花崗巖樁基施工及基坑支護工程技術(shù)控制探討

朱明鑫

中煤湖北地質(zhì)勘察基礎工程有限公司 湖北 武漢 430000

本文將廣州增城荔湖街項目中花崗巖地層基礎支護方法的分析研究與樁基和基坑支護設計相結(jié)合，并且延伸到周邊的復雜環(huán)境中。在分析硬質(zhì)花崗巖的下層和上層中，上層土坑采用鉆孔樁與內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，下層巖腔采用錨桿支撐系統(tǒng)、減振孔與沖擊阻尼孔體系。這是一種新型地基，結(jié)合了吊樁、內(nèi)支撐和減振孔，適用于軟質(zhì)花崗巖頂層和硬質(zhì)花崗巖底層，使對周圍建筑物應下降到最低，事實已經(jīng)證明，對于居民來說，是非常友好的。

1 花崗巖樁基施工要點

1.1 孔口防護、鉆機就位

大直徑的工程樁基，制作很復雜，尤其是直徑1800mm的，要考慮到堅硬巖石的特性，可以采用堅硬巖石建造的樁基，比如國產(chǎn)三一SR360滾花機（扭矩360kN·m，功率300kW，設備最大成孔直徑Φ2500mm，最大成孔深度100m/65m，樁機重量120t）和德國 Bauer BG36（旋挖鉆機扭矩365kN·m，動力403kW，最大直徑Φ2500mm，最大成孔深度80m，樁機重量114t）作為主要的施工設備。當自載旋挖鉆機的承載能力達到100t時，土層上部開口處會產(chǎn)生額外的水平壓力。如果這個洞發(fā)生坍塌，就會使鉆機受到損害。在鉆孔過程中，應采取預防措施，盡量減少鉆機對腔壁穩(wěn)定性的負面影響。

1.2 孔口埋設護筒

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查報告，孔的開口部位主要以泥沙為主，由極軟砂至硬砂質(zhì)粉砂和中等密度的松散粉砂組成。護筒用到的鋼板厚度為20mm，柜體每節(jié)長度為3m，通過多節(jié)焊接搭接的方法均勻穿過松散的土層，最長為9m。護筒利用鋼殼的穩(wěn)定性進行鉆孔。通過在保護管位置前面畫一個十字準線來確定堆棧中心的位置。如果有些許偏差可以進行微調(diào)，然后用它與1800mm的齒鉆斗對準樁一起調(diào)整堆放位置?？梢韵茹@一個 6m 深的孔，然后用振動錘敲入鋼制保護筒。為安全起見，地板上方有一根1米長的保護軟管，用于固定安裝。定位后，補充并壓實殼口周圍鉆孔的土樣。這些孔被焊接到帶有保護網(wǎng)的水平擋板上，可以有效防止管道沉降[1]。

1.3 泥漿配制

項目中用到的大直徑硬石屋面采用高分子聚合物改性化學粘土，其中添加了墻面防腐劑、上清液、穩(wěn)定劑等多種添加劑，使得改良后的粘土可以滿足建筑需求。漿料有效性的主要指標是密度、粘度、含砂量和CN達標。將清水倒入土盆中，利用循環(huán)泵進行作業(yè)，藥粉可以從泵出口均勻噴出。重量比通常在 0.01% 和 0.1% 之間，具體取決于具體的土層。如果粘度超過 28 Pa·s，可以直接加水稀釋。如果粘度小于30Pa，則需要增加攪拌時間后補充化學粉末。在存在幾層沙子的情況下，需要不斷地添加土壤并在鉆井過程中保持鉆井液的水平。在洞底鉆一個洞后，暫停15-30分鐘（時間由洞的深度決定），并用平沙桶清理地板?；炷翝仓^程中返回的粘土粘度在處理前要重新測量，以供具體參考。

1.4 土層段鉆進

根據(jù)研究報告，鉆井方法是根據(jù)井的地質(zhì)特征選擇的。在對土層進行鉆孔時，要盡可能縮短鉆孔時間，及時鉆孔，保證水頭的壓力。

1.5 巖層段鉆進

1.5.1 碎巖方法

工程樁基的承載層為中風化石層，石層非常堅硬。為了克服堅硬地層中的大部分鉆井阻力，采用了傾斜空腔間隙的設計方案。用最大直徑為1.8m的鉆孔為例子，先選用1000mm的小號圓錐滾子鉆進行鉆孔，將芯子拉到盡可能遠的地方，形成一個完全自由的表面，然后更換滾子用1500mm、1800mm分級擴張孔洞。

