不同地層條件下旋挖鉆孔灌注樁的鉆孔方法

史文君，張善國

（北京帕克國際工程咨詢有限公司， 北京 100022）

目前，旋挖鉆機(jī)因工藝先進(jìn)、成孔快速穩(wěn)定等優(yōu)勢，已經(jīng)成為鉆孔灌注樁主流施工機(jī)械之一。由于各地工程地質(zhì)條件千差萬別，不同工程設(shè)計(jì)的鉆孔灌注樁的樁徑、樁長等差異明顯；而且?guī)r土勘察也不太可能做到與實(shí)際地層完全一致，有時(shí)甚至還存在較大差異。因此，巖土施工單位在承攬鉆孔灌注樁基工程時(shí)，樁基鉆孔面臨不小的不確定性。在樁基鉆孔過程中有些技術(shù)問題若處置不當(dāng)，不僅會造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，還可能對工程設(shè)備甚至人員安全構(gòu)成威脅。

鑒于此，筆者結(jié)合近幾年使用旋挖鉆機(jī)在各類不同地層鉆進(jìn)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了旋挖鉆機(jī)在一些較為特殊地層鉆孔施工經(jīng)常遇到的技術(shù)問題及解決辦法。希望給遇到類似問題的同行以借鑒。

1 軟土等易塌地層旋挖鉆孔方法

1.1 軟土等易塌地層的特點(diǎn)及成孔風(fēng)險(xiǎn)

在軟土、新近堆積的回填土以及新近沉積的松散的細(xì)砂類土層，若地下水位較高，旋挖鉆機(jī)旋挖取土后，即便鉆孔是在泥漿護(hù)壁的情況下，孔壁也很難保持穩(wěn)定，極易造成塌孔或縮頸。由于該類地層多分布于地表淺層，隨塌方量逐漸增大，鉆孔周圍地面將出現(xiàn)塌陷，經(jīng)常造成孔口護(hù)筒下沉；嚴(yán)重時(shí)還會對鉆孔設(shè)備、作業(yè)人員等構(gòu)成威脅。當(dāng)遇到此類情況，特別是施工中發(fā)現(xiàn)孔口護(hù)筒已經(jīng)懸空或下沉?xí)r，不應(yīng)心存僥幸繼續(xù)鉆進(jìn)，而應(yīng)盡快回填鉆孔，重新固定孔口護(hù)筒后再鉆進(jìn)。

1.2 旋挖鉆孔的施工方法

在軟土、新近回填土等用泥漿護(hù)壁也不能有效護(hù)壁的含水地層，最有效率和保險(xiǎn)的旋挖鉆孔方法是采取長護(hù)筒護(hù)壁措施。每臺旋挖鉆機(jī)視鉆孔難易程度配置 3 個(gè)左右鋼護(hù)筒、1臺振動(dòng)錘和 1 臺足夠起拔力的吊車；鋼護(hù)筒長度應(yīng)能夠下放到軟層底部，鋼護(hù)筒直徑宜大于設(shè)計(jì)樁徑 100 mm 左右(太大造成混凝土浪費(fèi)；太小時(shí)鉆頭容易卡護(hù)筒，很難保證順利施工)。利用長護(hù)筒護(hù)壁旋挖成孔時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

(1)應(yīng)基本確認(rèn)護(hù)筒下放深度范圍內(nèi)無 100 mm 以上大直徑石塊；根據(jù)長護(hù)筒直徑和下放長度選擇合適功率的振動(dòng)錘。

(2)小直徑樁施工時(shí)，應(yīng)綜合考慮鉆桿的外徑及護(hù)筒直徑的大小，鉆桿外徑宜比護(hù)筒直徑小 200 mm 以上，護(hù)筒長度較大時(shí)，差值應(yīng)更大些以方便施工。

(3)應(yīng)確保鋼護(hù)筒下放垂直度，尤其是較小直徑的鉆孔樁。

(4)灌注混凝土后應(yīng)及時(shí)將護(hù)筒拔出。

(5)沉放鋼護(hù)筒和旋挖成樁密切配合。鋼護(hù)筒起拔后應(yīng)能直接沉放到下一個(gè)待施工的鉆孔。這樣形成流水作業(yè)，將大大提高施工效率。

