軟土地質(zhì)超大超深鉆孔樁成孔施工技術(shù)研究

熊 煒

（上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，上海市 200433）

0 引言

東部沿海地區(qū)一直是國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)，隨著城市建設(shè)的推進(jìn)，受土地資源的限制，很多沿海城市從20 世紀(jì)90 年代起開始圍墾填海，增加城市建設(shè)發(fā)展的區(qū)域。隨之而來，圍墾軟土地質(zhì)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)一直延續(xù)至今。高速公路橋梁建設(shè)尤為重要，施工質(zhì)量也是圍墾區(qū)發(fā)展的前置條件。橋梁工程中，鉆孔灌注樁作為常用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，更是關(guān)鍵部位。

本文依托的是溫州地區(qū)高速公路“十三五”規(guī)劃建設(shè)（見圖1）中的金麗溫高速公路東延線工程TJ03 標(biāo)機(jī)場(chǎng)樞紐段實(shí)體工程項(xiàng)目。金麗溫高速公路東延線工程起點(diǎn)位于金麗溫高速公路南白象樞紐溫瑞大道西側(cè)，起點(diǎn)里程樁號(hào)K0+000，順接金麗溫高速公路，一路沿著通海大道設(shè)置高架往東至前街。在八甲變電站附近設(shè)置機(jī)場(chǎng)西（永中）互通銜接甌江口大道，并通過連接線銜接濱海大道，路線經(jīng)前街后一路往東高架橋跨越，跨過規(guī)劃軌道S2 線、濱海大道，終點(diǎn)設(shè)機(jī)場(chǎng)樞紐與甬臺(tái)溫高速?gòu)?fù)線銜接，終點(diǎn)位于通海大道交叉口，終點(diǎn)樁號(hào)K22+084.528，路線全長(zhǎng)22.046 km。本項(xiàng)目的建設(shè)可為形成溫州“田”字型高速公路網(wǎng)絡(luò)格局奠定基礎(chǔ)，項(xiàng)目總投資1 101 751 萬元。

圖1 溫州市高速公路“十三五”規(guī)劃建設(shè)示意圖

在金麗溫高速公路東延線工程TJ03 標(biāo)機(jī)場(chǎng)樞紐段實(shí)體工程施工過程中，采用旋挖鉆機(jī)、GPS 反循環(huán)鉆機(jī)、GF 正循環(huán)汽車鉆，針對(duì)孔徑1.5 m 以上，孔深80 m 以上的鉆孔樁成孔施工，從成孔能耗、成孔工效、成孔質(zhì)量以及不同成孔工藝的控制方式這幾個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析，論證在軟土地層的施工可行性及設(shè)備的優(yōu)化配置。

1 概況

1.1 結(jié)構(gòu)形式

金麗溫高速公路東延線工程TJ03 標(biāo)機(jī)場(chǎng)樞紐段位于溫州市龍灣經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，為金麗溫高速公路接甬莞高速互通新建橋梁。橋梁下部結(jié)構(gòu)主要為樁柱式結(jié)構(gòu)，鉆孔灌注樁徑為1 m、1.2 m、1.3 m、1.5 m、1.8 m、2 m、2.2 m 共7 種樁徑，其中樁徑1.5～2.2 m 占90%以上，樁長(zhǎng)范圍集中在80～90 m，且均為摩擦樁[1]。

1.2 地質(zhì)情況

橋址區(qū)上部為全新統(tǒng)沖海積、海積軟土，局部為海積軟塑黏土，整體厚度約20～30 cm。軟土層多為海積黏性土，軟塑-軟可塑狀，性質(zhì)較差-一般，厚度較大。局部夾沖湖積粉質(zhì)黏土、沖海積粉細(xì)砂，均不連續(xù)分布；中下部以沖湖積、海積黏性土為主，灰色、灰綠色，可塑狀，厚度大，性質(zhì)一般-較好，局部分布厚層的沖級(jí)粉細(xì)砂，灰色，中密-密實(shí)狀，不連續(xù)分布。

樞紐區(qū)中下部⑥4層粉質(zhì)黏土和⑥7層圓礫層力學(xué)性質(zhì)較好，分布較穩(wěn)定，為橋的主要樁基持力層，⑥1層粉質(zhì)黏土和⑥3粉砂層力學(xué)性質(zhì)較好。機(jī)場(chǎng)樞紐主線橋位于廣闊的海積平原，上部軟土層厚度20.0～35.0 m，下伏以海積地層為主，間夾沖湖積地層，下部沖湖積地層相對(duì)偏厚。第四系下部為圓礫、卵石層，埋深92.6～94.6 m，見圖2[2]。

