復(fù)雜地層超深鉆孔灌注樁施工技術(shù)研究

文／保丞 上海隧道工程有限公司 上海 200000

1.工程概述

本標(biāo)段施工范圍為新建上海至南通鐵路太倉至四團(tuán)吳淞口長江隧道越江段及外高橋集裝箱作業(yè)站站前工程HTZQ Ⅱ-1 標(biāo)段，正線迄止里程為DK144+210-DK151+485，線路長度7.275km，位于上海市寶山區(qū)、浦東區(qū)境內(nèi)。工程建設(shè)概況圖如圖1 所示。

本工程樁基主要為基坑臨時(shí)立挑支撐結(jié)構(gòu)的立柱樁（兼抗拔樁）及滿足隧道結(jié)構(gòu)抗浮要求功能的抗拔樁。依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，浦西2#工作井（DK144+210～DK144+288）施工22 根Φ1200mm 鉆孔灌注樁，樁長61m。樁頂標(biāo)高-38.3m，樁底標(biāo)高-99.3m，鉆孔深度102.7m，其中10 根鉆孔樁存在格構(gòu)柱，樁位布置圖如圖2。鉆孔灌注樁采用水下C35 混凝土，鉆孔樁主筋接頭采用機(jī)械連接，樁的主筋采用HRB400 鋼筋。主筋接頭應(yīng)間隔錯(cuò)開35d 且間距〉500mm 同一連接段上鋼筋接頭面積不得超過鋼總面積的50%。鉆孔灌注樁垂直度為1/200。

圖2 號(hào)工作井鉆孔灌注樁平面布置圖

圖3 鉆孔灌注樁施工工藝流程圖

圖4 檢測設(shè)備及流程圖

2.本工程重、難點(diǎn)

2.1 地質(zhì)條件復(fù)雜，垂直度控制難度大

本項(xiàng)目樁基設(shè)計(jì)為大直徑超深鉆孔灌注樁，鉆孔深度達(dá)到102.7m,鉆進(jìn)工程中地層變化明顯，軟硬不均勻，將遇到⑦2 層：粉砂層，以及⑨2 層：粉細(xì)砂層，由石英、長石、云母等礦物顆粒組成，俗稱“鐵板砂”土質(zhì)較均勻致密。隨著鉆孔深度增加，鉆桿易彎曲變形，鉆頭易磨損，成孔效率低，鉆孔垂直度難控制[1]。

2.2 超深鉆孔灌注樁、工藝設(shè)備要求高

2#工作井原設(shè)計(jì)采取基坑底部設(shè)置超高壓旋噴樁封底措施，封底深度范圍77-82m，確保封底效果和保證抗突涌安全性，同時(shí)封閉基坑底部止水。由于吳淞口地質(zhì)條件特殊，工作井區(qū)域深層土質(zhì)極為致密（N=93.8-107.1）。經(jīng)專家咨詢審查后調(diào)整原設(shè)計(jì)方案，采用水下開挖法。本工程樁基主要為基坑臨時(shí)立挑支撐結(jié)構(gòu)的立柱樁（兼抗拔樁）及滿足隧道結(jié)構(gòu)抗浮要求功能的抗拔樁。本工程中的10 根鉆孔樁存在格構(gòu)柱，鋼籠對(duì)接、格構(gòu)柱起吊、標(biāo)高控制等施工難度大，設(shè)備要求高[2]。

2.3 鋼筋籠吊裝及聲測管安裝難度高

2#工作井東面靠近吳淞口位置，12 根抗拔樁孔深均為103m，鋼筋籠長度達(dá)到101 米，鋼筋籠吊裝及聲測管安裝難度大，時(shí)間久?，F(xiàn)場配備1 臺(tái)150T 履帶吊和1臺(tái)50T 汽車吊全程配合鋼筋籠下放和聲測管安放。另外10 根立柱樁孔深均為103m，施工難度更大，又要下鋼筋籠還得下格構(gòu)柱，下鋼筋籠拼接時(shí)需要穩(wěn)定性較強(qiáng)從而保證其垂直度，下格構(gòu)柱的時(shí)候更要注意格構(gòu)柱的垂直度。由于鋼筋籠太長且需要安裝聲測管會(huì)導(dǎo)致成孔擱置時(shí)間較長，對(duì)泥漿性能要求較高，為防止塌孔風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)場采用較大比重的泥漿護(hù)壁。

