巖溶地區(qū)超深灌注樁施工探討

【摘要】為優(yōu)選巖溶地區(qū)不同地質(zhì)條件下超深灌注樁的最佳施工工藝，控制施工成本，基于不同地質(zhì)、樁深度以及水位深度等工況條件，選取42根試驗(yàn)樁，開展擠密樁施工、旋挖鉆直接成孔施工、旋挖驅(qū)動(dòng)式全護(hù)筒施工和全護(hù)筒全回轉(zhuǎn)施工的成樁試驗(yàn)，分析成樁效果及施工成本，確定不同施工工藝成樁的最佳適用條件。結(jié)果表明：擠密樁施工工藝不適合用于巖溶地區(qū)超深灌注樁的施工。無溶洞、土層深度低于水位線3.1 m以下及土層在水位線之上時(shí)，宜采用旋挖鉆直接成孔工藝。土層深度低于水位線3.1 m以上時(shí)宜采用旋挖驅(qū)動(dòng)式全護(hù)筒工藝。土層深度低于水位線3.1 m以上且有溶蝕破碎段時(shí)，宜采用全護(hù)筒全回轉(zhuǎn)工藝。研究結(jié)果可為類似巖溶發(fā)育區(qū)的灌注樁施工提供參考。

【關(guān)鍵詞】巖溶； 超深灌注樁； 旋挖驅(qū)動(dòng)； 全回轉(zhuǎn)全護(hù)筒； 現(xiàn)場試驗(yàn)

【中圖分類號】TU753.3B

0 引言

隨著我國民用及工業(yè)建筑的不斷發(fā)展，巖溶地區(qū)的工程項(xiàng)目越來越多，而超深灌注樁是現(xiàn)代建筑采用的主要基礎(chǔ)形式，其具備施工方便、快捷和承載力安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。然而，巖溶地區(qū)施工超深灌注樁因土質(zhì)條件復(fù)雜和溶洞大小、體積的不可預(yù)見性，導(dǎo)致超深灌注樁在施工過程中出現(xiàn)成孔難度大、成樁混凝土消耗量大等不可控情況時(shí)有發(fā)生，與現(xiàn)代建設(shè)項(xiàng)目成本規(guī)劃控制相悖，不利于項(xiàng)目整體成本控制，從而影響項(xiàng)目的順利竣工。

針對上述問題，國內(nèi)外學(xué)者通過研究取得了不錯(cuò)的成果。劉蓮杰［1］研究得出，引入Z-number改進(jìn)掙值法開展對巖溶地區(qū)鉆孔超深灌注樁施工成本控制的研究，對巖溶地區(qū)灌注柱施工技術(shù)及其成本構(gòu)成進(jìn)行全面探究，結(jié)合成本控制理論，指出掙值法的缺陷，分析超深灌注樁的成本控制現(xiàn)狀，找出了項(xiàng)目成本控制所存在的問題，引入Z-number改進(jìn)掙值法對項(xiàng)目逐月進(jìn)行成本監(jiān)控和偏差分析，實(shí)現(xiàn)了成本控制。唐強(qiáng)強(qiáng)［2］、黃旭寬［3］、張子優(yōu)［4］、趙春生［5］、李盼［6］、程文星［7］、張偉［8］等研究分析了溶蝕地貌的超深灌注樁成孔工藝流程、溶洞環(huán)境下的具體施工方法和質(zhì)量控制措施，并對巖溶地區(qū)超深灌注樁施工費(fèi)用進(jìn)行了研究，達(dá)到了施工過程的質(zhì)量控制和費(fèi)用節(jié)約的目的。

上述研究表明，巖溶地區(qū)灌注柱施工可行、質(zhì)量可靠，能大大節(jié)約成本控制。鑒于此，本文將通過貴州省遵義市項(xiàng)目現(xiàn)場試驗(yàn)對巖溶地區(qū)超深灌注樁的施工工藝及相關(guān)成本控制進(jìn)行進(jìn)一步探究，尋求施工工藝可行、進(jìn)度可控及成本最低的施工方法，研究結(jié)果可為類似巖溶發(fā)育區(qū)的灌注樁施工提供參考。

