超長大直徑旋挖鉆孔擴(kuò)底樁應(yīng)用技術(shù)

魏 珂， 吳 懿， 王勝昌， 吳 鋒

(中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100082)

20世紀(jì)80年代旋挖鉆孔技術(shù)被引入國內(nèi)，在最近20年被逐漸認(rèn)識和應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)是施工效率較高、環(huán)境污染少、質(zhì)量控制好等[1]。擴(kuò)底樁使傳統(tǒng)的單樁承載力和抗拔力大大提高、沉降減小、抗震性能好、成本降低、減少資源浪費(fèi)，適合于各種復(fù)雜地質(zhì)條件。

擴(kuò)底鉆孔灌注樁是在傳統(tǒng)鉆孔灌注樁完成成孔后，改用擴(kuò)底鉆頭，放入孔底后開始開鉆擴(kuò)孔，通過增大樁斷面面積，從而提高了樁的承載力[2]。擴(kuò)底樁施工工藝主要應(yīng)用于樁長不超過40 m的樁基礎(chǔ)施工中，當(dāng)樁長超過40 m時使用較少，這種超長鉆孔擴(kuò)底樁可以有效縮短樁長。

1 工程簡介

保定市樂凱大街南延工程位于保定市西南部，是保定市規(guī)劃的加強(qiáng)“一城三星一淀”的四條道路連接線之一。保定市樂凱大街南延工程項目線路跨保定南站主橋13#及14#墩，其樁基為擴(kuò)底樁。樁身直徑1.8 m，樁底直徑3.0 m，等高0.75 m，以12 °角擴(kuò)大，樁間距4.5 m；其中13#樁基礎(chǔ)設(shè)計樁長84 m，14#樁基礎(chǔ)設(shè)計樁長71 m(圖1)。

圖1 橋型布置

目前，該橋轉(zhuǎn)體重量及跨度為世界第一。為解決場地限制、降低承臺體積、摩擦樁帶來的超長樁長問題，該橋采用擴(kuò)底樁的施工方法。

該橋的樁基礎(chǔ)采用AM工法進(jìn)行施工，它是一種全液壓可視可控旋挖擴(kuò)底樁施工技術(shù)，該施工工藝精準(zhǔn)，質(zhì)量可靠。AM施工技術(shù)采用全液壓擴(kuò)底快換魔力鏟斗進(jìn)行切削挖掘，首先用鉆機(jī)按照傳統(tǒng)鉆孔灌注樁成孔，當(dāng)鉆到設(shè)計的深度后，改用擴(kuò)底鉆頭(全液壓擴(kuò)底快換魔力鏟斗)下降到孔的底端，打開擴(kuò)大翼進(jìn)行擴(kuò)大切削挖掘，擴(kuò)底時使樁底端保持水平擴(kuò)大，采用映像追蹤監(jiān)控技術(shù)對切削挖掘控制(樁底端的深度及擴(kuò)底部位的形狀、尺寸等數(shù)據(jù)和圖像通過檢測裝置顯示在操作室內(nèi)的監(jiān)控器上)[3]。

AM工法采用的旋挖鉆機(jī)適應(yīng)性較強(qiáng)，能適應(yīng)從黏土層到硬土層、粉沙層、砂層、砂礫層、圓礫層、泥巖、閃長巖、風(fēng)化巖等各種地質(zhì)條件。因該系列鉆機(jī)通過柴油機(jī)帶動液壓系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)、切削、挖掘鉆進(jìn)成擴(kuò)孔，故該鉆機(jī)在成孔過程中不需電源。在城市施工時，因基礎(chǔ)工程施工用電比較集中，在無電源的公路、鐵路等樁基施工地方更能體現(xiàn)其優(yōu)勢。該鉆機(jī)成孔過程是通過鉆斗挖掘，然后將土運(yùn)出裝載在自卸車上，從而使成孔過程實現(xiàn)無泥漿排放。在灌注混凝土過程中，將排出的泥漿通過泥土分離裝置對廢漿進(jìn)行更新處理，以便循環(huán)使用，節(jié)約水源，既解決了大批量泥漿運(yùn)輸排放的難題，又滿足了施工現(xiàn)場環(huán)境清潔，減少城市污染，保證文明施工的要求。

2 擴(kuò)底樁施工技術(shù)

