復(fù)雜地層中鉆孔灌注樁的施工方法

王英坡

(中煤地質(zhì)集團有限公司，北京 100040)

0 引言

當?shù)叵滤惠^低時，雜填土層和砂卵石層中灌注樁成孔和質(zhì)量保證問題，傳統(tǒng)施工工藝雖然都能完成施工，但都存在一些缺點。如采用旋挖鉆孔方式、沖擊鉆孔方式成孔，需要采用泥漿護壁[1]，施工慢，占用場地大，采用泥漿施工不僅污染環(huán)境，泥漿在孔壁形成的泥皮在樁的外側(cè)和地層之間形成了一個軟弱面，降低樁的側(cè)壁摩阻力，從而降低樁的承載力[2-3]。

長螺旋干作業(yè)成孔反插鋼筋籠方式不會產(chǎn)生泥皮和塌孔[1]，但由于雜填層或砂卵石層滲透性高的問題，混凝土在砂卵石層中和易性迅速降低，尤其反插鋼筋籠要采用振動的方法，振動會加速混凝土中砂漿或水的流失，降低混凝土的和易性甚至改變混凝土性質(zhì)，鋼筋籠難以反插到位。

經(jīng)過廣泛調(diào)研和大量的工程試驗，發(fā)現(xiàn)采用長螺旋灌漿粘結(jié)式護壁施工工藝能很好的解決該難題。該工藝將長螺旋施工和泥漿護壁工藝相結(jié)合，降低護壁材料的使用量，同時能順利成孔和安放鋼筋籠，采用通用的施工設(shè)備，工序簡單，能節(jié)約施工材料、降低成本、縮短工期，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 解決思路

使用傳統(tǒng)的旋挖鉆機或長螺旋鉆機成孔，但不采用泥漿護壁的成孔工藝。該工藝首先采用長螺旋鉆機鉆進至砂卵石層，并注入水泥漿，根據(jù)地層穩(wěn)定程度和空隙度，可參入水玻璃以加快凝固。水泥漿滲入砂卵石并凝固后，與砂卵石結(jié)合形成類似于混凝土的材料，孔壁穩(wěn)定性會有很大的提高，可以實現(xiàn)自穩(wěn)，同時滲透性降低，為后續(xù)工作創(chuàng)造良好的施工條件。如果采用旋挖鉆機進行后續(xù)施工，可以直接干成孔，然后下鋼筋籠、澆筑混凝土，既保證了施工速度，又避免了泥漿護壁產(chǎn)生的泥皮，能充分發(fā)揮地層的摩阻力，保證樁的承載力。如果采用長螺旋壓灌混凝土反插鋼筋籠的成樁工藝，由于砂卵石層經(jīng)水泥漿凝固堵塞空隙，滲透性降低，在反插鋼筋籠時能保證混凝土的和易性，鋼筋籠下插順利，同時混凝土質(zhì)量也得到了保證。

2 工程實例

該工程位于北京市西城區(qū)宣武門外大街，場地南北長約320m，東西寬約230m，建筑高度45.1m，地上13層，地下3層，框架剪力墻結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)，基底埋深13.42m。

2.1 場地工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.1.1 工程地質(zhì)條件

勘察所揭露地層的最大深度為45m。根據(jù)鉆探資料及室內(nèi)土工試驗結(jié)果，按地層巖性及其物理力學(xué)性質(zhì)進一步分為8個大層，具體描述如下：

