斷裂帶路基螺桿樁施工工藝研究

孫向英

(中鐵二十一局集團國際工程有限公司，北京100089)

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)

新建濟南至青島高速鐵路設(shè)計時速為350 km/h，其中DK208+577.78～DK213+150段因穿越地質(zhì)斷裂帶而采用路基+有碴軌道設(shè)計，DK209+125～209+175段及DK209+300.00～DK209+518段落穿越沂沭斷裂帶中的安丘～莒縣斷裂，線路于DK209+150處與F14斷層相交，該斷裂部位基巖出露，斷裂切割白堊系青山組火山巖地層，斷裂破碎帶內(nèi)發(fā)育碎裂巖化及斷層角礫，發(fā)育斷面及擦痕，膨潤土化強烈，為一強烈擠壓破碎帶，破碎帶寬30～50 m，產(chǎn)狀95°∠75°。地基處理設(shè)計為螺桿樁加固。

本段螺桿樁加固地區(qū)地質(zhì)情況為：0～5 m為粉土，承載力為140 kPa；5～7 m為粉質(zhì)黏土，承載力為300 kPa；7～15 m為膨潤土化凝灰?guī)r，承載力為500 kPa。

1.2 水文地質(zhì)

地表水：沿線大部分為旱地，天然河道、水塘分布較少，地表水相對不豐富。

地下水：地下水類型為第四系孔隙水及基巖裂隙水，地下水主要受大氣降水及側(cè)向徑流補給，排泄方式主要為蒸發(fā)及人工抽取，水位季節(jié)變化幅度3～5 m。

1.3 氣象條件

本段線路屬于溫帶，半濕潤地區(qū)，屬溫暖帶大陸性季風(fēng)氣候。由于冬夏季風(fēng)的交替影響，春季較短，氣溫回升快，少雨多風(fēng)；夏季炎熱，降水較多且集中；秋季短促，天高氣爽；冬季較長，寒冷干燥。

土壤最大凍結(jié)深度：0.5 m。

地震動峰值加速度：0.20g，地震基本烈度Ⅷ度)。

1.4 主要工程內(nèi)容及數(shù)量

本段地基處理形式為螺桿樁：樁間距2.2 m，呈正方形布置，樁徑0.5 m，本段螺桿樁共2 156根，合計16 497 m。樁頂設(shè)C35鋼筋混凝土樁帽，尺寸1.5 m×1.5 m×0.4 m，樁帽頂鋪設(shè)0.5 m厚碎石墊層，帽間回填碎石，墊層內(nèi)鋪設(shè)一層單向高強土工格柵(抗拉強度不小于200 kN/m)。螺桿樁地基處理分段統(tǒng)計詳見表1。

表1 螺桿樁分段統(tǒng)計

2 技術(shù)原理

螺桿樁是一種“上部為圓柱型，下部為螺絲型”中等直徑、組合式部分?jǐn)D土灌注樁，螺桿樁屬于部分?jǐn)D土樁。采用的原理是“螺絲釘比釘子更牢固”的原理。適用于黃土、粉土、黏土、砂土、砂夾卵石，全強風(fēng)化基巖的地質(zhì)處理。

3 施工工藝流程

3.1 施工準(zhǔn)備

3.1.1 技術(shù)準(zhǔn)備

(1)熟悉圖紙，召開施工圖會審專題會，根據(jù)會審結(jié)果，召開了螺桿樁施工技術(shù)交底會，向螺桿樁施工負(fù)責(zé)人、領(lǐng)工員、作業(yè)工班進行了技術(shù)交底。

(2)繪制樁位布置圖，對樁位進行編號。復(fù)核測量基線、水準(zhǔn)點，檢查施工場地所設(shè)的水準(zhǔn)點是否會受施工影響。按樁位布置圖測放樁位，在樁位中心打入鋼釬或木樁，并采用白灰標(biāo)志樁軸線，并作編號記錄，由質(zhì)檢工程師做好現(xiàn)場螺桿樁樁點、樁位復(fù)測檢查記錄。

3.1.2 混凝土配合比

樁體混凝土強度等級為C20，螺桿樁施工前進行配合比試驗，以確定混合料的配比，要求樁體混合料試塊(邊長15 cm)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d立方體抗壓強度不小于20 MPa?；旌狭纤涠纫藶?60～200 mm。