擴(kuò)底樁施工先利用普通鉆頭鉆至設(shè)計深度，然后將普通鉆頭更換為擴(kuò)孔鉆頭，將擴(kuò)孔鉆頭下降到設(shè)計深度底端。由于擴(kuò)孔底對鉆桿扭力及剛度有較高要求，鉆機(jī)需配有加強(qiáng)型轉(zhuǎn)桿，采用專用機(jī)械式擴(kuò)孔底鉆頭，成孔采用泥漿分離器分離泥漿中砂。在成孔過程中，應(yīng)做好渣樣留存工作，通過渣樣判斷地質(zhì)地層狀況調(diào)整成孔的速度，并且根據(jù)泥漿性能等指標(biāo)，確保成孔質(zhì)量。

2.1 樁基礎(chǔ)試成孔施工

根據(jù)設(shè)計及現(xiàn)場施工條件，對保定市樂凱大街南延工程跨保定南站主橋樁基進(jìn)行試成孔施工。試樁孔徑1 800 mm(擴(kuò)底段孔徑1 800～3 000 mm)，母塔樁長84 m，孔深約90.0 m；子塔樁長71 m，孔深約80.5 m。

通過試成孔確定超長擴(kuò)底樁成孔工藝、成孔各項參數(shù)及AM工法擴(kuò)底成孔可行性等，復(fù)核工程地質(zhì)狀況，同時驗證施工部署、資源配置等情況是否能滿足施工要求。

2.2 樁基礎(chǔ)成孔施工要點(diǎn)

采用AM工法進(jìn)行試成孔施工的工藝流程圖2。

工程開工前，測量放線、護(hù)筒埋設(shè)、鉆機(jī)就位等前期準(zhǔn)備工作均與普通旋挖鉆施工要求相同。

為防止孔壁坍塌，應(yīng)在成孔作業(yè)過程中根據(jù)不同地質(zhì)情況對泥漿比重進(jìn)行調(diào)整，并采用泥漿護(hù)壁。同時為保證擴(kuò)底段孔壁穩(wěn)定，擴(kuò)底施工前應(yīng)調(diào)整泥漿比重不低于1∶2；在作業(yè)過程中要做好詳細(xì)的施工記錄及相應(yīng)的檢測記錄，同時保存好渣樣[4]。

AM工法：樁的定位、鉆孔、挖掘、擴(kuò)底和下鋼筋籠、清孔，混凝土灌注后生成完整的擴(kuò)底樁。成樁中具體采用下述步驟：

(1)進(jìn)行樁孔的中心定位，引導(dǎo)鉆機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

(2)鉆機(jī)挖孔，其孔徑大于預(yù)設(shè)樁徑，然后埋設(shè)護(hù)筒。

(3)鉆孔：將穩(wěn)定液加入孔中，并且鉆機(jī)鉆孔的同時加入穩(wěn)定液，孔中鉆下的土被裝到鉆機(jī)中，每鉆入一定深度，需要提升到地面清理鉆機(jī)鏟斗內(nèi)的泥土，再次鉆孔提伸，如此反復(fù)，至設(shè)計標(biāo)高為止。

(4)擴(kuò)底：采用魔力擴(kuò)底鏟斗對樁孔底部進(jìn)行擴(kuò)底，鏟斗被分成2份或4份進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切削挖掘；挖掘下的泥土沙礫被放入鏟斗，鏟斗閉合時將其帶至地面運(yùn)走。

(5)檢測樁孔的深度、樁孔中的沉渣，并且對擴(kuò)底部分進(jìn)行伸縮擴(kuò)張檢測，將隔離管綁在鋼筋籠上，然后再放進(jìn)樁孔中，用清渣泵清渣。

(6)下導(dǎo)管，澆混凝土，形成完整的擴(kuò)底樁。

成孔過程見圖3～圖6。直徑長度相同，擴(kuò)底樁豎向承載力比傳統(tǒng)等徑單樁提高36 %～50 %以上,承載能力大小相同，擴(kuò)底樁比等徑樁少用混凝土27 %～36 %以上，特殊地方的地質(zhì)承載力能達(dá)到提高100 %,將擴(kuò)底樁應(yīng)用于較好地質(zhì)層作為持力層效果會更好。擴(kuò)底樁的優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)摩擦樁無法與之相比的[5-7]。

