珠海地區(qū)水中大直徑?jīng)_孔灌注樁施工技術(shù)研究

陸彬軍

[上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海市 200433]

1 工程概況

1.1 工程概況

珠海市某橋梁工程新建輔道橋樁基礎(chǔ)分陸地部分和水上部分。其中P7#～P12#墩為水上部分，基礎(chǔ)采用灌注樁，樁徑1.2 m 有4 根，1.5 m 有4 根，2.2 m有16 根，均為嵌巖端承樁，持力層選擇中風(fēng)化巖層或微風(fēng)化巖層。河道中各部位的樁基長(zhǎng)度為42～48 m。樁徑為1.2 m、1.5 m 的樁基嵌入持力層有效深度不小于2 倍樁基直徑，樁徑2.2 m 的樁基嵌入持力層有效深度不小于5 m。

由于P7#～P12# 墩均處于河流之中，因此施工時(shí)需要先施工平臺(tái)，然后施工樁基礎(chǔ)。

樁基工程平面位置和縱剖圖見圖1。

圖1 樁基工程平面位置和縱剖圖（單位：cm）

1.2 水文地質(zhì)情況

本工程現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地位于珠海市前山河兩側(cè)，主要地貌為低丘陵地帶、山間沖淤平原、河口灣等類型；平原區(qū)地勢(shì)較平坦，微向海傾斜，地面高程-0.50～5.08 m，地勢(shì)總體相對(duì)平坦開闊，起伏不大。

地層情況描述見表1。

表1 地層情況描述

樁基施工深度范圍的地下水為潛水層，根據(jù)其賦存方式分為第四系土層孔隙潛水和基巖裂隙水。

2 依托工程特點(diǎn)

2.1 施工難點(diǎn)

（1）工程地質(zhì)復(fù)雜，樁基施工場(chǎng)地內(nèi)有呈松散狀態(tài)的填筑土和普遍分布的海陸交互相沉積層軟土即淤泥②-1，同時(shí)存在礫石、巖層等，并且灌注樁需要深入到中風(fēng)化花崗巖巖層之中，成孔難度較大。

（2）由于樁位處于水中，需采用水中成樁的必要措施，并且施工中會(huì)受到河水的影響。

（3）海陸交互相沉積層軟土（淤泥②-1）層較厚，易塌孔和失穩(wěn)，需要對(duì)樁孔進(jìn)行保護(hù)。

（4）樁直徑較大，最大直徑為2.2 m，屬大直徑灌注樁。

2.2 工藝選擇及施工流程

2.2.1 工藝選擇

工程灌注樁穿越地層包括礫石、巖層等，特別是樁端進(jìn)入中分化花崗巖，常規(guī)鉆機(jī)無法鉆進(jìn)。沖孔灌注樁施工采用鉆頭自由落體的沖擊力可擊碎砂層、風(fēng)化巖層，因此沖孔灌注樁適合在復(fù)雜且堅(jiān)硬的地層中施工。另外，本工程灌注樁直徑較大，也利于沖孔灌注樁施工工藝的實(shí)施。

本工程樁基處于河道之中，周邊無重要保護(hù)性建筑，因此沖孔灌注樁施工幾乎不對(duì)工程周邊建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生影響。另外樁孔之中充滿泥漿，由于泥漿具有消音功能，因此施工噪音污染較小。

綜上，鑒于本工程施工環(huán)境、地層特性、水文條件等情況，沖孔灌注樁工藝施工具有較大優(yōu)勢(shì)[1]。

2.2.2 施工流程

結(jié)合工程情況，水中沖孔灌注樁施工流程圖見圖2。

圖2 水中沖孔灌注樁施工流程圖

3 水中沖孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 水上作業(yè)施工平臺(tái)

常見的水中灌注樁施工平臺(tái)包括圍堰、浮船和水中棧橋3 類。本樁基工程所處河道水位較深，并且樁基在河道分布較密集，采用圍堰方式填筑量大，會(huì)對(duì)河水流動(dòng)產(chǎn)生較大阻礙，阻礙排洪。由于河水流動(dòng)，浮船不穩(wěn)，同時(shí)浮船施工成本較高，也不合適。