1 超深灌注樁施工工藝分析

1.1 超深灌注樁簡介

項(xiàng)目為位于貴州省遵義市的工業(yè)廠房，設(shè)計(jì)為0.8-1.8 m的摩擦端承灌注柱，總數(shù)量為2492根，最深樁長66 m，平均樁長38 m。樁上部為框架結(jié)構(gòu)廠房，對樁承載能力和樁身完整性要求較高。

超深灌注樁所在區(qū)域土質(zhì)情況（從上到下）：①填土：雜色，主要成分為黏土夾碎、塊石，土體結(jié)構(gòu)松散，碎、塊石含量占15%～35%，粒徑2～5 cm，最大可達(dá)10 cm，母巖成分為灰?guī)r、白云巖；②紅黏土：可塑，紅黃色、褐黃色，夾少量礫石；③強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)白云巖：灰黃色夾灰白色，薄至中厚層狀，巖芯破碎，多呈塊狀、碎塊狀?yuàn)A砂狀，局部風(fēng)化強(qiáng)烈，溶蝕含泥質(zhì)現(xiàn)象嚴(yán)重；④中風(fēng)化泥質(zhì)白云巖：灰白色夾灰黃色，薄至中厚層狀，巖芯較破碎—較完整，多呈柱狀、短柱狀、碎塊狀，局部溶蝕裂隙發(fā)育，充填泥質(zhì)現(xiàn)象。

超深灌注樁所在區(qū)域水文情況：場區(qū)有排水溝渠，小水塘等地表水，整體流向由南向北，并在工程區(qū)發(fā)現(xiàn)場3口泉眼出露。場區(qū)地下水按貯運(yùn)空間可分為孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水三類，孔隙水主要賦存于第四系土層中，其分布廣、透水性較弱，主要受大氣降水影響；巖溶裂隙水主要賦存于巖溶溝槽及風(fēng)化裂隙中，其富水性和透水性視巖溶和裂隙發(fā)育程度的不同而不同，主要接受大氣降水補(bǔ)給。巖溶水主要賦存于泥質(zhì)白云巖中。其賦存極不均勻，在溶蝕裂隙和溶洞較發(fā)育區(qū)，水量大，動(dòng)態(tài)變化較大。工程施工期間地下水位標(biāo)高為地面以下約6 m位置，水位變幅約0.7 m。

1.2 施工工藝分析

根據(jù)現(xiàn)階段市場價(jià)格對比，從成孔單價(jià)分析，選用擠密樁施工工藝、旋挖鉆直接成孔施工工藝、旋挖驅(qū)動(dòng)式全護(hù)筒施工工藝和全護(hù)筒全回轉(zhuǎn)施工工藝及其配合成樁較為合理。本文以此為基礎(chǔ)進(jìn)行施工工藝技術(shù)及經(jīng)濟(jì)對比分析試驗(yàn)得出最優(yōu)施工方法。

2 試驗(yàn)與研究

2.1 試驗(yàn)樁

根據(jù)現(xiàn)場施工情況及地勘資料，結(jié)合施工項(xiàng)目各參建方意見，選擇具有代表性的42根樁作為試驗(yàn)樁。其中，①38根樁（地勘資料顯示：13根樁有溶洞，25根樁無溶洞）采用旋挖鉆機(jī)直接成孔，當(dāng)遇基坑側(cè)壁坍塌或溶洞等成孔困難時(shí)，以C15混凝土回灌后再次鉆孔，直至成孔合格，重復(fù)循環(huán)三次為限。②2根孔樁（無溶洞）采用擠密樁進(jìn)行試驗(yàn)，采用旋挖鉆機(jī)直接成孔，對塌孔位置及以下部分采用多次分層回填擠密后再次旋挖鉆孔，直至成孔合格，以鉆孔向下推進(jìn)三次為限；③2根孔樁（無溶洞，孔下含溶蝕破碎段）采用全護(hù)筒全回轉(zhuǎn)方式進(jìn)行試驗(yàn)，以壓筒機(jī)將護(hù)筒壓入土層一定深度，再采用旋挖機(jī)挖掉護(hù)筒內(nèi)部土層，依次循環(huán)向下推進(jìn)，直至成孔合格。