圖3 等徑成孔

圖4 泥漿制備

圖5 擴(kuò)底鉆頭檢

圖6 擴(kuò)底成孔

3 擴(kuò)底樁施工質(zhì)量控制

鉆孔擴(kuò)底樁具有單樁承載力高、沉降量小、抗震性能好，費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)[8]，但由于擴(kuò)底部分隱蔽性強(qiáng)，檢測較為困難，因此施工過程中質(zhì)量控制有一定的難度。

(1)在成孔開始前應(yīng)做好充分的準(zhǔn)備工作，需對鉆頭進(jìn)行檢查確認(rèn)?；炷翝仓?yīng)一次性完成，為防止孔壁周圍的土質(zhì)發(fā)生物理變化，應(yīng)做好記錄；同時應(yīng)做好渣樣留存工作。

(2)鉆進(jìn)過程中設(shè)專人記錄泥漿比重、黏度、含砂率、鉆進(jìn)速度、進(jìn)尺速度及地質(zhì)特征等參數(shù)，同時應(yīng)對各地層鉆進(jìn)異常情況進(jìn)行描述，終孔時記錄泥漿性能參數(shù)、孔深、提鉆時間等，記錄應(yīng)及時、準(zhǔn)確、清晰。

(3)擴(kuò)底成孔時，應(yīng)分兩次成孔。第一次用等徑鉆頭鉆至樁底設(shè)計標(biāo)高，將鉆頭提出孔外，換上擴(kuò)底直徑能收縮的魔力鏟斗，通過鉆桿將擴(kuò)底鉆頭下送到孔底，進(jìn)行第二次擴(kuò)底成孔，直至滿足樁底設(shè)計要求[9]。隨著鉆進(jìn)深度增加，鉆斗的升降速度應(yīng)適度減小。

(4)地面測量魔力鏟斗行程時一定要仔細(xì)準(zhǔn)確。施工中擴(kuò)底樁徑、擴(kuò)底及清孔時間、泥漿指標(biāo)、沉淀、孔深等參數(shù)由質(zhì)量員全程監(jiān)控，檢查驗收；并上報監(jiān)理等單位進(jìn)行復(fù)查[10]。

(5)當(dāng)發(fā)生鉆進(jìn)困難，每次進(jìn)尺深度太小，斗內(nèi)鉆渣太少時，可采用切削角較大的鉆頭，或先采用直徑較小的筒形齒狀鉆斗鉆一小孔，然后再用正常直徑鉆斗擴(kuò)孔鉆進(jìn)。

(6)混凝土灌注時，應(yīng)重點(diǎn)控制擴(kuò)底段的灌注速度，防止因灌注速度過快，混凝土對護(hù)壁擾動過大而坍塌。

4 施工質(zhì)量結(jié)果驗證

通過對施工成孔質(zhì)量，混凝土灌注后樁基礎(chǔ)完整性檢測來復(fù)核工程施工質(zhì)量，檢測結(jié)果滿足預(yù)期目標(biāo)。檢測過程見圖7、圖8。

圖7 成孔超聲檢測

圖8 成孔檢測結(jié)果

5 結(jié)論

(1)旋挖鉆機(jī)施工具有的優(yōu)點(diǎn)是成孔速度快，環(huán)境污染小，施工方便快捷，通常情況下僅需幾個小時便可成孔，是傳統(tǒng)鉆孔機(jī)械施工速率的幾倍以上。

(2)盡管旋挖鉆機(jī)施工前期需要更高的投資成本，但是在某些地質(zhì)狀況下考慮到其他因素的成本，最終總的經(jīng)濟(jì)效益具有較大的優(yōu)勢。

(3)對于工程橋梁地質(zhì)情況，采用旋挖鉆機(jī)鉆孔施工技術(shù)，不僅能保證施工的質(zhì)量，而且能夠縮短施工時間，擴(kuò)孔率小，有效地控制了混凝土的超方現(xiàn)象。通過成孔孔形檢測及樁基礎(chǔ)超聲檢測，孔形及樁身質(zhì)量均達(dá)到預(yù)期要求，其中樁身完整性檢測中，達(dá)到I類樁為100 %，從施工進(jìn)度、成本控制、質(zhì)量保證及環(huán)境控制等方面得到監(jiān)理、建設(shè)單位及社會的一致好評。