超長大直徑灌注樁牙輪鉆成孔施工技術探討

曾慶友

(福建建工集團有限責任公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著城市高層、超高層建筑和重型建(構)筑物的樁基荷載加大，施工樁長及樁徑加大，再加上工期緊迫，加大了灌注樁的施工難度[3]。超長大直徑灌注樁(以下簡稱超長樁)形似細長桿件，其樁孔深度通常大于70m，樁徑通常大于1000mm。超長樁施工，既要保證成孔安全，又要保證樁孔垂直度，還要保證成樁質(zhì)量，以一般深度的灌注樁施工工藝難以滿足工期要求[4]。筆者通過富閩時代廣場工程實例，探討超長樁的成孔施工技術。

1 工程概況

1.1 工程概述

富閩時代廣場工程總建筑面積115 387.60m2，其中地下36 419.31m2，地上78 968.29m2。該工程涵蓋現(xiàn)澆鋼筋砼結構、預應力鋼筋砼結構、鋼結構等型式。兩層大底盤連體地下室，地上3棟建筑。

1.2 工程樁概況

該工程樁基采用泥漿護壁成孔沖(鉆)孔灌注樁，澆筑C40P8抗?jié)B水下混凝土，合計529根，最大施工樁長58m(Φ1000，小計369根，樁端全截面進入設計持力層⑩卵石深度≥3m)、94.1m(Φ1200，小計160根, 樁端全截面進入設計持力層中-微風化花崗巖深度≥0.5m)。

對Φ1200原先采用沖擊成孔，平均每根超長樁成孔時間15d。

根據(jù)鉆孔揭露，場地巖土體類型自上而下劃分如下：

(1)雜填土①：場地內(nèi)均有分布，揭示厚度1.40m～5.60m,均勻性差。

(2)淤泥質(zhì)土②：該層在場地內(nèi)廣泛分布，層位較穩(wěn)定，揭示厚度0.60m～3.60m，均勻性較差。

(3)中砂③：場區(qū)內(nèi)均有分布，層位穩(wěn)定，揭示厚度7.60m～13.40m，均勻性較差。

(4)淤泥質(zhì)土④：該層在場地內(nèi)廣泛分布，各孔均有揭露，揭示厚度1.40m～11.30m，均勻性較差。

(5)中砂⑤：該層在場地內(nèi)分布不均，揭示厚度2.20m～21.00m，均勻性較差。

(6)淤泥質(zhì)土⑥：該層在場地內(nèi)分布不均，揭示厚度1.10m～14.60m，均勻性較差。

(7)粉質(zhì)粘土⑦：該層在場地內(nèi)分布不均，揭示厚度1.20m～9.40m，均勻性較差。

(8)中砂⑧：場區(qū)內(nèi)均有分布，層位穩(wěn)定，揭示厚度1.70m～29.30m，均勻性差。

(9)圓礫⑨：該層在場地內(nèi)分布不穩(wěn)定。揭示厚度2.00m～2.90m，均勻性較差。

(10)卵石⑩：場地內(nèi)均有分布，層位穩(wěn)定。揭示厚度3.40m～11.30m,均勻性較差。

2 鉆機選型

灌注樁持力層在中(微)風化花崗巖層，常用的鉆孔灌注樁的鉆頭無法進行砍巖，此為施工難點，若改用沖孔灌注樁，對于該工程砂層較厚的地質(zhì)，進尺緩慢。而牙輪鉆頭能夠適應從軟到堅硬的多種地層，尤其適用于高層、超高層建筑的灌注樁基礎，及持力層在中(微)風化花崗巖層等硬質(zhì)巖層的灌注樁施工。通過對樁基工程施工機械市場的各種相關信息進行收集、歸類整理，并對其他一線城市的樁基工程施工機械市場進行調(diào)查、研究及詢價，結合本工程實際情況，決定采用上海探礦機械廠生產(chǎn)的GPS-20型鉆孔鉆機(配備一臺泥漿泵)，每節(jié)鉆桿直徑Φ168mm長3m，鉆頭一種為普通錐形鉆頭，另一種為牙輪鉆頭，以縮短單根樁成孔時間。鉆機主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 鉆機主要性能參數(shù)表