經(jīng)過相關(guān)驗(yàn)收程序及下放鋼筋籠后，立即進(jìn)行樁混凝土澆筑，統(tǒng)計(jì)混凝土使用量。

2.2 試驗(yàn)研究

根據(jù)試驗(yàn)樁成孔情況統(tǒng)計(jì)分析，采用C15混凝土回灌的試驗(yàn)樁共計(jì)38根，將孔樁按有無溶洞及溶蝕破碎段結(jié)合現(xiàn)場水位對施工過程的影響進(jìn)行分類。①無溶洞孔樁，土層深度在水位線以下不超過3.1 m及土層在水位線以上的孔樁共計(jì)16根。其中，4根發(fā)生塌孔，塌孔率為25%；1根發(fā)生串孔，經(jīng)過處理后，一次成孔。②無溶洞孔樁，土層深度在水位線以下超過3.1 m的孔樁共計(jì)9根，開挖過程中全部塌孔，塌孔率為100%，采用C15混凝土回灌后，直接成孔及一次成孔率為88%，有2根孔樁塌孔嚴(yán)重，回灌C15混凝土多次仍有塌孔現(xiàn)象，難以成孔。③有溶洞孔樁，土層深度在水位線以下不超過3.1 m的孔樁共計(jì)7根。其中，3根發(fā)生塌孔，塌孔率為42.8%，采用C15混凝土回灌施工工藝后，全部一次成孔。④有溶洞孔樁，土層深度在水位線以下超過3.1 m的孔樁共計(jì)3根。3根全部發(fā)生塌孔現(xiàn)象，塌孔率100%，C15混凝土回灌一次成孔1根，成孔率33.3%；另兩根采用C15混凝土回灌效果不明顯。⑤有溶蝕破碎段孔樁共計(jì)3根，同時(shí)伴有溶洞。在進(jìn)行該類型孔樁開挖時(shí)，開挖至溶蝕破碎段后周圍土體大量涌入無法進(jìn)尺，采用回灌C15混凝土施工工藝效果甚微，旋挖鉆持續(xù)開挖兩小時(shí)后仍然無法進(jìn)尺，施工難度極大。

由于旋挖驅(qū)動(dòng)式全護(hù)筒受施工工藝限制，壓拔較大較深護(hù)筒存在壓拔力不足，結(jié)合施工現(xiàn)場試驗(yàn)情況，應(yīng)在如下情況采用全護(hù)筒全回轉(zhuǎn)施工工藝進(jìn)行施工：①孔徑為0.8 m～1.0 m，土層厚度超過25 m的孔樁；②孔徑為1.2 m～1.4 m，土層厚度大于20 m的孔樁；③孔徑為1.4 m及以上，土層厚度在14 m及以上的孔樁。

采用擠密樁施工工藝的試驗(yàn)樁共計(jì)2根，均采用開挖至塌孔位置后，再回填至穩(wěn)定土層，并進(jìn)行逐層擠密，按此循環(huán)四次。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)得出，錘擊擠密過程中出現(xiàn)泥漿上涌，無法達(dá)到擠密效果，無法成孔。

采用全護(hù)筒全回轉(zhuǎn)施工工藝的試驗(yàn)樁共計(jì)2根，均為溶蝕破碎段成孔。采用該施工工藝均能正常成孔，因該類孔樁存在溶蝕破碎及溶洞的復(fù)雜情況，直接采用C15混凝土回灌施工工藝效果不佳，而在成孔后澆筑樁身混凝土?xí)r，混凝土部分分散至周邊土體中，導(dǎo)致實(shí)際施工的混凝土量遠(yuǎn)大于預(yù)算定額給定的充盈系數(shù)。

