中風(fēng)化巖層地質(zhì)條件下的旋挖擴(kuò)底鉆孔灌注樁施工技術(shù)

陳冬泉

中億豐建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 江蘇 蘇州 215131

當(dāng)下，人工挖孔灌注樁以及傳統(tǒng)鉆孔灌注樁施工機(jī)械已不能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求，而旋挖成孔作為新的成樁工藝，近年來憑借自身的優(yōu)勢(shì)在樁基施工中廣泛應(yīng)用。旋挖成孔優(yōu)先采用干作業(yè)施工，但遇到復(fù)雜土層時(shí)，由于成孔較困難，故容易產(chǎn)生機(jī)械和質(zhì)量問題[1-6]。為保證施工工期以及成孔質(zhì)量，對(duì)旋挖成孔灌注樁（擴(kuò)底）干作業(yè)施工在中風(fēng)化砂巖土層中的技術(shù)可行性進(jìn)行分析，并通過具體實(shí)例證實(shí)旋挖干作業(yè)成孔技術(shù)能夠在中風(fēng)化砂巖土層的灌注樁施工中成功應(yīng)用。

1 案例概況

1.1 工程簡述

新建南京航空航天大學(xué)留學(xué)生與外國專家樓項(xiàng)目建筑面積55 413.1 m2，樁基采用φ800 mm鉆孔灌注樁，樁端持力層為④2層中風(fēng)化粉砂巖，樁深進(jìn)入持力層2.4 m。樁端持力層部位采取擴(kuò)底，擴(kuò)大頭直徑為1.4 m。

1.2 地質(zhì)概況

根據(jù)勘察報(bào)告中巖土體巖性、結(jié)構(gòu)、成因類型、埋藏分布特征及其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，將勘探鉆孔深度范圍內(nèi)涉及的土層劃分為4個(gè)地質(zhì)層（雜填土層、素填土層、粉質(zhì)黏土層、泥質(zhì)砂巖層）。泥質(zhì)砂巖為中等風(fēng)化巖層，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度為12.99 MPa。

2 旋挖鉆機(jī)選用可行性分析

2.1 旋挖鉆機(jī)適用范圍

旋挖鉆機(jī)采用多層伸縮式鉆桿結(jié)構(gòu)，配備旋挖鉆頭進(jìn)行干挖作業(yè)，并配備擴(kuò)大頭鉆具，可在孔底進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)，也可以配備回轉(zhuǎn)鉆頭進(jìn)行濕作業(yè)。旋挖鉆機(jī)適合黏性土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖等各種地質(zhì)土層的灌注樁成孔施工。本工程樁深范圍內(nèi)涉及中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖土層，需選配合適的巖石鉆頭進(jìn)行分級(jí)鉆進(jìn)施工。

2.2 土層地質(zhì)性能分析

1）樁身上層土體為雜填土層、素填土層。該部分土體比較松散，密實(shí)度比較差，成孔后的孔壁容易坍塌，采用干作業(yè)施工時(shí)需采取技術(shù)措施，如在鉆孔前先將松散的土體壓實(shí)、換填黏性土或者采用埋設(shè)護(hù)筒的方式，防止孔壁坍塌。

2）中間部分的土層為粉質(zhì)黏土層。該部分土體塑性指數(shù)高，成孔后的孔壁穩(wěn)定性好，無需護(hù)筒或者泥漿護(hù)壁，適合采用旋挖鉆機(jī)施工。

3）樁身下層土體為強(qiáng)風(fēng)化巖層和中風(fēng)化巖層。隨深度加深，該部分巖層強(qiáng)度逐漸增大，鉆進(jìn)難度也會(huì)增大，因此需要選擇合適的巖石鉆頭。該巖層的孔壁土體穩(wěn)定性尚可，在幾種鉆頭配合使用下可以采用旋挖鉆機(jī)施工。

根據(jù)項(xiàng)目工期及設(shè)計(jì)要求，在深入了解工地現(xiàn)場(chǎng)的土層地質(zhì)條件及地下水文情況后，一致認(rèn)為旋挖鉆機(jī)是最滿足本工程灌注樁施工條件的施工機(jī)械。