工程在樁基礎(chǔ)兩側(cè)架設(shè)臨時(shí)棧橋便道，同時(shí)在靠近樁位區(qū)域?qū)蜻M(jìn)行延伸，形成灌注樁施工平臺(tái)。如此既滿足了灌注樁施工基本條件，又解決了灌注樁施工材料和設(shè)備進(jìn)出場(chǎng)的交通問題。主棧橋便道可承載50 t 履帶吊和60 t 卡車行駛。

棧橋采用鋼管樁+ 貝雷架組合形成承載結(jié)構(gòu)。貝雷架上部布設(shè)型鋼分配梁，分配梁之上布置上表面帶剪力釘?shù)匿摪?，鋼板表面鋪筑混凝土和瀝青形成棧橋橋面。樁基平臺(tái)位置處預(yù)留樁孔位置，表面僅澆筑混凝土即可。

主要棧橋及棧橋平臺(tái)搭設(shè)示意圖見圖3。

圖3 主要棧橋及棧橋平臺(tái)搭設(shè)示意圖（單位：mm）

棧橋鋼管樁采用φ600×8 mm 螺旋鋼管樁，由于地層條件較好，河道之中鋼管樁最大長(zhǎng)度25.8 m。鋼管樁平連管采用φ273×6 mm 鋼管。棧橋施工利用50 t 履帶吊和振動(dòng)錘結(jié)合沖擊錘逐孔振沉鋼管樁，逐孔架設(shè)上部結(jié)構(gòu)的施工方法（釣魚法）搭設(shè)。 鋼管樁采用YC-5 液壓沖擊錘振動(dòng)錘入地層。

50 t 履帶吊振沉鋼管樁示意圖見圖4。

圖4 50 t 履帶吊振沉鋼管樁示意圖

3.2 鋼護(hù)筒施工

樁基處于河道之中，需要在水上施工作業(yè)，同時(shí)樁位場(chǎng)地內(nèi)有呈松散狀態(tài)的填筑土和普遍分布的海陸交互相沉積層軟土即淤泥②-1，這將給成樁造成一定影響，因此需要埋設(shè)鋼護(hù)筒來定位樁基及保護(hù)樁孔。鋼護(hù)筒布置示意圖見圖5。

圖5 護(hù)筒布置示意圖

水上樁基礎(chǔ)護(hù)筒采用雙護(hù)筒施工方法；內(nèi)側(cè)護(hù)筒（后文如無特別說明，所述護(hù)筒即為內(nèi)側(cè)護(hù)筒）外徑大于鉆頭直徑20 cm，采用卷板機(jī)分段卷制焊接。

護(hù)筒埋設(shè)時(shí)，首先在水上平臺(tái)上安裝導(dǎo)向架。導(dǎo)向架高度2 m，由型鋼制作。履帶吊起吊護(hù)筒時(shí)，吊索應(yīng)位于護(hù)筒中心，保持護(hù)筒豎直。首節(jié)護(hù)筒長(zhǎng)度一般為12 m，起吊后吊入導(dǎo)向架，然后調(diào)整導(dǎo)向架限位裝置，使其與護(hù)筒間隙為1 cm。依靠自重沉入河床后，檢查護(hù)筒平面位置和豎直度，要求鋼護(hù)筒中心平面位置偏差小于30 mm，豎直方向的傾斜度小于1/500，滿足要求后接長(zhǎng)護(hù)筒。最后吊起振動(dòng)錘和液壓夾具，振動(dòng)下沉護(hù)筒，振沉設(shè)備選擇永安振動(dòng)錘DZ120（激振力883 kN）和DZ150（激振力1 140 kN），夾具采用永安S7 雙夾具。

護(hù)筒采用分節(jié)對(duì)接振動(dòng)下沉，對(duì)接縫采用坡口對(duì)接滿焊，并且接縫處按周長(zhǎng)八等分焊加強(qiáng)聯(lián)接鋼板（8 塊30.0 cm×10.0 cm×1.0 cm 鋼板）。鋼護(hù)筒振動(dòng)下沉過程中，護(hù)筒頂以下1 m 至1.5 m 處設(shè)置內(nèi)部支撐防止振動(dòng)夾頭，避免護(hù)筒產(chǎn)生徑向塑性變形，一次振動(dòng)時(shí)限控制在5 mim 內(nèi)。護(hù)筒穿過淤泥之后，需進(jìn)入粉質(zhì)黏土1.5 m，如淤泥層之后為砂礫層，則需進(jìn)入砂礫層3 m。