3 試驗(yàn)樁施工成本分析與討論

3.1 試驗(yàn)樁施工成本分析

試驗(yàn)成本分析均以直接成孔失敗，回填后改變施工工藝成孔為基礎(chǔ)試驗(yàn)法進(jìn)行成本分析測算。主要采用以下三種工藝進(jìn)行補(bǔ)充成孔：全護(hù)筒全回轉(zhuǎn)施工工藝、旋挖驅(qū)動(dòng)式全護(hù)筒挖孔樁施工工藝、回灌C15混凝土施工工藝進(jìn)行補(bǔ)充成孔。三種補(bǔ)充成孔工藝增加費(fèi)用包括：全護(hù)筒全回轉(zhuǎn)挖孔樁增加費(fèi)用、旋挖驅(qū)動(dòng)式全護(hù)筒挖孔樁增加費(fèi)用、回灌C15混凝土增加費(fèi)用、二次開挖增加費(fèi)用、土方外運(yùn)增加費(fèi)用。各項(xiàng)補(bǔ)充施工工藝單價(jià)以項(xiàng)目合同單價(jià)為基礎(chǔ)，以實(shí)際發(fā)生工程量為準(zhǔn)進(jìn)行測算如下：

（1）無溶洞孔樁，土層深度在水位線以下不超過3.1 m及土層在水位線以上的孔樁：采用回灌C15方式增加費(fèi)用50 525.82元；采用旋挖驅(qū)動(dòng)式全護(hù)筒方式增加費(fèi)用115 908.80元；采用全護(hù)筒全回轉(zhuǎn)方式增加費(fèi)用146 720元。

（2）無溶洞孔樁，土層深度在水位線以下超過3.1 m的孔樁：采用回灌C15混凝土方式增加費(fèi)用217 311.37元；采用旋挖驅(qū)動(dòng)式全護(hù)筒方式增加費(fèi)用134 286.91元；采用全護(hù)筒全回轉(zhuǎn)方式增加費(fèi)用169 983.43元。

（3）有溶洞孔樁，土層深度在水位線以下不超過3.1 m的孔樁：采用回灌C15混凝土方式增加費(fèi)用54 332.72元；采用旋挖驅(qū)動(dòng)式全護(hù)筒方式增加費(fèi)用80 109.65元；采用全護(hù)筒全回轉(zhuǎn)方式增加費(fèi)用98 084.44元。

（4）有溶洞孔樁，土層深度在水位線以下超過3.1 m的孔樁：采用回灌C15混凝土方式增加費(fèi)用148 043.51元；采用旋挖驅(qū)動(dòng)式全護(hù)筒方式增加費(fèi)用99 097.11元；采用全護(hù)筒全回轉(zhuǎn)方式增加費(fèi)用119 905.74元。

（5）有溶蝕破碎段孔樁共計(jì)3根，同時(shí)伴有溶洞。本類樁采用C15混凝土回灌施工工藝不能成孔，只能直接采用全護(hù)筒全回轉(zhuǎn)施工工藝成孔。

（6）本次42根試驗(yàn)樁中，擠密樁施工工藝的試驗(yàn)樁共計(jì)2根，均因錘擊后泥漿上涌而成孔失敗。

3.2 試驗(yàn)樁成本討論

（1）無溶洞孔樁，土層深度在水位線以下不超過3.1 m及土層在水位線以上的孔樁，采用直接開孔，塌孔后采取C15混凝土回灌施工工藝最為經(jīng)濟(jì)。

（2）無溶洞孔樁，土層深度在水位線以下超過3.1 m的孔樁，采用旋挖驅(qū)動(dòng)式全護(hù)筒施工工藝最為經(jīng)濟(jì)。

（3）有溶洞孔樁，土層深度在水位線以下不超過3.1 m的孔樁，采用直接開孔，塌孔后采用C15混凝土回灌施工工藝最為經(jīng)濟(jì)。

（4）有溶洞孔樁，土層深度在水位線以下超過3.1 m的孔樁，采用旋挖驅(qū)動(dòng)式全護(hù)筒施工工藝最為經(jīng)濟(jì)。

（5）有溶蝕破碎段孔樁共計(jì)3根，同時(shí)伴有溶洞，此類孔樁成孔只能采用全護(hù)筒全回轉(zhuǎn)施工工藝進(jìn)行成孔。

3.3 各施工工藝的適用條件

3.3.1 直接采用旋挖機(jī)開挖

類型一：無溶洞孔樁，土層深度在水位線以下不超過3.1 m及土層在水位線以上的孔樁，采用直接開挖成孔；當(dāng)遇塌孔時(shí)采用C15混凝土回灌施工工藝成孔。