3 鉆頭選用可行性分析

經(jīng)過對(duì)案例工程地質(zhì)情況的分析以及常用旋挖鉆機(jī)鉆頭的對(duì)比分析，認(rèn)為在雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土及強(qiáng)風(fēng)化巖層中應(yīng)配備體開式巖石鉆頭，在中風(fēng)化巖層中應(yīng)配備截齒筒鉆，而遇到鉆進(jìn)困難時(shí)則更換成嵌巖筒鉆配合進(jìn)行分級(jí)鉆進(jìn)，樁底擴(kuò)孔則選用錐形螺旋鉆頭[7-11]。

3.1 體開式巖石鉆頭

體開式巖石鉆頭為開口型鉆頭，鉆進(jìn)時(shí)兩瓣筒體閉合，提鉆后通過反轉(zhuǎn)，兩瓣筒體打開，筒體和底板連為一體，切削具為鏟式斗齒。該鉆頭鉆進(jìn)速度快、施工方便、效率高，適用于填土層、粉質(zhì)黏土層及黏性土層，可用于本工程強(qiáng)風(fēng)化巖層以上的土層鉆孔施工。

3.2 截齒筒鉆

截齒筒鉆底板上帶截齒，屬于巖鉆（巖石鉆頭），用于堅(jiān)硬基巖和大漂石層，適用于本工程強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化巖層的鉆孔施工。

3.3 嵌巖筒鉆

嵌巖筒鉆亦屬于巖鉆，主要作用是對(duì)樁孔內(nèi)較硬的巖石層進(jìn)行松動(dòng)，只能切、削和松動(dòng)巖體，沒有底板環(huán)狀筒體，也沒有取土功能，適用于較硬的巖石土層，可用于本工程中風(fēng)化巖層的鉆孔施工。

3.4 錐形螺旋鉆頭（擴(kuò)底使用）

錐形螺旋鉆頭分上開式和下開式2種形式，用于土層、強(qiáng)風(fēng)化巖層、中風(fēng)化巖層及堅(jiān)硬基巖土層，擴(kuò)底結(jié)束后再用清渣桶清渣。該鉆頭可用于本工程灌注樁樁底中風(fēng)化巖層的擴(kuò)大頭擴(kuò)孔施工。

4 旋挖干作業(yè)條件分析

4.1 成孔方式

旋挖鉆孔灌注樁成孔方式分為干作業(yè)旋挖成孔和濕作業(yè)（泥漿護(hù)壁）旋挖成孔。旋挖成孔若采用干作業(yè)施工，則不需要配制泥漿護(hù)壁，不僅減少了施工工序，節(jié)約了機(jī)械和人力，降低了施工成本，而且場(chǎng)地不用設(shè)置泥漿池及其循環(huán)系統(tǒng)，有利于環(huán)境保護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)安全文明施工。套管成孔、機(jī)動(dòng)洛陽鏟成孔及爆破成孔雖然也是干作業(yè)，但屬于非常規(guī)的成孔方式，考慮環(huán)保因素，城市內(nèi)的建筑工程不適用，因此本文不作分析。

4.2 土層地質(zhì)性能適用性分析

本工程雜填土層、素填土層的厚度為0.7～6.3 m；勘探揭示的粉質(zhì)黏土層和強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化巖層最大厚度為26.4 m，其中勘探揭示的中風(fēng)化巖層最大厚度為15.0 m。

1）素填土層和雜填土層孔壁穩(wěn)定性差，易出現(xiàn)坍孔現(xiàn)象，干作業(yè)鉆孔施工時(shí)需配備長度不等的鋼護(hù)筒。

2）粉質(zhì)黏土層塑性較好，具備干作業(yè)施工條件。

3）泥質(zhì)砂巖（強(qiáng)風(fēng)化）土層呈砂土狀，且塑性較好，滿足干作業(yè)施工條件。

4）破碎狀泥質(zhì)砂巖（中等風(fēng)化）土層巖質(zhì)偏軟，塑性較好，滿足干作業(yè)施工條件。

5）泥質(zhì)砂巖（中等風(fēng)化）巖體呈泥砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，屬軟巖，且塑性較好，滿足干作業(yè)施工條件。其抗壓強(qiáng)度相對(duì)于高強(qiáng)度的巖石層并不高，但進(jìn)入該土層時(shí)鉆進(jìn)速度需要放慢，鉆進(jìn)困難時(shí)可更換成嵌巖筒鉆配合進(jìn)行分級(jí)鉆進(jìn)。