3.施工工藝與操作要點(diǎn)

3.1 鉆孔灌注樁施工工藝流程

3.2 操作要點(diǎn)

3.2.1 護(hù)筒埋設(shè)

鉆孔用護(hù)筒采用δ=10mm 鋼板制作，護(hù)筒直徑大于樁基直徑10cm。埋置時(shí)中心位置與樁中心位置偏差不大于3cm。護(hù)筒頂面中心應(yīng)與樁中心線重合，護(hù)筒傾斜度不得大于1/200。護(hù)筒埋設(shè)后周圍要用粘土分層夯填密實(shí)?；靥钔帘仨殞?duì)稱進(jìn)行，以免護(hù)筒跑位，保證樁位位置無地下障礙物。若平面位置偏差大于3cm 或豎直度偏差大于1/200，均應(yīng)重新埋設(shè)護(hù)筒，護(hù)筒埋設(shè)宜以壓重，震動(dòng)，錘擊或輔以筒內(nèi)除土等方法埋設(shè)。護(hù)筒頂面高度超出地面50cm，埋置深度為1.5m。要求護(hù)筒中心與樁位必須對(duì)中，保證天架中心、轉(zhuǎn)盤中心與樁位中心“三點(diǎn)一線”。

3.2.2 泥漿制備及循環(huán)

鉆孔泥漿為原土造漿由水、黏土組成，必要時(shí)加入添加劑，采用優(yōu)質(zhì)膨潤土，膨潤土要先在攪拌桶內(nèi)浸水再攪拌。為保證泥漿的供應(yīng)質(zhì)量，施工時(shí)設(shè)置制漿池、貯漿池及沉淀池。泥漿傳送采用泥漿槽和泥漿泵。用于護(hù)壁的黏土，其性能指標(biāo)應(yīng)符合規(guī)范要求。在鉆孔作業(yè)中，經(jīng)常對(duì)泥漿質(zhì)量進(jìn)行試驗(yàn)測定，及時(shí)調(diào)整泥漿性能指標(biāo)，確保護(hù)壁良好不坍孔，鉆進(jìn)順利。

在開始鉆孔灌注樁施工過程中，由于70-80m 深度左右存在砂層，對(duì)置換泥漿檢測中發(fā)現(xiàn)含砂率高，部分情況大于15%，護(hù)壁泥漿效果較差。為防止塌孔，提高泥漿護(hù)壁效果，在后續(xù)施工過程中采用除砂機(jī)進(jìn)行除砂，在正循環(huán)鉆進(jìn)過程中，以及后續(xù)一清、二清過程中，將循環(huán)漿液進(jìn)行除砂處理，可以有效降低泥漿中的含砂率，提高護(hù)壁泥漿質(zhì)量。

泥漿循環(huán)系統(tǒng)設(shè)置在施工平臺(tái)上，根據(jù)現(xiàn)場施工情況，每臺(tái)機(jī)器設(shè)置1 個(gè)泥漿箱，泥漿輸送管道為硬質(zhì)埋地管，泥漿箱及管道的擺放、布設(shè)，防雨、防污染及臨時(shí)用電布置。

