嵌巖筒鉆的應(yīng)力水平降低，鉆孔工作效率增加。為進(jìn)一步提高工作效率，還可以用直徑0.99m 的嵌巖筒鉆替換直徑0.8m 的嵌巖筒鉆。最后以普通撈砂斗鉆頭入巖，巖芯被破壞后抽離取渣。

6.3 鉆具外壁加焊保護(hù)鋼條

隨鉆深增加，鉆具磨損嚴(yán)重，可更換小直徑鉆頭降低摩擦力，或在鉆具外護(hù)有保護(hù)鋼條，通過減少鉆具與地基土層的直接接觸面積的方式來減少鉆具磨損。

6.4 成樁質(zhì)量檢測

6.4.1 成樁檢測內(nèi)容

旋挖法成樁的質(zhì)量控制有很大的難度，項目施工為地下操作，存在的主要問題如下：灌注嵌巖樁樁底沉渣過厚或有虛土，導(dǎo)致灌注嵌巖樁長度、直徑與預(yù)期不吻合，承載力差；施工中出現(xiàn)斷樁、坍孔或縮頸，灌注嵌巖樁結(jié)構(gòu)完整性不足；混凝土澆筑比例不科學(xué)、強度不足，灌注嵌巖樁產(chǎn)生離析。因此需重點加強灌注嵌巖樁的變形、樁基強度、承載能力等指標(biāo)的質(zhì)量檢測，以確?，F(xiàn)場樁基質(zhì)量。

6.4.2 成樁檢測方法及檢測結(jié)果

現(xiàn)場主要采用的檢測方式有：靜載荷試驗、小應(yīng)變試驗。靜載荷試驗對現(xiàn)場試樁進(jìn)行了重物堆載和拉拔試:（見圖3、圖4）；小應(yīng)變試驗采用抽樣檢測的方式（見圖5）；成孔質(zhì)量檢測表及部分結(jié)果如表3 所示：

圖3 拉拔實驗原理圖

圖4 堆載實驗原理圖

圖5 小應(yīng)變試驗原理圖

由檢測表3 可以看出：在所檢測的樁孔中，樁深在26～36.7m 之間，均超過了設(shè)計樁長；實測孔徑成果表明，均超過了設(shè)計孔徑值，滿足規(guī)范要求。在所檢測的樁孔中，垂直度偏差均小于1.0%，滿足規(guī)范要求；各樁孔的沉渣厚度介于4.1～5.2cm，滿足規(guī)范要求。低應(yīng)變動力檢測樁154 根，其中樁長36m 的134 根，占總樁數(shù)的87%；樁長26m 的20 根，占總樁數(shù)的13%，以判定樁身質(zhì)量的完整性。由表4 可知:a. 樁身波速c 介于3363～3961m/s 之間，平均約為3662m/s；b.所檢測154 根樁均為工類樁（完整樁）。

表3 成孔質(zhì)量檢測結(jié)果匯總表（樁長:26m～36m）

表4 低應(yīng)變檢測結(jié)果匯總表

7 結(jié)論

本文以某碼頭工程為研究對象，分析了嵌巖灌注樁的成孔工藝，闡述了旋挖鉆機械、沖擊鉆機械、回旋鉆機械三種機械的性能，對旋挖鉆成孔和回旋鉆+沖擊鉆成孔兩種成孔方式進(jìn)行了比較，明確了最佳的施工方案。旋挖鉆成孔經(jīng)卵石層前以擴孔鉆頭替換旋挖鉆頭避免鋼護(hù)筒跟進(jìn)不及時誘發(fā)坍孔；進(jìn)入風(fēng)化層前，以嵌巖鉆頭替換旋挖鉆頭，松動巖面后更換為普通撈砂斗鉆頭，使巖芯破碎后抽離取渣。最終該項目選用旋挖鉆機成孔工藝，并結(jié)合擴孔鉆頭擴孔、小直徑鉆頭預(yù)破巖、鉆具外壁加焊保護(hù)鋼條等優(yōu)化措施，使該碼頭項目嵌巖灌注樁成孔效率得到了較大提升，期望能為同類型項目提供參考。