流沙地質(zhì)旋挖鉆孔灌注樁施工技術(shù)

呂素恒

(中鐵十四局集團第一工程發(fā)展有限公司，山東 日照 276826)

部分建筑的基礎(chǔ)樁基需穿越砂層，而施工現(xiàn)場的砂層組成復雜，包含粉砂層、粒砂層等，厚度通常達到2m～10m。隨著鉆孔樁施工深度的增加，砂層逐步增大，易顯現(xiàn)出細砂向砂礫轉(zhuǎn)變的特點，地質(zhì)條件錯綜復雜。因此，在流沙地質(zhì)條件中施作旋挖鉆孔灌注樁時，需充分考慮到現(xiàn)場的地質(zhì)條件，適配合適的旋挖鉆機，設(shè)計科學可行的施工方案，在安全的前提下高效施工。

1 流沙地質(zhì)旋挖鉆孔灌注樁施工概述

旋挖鉆孔灌注樁是較為典型的建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，其具有穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟高效等特點，且在鉆孔樁逐步朝著大直徑、深孔發(fā)展的趨勢下，旋挖鉆孔灌注樁的應(yīng)用優(yōu)勢進一步凸顯。但流沙地層的旋挖鉆成孔難度較大，可能由于施工技術(shù)不合理而出現(xiàn)異常。

從流沙穩(wěn)定力學的角度來看，待鉆進位置達到流沙層時，易受到流沙層重力、孔內(nèi)液體沖刷力的多重作用，此時地層的壓力具有向上傳遞的規(guī)律，在地質(zhì)條件確定的前提下，僅與荷載量有關(guān)，若旋挖鉆孔灌注樁施工中的荷載量偏高，可能有失穩(wěn)現(xiàn)象。

旋挖鉆孔施工工藝具有特殊性，需采取針對性的技術(shù)控制措施，以保證施工的有效性。相比于沖擊鉆、回旋鉆，旋挖鉆施工技術(shù)具有更加突出的自動化特色，能夠以較高的效率成孔，施工期間產(chǎn)生的沉渣量較少，成型樁基的完整性和穩(wěn)定性均較好。對于常見的回旋鉆進的正、反循環(huán)成孔，施工中用鉆頭破碎孔底原狀土，以泥漿循環(huán)的方法將其帶出土面；而與之不同的是，旋挖鉆斗的切削、提升上屑的基本思路是用鉆斗對存在于孔底的原狀土做切削處理，使其呈條狀，而后再裝入鉆斗內(nèi)，向上提升出土。

2 旋挖鉆機的應(yīng)用特點

(1)施工效率高 在同等施工條件下，旋挖鉆機成孔時間約為傳統(tǒng)鉆孔樁機的50%，而施工質(zhì)量可得到有效的保證，在施工效率方面具有突出的優(yōu)勢，可高效推進施工進程，為后續(xù)其它工序的施工爭取充足的時間。

(2)降低成本 旋挖鉆機干作業(yè)時需采用到換填措施，或是設(shè)置鋼護筒，在此方式下，有效避免坍孔問題。相比非旋挖鉆機干作業(yè)，混凝土充盈系數(shù)明顯更低，表明混凝土用量減少，可降低在材料方面的成本投入，有利于提高項目的經(jīng)濟效益。

(3)旋挖鉆機的應(yīng)用思路 ①中風化砂巖層的抗壓強度高于強風化砂巖層，根據(jù)此規(guī)律，進入該土層時需以相對較慢的速度鉆進，條件允許時分級鉆進[1]。②干作業(yè)施工對地下土層提出較高的要求，即只有在土層滲透性差、含水量少時方可采用，否則需調(diào)整為泥漿護壁作業(yè)的方式。③若現(xiàn)場存在較厚的雜填土層、粉土層等，成孔的孔壁可能因失穩(wěn)而坍塌，為此需輔以護筒護壁措施，土層極為復雜時應(yīng)慎選。④施工深度范圍內(nèi)存在黏土時，為避免“糊鉆”，可采用體開式鉆頭。