2 砂土、粉土地層旋挖鉆孔方法

2.1 砂土、粉土地層的特點(diǎn)及成孔風(fēng)險(xiǎn)

在稍密—中密、分選較好的細(xì)砂或粉土地層鉆進(jìn)成孔時(shí)，若地下水位較高，需要采用泥漿護(hù)壁成孔。該類地層由于顆粒間無粘接力，在水流作用下極易被沖刷。因?yàn)樾阢@機(jī)成孔時(shí)直接取土成孔，鉆孔的土是由鉆斗循環(huán)往復(fù)提到地面的。鉆斗在泥漿中運(yùn)動(dòng)，鉆斗外側(cè)水流流速較大，很容易造成孔壁的沖刷。孔壁沖刷下的砂粒進(jìn)一步降低了護(hù)壁泥漿的護(hù)壁效果，更容易造成擴(kuò)頸甚至塌孔等問題。

2.2 旋挖鉆孔的施工方法

采用泥漿護(hù)壁在分選較好的砂土或粉土地層中施工時(shí)，應(yīng)考慮采取以下幾點(diǎn)措施。

(1)適當(dāng)降低鉆頭的下放和起拔速度，減小鉆斗與孔壁之間泥漿的流速，減少?zèng)_刷。

(2)適當(dāng)加大鉆齒的外撇角度，增加孔壁與鉆斗側(cè)壁的間距。

(3)適當(dāng)增加鉆斗內(nèi)流水孔面積，減小鉆斗起拔過程中頂部和底部的負(fù)壓，進(jìn)而減小孔內(nèi)泥漿的流速。

(4)配置優(yōu)質(zhì)泥漿護(hù)壁，及時(shí)量測孔內(nèi)泥漿的含砂率。當(dāng)超標(biāo)時(shí)及時(shí)，采取有效的除砂措施。

(5)檢查鉆斗底蓋閉合后的密封性。若發(fā)現(xiàn)扭曲造成空隙較大，應(yīng)及時(shí)整修，以免造成漏砂。

3 漂石、孤石地層旋挖鉆孔方法

3.1 漂石、孤石地層的特點(diǎn)及成孔風(fēng)險(xiǎn)

山區(qū)跨河大橋樁基施工時(shí)，鉆孔過程中經(jīng)常遇到漂石地層。由于漂石顆粒直徑較大且相互嵌固，常規(guī)撈砂鉆頭無法鉆進(jìn)；若強(qiáng)行鉆進(jìn)，極容易將鉆齒掰斷，甚至損傷鉆桿。除此，還經(jīng)常會遇到跟孔徑相差無幾的大孤石，或者是部分位于孔中的、大部分埋藏于孔周地層的探頭石。若對孤石處理不當(dāng)，會因長時(shí)間擾動(dòng)孔壁造成塌孔。若對探頭石處理不當(dāng)，容易造成斜孔，給后續(xù)鋼筋籠的下放構(gòu)成實(shí)際困難；下放鋼筋籠后灌樁過程中坍塌的，還會嚴(yán)重影響成樁質(zhì)量。

3.2 旋挖鉆孔的施工方法

旋挖鉆孔遇到大漂石地層時(shí)，若漂石地層位于淺表，宜用挖機(jī)將漂石挖除后回填黏土，并將孔口護(hù)筒下放到漂石層底，再行鉆進(jìn)；若漂石層位于較深部位，當(dāng)漂石粒徑大于撈砂斗開口口徑而無法正常鉆進(jìn)時(shí)，可用筒形鉆頭將大漂石取出后，再配合撈砂斗逐步鉆進(jìn)。

鉆孔灌注樁遇到孤石時(shí)，若孤石恰好全部位于孔內(nèi)，則可用筒形鉆斗直接將孤石取出；若孤石大部分埋于孔周地層中形成探頭石，則不應(yīng)強(qiáng)行鉆進(jìn)，而應(yīng)用筒形鉆頭慢慢將探頭石切斷并取出后，方可正常鉆進(jìn)。

4 硬黏土、泥巖地層旋挖鉆孔方法

4.1 硬黏土、泥巖地層的特點(diǎn)及成孔風(fēng)險(xiǎn)