3.2.3 成孔施工

成孔施工本工序是整個(gè)鉆孔灌注樁施工中最為關(guān)鍵的工序。針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)情況需優(yōu)選鉆進(jìn)設(shè)備，由于工期緊任務(wù)重，擬采用一臺(tái)SQ-18 全液壓鉆機(jī)和一臺(tái)GPS-20機(jī)同時(shí)施工。傳統(tǒng)的GSP-20 鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤用撥棍傳動(dòng)主動(dòng)鉆桿，操作方便，配有泵吸反循環(huán)泵組，可根據(jù)需要及時(shí)專為正循環(huán)鉆進(jìn)，也可配套氣舉反循環(huán)鉆具，用于深孔鉆進(jìn)。但由于鉆進(jìn)深度深，在鉆進(jìn)至70-80 米“鐵板砂”層時(shí)發(fā)現(xiàn)鉆進(jìn)效率低，且GPS-20 鉆機(jī)采用的是法蘭盤連接各節(jié)鉆桿，需要接拆鉆桿，勞動(dòng)強(qiáng)度高，使提鉆時(shí)間更加長，施工效率低，增加了塌孔風(fēng)險(xiǎn)。SQ-18 全液壓鉆機(jī)采用液壓履帶底盤、潛水動(dòng)力頭、伸縮式內(nèi)通漿鉆桿，完全改變了傳統(tǒng)鉆桿裝拆方式，提高施工效率。潛水動(dòng)力頭裝置由潛水馬達(dá)通過減速器將動(dòng)力傳至輸出軸帶動(dòng)鉆頭切削巖土，工作時(shí)動(dòng)力裝置潛入孔底，直接驅(qū)動(dòng)鉆頭回轉(zhuǎn)切削，鉆桿不轉(zhuǎn)動(dòng)，只起連接傳遞抗扭和輸送泥水作用，鉆渣排出則可采用正循環(huán)或反循環(huán)方式完成。鉆進(jìn)過程中潛水動(dòng)力頭垂直度好、效率高；工作時(shí)動(dòng)力裝置潛在孔底，耗用動(dòng)力小，鉆孔時(shí)不需要提鉆排渣，鉆孔效率較高、成孔質(zhì)量好；自動(dòng)化程度高，施工操作人員少、勞動(dòng)強(qiáng)度低。對(duì)于超深鉆孔灌注樁施工，降低了塌孔風(fēng)險(xiǎn)。為了保證施工質(zhì)量，經(jīng)過比選，本工程最終采用SQ18 全液壓鉆機(jī)正循環(huán)鉆進(jìn)成孔，反循環(huán)清孔，鉆頭直徑按設(shè)計(jì)及規(guī)范要求1200mm。成孔時(shí)，嚴(yán)格按照操作規(guī)程施工，開孔鉆進(jìn)時(shí)要減壓低速鉆進(jìn)保證開孔的垂直度。

本工序的重點(diǎn)為：由于鉆進(jìn)深度較深，鉆進(jìn)過程中將遇到堅(jiān)硬巖層，普通鉆頭易磨損且易偏孔，結(jié)合實(shí)際工況，采用截齒合金鉆頭及高速刮刀鉆頭，加寬鉆頭腰帶，鉆進(jìn)時(shí)密切注意樁架的穩(wěn)定情況，鉆進(jìn)至“鐵板砂”層時(shí)加壓并減慢鉆進(jìn)速度，隨時(shí)檢查護(hù)筒、土體是否有下陷情況。

（1）據(jù)不同的地質(zhì)特點(diǎn)，合理控制鉆進(jìn)參數(shù)。一般土層，適當(dāng)減小鉆壓，加快鉆進(jìn)速度；砂性土中鉆進(jìn)時(shí)，適當(dāng)增加鉆壓，減慢鉆進(jìn)速度。

（2）鉆孔中的鉆進(jìn)速度的快與慢，護(hù)壁泥漿的性能、指標(biāo)要根據(jù)實(shí)際地層的土質(zhì)情況而變化。對(duì)于砂性土應(yīng)加大泥漿比重、粘度，同時(shí)鉆進(jìn)速度也應(yīng)加快。

（3）鉆孔中泥漿密度控制：一般情況，泥漿比重為1.1～1.3。

（4）在成孔過程中，泥漿池循環(huán)溝應(yīng)經(jīng)常疏通，泥漿池應(yīng)定期清理廢漿及時(shí)外運(yùn)。成孔垂直偏差＜1/200，樁位偏差值均不得大于+30mm?？拱螛冻猎穸炔怀^100mm。鉆孔樁應(yīng)預(yù)埋聲波透射管，聲測管采用外徑60mm，壁厚3mm 的鋼管。成孔驗(yàn)收時(shí)使用探籠或者使用檢孔器檢測。