3 工程概況

本工程施工現(xiàn)場的地貌單元屬山前沖積平原，工程所在區(qū)域的地質(zhì)條件大體相近。地質(zhì)勘察報告顯示，22.5m以淺主要為粉土、粉砂、細砂，即第四紀全新世沖積形成的地層；22.5m～65.0m為粉質(zhì)黏土，第四紀中晚更新世沖擊形成。水文條件方面，屬第四系松散巖類孔隙潛水，以大氣降水及其河水補給為主，地下穩(wěn)定水位埋深0～4.0m，年變幅約為1.0m～2.0m。

4 施工工藝分析

4.1 護筒的埋設(shè)

準確測設(shè)樁位，在確定中心樁位后，于周邊以人工配合鉆機的方法埋設(shè)護樁，控制埋深，保證穩(wěn)定性；對護筒周邊對稱回填粘土，分層有序夯實，提升護筒的穩(wěn)定性。

4.2 鉆機就位

鉆機就位前，先對鉆機的水平儀、垂直儀做精細調(diào)整，直至氣泡居中為止；而后，伸縮鉆桿，調(diào)整鉆頭的姿態(tài)，使其底部導向尖對準樁位中心；檢測孔位并判斷偏差，要求其在許可范圍內(nèi)。

4.3鉆進

鉆進時，桶式鉆頭切削巖土，將破碎的巖狀巖土裝入鉆斗內(nèi)，在伸縮鉆桿的帶動下提升鉆斗至孔外，以便卸土，按照該方法循環(huán)作業(yè)，持續(xù)取土、卸土。鉆進進尺在護筒頂以下一定深度時，安排孔內(nèi)注漿，鉆孔時根據(jù)實際情況適時補充泥漿，泥漿面低于原地面約20cm，借助泥漿護壁，用于維持孔壁的穩(wěn)定性。泥漿比重1.05～1.15，粘度18s～20s，膠體率不小于95%，含砂率小于4%，pH值大于6.5，按照該要求制備泥漿，確認無誤后方可投入使用。隨著進尺量的增加，待實際鉆進位置到達砂層時，及時變檔換速，遵循輕壓慢轉(zhuǎn)的原則，此舉一方面可減小鉆頭的磨損量，另一方面有利于維持孔壁的穩(wěn)定性。每鉆進3回～5回次后，隨即調(diào)整水平儀、垂直儀，保證鉆進的精度，例如成孔的垂直度需小于1%。鉆進期間鉆斗有明顯的磨損時，及時予以換新，以免影響到鉆孔的孔徑。

鉆進至距離樁底設(shè)計標高約2m～3m時安排驗孔，用測繩測定孔深，判斷是否滿足要求。鉆進至設(shè)計深度時，在鉆斗底部增設(shè)擋砂板，借助此裝置撈取鉆進期間散落在孔底的砂、原狀土，避免孔底沉渣過量。終孔，檢測孔底沉渣厚度，若實測數(shù)據(jù)超過10cm，表明沉渣量超出許可范圍，需將孔底沉渣抽出，直至達到要求為止。

鉆斗的升降速度屬于旋挖鉆孔灌注樁施工中的重點控制指標，鉆斗提升時泥漿在孔壁和鉆斗間流動，若以過快的速度提升或下降鉆斗，泥漿有過強的流動性，導致孔壁遭到泥漿的沖刷，反而會破壞孔壁的穩(wěn)定狀態(tài)。為此，合理控制鉆頭的升降速度尤為關(guān)鍵，鉆斗升降速度參考值見表1。

表1 鉆斗升降速度參考值

鉆斗取出原狀土后，及時將其排放至場內(nèi)渣土堆放區(qū)，經(jīng)一段時間后，渣土風干，此時可安排外運。在本工程中，樁基穿過砂層的深度達到10m，泥漿在使用時易受到污染，含砂率隨著鉆孔進程的推進而增加，因此需及時補充適量優(yōu)質(zhì)的泥漿，保證泥漿的有效性，用于護壁，防止坍孔。

鉆進至砂層時，用液壓縮進裝置加壓，以輕壓慢轉(zhuǎn)的方式運行，以此來減小鉆頭的磨損量、維持孔壁的穩(wěn)定性。每鉆進3回～5回次后，隨即對鉆機的水平儀和垂直儀進行調(diào)整。在中粗砂較密地層和礫石層鉆進時，鉆斗可能有劇烈的磨損，因此需加強檢查，必要時換新，切不可將存在嚴重缺陷的鉆斗繼續(xù)投入使用，否則會影響鉆孔的孔徑。

