復(fù)雜地質(zhì)條件下長(zhǎng)大鉆孔灌注樁成孔施工技術(shù)

葉翰松

(寧波鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部，浙江寧波 315012)

我國(guó)應(yīng)用鉆孔灌注樁始于20世紀(jì)60年代初，首先在橋梁和港口建設(shè)中采用［1]。近年來(lái)，隨著橋梁向大跨、輕型、高強(qiáng)、整體方向發(fā)展，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工技術(shù)得到飛速發(fā)展［2]。鉆孔灌注樁屬于非擠土樁，因其經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的特點(diǎn)成為橋梁基礎(chǔ)的主要形式［3]。長(zhǎng)期以來(lái)，工程技術(shù)人員針對(duì)不同的地質(zhì)條件和環(huán)境條件，研制了各種適用機(jī)具和施工工藝，鉆孔灌注樁施工工藝種類多而且日新月異。目前，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)正逐漸朝超長(zhǎng)、大直徑方向發(fā)展，而鉆孔灌注樁成孔技術(shù)是其關(guān)鍵技術(shù)之一，尤其是在地質(zhì)條件復(fù)雜、土層交替變化地區(qū)對(duì)鉆孔灌注樁的施工提出了新的攻關(guān)課題［4-7]。

1 工程概況

甬江左線特大橋位于浙江省寧波市，主橋采用(53+50+50+66+468+66+50+50+53)m鋼箱混合梁斜拉橋，索塔采用鉆石形，塔高177.91 m，樁基礎(chǔ)采用24根φ3.0 m鉆孔灌注樁，順橋向4排，橫橋向6排，縱向樁中心間距7.2 m，橫向樁中心間距6.7 m，樁長(zhǎng)132 m，孔深139.5 m，單根樁混凝土量達(dá)933 m3。索塔正面及樁基礎(chǔ)平面見(jiàn)圖1。

圖1 索塔正面及樁基礎(chǔ)平面(單位:cm)

橋址處地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表層為第四系雜填土、第四系全新統(tǒng)海積黏性土和淤泥質(zhì)黏性土，其下為第四系上更新統(tǒng)沖海積黏性土和沖洪積砂類土，下伏基巖為白堊系下統(tǒng)館頭組泥質(zhì)粉砂巖、燕山晚期火山巖玄武玢巖及燕山晚期前火山巖流紋斑巖。

結(jié)合寧波地區(qū)甬江左線特大橋主橋鉆孔灌注樁鉆孔施工情況，對(duì)“流塑狀淤泥質(zhì)黏土、斜坡巖面、弱風(fēng)化流紋斑巖層”等復(fù)雜地質(zhì)條件下的長(zhǎng)大直徑鉆孔灌注樁成孔施工技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。

2 技術(shù)難點(diǎn)

甬江左線特大橋主橋樁基礎(chǔ)鉆孔灌注樁成孔施工主要技術(shù)難點(diǎn)如下。

(1)地面以下45 m均為流塑狀淤泥質(zhì)黏土，極易產(chǎn)生塌孔、縮徑現(xiàn)象，成孔難度大。

(2)地質(zhì)復(fù)雜，穿過(guò)淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂、粉土、細(xì)沙、泥質(zhì)粉砂巖、玄武玢巖、流紋斑巖，各種地層交替變化，部分樁穿過(guò)弱風(fēng)化流紋斑巖28 m，鉆進(jìn)進(jìn)尺緩慢，成孔時(shí)間長(zhǎng)，塌孔風(fēng)險(xiǎn)大。

(3)P5主塔1～12號(hào)樁基礎(chǔ)基巖為流紋斑巖，13～24號(hào)樁基礎(chǔ)基巖為泥質(zhì)粉砂巖，橫向和縱向分布不均勻斜坡巖面，部分樁處于巖層分隔帶上，鉆機(jī)鉆進(jìn)穩(wěn)定性和成孔垂直度控制難度較大。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 鋼護(hù)筒施沉

鋼護(hù)筒采用Q235鋼板卷制，內(nèi)徑φ3.2 m，壁厚22 mm。為了減小鋼護(hù)筒施沉過(guò)程中的阻力及防止鋼護(hù)筒底口變形，鋼護(hù)筒底口設(shè)置刃腳，并在底口以上50 cm范圍內(nèi)護(hù)筒外側(cè)加焊22 mm厚鋼板進(jìn)行局部加強(qiáng)。為了減小在振動(dòng)過(guò)程中振動(dòng)錘夾鉗部位鋼護(hù)筒的變形，在每節(jié)鋼護(hù)筒頂端加焊一圈高50 cm壁厚為22 mm的圓弧加強(qiáng)鋼板。