圖2 典型地質(zhì)柱狀分布圖

2 成孔施工

2.1 設(shè)備選型

根據(jù)鉆機(jī)成孔方式的不同（見表1），并結(jié)合地層分布及樁長(zhǎng)樁徑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，選取GPS-20 反循環(huán)鉆機(jī)、GF-400 汽車鉆以及SR360 旋挖鉆機(jī)進(jìn)行成孔質(zhì)量、效率以及功耗的對(duì)比分析。因沖擊鉆在軟土地層成孔效率低且擴(kuò)孔率大，多用于堅(jiān)硬巖層或卵石層地區(qū)，故本項(xiàng)目沖擊鉆僅作清障使用，不進(jìn)行樁基施工的成孔施工對(duì)比分析。

表1 成孔方式適用范圍[3-4]

2.2 成孔過程質(zhì)量控制措施[5]

在本項(xiàng)目樁基施工過程中，采用GPS-20 反循環(huán)鉆機(jī)、GF-400 汽車鉆以及SR360 旋挖鉆機(jī)進(jìn)行成孔施工。在施工過程中主要采取以下措施來控制施工質(zhì)量：

（1）場(chǎng)地平整及換填。對(duì)施工便道及施工平臺(tái)進(jìn)行換填壓實(shí)處理，表層地基承載力達(dá)到80 kPa 以上，滿足設(shè)備進(jìn)出的需求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況換填深度在0.5～2 m。GPS 樁架處采用型鋼和方木對(duì)架體進(jìn)行限位，防止成孔過程中架體搖晃。部分區(qū)域鋪設(shè)鋼板或硬化處理，保障旋挖鉆進(jìn)出及施工安全。

（2）泥漿護(hù)壁。GPS-20 反循環(huán)鉆機(jī)及GF-400汽車鉆主要采用原土造漿+輔助人工造漿的護(hù)壁措施，SR360 旋挖鉆借助其他2 種鉆機(jī)成孔造漿進(jìn)行護(hù)壁。成孔過程泥漿的相對(duì)密度在1.3～1.4，并采用旋流除砂器進(jìn)行除砂。

（3）鉆頭選取及鉆進(jìn)速度。選取略小于樁徑的鉆頭，開孔階段采取低進(jìn)慢出，鉆至鋼護(hù)筒下2 m 以后正常鉆進(jìn)。遇到地層變化帶，減緩鉆進(jìn)速度，達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)層后正常鉆進(jìn)?？咨钸_(dá)到60 m 以下后，適當(dāng)降低鉆進(jìn)速度，增加測(cè)繩檢測(cè)頻次，且測(cè)繩多面檢測(cè)，成孔遇到臺(tái)階或孔斜較大時(shí)，及時(shí)調(diào)整進(jìn)尺，緩慢提鉆至問題深度，持續(xù)削孔，過程中泥漿正常循環(huán)。

（4）鉆桿及磨盤監(jiān)控。在鉆進(jìn)過程中，當(dāng)回旋鉆機(jī)及汽車鉆每次接長(zhǎng)鉆桿時(shí)，采用水平尺對(duì)樁架磨盤水平度及鉆桿垂直度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并及時(shí)進(jìn)行糾偏。定期檢查鉆桿，對(duì)變形嚴(yán)重的鉆桿及時(shí)更換。

（5）鋼護(hù)筒加長(zhǎng)及護(hù)樁埋設(shè)。本項(xiàng)目對(duì)鋼護(hù)筒進(jìn)行加長(zhǎng)，護(hù)筒長(zhǎng)度不小于1.5D 樁徑，并埋設(shè)護(hù)樁。在軟土地質(zhì)條件下，成孔過程對(duì)土體擾動(dòng)較大，護(hù)樁僅對(duì)鋼護(hù)筒進(jìn)行臨時(shí)糾偏，樁基成孔中心隨時(shí)進(jìn)行GPS 復(fù)測(cè)。

2.3 成孔分析

在施工過程中，通過成孔能耗、成孔效率、成孔質(zhì)量、施工措施以及節(jié)能減排等多方分析，確定適用于軟土地質(zhì)條件下超大、超深鉆孔灌注樁成孔施工大范圍推廣的設(shè)備組合及成孔工藝。

2.3.1 成孔工效分析

本項(xiàng)目采用3 種鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔灌注樁施工，每種設(shè)備采用不同的成孔工藝各施工100 根樁基，從成孔效率、能耗、成孔質(zhì)量采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析（見表2）。