①層，填土，主要為粉質(zhì)粘土，局部夾含建筑垃圾、生活垃圾，均勻性差，層厚6～9m；

②層，粉細砂，褐黃色，濕，局部夾粉質(zhì)粘土、粉土薄層，層厚2m左右；

③層，粉質(zhì)粘土，褐黃色，可塑，局部軟塑，夾粉土、細砂薄層，層厚1～3m；

④層，細中砂，褐黃色，濕，局部夾粉質(zhì)粘土薄層，層厚5～6m；

⑤層，粉質(zhì)粘土，褐黃色，可塑，含氧化鐵、姜石，局部夾粉土、粉砂薄層，層厚2～3m；

⑥層，卵石圓礫，雜色，次圓形，濕，稍密，層厚9～10m。

⑦層，砂質(zhì)粉土，濕，稍密，層厚0.5～2m。

⑧層，卵石層，濕，密實，層厚2～6m，夾砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土。

2.1.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)北京城建勘察設(shè)計研究院于2013年9月提供的《巖土工程勘察報告》，在勘察鉆探深度30m范圍內(nèi)，實測到1層地下水，地下水類型為層間水。該含水層水位埋深27.63～28.52m，水位標高19.77～20.61m，含水巖性為卵石圓礫層、砂質(zhì)粉土層、細中砂層、卵石層。該層地下水分布較為連續(xù)，主要接受側(cè)向徑流及越流補給，以蒸發(fā)、側(cè)向徑流、向下越流補給的方式排泄。層間水的動態(tài)比潛水稍有滯后，當年最高水位出現(xiàn)在9～11月，最低水位出現(xiàn)在6～7月，年變幅為1～2m。

根據(jù)水文地質(zhì)情況，本工程支護樁施工不涉及地下水，基礎(chǔ)樁施工涉及地下水。

2.2 工程設(shè)計

該工程包括基坑支護和基礎(chǔ)樁。基坑支護采用樁錨方式進行支護，樁頂標高與地面一致，樁長21.5m，樁徑800mm，樁間距1.5m，樁身混凝土強度C30，樁身通長配筋。基礎(chǔ)樁采用灌注樁，樁頂標高位于第④層細中砂層，樁徑800mm，樁長20 m，樁身混凝土強度C30，樁間距4.0m。

該工程支護樁施工中，①層填土和第⑥層卵石圓礫層，空隙大，穩(wěn)定性差?；A(chǔ)樁施工，也存在第⑥層卵石圓礫層容易坍塌的問題，同時，為發(fā)揮砂層和卵石層的摩阻力，控制基礎(chǔ)樁造價，甲方不希望采用泥漿護壁的施工工藝。

2.3 成樁方案分析及優(yōu)化

2.3.1 傳統(tǒng)方法成樁試驗過程

在擬建項目在護坡施工中按照正常工藝進行施工，成孔期間既發(fā)現(xiàn)①層段位較為松散；在檢測驗孔深及下放鋼筋籠的過程中均不同程度的出現(xiàn)了孔深不夠和鋼筋籠無法下放到位的現(xiàn)象；在部分已經(jīng)完成混凝土灌注的鉆孔內(nèi)又出現(xiàn)了混凝土漿液流失過快、上部混凝土骨料大面積裸露的現(xiàn)象；如此一來，不僅現(xiàn)場施工進度大受影響，樁身質(zhì)量也難以保證。

針對上述情況，首先進行了不同成樁工藝的試驗：采用長螺旋壓灌混凝土反插鋼筋籠方案進行試驗，反插鋼筋籠的過程中出現(xiàn)混凝土漿液流失，導(dǎo)致混凝土和易性迅速降低，鋼筋籠無法下放到位；采用旋挖干成孔施工工藝，局部下長護筒，一方面下部砂層塌孔嚴重，另一方面護筒拔出后，混凝土和易性仍然迅速降低，質(zhì)量難以保證；采用泥漿護壁旋挖成孔施工方案，地層容易漏漿，且考慮泥漿護壁產(chǎn)生的泥皮對基礎(chǔ)樁承載力的影響(基坑開挖后還要施工基礎(chǔ)樁)，未采用該方案。

2.3.2 原因分析

針對以上情況，現(xiàn)場技術(shù)人員立刻結(jié)合鉆進情況核驗了地勘報告，經(jīng)綜合分析確定，出現(xiàn)上述情況的主要原因在于場地內(nèi)地層條件，而①層(填土)、⑥層(卵石圓礫)這兩層土則是“罪魁禍首”。