護(hù)筒下沉按標(biāo)高控制，當(dāng)護(hù)筒底沉入設(shè)計(jì)位置后切割多余護(hù)筒，護(hù)筒頂比平臺(tái)高0.3 m。

待內(nèi)護(hù)筒施工完畢后施工外護(hù)筒，外側(cè)護(hù)筒依靠自重下沉，然后在內(nèi)外護(hù)筒之間填充中粗砂。通常外側(cè)護(hù)筒依靠自重沉入淤泥之中1 m 即可，這時(shí)填充在內(nèi)外側(cè)護(hù)筒之間的中粗砂不宜從底部流出護(hù)筒之外，同時(shí)避免材料浪費(fèi)。

護(hù)筒埋設(shè)完成后，與水上施工平臺(tái)連成一體，形成鉆孔作業(yè)平臺(tái)。

3.3 成孔工藝

成孔采用CK1500 型和CK2200 型沖擊樁機(jī)。每臺(tái)樁機(jī)配置1 臺(tái)150SBQ-30 潛水砂石泵。樁機(jī)主要由上部動(dòng)力系統(tǒng)、鉆頭及排渣系統(tǒng)組成。動(dòng)力系統(tǒng)負(fù)責(zé)提升鉆頭。鉆頭中心設(shè)置一管狀通道，排渣管的下端在鉆頭的中心孔內(nèi)，鉆頭作上下沖擊運(yùn)動(dòng)時(shí)，排渣管除了隨鉆孔進(jìn)尺間歇下放外，一般保持不動(dòng)，并在沖擊的同時(shí)啟動(dòng)砂石泵連續(xù)排出鉆渣。排渣的同時(shí)對(duì)樁孔內(nèi)補(bǔ)充無渣的合格泥漿。泥漿池的容量為每根樁排渣量的1.5～2 倍，就近布置，及時(shí)清運(yùn)。

在整個(gè)施工過程中，孔內(nèi)水頭始終比孔外水頭高1.5 m 以上，這樣有利于孔壁泥皮的形成，同時(shí)避免地下水向孔內(nèi)循環(huán)，進(jìn)而加強(qiáng)孔壁的穩(wěn)定性。

由于沖孔灌注樁鉆錘沖擊過程中對(duì)孔壁土體產(chǎn)生持續(xù)的擾動(dòng)，尤其是沖錘沖擊到孔底的振動(dòng)對(duì)整個(gè)孔壁的土體均有較大影響，而停止沖擊時(shí)孔壁土體部分結(jié)構(gòu)有一定程度的恢復(fù)，可有效預(yù)防塌孔。因此，可通過適當(dāng)控制鉆進(jìn)速度和沖孔頻率來預(yù)防塌孔問題。按照經(jīng)驗(yàn)，在淤泥土層中沖擊頻率控制在20～30 次/min，鉆進(jìn)速度控制在2～3 m/h；在粗砂層中沖擊頻率控制在30～35 次/min，鉆進(jìn)速度控制在1～2 m/h；強(qiáng)風(fēng)化巖層中沖擊頻率控制在35～40 次/min，鉆進(jìn)速度控制在0.5～1.5 m/h。對(duì)于黏土、粉土、一般砂層等，其鉆進(jìn)參數(shù)介于淤泥和粗砂之間[2-3]。

3.4 泥漿制備管理及沖程設(shè)置

本工程的地層以砂性土為主。砂性土層中鉆井容易塌孔，因此宜采用以膨潤(rùn)土人工拌制的泥漿來提升鉆孔孔壁泥皮的質(zhì)量，同時(shí)加強(qiáng)護(hù)筒和土體界面處的強(qiáng)度，預(yù)防塌孔。

在施工過程中嚴(yán)格控制泥漿質(zhì)量，加強(qiáng)泥漿檢測(cè)頻率，控制泥漿的密度、黏度、含砂率、pH 值等，指標(biāo)不符合要求時(shí)應(yīng)及時(shí)更正。同時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的地層來調(diào)整泥漿指標(biāo)，特別是不同土層的交界處應(yīng)及早采用保守指標(biāo)進(jìn)行過渡。

