深孔泥巖環(huán)境樁基設(shè)備選型

徐濤 梁磊磊 中交二公局第二工程有限公司

1.工程概況

某橋梁為矮塔斜拉橋，項(xiàng)目位于云貴高原東南斜坡地帶，地勢西高東低。區(qū)域內(nèi)地貌類型以構(gòu)造侵蝕低中山和深切河谷山地相間的地貌為主；受地質(zhì)構(gòu)造控制、南盤江強(qiáng)烈侵蝕作用及風(fēng)化營力作用，區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，地勢起伏較大，溝谷縱橫交織發(fā)育，谷嶺相間發(fā)育，地勢呈西南高東北低，河流兩岸地形起伏較大，山體較破碎，河谷稍緩；由于南盤江期河流水流作用形成深山峽谷地形，河流河道較深且河面寬度較窄的橋區(qū)地貌。項(xiàng)目地貌為山地地形地貌，地表溝谷高度發(fā)育，切割密度很大，地形支離破碎，切割方向以向下切為主，谷地坡面呈“V”字形，山坡中等，地表具有厚度不大的坡積層，斜坡穩(wěn)定性一般較差。兩個(gè)主墩布置于河谷水位變化區(qū)域，河谷位于水庫庫區(qū)上游，受水庫蓄放水和季節(jié)性降水的雙重影響制約下，施工區(qū)域水位變化十分劇烈，蓄水季和枯水季水位高差可達(dá)40m，樁基設(shè)計(jì)為樁徑2.5m的端承式鉆孔灌注樁，故需要鉆進(jìn)設(shè)備具備100m的最大鉆進(jìn)深度要求。

承臺設(shè)計(jì)采用直徑2.5m的鉆孔灌注樁，樁基布置為行列式，橫、列間距均為5.5m，共設(shè)計(jì)20根。由于承臺為低樁承臺，故采用棧橋平臺方式進(jìn)行樁基及后續(xù)承臺施工。

2.水文地質(zhì)情況

2.1 地質(zhì)情況

覆蓋層為第四系植物土層、第四系沖湖積層、第四系殘坡積層，基巖為三疊系中統(tǒng)蘭木組砂質(zhì)泥巖和三疊系中統(tǒng)版納組泥巖、鈣質(zhì)泥巖層，即南盤江左岸主要為蘭木組砂質(zhì)泥巖，右岸主要為版納組泥巖、鈣質(zhì)泥巖。樁基持力層位于泥巖層，主要為砂質(zhì)泥巖和鈣質(zhì)泥巖兩種，此類泥巖具有失水后強(qiáng)度高、脆性大，遇水浸泡后強(qiáng)度變低、但會產(chǎn)生一定的沖擊彈性變形。

三疊系中統(tǒng)蘭木組砂質(zhì)泥巖層：強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖：灰黃、棕黃色，砂～泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，礦物成分蝕變顯著，節(jié)理裂隙很發(fā)育，裂隙多呈張開狀，裂隙面多附鐵錳質(zhì)氧化膜，且多被泥土充填。巖體極破碎～破碎，巖質(zhì)軟，巖芯呈土狀、碎塊狀，風(fēng)化碎塊手可折斷，干鉆較難鉆進(jìn)。重型圓錐動力觸探試驗(yàn)實(shí)測錘擊數(shù)N63.5=22.1～34.5擊，統(tǒng)計(jì)修正值為26.5擊，屬中～低壓縮性土，鉆探揭示厚度約2.60～25.10m。工程地質(zhì)中屬于IV軟巖。

中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖：青灰、深灰色，砂～泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，局部夾薄層粉砂巖，巖體深部可見條帶狀方解石脈，節(jié)理裂隙發(fā)育，產(chǎn)狀265～295°∠70～80°，可見傾角42°、66°、81°3組，裂隙面附鐵錳質(zhì)氧化膜，沿裂隙面可見次生礦物，巖體多被風(fēng)化、構(gòu)造切裂隙割成塊狀，巖體破碎～較破碎，巖芯多呈5～30cm的塊狀、柱狀。其力學(xué)性能在失水和浸泡環(huán)境中顯著不同，失水時(shí)脆性增大、強(qiáng)度增大；浸泡后軟化、強(qiáng)度降低。工程地質(zhì)中屬于V類軟巖～次堅(jiān)石。