首先，①層(填土)在場區(qū)內(nèi)普遍分布，主要成分為粉土粘土夾雜建筑垃圾和生活垃圾；依據(jù)現(xiàn)場長螺旋鉆進成孔情況，①層深度范圍內(nèi)土體較為松散，孔內(nèi)返土成分多為含磚渣、灰渣、磚塊、水泥塊、木塊、爐灰渣、生活垃圾等均勻性差、級配不良的充填物。根據(jù)勘察報告，該層土輕型動力觸探試驗最小為6擊，最大為30擊，具有分布不穩(wěn)定、力學(xué)性質(zhì)差、抗剪強度低、透水性大等特點?；冖賹?填土)的上述不良工程特性，在長螺旋鉆機成孔提鉆后，相應(yīng)段內(nèi)的孔壁穩(wěn)定性較差，加之下放鋼筋籠的擾動和地面長螺旋鉆機、商砼運輸車輛、地泵、吊車等大型機具帶來的震動都有可能誘發(fā)孔壁掉渣、坍塌。

其次，⑥層(卵石圓礫)最大粒徑240mm，一般粒徑3～40mm，大于20mm顆粒約占總質(zhì)量的60%，成份主要為石英砂巖、輝綠巖，中粗砂填充，其透水性較強；在①層(填土)和⑥層(卵石圓礫)的共同作用下，已完成灌注的護坡樁孔內(nèi)就出現(xiàn)了漏漿現(xiàn)象。

綜上分析，①層段位較為松散，容易塌孔，⑥層(卵石圓礫)空隙率大，成孔過程中容易坍塌且灌注混凝土后導(dǎo)致混凝土中水泥漿流失，影響混凝土質(zhì)量。

2.3.3 長螺旋注漿處理方案

根據(jù)水文地質(zhì)條件和試驗情況，提出了優(yōu)化處理意見：

1)初次鉆進，依然照長螺旋鉆孔常規(guī)工藝進行，在鉆進工程中現(xiàn)場技術(shù)人員需結(jié)合勘察報告，通過長螺旋葉輪返土判別是否已鉆至①層(填土)底部；一經(jīng)確定，立即停鉆進并準備注入水泥漿。

2)和1)進行的同時，在長螺旋鉆機旁布設(shè)使用P.S32.5水泥按水灰比0.45配置水泥漿液；在長螺旋鉆機鉆至①層(填土)底部并經(jīng)現(xiàn)場技術(shù)人員確認后，在量測現(xiàn)狀孔深、估測用漿量后即可向孔內(nèi)注入水泥漿液。為了加快水泥漿液凝結(jié)速度，可適當加入速凝劑。該方法具有注漿的效果，有效降低雜填層的空隙率，避免后期混凝土澆筑后和易性的迅速降低保證混凝土質(zhì)量。

3)待雜填層鉆孔內(nèi)水泥漿液終凝后，長螺旋鉆機移位至該孔重新進行鉆進，鉆進進入⑥層卵石圓礫，重復(fù)1)、2)步驟的相關(guān)操作，對⑥層卵石圓礫進行注漿加固。

4)在完成對①層填土和⑥層卵石圓礫加固后，可按正常工序完成鉆孔。

經(jīng)過以上步驟施工，孔壁穩(wěn)定，地層漏漿情況明顯改善。護坡可采用干成孔施工，下放鋼筋籠和完成灌注混凝土?；A(chǔ)樁可采用長螺旋成孔壓灌混凝土反插鋼筋籠施工方案。

2.3.4 施工效果

通過工藝優(yōu)化，采用長螺旋成孔，對不穩(wěn)定或漏漿嚴重的地層進行注漿處理。地層穩(wěn)定后，采用干成孔的方法施工，成功完成了該項目的施工，具體施工工藝流程如下(圖1)。

例如，基坑支護12號樁位于勘察孔4號附近，地面下0～5m為雜填土， 5～8m為松散砂層，容易塌孔，無論采用長螺旋反插鋼筋籠還是旋挖泥漿護壁成孔工藝，都因上述問題施工困難，采用本工藝后，先用長螺旋預(yù)鉆進6m，然后注入水灰比0.5的水泥漿，邊提鉆邊注漿，水泥漿進入砂層或雜填層后，對地層加強，放置24h后，加固過的地層穩(wěn)定性較好，后期可直接采用干成孔作業(yè)。