4.4 清孔

鉆孔后，檢測孔深、孔徑、垂直度等指標，各方面均無誤后即可終孔，而后隨即安排清孔作業(yè)，清理殘留在孔內(nèi)的沉渣。清孔的基本要求是：清孔全程孔內(nèi)水頭高度應(yīng)維持穩(wěn)定；禁止以加大孔深的方法清孔；用檢測錘測量沉淀厚度，要求該值不超過10cm，否則不滿足清孔要求。

根據(jù)前述提及的幾項清孔要求，確定適宜的清孔方法：鉆進完成后，將鉆頭提起10cm～20cm，泥漿正常循環(huán)，以便置換出孔內(nèi)比重較大的泥漿，在此過程中，含砂率呈降低的變化，直至達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)為止。

4.5 鉆孔質(zhì)量要求

鉆孔樁基垂直度偏差≤1%；護筒定位偏差不超過50mm；護筒內(nèi)徑比樁徑大至少100mm；泥漿比重1.15～1.30，含砂率≤4%。

4.6 質(zhì)量控制措施

4.6.1 泥漿的性能控制

(1)以科學的方法制備泥漿，嚴格控制泥漿的比重，保證泥漿的有效性。①每班施工前，先檢測泥漿，判斷泥漿比重、粘度是否滿足要求，鉆進時每2h安排一次檢測。②鉆進期間地質(zhì)條件發(fā)生變化后，根據(jù)地質(zhì)條件對泥漿比重做合理的調(diào)整，保證泥漿能夠適應(yīng)于全新的地質(zhì)條件。③清孔時，每0.5h安排一次泥漿比重的檢測，正常狀態(tài)是隨著清孔的持續(xù)進行泥漿的比重有所降低，如此才可取得良好的清孔效果。

(2)構(gòu)建泥漿系統(tǒng)，如圖1。

圖1 泥漿回收流程

4.6.2 鉆孔質(zhì)量控制措施

(1)鉆孔垂直度的控制 旋挖鉆機由電腦自動控制鉆桿，保證其垂直度的合理性，最終使成型鉆孔的垂直度滿足要求[2]。

(2)鉆孔形態(tài)的控制 為避免鉆進時出現(xiàn)塌孔、縮徑現(xiàn)象，及時用泥漿護壁；經(jīng)檢測，泥漿的指標未滿足要求時，隨即采取調(diào)整措施，發(fā)揮出泥漿護壁的作用，使成型鉆孔的形態(tài)滿足要求。

4.7 鉆進注意事項

鉆進初期輕壓慢轉(zhuǎn)，鉆頭旋轉(zhuǎn)速度不超過10r/min；鉆進作業(yè)人員密切觀察主動鉆桿的運行狀態(tài)，待其完全進入孔后，適當提速，進入正常鉆進階段。鉆孔作業(yè)人員加強對地層的觀察，判斷地質(zhì)情況是否與地勘報告相符，檢驗鉆頭是否具有可行性，必要時根據(jù)實際情況靈活采取調(diào)控措施，例如更換鉆頭、控制進尺速度。

旋挖鉆施工初期，對筒式鉆頭的筒壁對稱加焊護壁鋼板，或是配套合適規(guī)格的導流槽，以此來減小筒斗下部的負壓力，以免由于負壓力過強而“吸鉆”。鉆進時，各回次的鉆進深度約為50cm，采取少鉆勤提的方法，并嚴格控制鉆頭的升降速度，以免孔壁縮頸、坍塌。鉆進時還需檢查鉆頭通氣孔的使用情況，要求其保持暢通；檢查鉆頭的使用情況，判斷是否磨損，若有則采取處理措施，必要時換新。

5 旋挖鉆穿越流沙層的技術(shù)要點

5.1 埋流沙層技術(shù)

在淺層流沙層的旋挖鉆施工中，以埋設(shè)護筒的方法防護孔壁，根據(jù)流沙層的分布情況適當加長護筒，確保護筒可完全穿越流沙層。有效控制孔頂載荷，合理規(guī)劃機械設(shè)備的布設(shè)位置，大型的機械設(shè)備應(yīng)停放在距離孔位較遠處，以防因設(shè)備重力作用而影響到鉆孔的穩(wěn)定性；適時加強護筒、加長護筒，以此來抵御流沙層對旋挖鉆施工的影響，保證正常鉆進。