三疊系中統(tǒng)版納組（T 2bc）泥巖、鈣質(zhì)泥巖層：強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥巖：灰黃、棕黃色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄～中厚層狀構(gòu)造，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，礦物成分蝕變顯著，節(jié)理裂隙很發(fā)育，裂隙多呈張開狀，裂隙面多附鐵錳質(zhì)氧化膜，且多被泥土充填。巖體極破碎～破碎，巖質(zhì)軟，巖芯呈土狀、碎塊狀，風(fēng)化碎塊手可折斷，干鉆較難鉆進(jìn)。重型圓錐動力觸探試驗(yàn)實(shí)測錘擊數(shù)N63.5=19.6～25.2擊，統(tǒng)計(jì)修正值為21.9擊，屬中～低壓縮性土，鉆探揭示厚度約3.30～19.00m。工程地質(zhì)中屬于IV軟巖。。

中風(fēng)化硅質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)泥巖：深灰、灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄～中厚層狀構(gòu)造，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，局部夾薄層泥質(zhì)粉砂巖或泥灰?guī)r，巖體深部可見條帶狀方解石脈；節(jié)理裂隙發(fā)育，產(chǎn)狀95～98°∠70～78°，可見傾角45°、68°、80°三組，裂隙面附鐵錳質(zhì)氧化膜，沿裂隙面可見次生礦物，巖體破碎～較破碎，多被風(fēng)化、構(gòu)造裂隙切割成塊狀、碎塊狀，巖質(zhì)軟，巖塊新鮮面指甲可以劃痕；巖體完整程度隨深程逐漸提高，巖芯多呈5～23cm的碎塊狀、短柱狀。其力學(xué)性能在失水和浸泡環(huán)境中顯著不同，失水時(shí)脆性增大、強(qiáng)度增大；浸泡后軟化、強(qiáng)度降低。工程地質(zhì)中屬于V 類軟巖～次堅(jiān)石。

2.2 水文環(huán)境

南盤江屬山區(qū)季節(jié)性河流，水流補(bǔ)充主要由降雨形成，洪水季節(jié)與當(dāng)?shù)赜昙鞠辔呛?，枯水季?jié)流量則由周邊山體地下水補(bǔ)給，汛期水位變化劇烈且快速，雨季、旱季河流水流量差距明顯。橋址所處位置位于庫區(qū)上游河流，在豐水期蓄水發(fā)電并具備通航條件，在枯水期河道水位急劇下降，索塔所處位置干涸裸露，僅剩余河道中間較窄的“V”形河谷。施工期間水位變化可達(dá)40m，因地處庫區(qū)上游，受庫區(qū)影響水流流速不明顯，水面漂流物較少。橋位兩岸縱、橫坡陡，中部河谷相對較平緩；古河道寬約為90m，目前電站水庫蓄水淹沒水面寬約為362m。

3.可供選擇的主要設(shè)備類型

根據(jù)橋梁樁基鉆進(jìn)深度和樁長，結(jié)合所處位置的具體地質(zhì)情況，可供選擇的鉆孔設(shè)備主要包括沖擊鉆、旋挖樁和回旋鉆3種鉆進(jìn)類型。

沖擊鉆利用其鉆頭自身重量在鉆進(jìn)過程中的沖程形成沖量擊碎鉆頭下方的土體、巖石，并經(jīng)過其不斷往復(fù)過程和其中的鉆頭旋轉(zhuǎn)將較大巖塊進(jìn)行擊碎。在此過程中，破碎后的土體一部分在往復(fù)沖擊過程擠密至鉆孔孔壁，用以加固鉆孔孔壁，另一部分懸浮于泥漿中，在泥漿循環(huán)凈化過程中帶離鉆孔排出。結(jié)合項(xiàng)目泥巖地質(zhì)的特點(diǎn)，將會應(yīng)用常規(guī)的10t沖擊鉆。