3 牙輪鉆成孔工藝原理

牙輪鉆頭的砍巖非常復雜，對巖石破碎作用最大的力和運動，是沿牙齒軸線方向的壓力和壓入運動。牙輪鉆頭轉(zhuǎn)動時,各牙輪又繞自身軸滾動,滾動的方向與鉆頭轉(zhuǎn)動方向相反。牙輪鉆頭的破碎過程，實際上是壓入和壓崩兩種形式聯(lián)合作用的效果。影響牙輪鉆頭砍巖效果的，主要是牙齒結構和布齒方法[1]。牙輪鉆機鉆孔時，依靠加壓、回轉(zhuǎn)機構通過鉆桿，對鉆頭提供足夠大的軸壓力和回轉(zhuǎn)扭矩，牙輪鉆頭在巖石上同時鉆進和回轉(zhuǎn)，對巖石產(chǎn)生靜壓力和沖擊動壓力作用，如圖1～圖2所示。

圖1 牙輪鉆頭

(a)牙輪鉆頭剖面圖

4 上部土層鉆進成孔

4.1 普通錐形鉆頭鉆進

鉆孔的順序應事先規(guī)劃好，相鄰樁的中心距小于4m時，應跳打施工；中間空出的樁須待鄰樁混凝土達到設計強度的50%以后，方可施打。

鉆進過程中，每2m～3m檢查鉆孔直徑和垂直度，隨時檢查鉆機平臺的水平度，發(fā)現(xiàn)傾斜，及時調(diào)整，確保成孔垂直度[5]。

產(chǎn)生斜孔、彎孔和縮孔時，應停鉆，拋粘土塊夾片石至偏孔開始處以上2m，重新鉆進，不得用沖孔鉆頭修孔，防止卡鉆。

鉆進中如遇塌孔，應立即停鉆，回填夾片石的粘土塊，加大泥漿比重，反復沖擊造壁及鉆進。

沿護筒周圍冒漿、造成孔口坍塌地表沉陷時，應立刻停鉆并防止鉆機傾倒，及時在護筒外圍回填粘土(用稻草拌和)；并加以夯實，必要時壓上一層泥、砂包后方可繼續(xù)鉆進。

若遇卡鉆時，將鉆頭緩緩吊起，不得硬提猛拉，必要時可使用打撈鉤、千斤頂?shù)容o助工具助提；掉鉆時應立即打撈，用打撈鉤鉤住鉆頭預設的打撈環(huán)，把鉆頭提上來。

進入硬質(zhì)巖層后，每鉆進30cm～50cm應記錄鉆進速度，以便作為更換牙輪鉆頭時的參考依據(jù)。

4.2 鉆進速度及泥漿參數(shù)的控制

孔壁坍塌是導致灌注樁成孔時間延長的主要原因，而鉆進速度及泥漿比重是影響孔壁穩(wěn)定的關鍵因素，因此需要在鉆進的過程中根據(jù)土層的變化不斷調(diào)整鉆進速度和泥漿比重，以保證孔壁的穩(wěn)定及鉆孔的效率。

若土層結構中砂層、礫石及卵石等土層較厚，在中砂層及卵石層鉆進時，應適當增大泥漿比重，促使在該土層成孔過程中孔壁形成一層較厚的泥皮，以有效防止孔壁土體向孔內(nèi)的膨脹。結合工程實際地質(zhì)、水文情況、施工工藝及施工機械的情況，成孔過程中泥漿比重宜控制在1.3～1.7之間，如表2所示。

表2 上部土層的鉆進速度及泥漿比重控制

5 更換牙輪鉆頭及鉆桿

基巖上部覆蓋層較厚，灌注樁上部造孔需要GPS-20型工程回旋鉆機，因此立足現(xiàn)有設備，更換適用于GPS-20型回旋鉆機的牙輪鉆頭。先采用GPS-20型鉆機普通錐形鉆頭進行鉆孔，鉆至碎塊狀強風化花崗巖層時普通錐形鉆頭平均鉆進速度為0.1m/h，這時普通錐形鉆頭進尺過于緩慢，嚴重影響到成孔時間，需更換牙輪鉆頭繼續(xù)成孔，提鉆、更換牙輪鉆頭及下鉆耗時較短，此時更換牙輪鉆頭即減少了鉆頭的磨損，降低維修及更換的成本，且不影響成孔時間，因此決定鉆進至碎塊狀強風化花崗巖層時才更換牙輪鉆頭(圖3)。因砍巖時鉆桿扭矩非常大，適用于牙輪鉆頭的鉆桿壁厚比普通鉆桿厚，節(jié)間法蘭螺栓數(shù)量更多。