5.2 合理適配施工機具

深埋流沙層的深度通常超20m，為順利施工旋挖鉆孔灌注樁，需合理適配施工機具[3]。通常，旋挖鉆施工宜采用SR150型旋挖鉆工具，配套摩擦式鉆桿，若旋挖鉆進深度范圍內(nèi)存在砂土層和流沙層，考慮到地層膠結(jié)性能比較差的特點，需采用到雙底板撈沙鉆斗，以便在該地質(zhì)條件中高效鉆進。清孔時，在保證清孔效果的前提下需盡可能縮短清孔時間，以免孔壁長期暴露而失穩(wěn)。此外，于現(xiàn)場配套空氣吸泥機，其作用在于及時清理孔底的沉渣，將孔底沉渣控制在合適的范圍內(nèi)。

5.3 妥善優(yōu)化泥漿性能

深層流沙地層旋挖鉆施工時，需改善泥漿的性能，在泥漿制備環(huán)節(jié)可摻入適量的膨潤土，做充分的攪拌，得到均勻性較好的泥漿。必要時，向漿液內(nèi)摻入適量可用于調(diào)節(jié)pH的試劑。黏土的成分需得到有效的分解，在該“化整為零”的方式下，可增加泥漿中細微顆粒的含量，有效降低泥漿的失水率，使泥漿能夠形成薄而密質(zhì)的泥皮，發(fā)揮出防護的作用，以便在流沙層地質(zhì)條件下有效進行旋挖鉆施工。

在泥漿制備環(huán)節(jié)，為提高漿液的黏稠性，還可摻入適量的CMC，在此類外加劑的作用下，使泥漿黏稠、乳化、懸浮，有效改善泥漿的性能，起到保護膠體的作用。摻入CMC的泥漿能夠使孔壁形成濾層，此結(jié)構(gòu)薄而堅韌，滲透性低，可實現(xiàn)對孔壁失水量的有效控制。旋挖鉆進期間，現(xiàn)場作業(yè)人員及時檢測泥漿的性能，采取嚴格的控制措施，泥漿性能指標存在偏差時，及時予以調(diào)整，泥漿比重、黏稠度、含砂率、pH值等各項指標均要在許可范圍內(nèi)。

除前述提及的要點外，旋挖鉆施工時還需保證泥漿的不循環(huán)使用，在此方式下有助于提高流沙層的穩(wěn)定性；允許適當加大泥漿的比重，相關(guān)施工人員也需在施工期間根據(jù)現(xiàn)場情況(旋挖鉆質(zhì)量、地質(zhì)條件等)及時調(diào)控泥漿的比重，保證泥漿的有效性；在做出旋挖鉆提鉆動作時，難免會由于鉆桿上提而帶出部分孔內(nèi)泥漿，導致鉆孔內(nèi)的泥漿數(shù)量減少，為此需及時補充泥漿，在新注入泥漿的作用下，有效保持水頭壓力的穩(wěn)定性，以免由于水頭壓力異常而誘發(fā)坍孔事故。

6 結(jié) 語

綜上所述，在流沙地質(zhì)采用旋挖鉆技術(shù)時，可有效提高成樁效率，成型樁基的質(zhì)量也較好。旋挖鉆機的自動化程度較高，可更加精準地控制樁位，保證成孔質(zhì)量。在旋挖鉆施工中，泥漿不循環(huán)使用，得益于此特點，可有效減少孔底的沉渣量，若輔助應(yīng)用吸泥機，還有助于減少二次清孔的次數(shù)，因此從這一角度來看還可減少泥漿的使用量，既節(jié)約資源，又緩解環(huán)境污染問題。旋挖鉆施工的配套設(shè)備性能穩(wěn)定可靠，設(shè)備運行時的可控性較好，契合于文明施工的現(xiàn)代工程理念。由此看來，旋挖鉆孔灌注樁施工技術(shù)在流沙地質(zhì)條件中具有可行性，兼具質(zhì)量可靠、經(jīng)濟高效、節(jié)能環(huán)保等特點，富有推廣價值。