1.5.2 加強牙輪焊接控制

旋挖鉆采的原理是用高壓將鉆頭壓入巖石中，在作用力很強的的頭部啟動扭矩，對巖石進行切割和破壞。由于壓縮載荷和扭矩的共同作用，在鉆頭接觸地面時會產(chǎn)生巨大的剪切力。而且正確型號的工具可以有效減少按壓石材時的阻力。有一個原則是使用球面工具方便切碎堅硬的石頭，因此該項目就可以選擇鋼合金球面滾子。由于硬巖鉆進時間較長，不僅機械磨損大，而且會直接造成碎石鉆頭的磨損。旋挖鉆機的巖石滲透率受許多因素影響。鉆頭的有效載荷與鉆頭的設置密切相關(guān)。施工人員必須為鉆孔焊縫制作專用設備和夾具，還要考慮焊縫的位置和角度，以減少或消除鉆孔過程中的局部損壞 。

1.5.3 選定優(yōu)質(zhì)牙輪

項目中使用的新型錐體具有更厚的軸承系統(tǒng)。很大的厚度允許優(yōu)化和改進密封的結(jié)構(gòu)。新型牙輪可以提供高溫和快速良好的軸承密封。軸承用完油脂后，可快速補充腔內(nèi)潤滑脂，保證持續(xù)潤滑，提高軸承的使用壽命。

1.5.4 孔底沉渣清理

有幾種方法可以清理井底的沉積物。在大直徑樁基的施工中，傳統(tǒng)上使用的是正向和反向循環(huán)的粘土砂分離器，因為孔內(nèi)含有大量土壤。正循環(huán)沖洗需要1天左右才能清除大口徑孔口下的泥沙，工作效率低。使用反向循環(huán)至少需要4小時。如果隨著時間的推移沒有及時供應混凝土，正循環(huán)和反向循環(huán)沖洗也達不到想要的效果，使得殘渣就需要再次清除[2]。

1.5.5 鋼筋籠制安、導管安放、混凝土澆筑

使用直徑為300mm的圓角澆注混凝土。在澆注之前，確定要使用的管道的長度和容量。凹槽長度適中，依次鋪設在孔洞入口前，確保底部距離孔底30-50cm。計算排水溝的深度和所需的初始混凝土坡度，并在現(xiàn)場檢查混凝土標簽使之合格后，將適量的膨脹蛭石放入導管口，確?；炷翛]有落到下面。同時兩輛裝滿混凝土的車進行灌注，使通道底部埋入混凝土1m，混凝土溢流高度應高于煙囪設計高度50cm，并在鑄造過程中登記。

2 花崗巖基坑支護關(guān)鍵技術(shù)

本項目研發(fā)解決問題的主要技術(shù)是在花崗巖層鉆孔時避免軟頂軟底硬度對開挖造成不穩(wěn)定，減少對周圍建筑物因振動而造成的影響。該項目使用內(nèi)部支撐與阻擋擔架，創(chuàng)新噴錨工藝與減振孔效果更好。

2.1 地層概述

直接參與鉆孔開挖的土層：普通路堤1-2，砂土10-1，剩余礫石土11-2，完全風化花崗巖17-1，零星耐候花崗巖17-2，17-3。強風化碎屑花崗巖，中風化花崗巖17-4，微風化花崗巖17-5。

福建泥炭地基常受土層深厚、土體自穩(wěn)能力差、環(huán)境惡劣、樁錨（內(nèi)支）、高剛度支護體系等因素的影響。因此，“環(huán)形吊索（墻）與內(nèi)支撐/錨索”的緊固方式成為了深坑的理想替代方案。為了支持其設計方案，樁身必須包裹在中度風化的花崗巖中?？紤]到現(xiàn)有的技術(shù)和設備，以及基坑支護工程的施工時間和成本，支樁埋入巖層的深度有限，部分堆棧懸浮在空中，即所謂的“懸浮堆棧”。由于“懸吊”巖面深度不小于站臺基溝，不能使用傳統(tǒng)的計算模型，拖曳特性也與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)模型不同。參考與國內(nèi)外研究情況類似的工程實例，將此類雙石地基的設計分為兩部分。第一部分是鉆孔和固定的石頭部分;第二部分是石材基礎表面的開挖和下一塊石材的支撐設計。基坑設計和初始支護計算的主要方法是采用普遍接受的彈性阻力法，選擇“吊索堆”的切面作為主腔體的支撐結(jié)構(gòu)。在基溝鑿巖的第二部分，可在樁巖面下方安裝巖架，以固定樁腳，固定“椽樁”樁腳。在施工工藝等因素的影響下，可能會損壞替換石材的路肩，導致樁基失去支撐。因此，必須在樁進入剪切面前主動施加外力。在正常情況下，腳鎖式儀表使用的錨索或內(nèi)部鋼管支架。止動支架的錨索和鋼管內(nèi)支架的抗拉強度應大于水平壓力和地壓。根據(jù)支架的不同，錨固支架下錨索的張力將是最重要的控制因素[3]。