3.2.4 清孔

清孔采用換漿法，分兩次進(jìn)行。一次在鉆孔完成后，一次在鋼筋籠和導(dǎo)管安裝好，混凝土澆注前。

表1 清孔后泥漿性能指標(biāo)

第一次清孔：待成孔結(jié)束后，略提高鉆桿然后利用鉆桿進(jìn)行第一次清孔，第一次清孔因利用鉆桿進(jìn)行，故在時(shí)間上（不少于20min）和方式上（上下提動(dòng)鉆桿）進(jìn)行嚴(yán)格控制，目的是清除成孔時(shí)產(chǎn)生的沉渣。

清孔的關(guān)鍵在于一清，一清應(yīng)在鉆至樁基設(shè)計(jì)底部1～2m 時(shí)進(jìn)行，清孔時(shí)上下提動(dòng)鉆桿，有利于搗碎較大泥塊，從而使較小的泥塊隨泥漿從孔口泛出，因此一清工作成功完成更加能保證底部沉淤符合設(shè)計(jì)要求。

3.2.5 鋼筋籠吊裝

本工序的重點(diǎn)為：鋼筋籠不得強(qiáng)行下籠，下籠時(shí)應(yīng)緩慢旋轉(zhuǎn)下放，注意垂直居中下放避免碰撞土壁；吊筋應(yīng)牢固，以免鋼筋籠墜落：吊筋的長度應(yīng)根據(jù)實(shí)測標(biāo)高計(jì)算而定，確保籠頂標(biāo)高正確。

（1）鋼筋籠分節(jié)制作，必須由鋼筋工班長自檢，安放前由質(zhì)量員會(huì)同監(jiān)理進(jìn)行驗(yàn)收，并當(dāng)場進(jìn)行隱蔽工程驗(yàn)收簽證，未經(jīng)驗(yàn)收的鋼筋籠不得下放。

（2）鋼筋籠堆放場地應(yīng)平整，堆放層數(shù)不得超過二層，并分別掛牌做好狀態(tài)標(biāo)識(shí)。

（3）鋼筋籠起吊前應(yīng)將鋼筋籠制作棚頂棚拉開，使用150T 履帶吊和50T 汽車吊配合將鋼筋籠吊至指定位置，不得將鋼筋籠在地面拖行。

（4）鋼筋籠吊放：鋼筋籠孔口對(duì)接采用垂直對(duì)中法，上節(jié)籠垂直于下節(jié)籠，應(yīng)位于孔的中心位置，做到上、下節(jié)籠的中心軸線重合，然后用吊機(jī)吊放至孔內(nèi)設(shè)計(jì)深度并固定。

3.2.6 混凝土灌注

為了保證混凝土質(zhì)量，樁身混凝土由我部滬通鐵路站前Ⅰ標(biāo)項(xiàng)目部1 號(hào)拌和站提供混凝土供應(yīng)，專用攪拌運(yùn)輸車運(yùn)輸，其塌落度控制在180～220mm。一般情況下在孔口適當(dāng)位置讓罐車直接對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)管上的小漏斗放料灌注，當(dāng)罐車無法靠近孔口時(shí)，用汽車吊配合灌注。

（1）首批混凝土灌注

鋼筋籠下放完，將聲測管內(nèi)注滿清水后封口，保證聲測管在樁基混凝土施工過程中不會(huì)堵塞。首批混凝土的坍落度應(yīng)控制稍大一點(diǎn)，取施工規(guī)范允許范圍的高限，即20cm，為確保混凝土的和易性可適當(dāng)增加水泥的用量。混凝土在拌合站經(jīng)過試驗(yàn)人員檢測合格后，用混凝土罐車運(yùn)輸至工地，現(xiàn)場檢測坍落度及肉眼直觀判斷混凝土的離析程度。首批封底混凝土灌注應(yīng)使用大料斗，大料斗接于導(dǎo)管上口上，用封口蓋蓋住大料斗口（必須使封口蓋的下緣合進(jìn)料斗口內(nèi)），此時(shí)導(dǎo)管下口距孔底的高度為250～400mm。經(jīng)檢測合格后的混凝土放入大料斗內(nèi)，待大料斗混凝土已滿，用吊車上的副鉤掛住封口蓋的掛鉤起吊，將封口蓋從料斗口處吊起，此時(shí)首批封底混凝土灌注入水，混凝土罐車應(yīng)在首批混凝土灌注中不停頓的放料，直至完畢。首批混凝土灌注完畢后，應(yīng)立即測探孔內(nèi)混凝土面高度，計(jì)算出導(dǎo)管埋置深度。