本工程采用上述優(yōu)化后的施工工藝后，克服了塌孔、混凝土和易性降低等現(xiàn)象，不但施工進度得到了保證，所完成護坡樁經(jīng)樁身完整性檢測也未發(fā)現(xiàn)問題樁，后期基坑開挖后，未發(fā)現(xiàn)塌孔造成的鼓包現(xiàn)象，避免了剔鑿工作量，保證了后續(xù)支護工作的順利完。

2.3.5 成果分析

1)技術(shù)合理性。本次工藝優(yōu)化的核心在向問題地層注入水泥漿液，此項措施主要有兩個作用：一方面，對①層(填土)相應(yīng)鉆孔段位進行護壁，防止其掉渣、坍孔，這樣一來， 現(xiàn)場施工所遇到的孔深不夠和鋼筋籠無法下放到位的問題也就迎刃而解；由于水泥漿液的注入，①層(填土)和⑥層(卵石圓礫)內(nèi)樁體與其側(cè)壁土體的粘結(jié)性得到了進一步加強；同時，改善了地層的力學(xué)性質(zhì)，提高樁身承載力。封堵①層(填土)和⑥層(卵石圓礫)孔隙，避免混凝土漿液流失，保證樁身混凝土與鋼筋籠的完好粘結(jié)。

圖1 施工工藝優(yōu)化示意Figure 1 A schematic diagram of construction technology optimization

此項優(yōu)化的注漿措施不但可以解決本工程護坡樁施工中出現(xiàn)的問題，相較傳統(tǒng)施工方法，保證了樁的施工質(zhì)量，同時提高了地層的穩(wěn)定型，對基坑支護工作增添了一分安全系數(shù)。同時，后期基礎(chǔ)樁的施工，地層中存在卵石層，該方案能保證基礎(chǔ)樁的質(zhì)量。

2)經(jīng)濟合理性。上述工藝優(yōu)化具有經(jīng)濟上的可行性。一方面，通過改善地層的穩(wěn)定性和降低其滲透性，能很好的控制充盈系數(shù)，提高功效，保證了樁身質(zhì)量，避免了泥漿護壁、混凝土超方等問題。更重要的是樁身質(zhì)量有保證，也避免了塌孔造成樁身突出和后期的鑿除工作。同時，材料使用目前較為廉價的P.S32.5水泥，比較泥漿護壁方案，泥漿粉和水泥價格接近，預(yù)成孔注漿使用水泥漿較少，采用現(xiàn)有設(shè)備，機械費用較低，且不需泥漿外運。同時，通過改善了地層穩(wěn)定性，降低了混凝土充盈系數(shù)，節(jié)省了混凝土，起到了節(jié)省材料，降低造價的作用。

3)適用性。本次工藝優(yōu)化針對性較強，能夠解決填土、碎卵石地層的塌孔、漏漿、混凝土和易性降低等問題。對于基礎(chǔ)樁，避免使用泥漿護壁方案，有利于保證土層的側(cè)壁摩阻力，保證樁的質(zhì)量，同時注漿可以改善地層的性質(zhì)，提高樁的承載力，優(yōu)化縮短基礎(chǔ)樁長。

3 結(jié)束語

工程施工中，認真分析水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，結(jié)合現(xiàn)有施工工藝的特點，發(fā)揮各工藝的優(yōu)勢，靈活運用并結(jié)合各類施工工藝，可以達到解決難點、提高效率、節(jié)約造價和工期、環(huán)保清潔相兼顧的效果。本工程在該思路的指導(dǎo)下，成功解決了塌孔、漏漿等難題，保證了工期和質(zhì)量，未增加工程造價，同時改善了地層性質(zhì)，為基礎(chǔ)樁的優(yōu)化設(shè)計提供了支持。