2.2 設計工況研究分析

工程情況與基坑支護結(jié)構(gòu)的工作情況有關(guān)，在上層開挖使支護結(jié)構(gòu)達到設計強度后開挖下一層結(jié)構(gòu)。基礎工程計算應根據(jù)設計情況單獨計算，取最大值作為設計參數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件、基溝深度和環(huán)境，圍欄施工將采用Φ1000@1200鉆（沖）孔灌注樁+Φ800@1200二重管止水帷幕。對于窗簾 1-4 通道內(nèi)支架 與 錨索垂直安裝。底溝采用噴混凝土與防塵孔。

2.3 土層開挖階段施工法

在將基礎溝槽從地面挖出到錨線的位置后，支撐結(jié)構(gòu)繼續(xù)作為樁模式發(fā)揮作用。此時，基礎樁刺入基巖的深度對開挖的應力和變形有顯著影響。但是，從研究報告中可以發(fā)現(xiàn)，正常和部分風化的巖石在巖石的軸上具有非常高的抗壓強度。通過對不同埋深、安全性、經(jīng)濟性和現(xiàn)有技術(shù)的計算和比較，保證施工過程中開挖的樁能夠穿透2.5m的中型巖石。

隨著基礎空腔從止動錨索位置移動到樁身最高位置，基坑內(nèi)的土體被鉆孔，土體的被動壓力消失，形成“環(huán)”式吊索。該結(jié)構(gòu)可以使用內(nèi)部支撐承受主溝外的主動土壓力。由于樁底無惰性土壓力，采用聯(lián)鎖錨索防止惰性土壓力。

2.4 “吊腳樁”基坑的穩(wěn)定性驗算

基本穩(wěn)定性分析的核心內(nèi)容包括全局穩(wěn)定性、反生成穩(wěn)定性、綜合穩(wěn)定性和流動穩(wěn)定性。但二元巖土基坑很特別。壁爐的下部襯有中度風化的花崗巖?；◢弾r具有較高的石材強度和較高的石材彈性模量。此外，該類主河道地下水主要由巖縫組成，含水量較低。如上所述，整體穩(wěn)定性分析、反舉穩(wěn)定性分析和雙巖槽流動穩(wěn)定性分析并不重要，只需要研究整體穩(wěn)定性。埋地“懸樁”穩(wěn)定性分析是對圍繞轉(zhuǎn)折點的旋轉(zhuǎn)距離平衡的一般分析，是對“懸樁”埋地部分橫向穩(wěn)定性的評價分析。根據(jù)選擇的各種支點，“懸索橋堆”的橫向穩(wěn)定性分析可分為圍繞支點的地下穩(wěn)定性分析和圍繞作業(yè)點的地下穩(wěn)定性分析[4]。

2.5 巖層爆破階段施工法

本項目開挖受限于周邊建筑的影響，部分地區(qū)有高石地基，在有限的開發(fā)區(qū)域內(nèi)造成各種復雜情況。因此，此階段需要進行垂直鉆孔。

垂直鉆孔的難易程度取決于要保證吊骨堆下巖石的完整性。通過研究報告對巖體的分析，現(xiàn)階段要采用螺栓與鋼筋混凝土面支護來提高巖體的整體穩(wěn)定性，保證吊腿質(zhì)量的垂直力。

同時，設計了減震孔法，以減少振動波，使主基坑的爆炸在盡可能減少對居民和周圍行人的影響下進行。

基礎索錨索下的地質(zhì)部分主要由中度未蝕花崗巖組成。開挖容易受到周邊惡劣環(huán)境影響，有時要在有限的施工區(qū)域內(nèi)完成各種復雜的施工任務。因此，現(xiàn)階段只能使用垂直鉆孔。垂直鉆孔的難易程度取決于保證吊骨堆下巖石的完整性。研究報告分析了巖體的完整性，現(xiàn)階段采用螺栓與鋼筋混凝土面支護來提高巖體的整體穩(wěn)定性，保證吊腿質(zhì)量的垂直力。同時，車站需要設置阻尼孔，以減少振動，以便在減少對附近居民、行人影響的條件下，輕松進行主基坑爆破。阻尼孔的減振原理是利用阻尼孔形成的隔離區(qū)。由于它在爆炸時吸收和消散大量的爆炸振動能量，從而充分實現(xiàn)了絕緣區(qū)后面區(qū)域的振動，以及振蕩爆發(fā)的頻率。在特定要求的框架內(nèi)，將爆炸過程中對環(huán)境的影響降到最低，保證了爆炸時的安全。