旋挖鉆通過鉆桿將鉆機(jī)設(shè)備的扭矩傳遞至鉆頭之上，在壓力和扭矩的共同作用下，使鉆頭切削土體進(jìn)入鉆頭內(nèi)部，并通過鉆頭的升降將孔內(nèi)土體逐一清除并排出鉆孔。結(jié)合鉆頭穿越的不同土層類型，旋挖鉆機(jī)的鉆頭配置的刀具不同，橋梁樁基施工中主要采用包括筒式取芯鉆頭、旋挖斗、沖擊鉆頭、沖抓錐鉆頭和液壓抓斗幾種。根據(jù)項(xiàng)目樁基地質(zhì)情況，本項(xiàng)目主要應(yīng)用到筒式取芯鉆頭和旋挖斗，在土層范圍內(nèi)以旋挖斗作為主要鉆進(jìn)鉆頭，進(jìn)入泥巖范圍內(nèi)則需要通過多次取芯擴(kuò)孔方式進(jìn)行成孔。

回旋鉆機(jī)具備旋挖鉆的部分特點(diǎn)，其鉆頭與旋挖斗類似，配置牙輪鉆或者滾刀鉆能夠適用于本項(xiàng)目的泥巖地質(zhì)，但是，其動力系統(tǒng)主要采用空壓機(jī)提供的壓縮空氣驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)切削孔壁泥土，并為鉆頭提供壓力以用于鉆進(jìn)，其鉆桿為中空設(shè)計(jì)，主要起到保護(hù)壓縮空氣的送氣管和泥漿循環(huán)的孔內(nèi)主要通道，鉆頭始終處于孔底連續(xù)進(jìn)行鉆進(jìn)施工。

3.1 沖擊鉆成孔

不同設(shè)備由于其工作原理不同，其施工工藝也不相同。沖擊鉆機(jī)樁基施工過程中，為避免相鄰樁基施工擾動土體而塌孔，一般采用隔孔跳打的方式，避免施工過程中出現(xiàn)串孔現(xiàn)象。利用樁基鋼護(hù)筒作為泥漿循環(huán)裝置，鉆進(jìn)過程中循環(huán)出來的泥漿，首先經(jīng)泥漿分離器進(jìn)行漿液和鉆渣的分離，分離后的泥漿進(jìn)入鉆進(jìn)孔中，鉆渣則放置于平臺上方的渣箱內(nèi)，經(jīng)自卸汽車運(yùn)輸至指定棄渣位置。

穿越卵石層或基巖漂石之類的堅(jiān)硬密實(shí)土?xí)r沖擊鉆鉆進(jìn)過程中采用較高沖程(1m左右)，穿越松散砂、礫類土或卵石夾等覆蓋層時(shí)采用中沖程(0.75m)。鉆進(jìn)過程中遇到孔底不平時(shí)，首先利用片石黏土等材料將孔底找平，避免鉆進(jìn)時(shí)偏錘、倒錘等意外情況出現(xiàn)。針對強(qiáng)度、密實(shí)情況不同的土層，其松繩量不同，強(qiáng)度較低軟土地層松繩量5～8cm，在強(qiáng)度較高的巖層、堅(jiān)硬土層中松繩量應(yīng)適度降低至3～5cm。

鉆進(jìn)過程中，應(yīng)避免孔底沉渣過厚從而影響鉆進(jìn)效率，當(dāng)沉渣厚度達(dá)到一定程度而泥漿循環(huán)無法有效清理孔底沉渣時(shí)，需要利用沉渣桶將沉渣撈出，從而使鉆頭直接錘擊孔底需鉆進(jìn)的土體，避免沉渣消耗沖擊能降低鉆進(jìn)效率，同時(shí)能保證成孔質(zhì)量，保證成孔垂直度和圓度。