3.2 施工工藝流程

3.2.1 成樁工藝性試驗

施工前進行成樁工藝試驗(一般相同地質(zhì)條件、料源、施工隊伍及相同的混合料配比情況下不少于3根)，從而確定各項施工參數(shù)，包括螺桿尺寸的檢測，成孔深度能力的檢測、成孔后土體回彈模量檢測、成孔終孔控制扭矩電流的檢測、孔與孔的影響檢測、混凝土用量的檢測、泵壓泵速的檢測、直流控制系統(tǒng)施工參數(shù)的檢測，以復(fù)核地質(zhì)資料以及設(shè)備、工藝、施工順序是否適宜，確定配合比、塌落度、攪拌時間、拔管速度等各項工藝參數(shù)，確認(rèn)了試樁完整性及承載力滿足設(shè)計要求，試樁再根據(jù)試樁確定的工藝參數(shù)進行后續(xù)螺桿樁的施工。

3.2.2 技術(shù)要求

(1)螺桿樁加固范圍不小于基底寬度，路堤加固至填方坡腳。

(2)采用正方形布置，樁徑0.5 m，間距2.2 m。

(3)螺桿樁原則上需穿越松軟土至硬層，對于第四系土層一般應(yīng)嵌入基本承載力不小于0.18 MPa的土層內(nèi)不小于1 m，對于下伏基巖地段應(yīng)嵌入全或強風(fēng)化層不少于0.5 m，本段為下伏基巖地段。

(4)螺桿樁樁頂設(shè)0.4 m厚1.5 m寬C35混凝土樁帽，樁帽間填筑碎石，樁帽上為0.5 m厚碎石墊層。

(5)螺桿樁施工采用螺桿樁鉆機鉆管內(nèi)泵壓灌注成樁工藝。

3.2.3 工藝流程圖

螺桿樁施工工藝流程見圖1。

圖1 螺桿樁施工工藝流程

3.2.4 工藝要求

(1)螺桿樁施工順序采用從線路中心向兩側(cè)順序推進，采取跳躍式進行施工。

(2)螺桿樁施工時，樁機就位后，應(yīng)用鉆機塔身的前后和左右的垂直標(biāo)桿檢查塔身導(dǎo)桿，校正位置，使鉆桿垂直對準(zhǔn)樁位中心，確保螺桿樁垂直度容許偏差不大于1%。樁位容許偏差不大于5 cm，樁徑允許偏差不大于2 cm。

3.2.5 螺桿樁成樁過程

(1)先采用正轉(zhuǎn)向下旋進鉆孔，至樁底標(biāo)高后反轉(zhuǎn)提升，鉆進、提升速度均為旋轉(zhuǎn)一周鉆進或提升一個螺距，螺距為40 cm，鉆進速度和轉(zhuǎn)速通過電腦程序自動控制，反轉(zhuǎn)提升過程中，邊提升鉆頭邊灌注混凝土，灌注混凝土采用輸送泵通過鉆頭中心混凝土輸送孔，泵送至孔樁內(nèi)，灌注混凝土高度距離鉆頭距離不大于20 cm，由鉆機內(nèi)自動控制系統(tǒng)控制，此操作至整個樁長的1/2處，螺桿段施工完成后鉆頭開始正轉(zhuǎn)，但繼續(xù)提升鉆頭，破壞孔樁內(nèi)螺紋使孔樁內(nèi)成直桿狀，提升過程中同時灌注混凝土，使上部樁體成直桿狀，直螺段比例為 1∶1(圖 2)。

圖2 螺桿樁施工

(2)下鉆過程中樁機自控系統(tǒng)嚴(yán)格控制鉆桿下降速度和旋轉(zhuǎn)速度，使二者匹配，要求鉆桿旋轉(zhuǎn)2周以上，螺桿鉆桿下降一個螺距，鉆至螺桿樁直桿段設(shè)計深度，在成圓土體中形柱狀；隨后鉆桿旋轉(zhuǎn)一周，螺桿鉆桿下降一個螺距，鉆至螺桿樁螺紋段設(shè)計深度，在土體中形成螺紋狀。

