“旋挖+沖擊”超大直徑復雜地層接力成孔施工技術(shù)

趙 娟，許谷星

（江西省地質(zhì)工程集團有限公司，江西 南昌 330029）

在鉆孔灌注樁工程中，使用大功率旋挖鉆機鉆進成孔具有成孔效率高、漿渣產(chǎn)出少、機械化程度高的優(yōu)勢，但同時施工成本高；沖擊成孔工藝地層適應(yīng)性強、成孔效率不高的特點。在具體的工程施工實踐中，如何最大限度發(fā)揮旋挖成孔和沖擊成孔獨特優(yōu)勢，選擇什么樣的施工工藝是項目管理極其重要的，是項目成敗的關(guān)鍵。

1 項目概況

1.1 設(shè)計要求

廈門2012JP03 地塊A5 子地塊位于廈門市集美區(qū)杏林街道，誠毅大街西側(cè)，誠毅北路南側(cè)，誠毅中路東側(cè)，橫四路北側(cè)。擬建項目為商業(yè)辦公樓，項目總用地面積為3.4×104m2，建筑總占地面積為1.67×104m2，總建筑面積23×104m2，其中地上建筑面積為14×104m2，地下建筑面積為9.2×104m2。擬建建（構(gòu)）筑物主要包括：主塔樓、主塔樓裙房、商業(yè)中心，以上各擬建物均設(shè)有地下室（地下室為-3 層，高度為-14.20m）；以及純地下室部分（為-3 層，高度為-14.20m）。項目主塔樓樓高266m，47 層。樁基礎(chǔ)設(shè)計為鉆孔灌注樁，樁直徑250cm，樁數(shù)量38 根，樁端嵌入中風化花崗巖不小于1.5m，樁身混凝土強度C40，單樁豎向承載力特征值為56500～61000kN。底板采用筏板基礎(chǔ)。

1.2 地質(zhì)條件

場地地層按成因類型、力學性能不同可分為填土層、湖積層、沖洪積層、殘積層、花崗巖各風化帶。受古地理環(huán)境和內(nèi)外地質(zhì)應(yīng)力的影響和作用，其巖性、分布及厚度變化較大。

（1）上部地層有：第四季全新統(tǒng)填土層、第四季全新統(tǒng)湖積層、第四季全新統(tǒng)沖洪積層、第四季全新統(tǒng)殘積層。

（2）下部主要地層及特性：①散體狀強風化花崗巖：灰黃、灰白等色，巖石風化強烈，巖體節(jié)理發(fā)育，組織結(jié)構(gòu)風化顯著，部分已成粘土礦，礦物間聯(lián)結(jié)力已大部分喪失，花崗巖結(jié)構(gòu)清晰，巖芯呈土狀，浸水易軟化崩解。巖石堅硬程度屬極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ類。標準貫入試驗517次，標準值N=49.19擊。②碎裂狀強風化花崗巖：場地內(nèi)僅鉆孔揭露?；液?、灰黃色，巖體節(jié)理發(fā)育，中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，組織結(jié)構(gòu)風化顯著，巖石風化較強烈，礦物成分由強烈風化的長石、石英、云母、角閃石組成，巖芯上部呈堅硬土塊狀混風化巖碎塊，巖芯下部呈薄餅、碎塊狀，少量呈短柱狀，表面粗糙，手折或輕擊易碎，敲擊聲啞，部分浸水較易崩解?？箟簭姸绕骄禐?7.69MPa，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ類。工程性能良好，強度由上而下逐漸增大。

（3）中風化花崗巖：該層場地內(nèi)所有鉆孔中均有揭露。灰黃、灰白色，巖石部分風化，一般呈塊、碎石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖芯呈短柱狀為主，敲擊聲脆，巖石質(zhì)量指標RQD=40～80，巖石工程性質(zhì)以較差為主?？箟簭姸绕骄?8.41MPa，標準值為47.14MPa，力學強度高，工程性能良好。巖石堅硬程度屬較硬巖，巖體較完整。強度由上而下逐漸增大。