根據(jù)地層情況設(shè)置沖孔灌注樁沖程和泥漿相對(duì)密度，見表2。

表2 沖孔灌注樁沖程和泥漿相對(duì)密度

3.5 鉆孔異常的預(yù)防及處理

沖孔灌注樁施工過程中常見的施工問題主要包括塌孔、彎孔、卡鉆、掉鉆、擴(kuò)孔過大等情況[4]。

（1）塌孔。對(duì)于沖孔灌注樁而言，如塌孔程度微弱時(shí)，一般選擇降低沖程、增加孔內(nèi)泥漿壓力、改善泥漿品質(zhì)等手段，待徹底穿過塌孔段再保持正常沖孔鉆進(jìn)速度。如塌孔較為嚴(yán)重，則需要進(jìn)行回填或者加設(shè)護(hù)筒等之后再進(jìn)行鉆進(jìn)?？傊缬龅揭姿椎貙?，應(yīng)加大泥漿密度，加快鉆進(jìn)速度，在鉆進(jìn)時(shí)適當(dāng)應(yīng)用小沖程、拋碎石等措施來反復(fù)沖砸加固孔壁，達(dá)到保證孔壁強(qiáng)度和加快鉆進(jìn)速度的目的。

（2）彎孔。施工過程中應(yīng)加強(qiáng)測(cè)量工作，發(fā)現(xiàn)彎孔趨勢(shì)時(shí)須及早調(diào)整。出現(xiàn)彎孔時(shí)，如彎孔不嚴(yán)重可利用鉆孔對(duì)孔壁進(jìn)行反復(fù)沖擦掃孔，糾正彎孔；如彎孔嚴(yán)重時(shí)，回填帶棱角的碎石、石塊，再進(jìn)行沖孔，以糾正孔的垂直度，因?yàn)槔饨欠置鞯氖瘔K、碎石等具有較大摩擦角，嵌入泥土之中不易塌孔。

（3）卡鉆、掉鉆。沖孔灌注樁的施工工藝會(huì)導(dǎo)致卡鉆情況發(fā)生頻繁?？ㄣ@時(shí)不可直接強(qiáng)行提起，避免發(fā)生更大的掉鉆問題。當(dāng)出現(xiàn)卡鉆時(shí)，一般采用晃動(dòng)大繩來頻繁活動(dòng)鉆頭，不斷增加鉆頭的自由度和自由空間來擺脫卡鉆問題。如發(fā)生掉鉆時(shí)，采用專用打撈工具進(jìn)行打撈，如埋鉆時(shí)宜采用吸泥機(jī)等將鉆頭頂部泥沙抽走。

（4）擴(kuò)孔率過大。擴(kuò)孔率大的原因是鉆頭擺動(dòng)、地層松軟、沖擊能力太大等導(dǎo)致。通常采用加固鉆架使其保持穩(wěn)定或降低沖程等措施進(jìn)行改善。

4 結(jié) 語

（1）采用水中鋼管樁基礎(chǔ)+貝雷架結(jié)構(gòu)制作施工平臺(tái)及施工棧道，為沖孔灌注樁施工搭建平臺(tái)和創(chuàng)造條件。

（2）施工雙護(hù)筒結(jié)構(gòu)，避免施工過程中水土界面處的淤泥土層塌孔擾動(dòng)，同時(shí)可導(dǎo)正鉆錘方向。雙護(hù)筒結(jié)構(gòu)可大幅增強(qiáng)護(hù)筒強(qiáng)度和穩(wěn)定性，利于施工。

（3）參照常規(guī)沖孔灌注樁的施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行鉆進(jìn)施工，加強(qiáng)施工管理，盡量采用優(yōu)質(zhì)泥漿等保守施工工藝，確保施工順利。

（4）水中沖孔灌注樁要嚴(yán)格控制施工平臺(tái)制作、各類土層鉆進(jìn)施工參數(shù)、泥漿制備、護(hù)筒設(shè)計(jì)及埋設(shè)等關(guān)鍵要點(diǎn)。按照本文水中大直徑?jīng)_孔灌注樁施工工藝，珠海某樁基工程中直徑1.2～2.2 m 的24 根水中大直徑?jīng)_孔灌注樁全部順利完工，施工期間未發(fā)生任何障礙和事故。