圓柱段每鉆進1 m鉆桿旋轉(zhuǎn)5周，螺紋段每1 m鉆桿旋轉(zhuǎn)2.5周。

(3)鉆頭鉆至設(shè)計標(biāo)高后，樁機反向旋轉(zhuǎn)提升鉆桿，提鉆過程中自控系統(tǒng)應(yīng)嚴(yán)格控制鉆桿提升速度和旋轉(zhuǎn)速度，與下降時一樣，保持同步和匹配。與此同時制備好的細(xì)石混凝土迅速填充(泵送)由于鉆桿旋轉(zhuǎn)提升所產(chǎn)生的帶螺紋型空間和鉆桿直接提升或正向旋轉(zhuǎn)提升所產(chǎn)生的帶圓柱型空間，形成螺桿樁。

(4)提拔速度控制在2～3 m/min，成樁過程連續(xù)進行，避免因后臺供料慢而出現(xiàn)停機待料。提鉆時鉆頭達(dá)到一定位置后停止泵壓混凝土，由鉆桿內(nèi)的混凝土充填至樁標(biāo)高，嚴(yán)禁先提鉆后泵料，確保成樁質(zhì)量。

(5)嚴(yán)禁直提鉆桿。

(6)施工過程以設(shè)計樁長和施工電流都合格作為控制指標(biāo)。如控制電流不合格，應(yīng)及時查明原因。

3.2.6 樁頭處理及清土

3.2.6.1 樁頭處理

樁體強度達(dá)到設(shè)計強度的70%后進行樁間土開挖及清運，樁間土采用人工開挖，清除保護土層時不擾動基底土，防止形成橡皮土。施工時嚴(yán)格控制標(biāo)高，避免超挖。

保護土層清除后，截除樁頂50 cm樁頭，采用截樁機截樁，嚴(yán)禁人工鑿除。樁頂允許偏差0～+20 mm。

3.2.6.2 棄土清運

棄土清運包括螺桿樁鉆孔棄土清運和保護土層清運兩部分。在螺桿樁施工中，由于采用排土成樁工藝，其排出的土量取決于樁長和樁間距。在施工中及時清運打樁棄土是保證螺桿樁正常施工的一個重要環(huán)節(jié)。

3.2.7 參數(shù)確定

(1)鉆機鉆進速度：鉆機鉆進速度在嵌入持力層前為0.8 m/min，進入持力層后0.2 m/min，因試樁期間操作手對地質(zhì)情況不熟悉，在后續(xù)施工過程中可以提高速度，過程中通過電流變化對鉆進速度進行控制。

(2)混凝土灌注速度：由鉆機自動控制，根據(jù)試樁結(jié)果退鉆及灌注混凝土速度每分鐘2～3 m，如果鉆頭離開混凝土面，鉆機自動報警，鉆頭自動停止提升，繼續(xù)灌注混凝土，確保樁體混凝土密實。

(3)混凝土配合比：已通過試驗確定配合比，施工現(xiàn)場塌落度宜控制在160～200 mm范圍內(nèi)。

(4)直螺段比例控制：直螺段采用數(shù)控與標(biāo)線相結(jié)合的方式進行，首先在螺桿樁機鉆頭上按照設(shè)計樁長用紅油漆標(biāo)出直螺段分界點，施工過程中由螺桿樁自帶數(shù)控機通過設(shè)定不同模式控制直螺段長度，人工按照紅油漆標(biāo)記進行直觀復(fù)核，確保直螺比例滿足要求，直螺比例按1∶1控制。

(5)成孔深度能力的檢測：螺桿機成孔深度可達(dá)全～強風(fēng)化巖層，本施工段落基巖為膨潤土化凝灰?guī)r和粉質(zhì)粘土，根據(jù)鉆機設(shè)計指標(biāo)能夠鉆至設(shè)計樁底位置。

3.3 施工總結(jié)

(1)單根樁完成時間(除移鉆時間)約40 min，平均鉆進每1 m需用時3 min，持力層鉆進速度約為每1 m 8min，退鉆桿及灌注混凝土每1 m用時30～40 s。粉土層的施工電流約為40～60 A，粉質(zhì)黏土層的施工電流為60～80 A，膨潤土化凝灰?guī)r施工電流為80～100 A。嵌入持力層深度通過電流變化推算，符合要求方可停鉆。樁基完成后，需注意保護樁身，且保證養(yǎng)護時間。