（4）微風化花崗巖：灰白、淺灰、肉紅色，由長石、石英、云母、角閃石組成，中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，巖石質(zhì)量指標RQD≥90，巖石工程性質(zhì)為好。該層巖石抗壓強度標準值76.59MPa。力學強度高，工程性能好。

2 施工方案的優(yōu)化與改進

基巖抗壓強度的大小即基巖的堅硬程度是決定鉆孔灌注樁成孔鉆進效率的關(guān)鍵因素。影響抗壓強度的因素大體可分兩類：其一是巖石本身的因素，如：巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造、礦物成分、顆粒大小、膠結(jié)物、容重、孔隙度及含水量等等；其二是施工方法與物理環(huán)境的影響，如：基巖尺寸、形狀、荷載大小、擴加載速率及周圍物理環(huán)境等?，F(xiàn)有成熟的基巖鉆進施工技術(shù)有旋挖全斷面滾刀或牙輪破碎基巖施工方法及全斷面沖擊破碎基巖施工方法。我們知道巖石破碎過程的三個階段是：①裂紋發(fā)展階段（塑性變形）；②壓實體形成階段（局部破碎）；③巖石大體積崩切階段（體積破碎）。從工程角度出發(fā)，縮短第一、二階段用時盡快進入第三階段是施工機械設(shè)備及施工方案的終極目標，就是施工方案的優(yōu)化與改進目標。

2.1 全斷面沖擊鉆進施工方法不足

試樁采用單一沖孔機施工工藝，進尺效率較低，據(jù)施工記錄：土層進尺約20cm/h，孤石及持力層中風化巖進尺約3cm/h。分析原因為：樁孔口徑太大，每米孔深達5m3容量，沖孔機配套的正循環(huán)泵泵量太?。?PNL泵），土層返渣效率低；基巖單軸抗壓強度標準值76.59MPa，巖石堅硬程度屬堅硬巖，巖體完整程度屬較完整，巖體基本質(zhì)量等級屬Ⅱ類，橫截面積大，約11t的平底四瓣十字錘對中風化巖層破碎效率極低。正循環(huán)工藝中，泥漿對碎巖渣的托舉效率取決于泥漿比重（懸浮力）和泥漿流速，泵功率不變的情況下，孔徑越大，泥漿流速越低，為提高泥漿比重而需要投入的造漿材料也越多，泥漿太濃也會抵消錘擊沖力，對施工效率不利。由于整個持力層埋藏呈東高西低的狀態(tài)，西邊最深樁75m 多，東邊最淺樁僅20 多米，基巖產(chǎn)狀陡，加劇了垂直度控制難度，施工過程也容易造斜。鉆孔歪斜除了不符合設(shè)計和規(guī)范要求之外，還對成孔的效率產(chǎn)生嚴重影響。

2.2 旋挖全斷面施工方法缺點

目前國內(nèi)生產(chǎn)的功率最大的旋挖鉆機最大扭矩達到485kN·m，盡管其成孔效率比沖擊成孔方法效率高很多，但對滾刀鉆頭的磨損及鉆機本身的消耗都很高，施工成本高。

2.3 施工方案的優(yōu)化與改進

在滿足設(shè)計要求和確保施工安全的前提下提高施工效率，降低施工成本是施工工藝改進的目標。為了發(fā)揮大功率旋挖鉆機成功效率高、泥漿產(chǎn)出量少、沖擊鉆進成孔地層適應(yīng)性強、施工成本相對較低的特點，本工程釆用沖擊+旋挖接力施工工藝。

3 不同樁徑旋挖取芯技術(shù)的可行性分析

硬質(zhì)巖層中旋挖取芯技術(shù)就是利用牙輪刻槽鉆頭對硬質(zhì)巖鉆進成槽，加壓鉆進使得基巖刻槽成圓柱狀巖芯，直到樁底標高。再更換相應(yīng)規(guī)格巖體取芯鉆頭掰斷巖芯樁端進入持力巖層的成孔方法。為了充分發(fā)揮旋挖鉆機在整體取芯的優(yōu)點，確定第一次整體取芯最大取芯半徑，必須先估算一下旋挖鉆機的最大可能的取芯半徑。從基巖軸心抗拉強度ft：