硬黏土給鉆孔過程帶來的最大的問題是糊鉆和卸土困難。相比第四系沉積地層，泥巖的典型特征是強(qiáng)度較高，遇水后軟化且黏性大，易打滑。一般的循環(huán)鉆機(jī)因?yàn)榧訅毫苄?，在泥巖中鉆孔時(shí)，鉆齒難以劃割巖層，鉆頭會一直在泥面上打滑，鉆進(jìn)效率極低。利用旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)泥巖時(shí)，尤其在孔深較大的情況下無法采用能夠直接加壓的機(jī)鎖鉆桿時(shí)，若鉆頭設(shè)計(jì)不當(dāng)也容易出現(xiàn)鉆進(jìn)效率低下甚至鉆不進(jìn)等現(xiàn)象。

4.2 旋挖鉆孔的施工方法

在硬黏土中鉆進(jìn)，應(yīng)考慮采用體開式鉆斗或?qū)@斗底部側(cè)面開豁口等方式，以提高卸土效率。

在泥巖地層旋挖鉆孔灌注樁成孔，可從以下幾點(diǎn)著手，以提高施工效率。

(1)優(yōu)先選用機(jī)鎖鉆桿干孔鉆進(jìn)。不得已采用摩擦鉆桿鉆進(jìn)時(shí)，可以考慮增加鉆桿芯桿和鉆斗的重量，以便鉆齒能夠切入泥巖中并順利建立加壓力。

(2)對強(qiáng)風(fēng)化及風(fēng)化程度更高的地層，鉆斗布齒時(shí)優(yōu)先選考慮用 V19 鉆齒鉆進(jìn)。必要時(shí)可以通過割豁口、鉆斗左右側(cè)布齒高度差異、適當(dāng)增加入巖角度等布局設(shè)計(jì)，提高鉆頭切入泥巖的能力。中風(fēng)化及風(fēng)化程度更低的泥巖，鉆斗布齒時(shí)須采用合金截齒，以提高抗磨和抗折斷能力。

(3)基樁孔徑較大時(shí)，應(yīng)考慮采用分級鉆進(jìn)成孔。首級鉆孔可采用長徑比較大的筒形鉆斗直接取芯；二級鉆孔時(shí)利用與孔徑大小相同的切齒鉆頭鉆進(jìn)。

(4)避免布齒過于稀疏。避免鉆斗兩側(cè)布齒具有相同的切削軌跡，應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)磨損嚴(yán)重的邊齒，有效避免鉆齒過度磨損和托底造成的鉆進(jìn)困難。

5 灰?guī)r溶洞地層旋挖鉆孔方法

5.1 灰?guī)r溶洞地層的特點(diǎn)及成孔風(fēng)險(xiǎn)

灰?guī)r溶洞是在南方多山地區(qū)施工經(jīng)常遇到的情況。該類地層基巖面由于侵蝕不均勻而起伏較大，溶洞大小、形狀等各式各樣。在該類地層施工鉆孔灌注樁時(shí)，經(jīng)常遇到斜孔、突然漏漿并造成塌孔、卡鉆掉齒甚至損傷鉆桿鉆具、混凝土超灌量特別大等情況。

5.2 旋挖鉆孔的施工方法

在灰?guī)r溶洞地層進(jìn)行鉆孔灌注樁施工，成孔時(shí)可從以下幾方面采取措施，以降低成孔風(fēng)險(xiǎn)。

(1)遇到基巖面時(shí)，放慢鉆進(jìn)速度以避免斜孔。

(2)認(rèn)真比對鉆探資料。當(dāng)鉆進(jìn)到溶洞頂面附近時(shí)，應(yīng)放慢鉆進(jìn)速度，備好充足的護(hù)壁泥漿及回填用黏土。當(dāng)鉆透洞頂造成孔內(nèi)護(hù)壁泥漿急速下降時(shí)，應(yīng)及時(shí)回填鉆孔以避免塌孔。

(3)優(yōu)先選用導(dǎo)向較好的直體加長鉆斗。若已造成斜孔并在洞頂附近造成卡鉆時(shí)，應(yīng)緩慢旋轉(zhuǎn)提鉆。在鉆斗頂部應(yīng)及時(shí)焊接，以利于導(dǎo)向的斜梁結(jié)構(gòu)。