（2）混凝土灌注

混凝土灌注開始后，應(yīng)緊湊、連續(xù)地進(jìn)行，嚴(yán)禁中途停工。灌注過程一律按照水下樁基混凝土灌注方法進(jìn)行操作，導(dǎo)管埋置深度為1～3m。在灌注過程中，及時(shí)用測繩和通過已灌注的混凝土方量計(jì)算相結(jié)合的方法測算出孔內(nèi)混凝土面高度，正確指揮導(dǎo)管的提升和拆除。導(dǎo)管提升時(shí)應(yīng)保持軸線豎直和位置居中，逐步提升。如發(fā)生導(dǎo)管卡掛鋼筋籠現(xiàn)象，可轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)管，使其脫開鋼筋骨架后，移到鉆孔中心。拆除導(dǎo)管的速度要快，一般不超過15 分鐘。要防止螺栓、橡膠墊和工具掉入孔中，要注意安全。已拆下的管節(jié)要立即清洗，堆放整齊。為確保樁頂質(zhì)量，在樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高上應(yīng)加灌0.5～1m，以保證砼強(qiáng)度，基坑開挖后將此段混凝土鑿除?；炷凉嘧⒔Y(jié)束后，在拔出最后一節(jié)導(dǎo)管。鉆孔樁灌注完成且混凝土初凝后，即可拆除護(hù)筒。

4.樁身完整性檢測

采用ZBL-U5700非金屬超聲檢測儀及跨孔環(huán)能器，檢測時(shí)將發(fā)射、接受換能器分別置于兩根檢測管中，兩根換能器按每米4 個(gè)測點(diǎn)，同步上升貨下降，一次檢測各測點(diǎn)的聲時(shí)、波幅、頻率等參數(shù)。先用平測法進(jìn)行普測，如發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，采用間距加密或斜側(cè)方法進(jìn)行細(xì)測。超聲波穿透樁身混凝土?xí)r，檢測聲時(shí)、波幅、頻率等參數(shù)的變化。樁身混凝土的完整性是根據(jù)聲速、波幅是否小于臨界值、PSD～深度是否明顯變化來綜合判斷的。

以PX-KBZ-08 為例，現(xiàn)場所測數(shù)據(jù)由超聲檢測儀根據(jù)各測點(diǎn)聲速、波幅、PSD 值，并繪制聲速～深度、波幅～深度、PSD～深度曲線來進(jìn)行判斷。

通過對(duì)滬通鐵路二期站前Ⅰ標(biāo)工程2#工作井鉆孔灌注樁進(jìn)行檢測共12 根，試驗(yàn)結(jié)果和超聲波檢測顯示施工滿足設(shè)計(jì)要求，12 根樁全部為Ⅰ類樁，占測試比例的100%。

結(jié)語：

針對(duì)復(fù)雜軟土地層工況下，超深鉆孔灌注樁施工中易出現(xiàn)的塌孔、縮孔、鉆孔垂直度控制、鉆進(jìn)速度、鋼筋籠易上浮等問題，需在施工前制定詳細(xì)的施工計(jì)劃，人員勞力、機(jī)械設(shè)備及材料組織提前籌備，尤其是機(jī)械設(shè)備選型、泥漿系統(tǒng)設(shè)定尤為重要。制定詳細(xì)的質(zhì)量保證措施、安全重點(diǎn)管控措施、標(biāo)化文明施工管理措施，同時(shí)在施工過程中加強(qiáng)質(zhì)量管控，提高成樁質(zhì)量。