鋼護(hù)筒的準(zhǔn)確沉放是保證鋼護(hù)筒整體平面位置和垂直度的關(guān)鍵，用全站儀沿相互垂直的兩個(gè)方向觀測(cè)，確保垂直度符合要求。施沉?xí)r采用100t履帶吊配合APE400B型雙臺(tái)聯(lián)動(dòng)振動(dòng)錘施沉。在鋼護(hù)筒施沉下放過(guò)程中，用全站儀沿相互垂直的兩個(gè)方向全過(guò)程觀測(cè)，隨偏隨糾。為進(jìn)一步保證垂直度，鋼護(hù)筒下沉采用雙層定位導(dǎo)向架定位。導(dǎo)向架見(jiàn)圖2。

3.2 機(jī)具配備

針對(duì)鉆孔灌注樁直徑大，鉆孔超深，軟弱地層厚度大等工程特點(diǎn)，選擇ZJD4000型全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)(圖3)、刮刀鉆頭和牙輪鉆頭反循環(huán)鉆進(jìn)成孔。該鉆機(jī)動(dòng)力強(qiáng)勁，適合大直徑深孔。施工時(shí)配備直徑3 m刮刀鉆頭在覆蓋層中鉆進(jìn)，以保證鉆孔垂直度;牙輪鉆頭在巖層中鉆進(jìn)，提高鉆進(jìn)效率。

圖2 雙層定位導(dǎo)向架

圖3 ZJD4000型全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)

采用ZX-250型泥漿分離器，將鉆渣從泥漿中強(qiáng)制分離，處理后的泥漿可循環(huán)回入孔內(nèi)，不需要大型泥漿池沉淀。終孔時(shí)，孔內(nèi)泥漿含砂率可降低至0.2%～0.5%。

由于鉆機(jī)排渣方式為氣舉反循環(huán)。鉆孔深度不同所需風(fēng)量不等，每臺(tái)鉆機(jī)配備1臺(tái)20 m3/min的電動(dòng)壓風(fēng)機(jī)。

3.3 泥漿配制及控制技術(shù)

(1)PHP泥漿

采用PHP泥漿做為鉆孔施工用漿，PHP泥漿又稱聚丙烯酰胺不分散低固相泥漿，是通過(guò)在采用膨潤(rùn)土作為原料的基漿中加入PHP膠體制成。PHP泥漿主要材料為膨潤(rùn)土、聚丙烯酰胺(PAM)、純堿(Na2CO3)和羥甲基纖維素(CMC)［8-10]。

(2)鉆進(jìn)時(shí)泥漿控制

黏土層泥漿控制。淤泥質(zhì)黏土容易坍塌、縮孔，采用人工造漿和自身黏土造漿相結(jié)合的方式，泥漿比重可以達(dá)到1.23，含砂率控制在4%以內(nèi)，黏度達(dá)到22～24 s。

砂層泥漿控制。砂層中對(duì)泥漿的要求更高，泥漿比重可以達(dá)到1.3，含砂率控制在6%以內(nèi)，黏度達(dá)到24～28 s，增加泥漿的懸浮力，有效地提高泥漿的除砂效率。

礫石層泥漿控制。礫石層容易漏漿，導(dǎo)致穿孔，泥漿比重可以達(dá)到1.3，含砂率控制在4%以內(nèi)，黏度達(dá)到22～24 s，提高泥漿的護(hù)壁作用。

基巖中泥漿控制?；鶐r鉆進(jìn)采用牙輪鉆，在基巖中鉆進(jìn)泥漿比重不能太大也不能太小，太小會(huì)造成縮孔，甚至塌孔;太大會(huì)導(dǎo)致進(jìn)尺緩慢、鉆頭刀具磨損嚴(yán)重，泥漿比重控制在1.2～1.25。

3.4 鉆孔控制技術(shù)

在覆蓋層中，鉆機(jī)采用刮刀鉆鉆進(jìn)，至巖層時(shí)更換牙輪鉆頭鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)高程。鉆孔時(shí)采用減壓鉆進(jìn)，鉆壓不得超過(guò)鉆具重力之和(扣除浮力)的80%，并保持重錘導(dǎo)向作用，保證成孔垂直度和孔形。