生產(chǎn)過程性能可靠，靈活性和可用性好，有效控制資源投入，節(jié)約材料，降低安全風險，保證了安全。該方法施工性優(yōu)良，解決了復雜花崗巖床層環(huán)境下支撐深部采石場的基礎建設難題，具有質(zhì)量可控、結(jié)構(gòu)方便、靈活高效、成本效益、安全性、創(chuàng)造性等諸多優(yōu)點。該項目仍處于研發(fā)階段，其主要成果有：(1) 表土基坑為粗體與內(nèi)支護結(jié)構(gòu)，下部巖質(zhì)基坑采用錨噴支護與減振孔的支護體系。(2) 在表土設計階段，由于花崗巖強度適中，輕微風化，挖樁施工難度很大。默認堆棧插入深度不應太大。(3) 鉆穿土層后，被動土壓力在埋藏體下?lián)p失，形成“懸吊體”格局。此時，重物傾向于輕微上下移動，大部分移動發(fā)生在堆棧的底部。因此，聯(lián)鎖錨索在爆破階段對錨樁的拉起有著非常重要的作用。 (4) 埋巖設計階段應考慮爆炸對基礎墻體、周圍結(jié)構(gòu)和管道末端巖石的影響。噴射混凝土墊層加強了采石場側(cè)巖基的強度，三組減振孔提供超過一半的巖層可以在周圍形成的減振效果[5]。

3 項目研發(fā)中的創(chuàng)新點

該項目的創(chuàng)新研發(fā)點是堵住地腳錨索和隔開減震孔。

(1)當基槽從錨索位置移動到樁基時，基坑內(nèi)的土體被開挖，導致被動地壓損失，形成“懸樁”。該結(jié)構(gòu)可以使用內(nèi)部支撐承受主溝外的主動土壓力。由于樁底無惰性土壓力，需要采用聯(lián)鎖錨索防止惰性土壓力。

(2)在爆破設計階段，采用帶有減震孔的爆破系統(tǒng)設計，以減少振動。

阻尼孔的減振原理是利用阻尼孔形成大廳的隔離區(qū)。由于它在爆炸時吸收和消散大量的爆炸振動能量，從而充分實現(xiàn)了絕緣區(qū)后面區(qū)域的振動大大降低。在特定要求的框架內(nèi)，將爆炸過程中對環(huán)境的影響降到最低，保證了爆炸的安全。

為保證方案設計方案的合理性，在基坑爆破鉆孔前，需要準備現(xiàn)場試驗安裝減振孔，以減少其對周圍的影響。

分析安裝一系列阻尼孔時的爆炸振動率試驗數(shù)據(jù)，阻尼率為8.78%-30.08%，平均值為19.92%。雙排減振孔的減振率為16.71%-51.97%，平均減振率為38.28%。三對孔隔振效果最好，減振率為41.32%-69.23%，平均隔振率為56.83%，三排孔可減振。

4 結(jié)束語

通過對復雜條件上層和下層硬質(zhì)花崗巖工程實例的研究，得出以下結(jié)論：1) 上部土坑采用粗樁與內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，下部巖坑采用錨噴支護與減振孔。使其對周邊社區(qū)和居民的影響降至最低。2) 上層土體設計階段，挖樁施工難度大，中型微風化花崗巖強度高。微經(jīng)可以有 1.5m 的大小。3) 在土壤鉆孔結(jié)束時，當回填體下的惰性土壤壓力消失時，會形成“吊索”模式。此時，重物傾向于輕微上下移動，大部分移動發(fā)生在堆棧的底部。因此，聯(lián)鎖錨索在爆破階段對錨樁的拉動起著非常重要的作用。4) 埋巖層設計階段應考慮爆炸對基礎墻體、周圍結(jié)構(gòu)及管道邊緣巖石的影響。 噴射混凝土支撐加強了采石場邊石塊的強度，三組減振孔可以提供一半以上的減振效果，從而進行周圍石料的爆炸操作，以最大程度減少對周圍環(huán)境和氣候的影響。