3.2 旋挖鉆成孔

旋挖鉆機(jī)自動化程度高，自動顯示儀表顯示鉆進(jìn)深度，根據(jù)每循環(huán)進(jìn)尺記錄判斷是否裝滿。本工程地質(zhì)主要為炭質(zhì)泥巖和硅質(zhì)泥巖，其強(qiáng)度較小，故采用筒式鉆頭，考慮到鉆進(jìn)過程中鉆頭與孔壁之間摩擦而導(dǎo)致的磨損以及過程偏位影響成孔質(zhì)量，鉆頭直徑采用大于樁基直徑（2cm）。鉆機(jī)準(zhǔn)確定位對中后，首先將制備好的泥漿灌注孔內(nèi)，然后進(jìn)行鉆孔。根據(jù)儀表顯示到達(dá)預(yù)定深度后，經(jīng)鉆桿對鉆頭施加壓力并旋轉(zhuǎn)，將土切削并擠入鉆頭內(nèi)，通過反向轉(zhuǎn)動鉆頭使鉆頭底部活頁關(guān)閉，提升鉆頭將鉆渣轉(zhuǎn)移至渣箱并運(yùn)輸。由于旋挖鉆基本無造漿能力，在成孔施工過程中，需要保持泥漿性能指標(biāo)，通過不間斷的泥漿循環(huán)達(dá)到懸浮鉆渣并使孔內(nèi)泥漿性能滿足護(hù)壁要求。同時(shí)，為降低孔壁泥漿膜穩(wěn)定，泥漿面需要高于外界水位2m左右，降低泥漿滲透速度。進(jìn)入致密泥巖中采用同心不同直徑的筒狀鉆頭多次開挖成孔。

3.3 回旋鉆成孔

鉆孔前，首先往孔內(nèi)灌注制備好的泥漿，通過循環(huán)措施逐步替換孔內(nèi)清水，使之具備開鉆條件。為進(jìn)一步增加鉆桿及鉆頭施加于孔內(nèi)土體的壓力，通過配重增加鉆桿重量，同時(shí)在重力的作用下保證鉆桿始終處于鉛垂線。準(zhǔn)確定位鉆頭、鉆桿及樁基設(shè)計(jì)中心點(diǎn)，過程中不斷檢查修正以確保成孔垂直度滿足設(shè)計(jì)與規(guī)范的要求。

開鉆前，首先打開空壓機(jī)進(jìn)行鉆桿至孔底通風(fēng)，使鉆頭周邊產(chǎn)生氣泡以降低鉆頭與土體之間的靜摩擦力，待孔內(nèi)泥漿表面出現(xiàn)均勻氣泡后打開鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。同樣在停止鉆進(jìn)時(shí)首先停鉆，繼續(xù)通風(fēng)一段時(shí)間后關(guān)閉空壓機(jī)，此過程能否促使泥漿循環(huán)系統(tǒng)持續(xù)工作，待循環(huán)出的泥漿無鉆渣且泥漿均勻后關(guān)閉空壓機(jī)、提起鉆頭。過程中因故停機(jī)、更換鉆桿時(shí)均需按此工藝要求進(jìn)行。每次新開鉆和更換鉆桿均需對鉆桿進(jìn)行水密性檢查，保證各連接構(gòu)件的水密墊圈等設(shè)施完好、接頭可靠，保證泥漿循環(huán)始終可控，從而進(jìn)一步保證鉆進(jìn)速度和過程中泥漿護(hù)壁質(zhì)量。

4.綜合對比情況

4.1 設(shè)備適用性對比

沖擊鉆作為適用范圍最廣泛的鉆機(jī)設(shè)備，適用于大部分土層地質(zhì)，同時(shí)，由于其鉆進(jìn)原理帶來的孔壁擠密作用，對加固孔壁、防止塌孔起到很好的輔助作用。沖擊鉆在沖擊成孔過程中依靠沖程帶來的勢能轉(zhuǎn)化為鉆孔沖擊能，不受鉆孔深度的影響，其鉆進(jìn)深度理論上能滿足各種深度樁基施工需要。但是，在施工泥巖地質(zhì)樁基過程中，孔底泥巖需長時(shí)間接受泥漿中水的浸泡作用，泥巖的力學(xué)性能產(chǎn)生較大的變化，使干燥狀態(tài)具備脆性的特點(diǎn)轉(zhuǎn)化為具備一定的彈性，抵消鉆頭的沖擊勢能，鉆進(jìn)效率降低。沖擊鉆能夠滿足本項(xiàng)目施工需要，但是施工功效不理想。