(4)遇到溶洞較大且少充填或無充填時(shí)，應(yīng)及時(shí)回填黏土并用旋挖鉆斗反轉(zhuǎn)壓實(shí)，避免成孔后灌注混凝土過程中造成過量超方。

6 花崗巖等硬巖地層旋挖鉆孔方法

6.1 花崗巖等硬巖地層的特點(diǎn)及成孔風(fēng)險(xiǎn)

許多特大橋設(shè)計(jì)樁基時(shí)要求基樁進(jìn)入中風(fēng)化硬巖達(dá)一定的深度，而且這些樁基設(shè)計(jì)的樁徑多在 1.5 m 以上，甚至達(dá)到2 m。如此大直徑硬巖地層的鉆進(jìn)，對設(shè)備功率和加壓力提出了較高的要求，一般需要扭矩在 280 kN·m 以上的設(shè)備。在該類地層中鉆進(jìn)，鉆齒的損耗很大，且對設(shè)備抗振動(dòng)能力提出了較高的要求。

6.2 旋挖鉆孔的施工方法

在花崗巖、砂巖等硬巖地層中施工，應(yīng)從以下幾點(diǎn)采取措施，以提高成孔效率，降低風(fēng)險(xiǎn)。

(1)應(yīng)選擇功率在 280 kN·m 及以上的鉆進(jìn)進(jìn)行施工。提前準(zhǔn)備好硬度較高、抗磨性能較好的鉆齒。無水地層應(yīng)加水，以降低鉆齒的磨損。

(2)合理配置鉆具。該類地層大直徑樁成孔時(shí)，應(yīng)選擇分級鉆進(jìn)的方式。第一級應(yīng)選擇直徑 600 mm～800 mm 的加長筒鉆，直接取芯，創(chuàng)造自由面；或選擇小直徑螺旋鉆鉆進(jìn)創(chuàng)造自由面。第二級選擇 1.5 m；第三級選擇 1.8 m 或 2 m。一般第二級、第三級采用截齒撈砂鉆斗。

(3)當(dāng)硬巖地層發(fā)生斜孔后掃孔難度極大。因此遇到斜巖面時(shí)，務(wù)必修正后才能正常鉆進(jìn)。

7 結(jié) 語

從近幾年使用旋挖鉆機(jī)施工鉆孔灌注樁實(shí)踐情況看，其可適用于大部分地層的施工；最大成孔深度可達(dá)近百米，最大直徑可達(dá) 2.5 m。但是對某一具體項(xiàng)目而言，旋挖鉆孔要能順利和有效實(shí)施，需要根據(jù)實(shí)際地層和設(shè)計(jì)孔徑、孔深等情況，合理選擇機(jī)型，合理配置鉆桿鉆具，制定并落實(shí)好切實(shí)可行的具體措施。總結(jié)起來，有以下幾點(diǎn)。

(1)做好孔口護(hù)壁措施。對需要護(hù)壁的鉆孔，優(yōu)先考慮泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)。對軟土及新近回填土等用泥漿護(hù)壁無法保證護(hù)壁效果的，應(yīng)果斷采用全護(hù)筒護(hù)壁。

(2)選擇適當(dāng)?shù)臋C(jī)型。小鉆機(jī)靈活，提放鉆等速度快，更適合地層好、深度和樁徑不大的樁基施工。大鉆機(jī)功率較大，能夠鉆進(jìn)較硬地層和施工大直徑鉆孔。使用大功率鉆機(jī)鉆進(jìn)簡單地層，效率低下；使用小功率鉆進(jìn)，則無法鉆進(jìn)硬巖地層。

(3)合理配置鉆具，根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化鉆齒布局。在鉆機(jī)進(jìn)場前，應(yīng)根據(jù)地勘資料進(jìn)行鉆具配置；先鉆進(jìn)數(shù)孔作試探，待了解實(shí)際地質(zhì)情況后，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)優(yōu)化鉆齒布局。

(4)關(guān)鍵點(diǎn)謹(jǐn)慎鉆進(jìn)。在斜巖面、探頭石、溶洞頂部等關(guān)鍵部位，應(yīng)放慢鉆進(jìn)速度，提前準(zhǔn)備好應(yīng)急措施。