式中：ft——基巖軸心抗拉強度；

fcu——抗壓強度。

從上式計算可知：本工程中風化花崗巖fcu=47，則ft=3MPa。

本工程微風化花崗巖fcu=76.6，則ft=4.14MPa。

3.1 整體取芯直徑1.5m可行性分析

把取芯巖體看作一根圓柱體，我們知道圓形截面抗彎模量：

式中：d——圓形直徑。

圓柱體的極限抗彎應(yīng)力:

當利用牙輪刻槽鉆頭把基巖刻成圓柱體，需要把圓柱體整體取出時，必須把圓柱體掰斷，掰斷圓柱體基巖的力必須大于基巖的抗拉力，抗拉力L＝抗拉強度·圓柱體截面面積。牙輪刻槽鉆頭長度3m，力矩3m。

（1）中風化花崗巖圓柱體取芯可行性分析。當持力層為中風化花崗巖時，直徑1.5m圓柱體的極限抗拉力：

F極拉=圓柱體截面面積·3·100=528t。根據(jù)設(shè)計要求入巖為1.5m，以SR485R 旋挖鉆機為例，其加壓力為47.5t。則：

結(jié)論：現(xiàn)有最大功率的旋挖鉆機可以實現(xiàn)取出直徑1.5m圓柱體巖芯。

（2）微風化花崗巖圓柱體取芯可行性分析。當持力層為微風化花崗巖時，直徑1.5m 圓柱體的極限抗拉力：

F極拉=圓柱體截面面積·4.14·100=728t。根據(jù)設(shè)計要求入巖為1.5m，以SR485R 旋挖鉆機為例，其加壓力為47.5t,則：

結(jié)論：現(xiàn)有最大功率的旋挖鉆機可以實現(xiàn)取出直徑1.5m圓柱體巖芯。

3.2 整體取芯環(huán)狀體可行性分析

當整體取芯為環(huán)狀體時，我們知道環(huán)狀體環(huán)形截面抗彎模量：

式中：d、D——環(huán)形內(nèi)、外直徑。

環(huán)狀體的極限抗彎應(yīng)力:

當利用牙輪刻槽鉆頭把基巖刻成環(huán)形柱體，需要把環(huán)形柱體整體取出時，必須把環(huán)狀體掰斷，掰斷環(huán)形柱體基巖的力必須大于基巖的抗拉力，抗拉力L＝抗拉強度·環(huán)狀體截面面積。牙輪刻槽鉆頭長度3m，力矩3m。

（1）中風化花崗巖環(huán)狀體取芯可行性分析。當持力層為中風化花崗巖時，內(nèi)徑1.5m、外徑2.5m 環(huán)形柱體的極限抗拉力F極拉：

F極拉=環(huán)形截面面積·3·100=942t。根據(jù)設(shè)計要求入巖為1.5m，以SR485R 旋挖鉆機為例，其加壓力為47.5t,則：

結(jié)論：現(xiàn)有最大功率的旋挖鉆機無法實現(xiàn)整體取出環(huán)狀體巖芯。

（2）微風化花崗巖環(huán)狀體取芯可行性分析。當持力層為微風化花崗巖時，內(nèi)直徑1.5m、外內(nèi)直徑2.5m環(huán)形柱體的極限抗拉力F極拉：

F極拉=圓柱體截面面積·4.14·100=1300t。根據(jù)設(shè)計要求入巖為1.5m，以SR485R 旋挖鉆機為例，其加壓力為47.5t,則：

結(jié)論：現(xiàn)有最大功率的旋挖鉆機無法實現(xiàn)整體取出環(huán)狀體狀巖芯。

4 施工工藝流程的確定

綜合前面的分析，SR485R旋挖鉆機可以整體取出直徑150cm 的中（微）風化花崗巖圓柱體，但不能取出外徑為250cm、內(nèi)徑為150cm的圓環(huán)柱體。因此最終選擇進入持力層時的施工方案：先用旋挖鉆機刻槽整體取出直徑150cm 的內(nèi)圓柱體，后用沖擊鉆機沖擊破碎外徑為250cm、內(nèi)徑為150cm的圓環(huán)柱體。

