鉆孔灌注樁穿透厚砂層地質施工技術研究

凌漢清，阮茂青，汪盛宇

（中鐵北京工程局集團有限公司，北京 102300）

1 引言

隨著國家基礎建設的飛速發(fā)展，鉆孔灌注樁基礎施工工藝已經(jīng)十分成熟，但是在穿透厚砂層地質條件下，特別是穿透砂層后又遇到巖層的地質，選擇沖擊鉆或者回轉鉆將造成工期延長或者增加投入，選擇旋挖鉆機又極易引起塌孔、沉渣厚的問題，甚至存在鉆機因塌孔而沉陷傾覆的危險，因此，對該種地質的施工工藝控制進行研究尤為重要。對此，論文針對該種地質施工過程中可能出現(xiàn)的不良狀況進行分析和總結，提出解決措施，為工程項目減少了成本，也為同類工程施工起到很好的借鑒作用。

2 工程概述

徽州大道南延工程地處安徽省廬江縣境內(nèi)，是連接合肥市與廬江縣的一條快速通道，設計速度80 km/h，雙向六車道。該區(qū)域屬于圩區(qū)，項目樁基體量大，共2 172根鉆孔灌注樁，樁長分布在32~40 m，樁徑有1.5 m、1.6 m和2.0 m，場地范圍內(nèi)大部分為農(nóng)田，地勢整體較為平坦。根據(jù)橋位樁基附近工程地質鉆孔資料顯示，從上至下依次主要以4~6 m黏土層（含素填土、粉砂、淤泥質黏土等）、10~20 m砂層（包含細砂、中砂、粗砂等）及下層強、中風化砂質泥巖等組成。地下水位高，一般水位在原地面以下約1 m。

3 鉆機選擇

本標段內(nèi)小里程樁長范圍內(nèi)的地層分布自上而下為4~6 m黏土層、10~15 m砂層（包含細砂、中砂、粗砂）及下層強風化砂質泥巖組成，強風化泥巖抗壓強度≤2 MPa。大里程段范圍內(nèi)依上而下則是4~6 m黏土層、10~20 m砂層（包含細砂、中砂、粗砂）及下層強、中風化砂質泥巖組成，其中，中風化泥巖抗壓強度在2~15 MPa。因此，在小里程段鉆機選擇反循環(huán)鉆機，大里程段選擇旋挖鉆機。反循環(huán)鉆機造價低、成孔速度較快，對孔壁擾動較小，但遇到巖層很難鉆進。旋挖鉆機成孔快、對泥漿需求量小，能適應軟弱巖層鉆進，但對孔壁擾動較大。鉆機選型效果對比見表1。

4 泥漿指標控制

泥漿性能指標的控制是成孔質量保證的一個重要因素，泥漿指標過小，將難以形成有效泥皮護壁，出現(xiàn)縮孔、塌孔現(xiàn)象，過大又容易造成糊鉆，進尺緩慢的情況。為使泥漿滿足性能指標，現(xiàn)場采用優(yōu)質PHP（聚丙烯酰胺不分散低固相）泥漿[1]，配合比見表2，PHP泥漿性能指標見表3。

表3 PHP泥漿性能指標表

通過現(xiàn)場實踐，在這種中間夾砂層的地質鉆進中，最適宜指標是泥漿比重1.14~1.15 g/cm3，黏度18~20 mPa·s，含砂率＜6%。泥漿儲備量應達到樁身3倍體積，各階段泥漿性能指標見表4。

在鉆進過程中應配置濾砂機，在泥漿循環(huán)中，要及時過濾鉆進中懸浮在泥漿中的砂粒。這是由于砂粒會短暫懸浮于泥漿中，清孔完畢后會很快形成沉渣，造成沉渣過厚，影響樁身質量。

5 施工過程控制

5.1 鉆進速率

在砂層段，回轉鉆機鉆進速率應控制在1~3 m/h，在黏土或軟巖段，以0.5~1 m/h鉆進，現(xiàn)實施工中，往往因疏于管理，在砂層地段鉆進過快，極易發(fā)生塌孔，一是由于快速鉆進加大對孔壁的擾動；二是過快鉆進時，鉆頭處的泥漿尚未對孔壁形成有效的保護泥皮，特別在有地下暗流情況時，極易發(fā)生塌孔。不同地層鉆進速度控制見表5。

表5 不同地層鉆進速度控制表

5.2 水頭控制

在這種地下水位高、砂層地質，如再加上地下暗流，泥漿液面高度控制尤為重要。在實際施工時，如地勢平坦，作業(yè)人員往往圖施工簡便，疏于水頭控制，造成孔內(nèi)壓力不足以抵消孔外水土壓力，引起縮孔現(xiàn)象甚至塌孔情況。因此，這種特別地質情況下，必須增加水頭高度，因原地面平坦的限制，應增加泥漿循環(huán)體系的整體高度，可填土筑島，確保孔內(nèi)壓力。針對這種厚砂層地質，泥漿水頭高度應不低于地下水位高度2.0 m[2]。