圖3 更換牙輪鉆頭

6 硬質(zhì)巖層鉆進成孔

當鉆至中(微)風化花崗巖層時，加大鉆機功率，牙輪在孔底滾動中連續(xù)地擠壓、切削沖擊破碎巖石，直至形成所需孔深的鉆孔。結合工程地質(zhì)情況、水文情況、施工工藝及施工機械的情況，成孔過程中泥漿比重宜控制在1.3～1.7之間，如表3所示。張玉良[2]等人對鉆孔灌注樁施工過程中牙輪鉆頭的脫落進行過有效處理。

表3 各硬質(zhì)土層的鉆進速度及泥漿比重控制

綜上所述，平均每根超長灌注樁的鉆進時間為8.6+37.6+10.4+30.5+45+7.1=139.2h，加上提鉆、更換牙輪鉆頭及下鉆需要消耗12h，加上前期準備工作時間，平均每根樁成孔的時間約為168h(即7d)。

采用正循環(huán)鉆進，反循環(huán)清渣，當注漿管往孔內(nèi)注入泥漿后，泥漿可帶動砂石穿過出漿槽最后流至地表，將孔內(nèi)的砂石順利帶出，因牙輪鉆已將大部分的硬質(zhì)巖層研磨成較細顆粒，故沉渣厚度遠小于其他工藝，孔底密實。在鉆進過程中，多顆牙輪鉆同時研磨周邊巖層，各向受力均勻，不易偏鉆，成孔垂直度偏差較小。

7 終孔持力層判定

以中(微)風化花崗巖層作為持力層，而持力層巖面的判定需以巖樣為主以地勘標高為輔。巖面判定做法為在泥漿反循環(huán)系統(tǒng)的撈渣口撈取巖樣進行判定，如圖4所示。

判定進入持力層(即巖面)需同時滿足以下3個要求:

圖4 撈渣口巖樣

(1)撈取出的巖樣應符合地勘報告中關于該土層巖樣的特征如圖5所示；

圖5 中-微風化花崗巖的巖樣

(2)成孔深度需達到地勘報告中該處的巖面標高；

(3)終孔的鉆進速度需小于10cm/h。

具體持力層判定應根據(jù)工程地勘報告、設計圖紙要求，由設計單位、勘查單位、監(jiān)理單位、建設單位及施工單位共同判定。

8 結論

該工程超長大直徑灌注樁通過采用牙輪鉆成孔，結果表明，優(yōu)點如下：

(1)采用大功率鉆機，采用新型牙輪鉆頭，提高了成孔速度，實現(xiàn)超長樁施工，尤其適用于硬質(zhì)巖層的砍巖。

(2)鉆孔處多為中砂及卵石層等易坍孔地層，在鉆孔過程中控制泥漿性能和合理選擇鉆進技術參數(shù)，采用護壁泥漿，加入適當?shù)呐驖櫷恋却胧?，在施工過程中避免塌孔，保證施工加速進行。

(3)每根超長樁成孔時間從常規(guī)施工工藝的15d縮短到7d，極大縮短了施工工期，提高工效1倍以上，節(jié)約了時間成本，大幅度減少勞動力、機械設備及時間的投入。

該工藝缺點是，每顆牙輪鉆頭更換成本較高。

該工程QC成果“提高樁徑1.2m超長鉆孔灌注樁成孔一次合格點率”榮獲2017年度全國工程建設優(yōu)秀質(zhì)量管理小組二等獎、福建省一等獎”。

參 考 文 獻

[1] 劉榮桂，邾祝融，程知言，等.牙輪鉆頭在鉆孔灌注樁進入硬巖中的應用研究[J].四川建筑科學研究，2008，34(1)：100-102.

[2] 張玉良，全明周.鉆孔灌注樁施工中鉆頭牙輪脫落的處理措施[J].能源技術與管理，2009(5)：135-136.

[3] 阮強，宋武超，水俊峰.牙輪鉆頭動靜耦合碎巖機理及旋挖成樁應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013(10)：49-52.

[4] 王陶，馬曄.超長鉆孔樁豎向承載性狀的試驗研究[J].巖土力學，2005，26(7)：1053-1057.

[5] JGJ 94-2008 建筑樁基技術規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.