施工工藝流程為：土層鉆進→安裝直徑1.5m 牙輪刻槽鉆頭→完成直徑1.5m基巖刻槽鉆進→整體取出直徑1.5m 基巖巖芯→第一次清孔→更換直徑2.5m 牙輪刻槽鉆頭→完成直徑2.5m刻槽鉆進→第二次清孔→更換沖擊鉆機→沖擊鉆機鉆進→終孔清孔。

5 關(guān)鍵節(jié)點控制

5.1 中（微風化）花崗巖刻槽鉆進控制

在進入中（微風化）花崗巖巖層后，改用牙輪刻槽鉆頭先鉆進成槽，槽的寬度在10cm左右。加壓鉆進進尺使得中（微風化）花崗巖巖層被刻槽牙輪鉆頭先鉆進成槽成圓柱狀巖芯。剛開始刻槽階段釆用輕壓慢轉(zhuǎn)加壓方式，鉆進平穩(wěn)后逐步加大鉆壓，通過牙輪鉆頭端部的輪齒對巖石沖擊壓、滑動剪切、輪齒剪切作用綜合成槽鉆進。

5.2 做好鉆頭鉆齒完整性保障措施

（1）保持刻槽鉆頭鉆齒的完整性和完好度、同心度，保障受力的均勻度，避免由于鉆齒的缺失而導致成孔效率而降低。

（2）針對可能由于中（微風化）殘留體而導致鉆頭受力不均勻引起的孔垂直度不滿足設(shè)計及規(guī)范要求和成孔效率降低的情況，必須對擬施工的樁位地質(zhì)報告進行仔細研究，必要時用超前鉆探明。在鉆頭的選用上改用3倍樁徑的長筒鉆頭。筒體必須有足夠的強度和剛度、垂直度。牙輪筒式刻槽鉆頭見圖1。

圖1 牙輪筒式刻槽鉆頭

5.3 整體壓取巖芯控制

刻槽結(jié)束后用慢速度旋轉(zhuǎn)，緩緩將鉆頭從槽中提出。由于刻槽的基巖抗壓強度大，必須用特制的取芯鉆頭才能實現(xiàn)。

通過加壓將巖芯卡住并掰斷巖芯的關(guān)鍵性器具為梯形楔，該梯形楔采用50mm 厚鋼板加工而成，長度為30～50mm，是通過CO2氣體保護焊鑲焊在大直徑筒鉆內(nèi)側(cè)，下窄上寬，當巖芯頂部觸碰到梯形楔下端后繼續(xù)加壓并通過梯形楔上端卡住巖芯，則可一次性有效掰斷并取出巖芯。取芯工作示意見圖2。取芯筒鉆鉆頭見圖3。

圖2 取芯工作示意圖

圖3 取芯筒鉆鉆頭

5.4 沖擊鉆頭要求

更換沖擊鉆機進行圓環(huán)狀基巖破碎時，為了最大限度地發(fā)揮沖擊鉆頭沖擊勢能，把沖擊錘頭底部設(shè)計成五爪型，爪的寬度110cm 左右。當圓環(huán)狀基巖全部被破碎后，改用十字型沖擊錘頭繼續(xù)沖擊清理孔底。無論是五爪型或十字型錘頭其重量不得少于10t。

6 結(jié)論

針對本工程地質(zhì)條件復雜及鉆孔灌注樁樁徑大、綜合施工難度大的問題，我們釆用旋挖鉆機刻槽技術(shù)破壞基巖結(jié)構(gòu)和形狀、大小降低了沖擊破碎成孔的難度；釆用刻槽整體取芯的特殊技術(shù)，極大地減少基巖破碎工作量。通過釆用這種“旋挖+沖擊”接力式施工工藝大大地提高了成孔效率，樁基質(zhì)量完全符合設(shè)計和規(guī)范要求，取得了較好的經(jīng)濟效益。