類型二：有溶洞孔樁，土層深度在水位線以下不超過3.1 m的孔樁，采用直接開挖成孔，施工至溶洞后進(jìn)行C15混凝土回灌填充，混凝土終凝后再進(jìn)行二次開挖成孔；當(dāng)遇塌孔時(shí)采用C15混凝土回灌施工工藝成孔。

3.3.2 采用旋挖驅(qū)動(dòng)式全護(hù)筒施工工藝

類型三：無溶洞孔樁，土層深度在水位線以下超過3.1 m，并滿足以下條件的孔樁可采用旋挖驅(qū)動(dòng)式全護(hù)筒施工工藝進(jìn)行成孔：①孔徑為0.8 m～1.0 m的孔樁，土層厚度不大于25 m；②孔徑為1.2 m～1.4 m的孔樁，土層厚度不大于20 m；③孔徑為1.4 m以上的孔樁，土層厚度不大于14 m。

類型四：有溶洞孔樁，土層深度在水位線以下超過3.1 m，并滿足以下條件的孔樁可采用旋挖驅(qū)動(dòng)式全護(hù)筒施工工藝進(jìn)行成孔：①孔徑為0.8 m～1.0 m的孔樁，土層厚度不大于25 m；②孔徑為1.2 m～1.4 m的孔樁，土層厚度不大于20 m；③孔徑為1.4 m以上的孔樁，土層厚度不大于14 m。施工至溶洞后進(jìn)行C15混凝土回灌填充，混凝土終凝后再進(jìn)行二次開挖成孔。

3.3.3 采用全護(hù)筒全回轉(zhuǎn)施工工藝

類型五：無溶洞孔樁，土層深度在水位線以下超過3.1 m，并滿足以下條件的孔樁可采用全護(hù)筒全回轉(zhuǎn)施工工藝進(jìn)行成孔：①孔徑為0.8 m～1.0 m的孔樁，土層厚度不大于25 m；②孔徑為1.2 m～1.4 m的孔樁，土層厚度不大于20 m；③孔徑為1.4 m以上的孔樁，土層厚度不大于14 m。

類型六：有溶洞孔樁，土層深度在水位線以下超過3.1 m，并滿足以下條件的孔樁可采用全護(hù)筒全回轉(zhuǎn)施工工藝進(jìn)行成孔：①孔徑為0.8 m～1.0 m的孔樁，土層厚度不大于25 m；②孔徑為1.2 m～1.4 m的孔樁，土層厚度不大于20 m；③孔徑為1.4 m以上的孔樁，土層厚度不大于14 m。施工至溶洞后進(jìn)行C15混凝土回灌填充，混凝土終凝后再進(jìn)行二次開挖成孔。

類型七：有溶蝕破碎段的孔樁，在施工過程采用C15混凝土回灌無法成孔，直接采用全護(hù)筒全回轉(zhuǎn)進(jìn)行施工，一次性開挖成孔后澆筑孔樁混凝土。

4 結(jié)論

本文基于不同地質(zhì)、樁深度以及水位深度等工況條件，開展了擠密樁施工、旋挖鉆直接成孔施工、旋挖驅(qū)動(dòng)式全護(hù)筒施工和全護(hù)筒全回轉(zhuǎn)施工的成樁試驗(yàn)，分析了成樁效果及施工成本，確定了不同施工工藝成樁的最佳適用條件，研究結(jié)果可為類似巖溶發(fā)育區(qū)的灌注樁施工提供參考。主要結(jié)論如下：

（1）擠密樁施工工藝不適合用于巖溶地區(qū)超深灌注樁的施工。

（2）無溶洞、土層深度低于水位線3.1 m以下及土層在水位線之上時(shí)，宜采用旋挖鉆直接成孔工藝。

（3）土層深度低于水位線3.1 m以上時(shí)宜采用旋挖驅(qū)動(dòng)式全護(hù)筒工藝。

（4）土層深度低于水位線3.1 m以上且有溶蝕破碎段時(shí)，宜采用全護(hù)筒全回轉(zhuǎn)工藝，但樁徑不同時(shí)土層厚度要求不同。

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