(1)流塑狀淤泥質(zhì)黏土層鉆進(jìn)

在流塑狀淤泥質(zhì)黏土層中，鋼護(hù)筒長(zhǎng)25.6 m，沒(méi)有穿透淤泥層，鉆進(jìn)施工時(shí)極易造成塌孔，應(yīng)采用低檔慢速、大泵量、稠泥漿鉆進(jìn)，另外可提高孔內(nèi)泥漿水頭高度，使孔內(nèi)外壓力處于基本平衡狀態(tài)，以免發(fā)生先擴(kuò)孔后縮孔現(xiàn)象。

鉆頭采用雙腰帶四翼型刮刀鉆，通水性能好，可防止鉆頭糊鉆、包泥而擴(kuò)大，提高孔徑精度;鉆頭腰帶寬30 cm，腰帶間距離130 cm，使鉆頭不易擠到土層中，起到導(dǎo)正作用，提高鉆孔垂直度。

(2)斜坡巖面鉆進(jìn)

根據(jù)地質(zhì)資料，基巖的巖層在縱向和橫向存在不同傾角的斜坡巖面，鉆進(jìn)時(shí)易發(fā)生斜孔現(xiàn)象，必須采取措施進(jìn)行控制［11]。在進(jìn)入基巖界面后，牙輪鉆為平整型設(shè)計(jì)，而基巖界面存在不同程度的坡度，此時(shí)采用增大配重、增設(shè)扶正器和輕壓慢速鉆進(jìn)等方式，待牙輪鉆全界面進(jìn)入巖層后再正常鉆進(jìn)。

依據(jù)地層阻力施加適當(dāng)?shù)呐渲?，增大鉆壓比。同時(shí)，在鉆頭上部安裝1根配重鉆具，在配重鉆具上安裝配重，提高鉆具自重，利用自重使鉆桿成鉛垂?fàn)顟B(tài)。

在孔深45 m和120 m位置設(shè)置扶正器鉆具，減少鉆具的自由變形長(zhǎng)度，使鉆具在重力作用下始終垂直向下。

根據(jù)巖層傾角程度，鉆進(jìn)時(shí)減壓30%～40%，鉆進(jìn)速度控制在0.15～0.3 m/h。

(3)弱風(fēng)化流紋斑巖層鉆進(jìn)

基巖強(qiáng)度高，采用焊齒牙輪鉆頭。在鉆進(jìn)過(guò)程中，牙輪在圍繞鉆頭旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)行公轉(zhuǎn)的同時(shí)，輪殼還要圍繞自身刀軸自傳，不同的安裝角度布置不同尺寸和錘角的牙輪，使之接近純滾動(dòng)，減少滑動(dòng)現(xiàn)象，提高鉆進(jìn)效率。

3.5 清孔

采用氣舉反循環(huán)換漿進(jìn)行清孔。

(1)一次清孔

鉆孔深度達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，利用鉆機(jī)自身泥漿循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行清孔。清孔時(shí)將鉆具提起約30 cm，鉆頭不停轉(zhuǎn)動(dòng)，泥漿循環(huán)不斷進(jìn)行，將附著于護(hù)筒壁的泥漿清洗干凈，并將孔底鉆渣及泥砂等沉淀物清除。

(2)二次清孔

由于鋼筋籠的連接時(shí)間較長(zhǎng)，鉆孔較深，孔內(nèi)沉渣會(huì)很厚，采用氣舉反循環(huán)清孔。灌注混凝土前，第二次清孔利用導(dǎo)管內(nèi)安裝風(fēng)管以增大風(fēng)速，通過(guò)反循環(huán)高速氣流將孔底沉渣托舉而出完成二次清孔。

3.6 成孔質(zhì)量檢測(cè)

一次清孔結(jié)束后，利用JL-IUDS(B)智能超聲成孔質(zhì)量檢測(cè)儀器檢測(cè)成孔質(zhì)量。JL-IUDS(B)智能超聲成孔質(zhì)量檢測(cè)儀是根據(jù)超聲原理檢測(cè)成孔質(zhì)量的專用設(shè)備，檢測(cè)結(jié)果孔深、孔徑、孔形、垂直度均滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