5.3 鋼筋籠下放

鋼筋籠下放時，應避免下放時鋼筋籠觸碰孔壁造成破壞干擾塌孔，需要著重控制好吊放時的垂直度，要求吊放鋼筋籠時必須增加頂部扁擔的方法，嚴禁直接將吊鉤扣在鋼筋籠上，橫向扁擔兩邊的吊點距離等于鋼筋籠直徑，保證鋼筋籠基本豎直下放。同時，鋼筋籠存放和起吊時要確保不發(fā)生變形，鋼筋籠變形勢必導致下放式剮蹭孔壁。

要盡可能縮短鋼筋籠下放時間，減少工序銜接時間，一方面減小塌孔發(fā)生率，另一方面避免沉渣厚度過大。可采取的措施有鋼筋籠節(jié)段加工時盡可能減少分段數(shù)量，鋼筋籠連接避免采用焊接連接方式，采用機械連接方法，如直螺紋套筒、冷擠壓套筒等工藝，大大縮短工序時間。

5.4 水下灌注

在砂層地質鉆進中，由于懸浮砂顆粒會短暫懸浮后沉底，因此，在二次清孔及沉渣檢測后，應及時進行灌注。導管進場后，需試拼試壓，不得漏水。導管組裝后軸線偏差不超過鉆孔深的0.5%且不大于10 cm，試壓力為孔底靜水壓力的1.5倍，導管底部距孔底有30~40 cm。封底混凝土量根據(jù)計算確定，保證封底完成后，埋入導管1 m左右。隨混凝土灌注高度提升而拔管，過程中保證導管埋深2~6 m[3]。灌注混凝土應具備良好的流動性，坍落度宜控制在18~20 cm，控制好灌注速率，因為混凝土較硬或者灌注速度過快都會造成浮籠情況發(fā)生，這不僅會導致鋼筋籠上浮，也會造成鋼筋籠上浮時擾動孔壁，造成砂層孔壁坍落現(xiàn)象，引起混凝土夾層，造成樁身質量問題。

首批混凝土灌注前，必須做導管的過球和壓水試驗，確保無漏水、滲水現(xiàn)象，驗收合格后方能使用，接頭連接處須加密封圈并上緊絲扣，導管下完后，還須進行第二次清孔，在灌注混凝土前，再次量測孔深、孔底沉渣厚度。

首盤混凝土灌注量與泥漿至混凝土面高度、混凝土面至孔底高度、泥漿的密度、導管內(nèi)徑及樁孔直徑有關。首灌混凝土量應根據(jù)孔徑進行計算，保證首灌埋管深度＞1 m。首灌混凝土量根據(jù)式（1）計算：

式中，V為灌注首批混凝土灌注量，m3；ρ為混凝土密度，t/m3；D為樁孔直徑，m；H1為樁孔底至導管底端間距，取0.4~0.5 m；H2為導管初次埋深不小于1 m；d為導管內(nèi)徑，m；Hw為泥漿的深度，m；γw為泥漿的重度，取12 kN/m3；γc為混凝土拌和物的重度，取24 kN/m3。

孔徑越大，首批灌注的混凝土量越多，由于混凝土量大，因此可能出現(xiàn)離析現(xiàn)象，首批混凝土在下落過程中，由于和易性變差，受的阻力變大，常出現(xiàn)導管中堵滿混凝土甚至漏斗內(nèi)還有部分混凝土的現(xiàn)象，此時應加大設備的起重能力，以便迅速向漏斗加混凝土，然后稍拉導管，若起重能力不足，則應用卷揚機拉緊漏斗晃動，使混凝土順利下滑至孔底，下灌后，繼續(xù)向漏斗加入混凝土，進行后續(xù)灌注。另外，拔管不要太快，否則易導致澆空造成斷樁。

6 結語

1）反循環(huán)回轉鉆機適用于含砂地層的成孔，但不適用于非軟弱巖層的情況；旋挖鉆機適用于非堅硬巖層的樁基成孔，在砂層地質鉆進時，對孔壁的擾動相對較大，易引起擴孔、塌孔現(xiàn)象。在穿透厚砂層地質后遇到非堅硬巖層時，優(yōu)選旋挖鉆機成孔，但要在泥漿、鉆進速率等方面加以控制。

2）穿透厚砂層地質的鉆孔樁泥漿指標控制尤為重要，經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn)，該種地質的泥漿指標為密度1.14~1.15 g/cm3，黏度18~20 mPa·s，含砂率＜6%時，在防塌孔和保證樁身質量上最為適宜。

3）穿透砂層地質時鉆進速率要相對緩慢，速率應控制在1~3 m/h較為適宜。

4）泥漿液面的高度應高出地下水位2.0 m以上。

5）為減少鋼筋籠剮蹭孔壁，可以采用扁擔梁吊裝的方法確保垂直度，施工過程中應盡可能減少工序時間，可以采用機械連接替代焊接的方法。

6）水下灌注時，要保證混凝土坍落度和流動性，注意灌注速度，避免浮籠情況的發(fā)生。

徽州大道南延廬江項目采用6臺反循環(huán)回轉鉆和4臺280型旋挖鉆機，通過對泥漿性能指標和鉆進速率等的過程控制，采用PHP泥漿并可循環(huán)利用，減少了施工成本。成孔檢測結果表明，垂直度均＜1/300，擴孔率＜3%。成樁后檢測樁基完整性良好，I類樁達到98%。