旋挖鉆進(jìn)取土過程中無造漿功能、孔壁穩(wěn)定性差，主要適用于不透水層或透水性較差的地質(zhì)施工，若需要其在透水性較好的砂層、砂礫層地質(zhì)樁基施工時(shí)，則要單獨(dú)配置泥漿制備設(shè)備，同時(shí)泥漿質(zhì)量要求較高，本項(xiàng)目樁基地質(zhì)穿越黏土層和泥巖層，均為不透水土層，能夠使用旋挖鉆進(jìn)行鉆進(jìn)施工。但旋挖鉆設(shè)備動力依靠鉆桿傳遞至鉆頭中，在鉆進(jìn)深度方面存在不足，一般設(shè)備主要適用于100m以內(nèi)的樁基施工，在超深鉆孔過程中由于鉆桿形變將損耗部分動力，同時(shí)本項(xiàng)目樁基持力層為泥巖，鉆進(jìn)所需扭矩巨大，需要400kN·m以上的設(shè)備才能滿足要求。

回旋鉆在鉆進(jìn)深度和適用土層兩方面能夠滿足項(xiàng)目樁基施工需要，但是其使用配套空壓機(jī)需要較大功率空壓機(jī)，對電力供應(yīng)方面存在較高要求，項(xiàng)目地處山區(qū)，電力供應(yīng)相對緊張，若能解決電力供應(yīng)問題，回旋鉆機(jī)將會是最優(yōu)選擇。

4.2 經(jīng)濟(jì)性對比

沖擊鉆設(shè)備簡單，主要包括卷揚(yáng)機(jī)、機(jī)架和沖擊錘3部分，整體造價(jià)低，使用攤銷成本相較也最低。旋挖鉆機(jī)設(shè)備集成程度最高，造價(jià)及使用攤銷最大，但是其施工效率最快，綜合工期和單價(jià)兩方面，其具備較大優(yōu)勢，但是，本項(xiàng)目所需設(shè)備性能要求高，加之項(xiàng)目地處山區(qū)，拆裝和轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi)用不能避免，其總體經(jīng)濟(jì)性一般?；匦@機(jī)在設(shè)備結(jié)構(gòu)和綜合單價(jià)兩方面介于上述設(shè)備之間，具備一定的優(yōu)勢。

4.3 進(jìn)度可控性比較

從成孔速度方面進(jìn)行對比，旋挖鉆機(jī)成孔效率最高，在此種地質(zhì)條件下，泥漿護(hù)壁要求低，進(jìn)度制約因素主要孔底巖石強(qiáng)度，而泥巖強(qiáng)度普遍較低，旋挖鉆機(jī)工作壓力能夠達(dá)到30MPa以上，施工效率最高。同樣因?yàn)槟鄮r遇水后的力學(xué)性能變化，沖擊鉆在鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生較大能量損耗，沖錘接觸孔底巖面后的反彈使鉆進(jìn)效率出現(xiàn)較大降低，其鉆進(jìn)功效在此三種鉆機(jī)中處于最低?；匦@機(jī)依靠鉆頭旋轉(zhuǎn)和加壓實(shí)現(xiàn)孔內(nèi)鉆進(jìn)，無須考慮泥巖遇水后的力學(xué)性能變化，在強(qiáng)度較低的泥巖樁基施工中具備優(yōu)勢。

5.結(jié)語

樁基成孔設(shè)備選擇是決定樁基施工整體效益的關(guān)鍵因素，在選擇過程中需要兼顧進(jìn)度與成本兩個(gè)方面，同時(shí)考慮項(xiàng)目所處的施工環(huán)境。在控制性樁基施工過程中優(yōu)先以進(jìn)度作為主控，同樣非控制樁基則以經(jīng)濟(jì)性作為優(yōu)先控制。結(jié)合工程所處具體環(huán)境和地質(zhì)，選擇合適的設(shè)備進(jìn)行樁基鉆進(jìn)施工。本項(xiàng)目樁基處于泥巖土層，該地質(zhì)介于土質(zhì)和巖石之間，其力學(xué)性能和鉆進(jìn)深度決定設(shè)備選型。謹(jǐn)以本項(xiàng)目所遇到的具體施工比選為例，以期為類似工程提供幫助。