表2 成孔施工工效分析

2.3.2 成孔質(zhì)量結(jié)果分析

（1）GPS-20 鉆機(jī)（長(zhǎng)5.7 m×寬2.4 m×高9.3 m）可采用正循環(huán)成孔或氣舉反循環(huán)成孔，正循環(huán)成孔主要能耗37 kW 主機(jī)+44 kW 泥漿泵；氣舉反循環(huán)成孔主要能耗37 kW 主機(jī)+55 kW 空壓機(jī)+22 kW除砂機(jī)。成孔質(zhì)量基本可控，施工平臺(tái)要求高，需整平且基本壓實(shí)，地基無較大沉降。在成孔施工過程中，架體存在細(xì)微晃動(dòng)。在前期施工過程中，成孔垂直度在0.5～0.8，部分孔深在80 m 以上的樁需進(jìn)行二次掃孔，糾正后成孔垂直度控制在0.50～0.67，澆筑充盈系數(shù)1.07～1.10。

（2）GF-400 汽車鉆（長(zhǎng)11.5 m×寬2.5 m×高3.6 m）可采用正循環(huán)成孔或泵吸反循環(huán)成孔，正循環(huán)成孔主要能耗55 kW 主機(jī)+44 kW 泥漿泵；泵吸反循環(huán)成孔主要能耗278 kW 主機(jī)+22 kW 除砂機(jī)。成孔質(zhì)量較好，進(jìn)出便道需平順壓實(shí)，施工平臺(tái)平整，地基無較大沉降。在成孔施工過程中，成孔垂直度平均在0.50～0.65，基本無二次掃孔，澆筑充盈系數(shù)1.05～1.08。

（3）SR360 旋挖鉆成孔主要能耗399 kW 主機(jī)+22 kW 泥漿泵。成孔質(zhì)量一般，施工場(chǎng)地要求非常高，進(jìn)出場(chǎng)地需平順壓實(shí)，因設(shè)備自重達(dá)到146 t，施工現(xiàn)場(chǎng)原地基多為農(nóng)田或近海吹填灘涂地，需進(jìn)行換填處理并鋪設(shè)鋼板。成孔垂直度平均在0.60～0.65，澆筑充盈系數(shù)1.08～1.12。

2.3.3 成孔質(zhì)量影響因素及保證措施[5]

在本工程施工過程中，項(xiàng)目部通過展開QC 活動(dòng)，總結(jié)出影響成孔施工質(zhì)量的主要因素包括但不限于：鉆頭選取、鉆桿垂直度糾偏、施工平臺(tái)、鉆機(jī)本身質(zhì)量、操作班組人為因素等（見表3）。

表3 成孔質(zhì)量影響因素及對(duì)應(yīng)措施

2.4 成果分析

GPS-20 回旋鉆、GF-400 汽車鉆、SR360 旋挖鉆正循環(huán)成孔，GPS-20 回旋鉆、GF-400 汽車鉆反循環(huán)成孔及其正循環(huán)成孔+反循環(huán)成孔的成孔能耗圖見圖3，其成孔質(zhì)量對(duì)比分析表見表4。

表4 成孔質(zhì)量對(duì)比分析表

由圖3 可知，從成孔平均能耗對(duì)比來看，若不考慮電機(jī)有效功效（電機(jī)組功率因素）和優(yōu)劣性，則SR360 旋挖樁＜GF-400 汽車鉆＜GPS-20 回旋鉆。

圖3 成孔能耗圖(回旋鉆平均34 h 成孔，旋挖鉆機(jī)平均11 h 成孔)

由上述分析可見，回旋鉆機(jī)宜采用正循環(huán)成孔+反循環(huán)清孔的方式施工，施工質(zhì)量好且能耗相對(duì)較低。GF-400 汽車鉆更適用于軟土地質(zhì)樁基成孔施工。綜合地形地貌特殊區(qū)域宜采用GPS-20 回旋鉆輔助施工。結(jié)合工程量及總體工期，地質(zhì)較好的區(qū)域采用SR360 旋挖鉆施工。SR360 旋挖鉆不具備自主造漿的能力，因此在本工程施工過程中，采用回旋鉆成孔自然造漿+輔助人工造漿提供旋挖鉆成孔泥漿護(hù)壁。多種成孔設(shè)備綜合施工既滿足了施工質(zhì)量的需要，合理縮短了工期，又能達(dá)到節(jié)能減排綠色施工的目的，完成降本增效的經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)。

3 結(jié)語

（1）驗(yàn)證了在軟土地基條件下，回旋鉆機(jī)、旋挖鉆機(jī)通過技術(shù)手段控制均可滿足施工需要。

（2）以3 套成孔設(shè)備的成孔方式、成孔質(zhì)量及相應(yīng)控制要點(diǎn)，對(duì)能耗、質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析，綜合驗(yàn)證了以回旋鉆為主，其他設(shè)備為輔，多種設(shè)備結(jié)合才能滿足現(xiàn)代化綠色施工節(jié)能減排、安全質(zhì)量達(dá)標(biāo)的需求。

（3）通過本工程的實(shí)施，總結(jié)了大量施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于今后浙南軟土地質(zhì)條件下類似工程的開展具有直接的指導(dǎo)意義。