(2)螺桿樁樁頭采用截樁機環(huán)切去除樁頭。

(3)試樁螺紋段占整個樁長的1/2，經(jīng)過對螺桿樁試樁的檢測，螺桿樁深度、直徑、承載力均符合設(shè)計要求。說明按此直螺段比例控制是可行的，后續(xù)施工可以按此比例施工。

(4)施工電流為100 A以上時，則證明進入了強風(fēng)化凝灰?guī)r地層。進尺緩慢。有火花冒出時，則連續(xù)鉆一個小時不會有進尺。

(5)每根樁的完成時間根據(jù)樁長和嵌入的地層不同而不同。本段落樁長為5～15 m，用時20～60 min。

(6)個別螺桿樁因需要挖開后發(fā)現(xiàn)樁端無虛土。

(7)螺桿樁下部為螺紋段，大大提高了樁的承載力。螺桿樁上部為直桿段，加大了受力面積，提高了樁身剛度。(8)樁身上大下小的特點滿足附加應(yīng)力變化規(guī)律。(9)螺牙的存在使樁身不會喪失粘聚力。

(10)做單樁承載力檢測時最大加載800 kN，Q～s曲線平緩光滑，樁頂最大沉降量12.33～14.05 mm，小于40 mm，最大回彈量2.41～4.89 mm。

(11)由于螺桿樁施工幾乎無噪音和上述特點，特別適合在居民密集區(qū)，樁端嵌入全風(fēng)化基巖使用。

4 安全生產(chǎn)保證措施

4.1 安全管理綜合措施

編制好施工安全方案和安全技術(shù)交底。施工現(xiàn)場的臨時用電，嚴(yán)格按照J(rèn)GJ 46-2005《施工現(xiàn)場臨時用電安全技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定執(zhí)行。嚴(yán)格執(zhí)行用火規(guī)定，所有施工人員熟悉并掌握消防設(shè)備的性能和使用方法。

4.2 施工機械安全保證措施

(1)設(shè)置機械設(shè)備管理部門及管理人員，建立健全了各項管理制度，制定了安全技術(shù)操作規(guī)程，建立了安全技術(shù)檔案。

(2)操作人員體檢合格，無妨礙作業(yè)的疾病和生理缺陷，并經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)、考核合格后上崗。起重機械操作人員、場內(nèi)車輛駕駛員等特種作業(yè)人員都持證上崗。

(3)施工機械進入作業(yè)地點后，向操作人員進行施工任務(wù)和安全技術(shù)交底。操作人員熟悉作業(yè)環(huán)境和施工條件，聽從指揮，遵守現(xiàn)場安全規(guī)定。

(4)操作人員在操作過程中注意了機械工況，沒有擅自離開工作崗位。嚴(yán)禁無關(guān)人員進入工作區(qū)域或操作室內(nèi)。

(5)操作人員遵守了機械有關(guān)保養(yǎng)規(guī)定，及時進行各級保養(yǎng)工作，保持機械的完好狀態(tài)。

(6)試行多班作業(yè)的機械操作人員嚴(yán)格執(zhí)行了交班制度。

(7)操作人員和配合作業(yè)人員必須正確使用勞動防護用品。

4.3 保證夜間施工安全的措施

(1)運輸車輛夜間作業(yè)時，設(shè)置良好的照明設(shè)備，并設(shè)燈光警告標(biāo)志。做到了照明光線充足，不留死角。裝卸設(shè)專人指揮，空重車分道行駛，按先后次序在指定的地點裝卸，未搶裝搶卸。

(2)夜間的各種施工作業(yè)安排專人進行盯崗，合理安排施工程序和施工人員，控制好各個施工環(huán)節(jié)，確保夜間施工的正常進行。配備足夠數(shù)量的發(fā)電裝置，一旦照明斷電，立即啟用備用發(fā)電裝置進行發(fā)電。

5 結(jié)束語

螺桿樁是一種優(yōu)良的地基處理方案，它利用“螺絲釘比釘子更牢固”的原理更能很好的處理地質(zhì)斷裂帶，同時無噪音、無污染，出土量少。本文通過對螺桿樁施工的闡述，使其更廣泛地應(yīng)用到地基處理中。