4 事故處理

在“流塑狀淤泥質(zhì)黏土、斜坡巖面、弱風(fēng)化流紋斑巖層”等復(fù)雜地質(zhì)條件下易發(fā)生塌孔、鉆具脫落等孔內(nèi)事故［12]。4號(hào)孔鉆至樁底高程-129.5 m時(shí)發(fā)生塌孔，同時(shí)發(fā)現(xiàn)施工平臺(tái)下方塌空，為了避免鉆機(jī)隨著施工平臺(tái)塌陷，及時(shí)移開(kāi)鉆機(jī)。為了不影響其他孔施工，對(duì)4號(hào)孔進(jìn)行回填，回填物為粗砂和瓜子片石。牙輪鉆埋置在-129.5 m深處，鉆桿連接鉆頭露至地面。

4.1 原因分析

所處地質(zhì)復(fù)雜，地表為厚度35 m的軟塑或流塑狀土層，鋼護(hù)筒長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為25.6 m。據(jù)調(diào)查，4號(hào)孔所處原來(lái)為一淤泥池塘，局部地質(zhì)與其他位置不同。另外，根據(jù)鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有朽木、瓷磚等回填雜物。綜上，4號(hào)孔所處地質(zhì)在25～35 m范圍內(nèi)有不穩(wěn)定層，是造成塌孔的主要原因。

該孔鉆至-118 m時(shí)進(jìn)入弱風(fēng)化巖層后，進(jìn)尺較為緩慢，每天僅為0.5～1 m，鉆至設(shè)計(jì)高程時(shí)間為1個(gè)月。另外成孔前入弱風(fēng)化巖層地質(zhì)需設(shè)計(jì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)渣樣確認(rèn)(從現(xiàn)場(chǎng)取樣到設(shè)計(jì)計(jì)算確認(rèn)需要5～7 d)。因此，成孔時(shí)間長(zhǎng)也是導(dǎo)致塌孔的另一重要原因。

4.2 處理方法

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，制定了“穩(wěn)定土體、提高平臺(tái)承載力、導(dǎo)管配合氣舉反循環(huán)系統(tǒng)清孔、控制置換泥漿參數(shù)”的處理原則。

(1)穩(wěn)定土體。對(duì)4號(hào)孔回填后，為了穩(wěn)定周邊土體，調(diào)整施工順序，先完成周邊3號(hào)、7號(hào)和8號(hào)孔的灌注施工。另外，在4號(hào)孔周邊采用水泥漿液進(jìn)行注漿加固。

(2)提高平臺(tái)承載力。為了提高4號(hào)孔施工平臺(tái)的承載力，對(duì)4號(hào)孔周邊坍塌處采用黃黏土填實(shí)，并采用水泥攪拌樁提高平臺(tái)承載力。頂部換填1 m厚塘渣，上面鋪設(shè)雙層鋼筋網(wǎng)片，同時(shí)4號(hào)孔鋼護(hù)筒周邊利用型鋼與已成樁的3號(hào)、7號(hào)和8號(hào)連接成整體，最后澆筑50 cm厚混凝土。

(3)導(dǎo)管配合氣舉反循環(huán)系統(tǒng)清孔。利用內(nèi)徑240 mm的導(dǎo)管配合氣舉反循環(huán)系統(tǒng)對(duì)4號(hào)孔進(jìn)行清孔，期間密切觀察出渣情況。導(dǎo)管在孔內(nèi)沿鉆桿四周進(jìn)行清孔，并用測(cè)錘法量測(cè)孔深，判斷清孔效率。清孔至鉆具穩(wěn)定器處，換上鉆機(jī)鉆桿通風(fēng)，從鉆桿內(nèi)進(jìn)行清渣。待鉆機(jī)能夠帶動(dòng)鉆具時(shí)，將鉆具提出，完成清孔。

(4)控制置換泥漿參數(shù)。由于回填孔自身造漿功能較弱，在泥漿池或者其他孔內(nèi)進(jìn)行配制PHP泥漿，換置入4號(hào)孔內(nèi)。針對(duì)泥漿的比重、黏度、含砂率和膠體率等重要指標(biāo)實(shí)行全過(guò)程監(jiān)測(cè)。

通過(guò)以上有效措施，成功地把埋置在-129.5 m處的牙輪鉆提取出來(lái)，并順利完成灌注成樁。

5 結(jié)語(yǔ)

甬江左線特大橋主橋鉆孔樁采用ZJD4000型全液壓鉆機(jī)，氣舉反循環(huán)回旋鉆進(jìn)成孔，通過(guò)不同的地層采用不同性能的泥漿及鉆進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用，成功解決了復(fù)雜地質(zhì)條件下長(zhǎng)大鉆孔灌注樁成孔及塌孔事故處理等技術(shù)難題。

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