4.3 地下水文情況分析

1）場(chǎng)地內(nèi)雜填土層、素填土層中的含水介質(zhì)為黏性土，但其滲透性差、含水量少，適合采用旋挖鉆機(jī)干作業(yè)成孔施工。

2）粉質(zhì)黏土層滲透性差、含水量少，適合采用旋挖鉆機(jī)干作業(yè)成孔施工。

3）強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化巖層裂隙中存有基巖裂隙水，但是富水性和透水性低，連通性差，適合采用旋挖鉆機(jī)干作業(yè)成孔施工。

綜上分析，工程現(xiàn)場(chǎng)地下水文情況滿足旋挖鉆機(jī)干作業(yè)成孔施工條件。

5 干作業(yè)施工工藝

5.1 鉆機(jī)、鉆頭選擇

根據(jù)業(yè)主工期要求、工程地質(zhì)土層情況及設(shè)計(jì)圖紙，本工程灌注樁選擇采用旋挖鉆機(jī)成孔干作業(yè)施工工藝。根據(jù)工程量及合同工期要求，采用山河智能SWDM25旋挖鉆機(jī)（該旋挖鉆機(jī)最大鉆孔直徑1 800～2 500 mm，輸出扭矩201～300 kN，最大鉆孔深度75～58 m）及配套的體開式巖石鉆頭、截齒筒鉆和嵌巖筒鉆配合施工，樁底擴(kuò)孔選用錐形螺旋鉆頭及清渣桶。

5.2 施工工序

場(chǎng)地平整、換填土方、壓實(shí)→鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)安裝調(diào)試、驗(yàn)收→軸線及樁位測(cè)放→樁位復(fù)查→鉆機(jī)就位、旋挖、出土→樁底擴(kuò)孔→清渣→樁孔驗(yàn)收→樁孔內(nèi)放入鋼筋籠→安裝混凝土導(dǎo)管→澆筑灌注樁混凝土→拔出鋼護(hù)筒→混凝土養(yǎng)護(hù)、驗(yàn)收

5.3 鉆進(jìn)成孔

1）鉆機(jī)就位。旋挖鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)、組裝完成后，根據(jù)樁位進(jìn)行軸線測(cè)放，樁位復(fù)查驗(yàn)收合格后使旋挖鉆機(jī)就位，并調(diào)整姿態(tài)。

2）垂直度控制。在旋挖鉆進(jìn)施工過程中嚴(yán)格控制桅桿的垂直度，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，一旦出現(xiàn)偏移，應(yīng)及時(shí)予以調(diào)整、糾正。

3）護(hù)筒埋設(shè)。為防止坍孔，保證成孔質(zhì)量，在回填土深度范圍內(nèi)放置護(hù)筒。鋼護(hù)筒壓入土體時(shí)需保持垂直。

4）鉆進(jìn)成孔。根據(jù)地質(zhì)情況控制旋挖速度，在容易發(fā)生坍孔、頸縮的雜填土層施工時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加鉆頭上下鉆孔的次數(shù)，以固結(jié)孔壁土體。在穿越軟塑或硬塑土層時(shí)，適當(dāng)加快旋挖鉆進(jìn)的速度，以提高工效。在進(jìn)入中風(fēng)化硬質(zhì)土層時(shí)，要減慢鉆孔速度，若鉆進(jìn)困難，則需更換成嵌巖筒鉆配合施工。

5）巖面判定。根據(jù)鉆機(jī)在鉆孔過程中的實(shí)際土樣，判定是否進(jìn)入中風(fēng)化巖層。實(shí)際施工過程中可依據(jù)地勘報(bào)告所揭示的巖土深度高程與實(shí)際出土的土樣進(jìn)行比較，作出初步判定。

6）坍孔處理。坍孔時(shí)，可以采用換填黏性土并進(jìn)行壓實(shí)的方案，也可以采用埋設(shè)鋼護(hù)筒的方案。

7）擴(kuò)孔、清底。本工程中風(fēng)化以下的泥巖及黏土層等在負(fù)角情況下能夠自穩(wěn)，因此該部分的地層適合采用擴(kuò)孔施工。在鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高后，更換成錐形螺旋擴(kuò)大頭鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)施工，并采用清渣桶清除樁底渣土。完成后采用井徑儀測(cè)量孔徑尺寸，成孔數(shù)據(jù)需滿足設(shè)計(jì)及施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 分析與建議

6.1 選擇旋挖鉆機(jī)施工的理由

1）施工效率高：本工程的施工記錄數(shù)據(jù)顯示，旋挖鉆機(jī)成孔時(shí)間大約是傳統(tǒng)鉆孔樁機(jī)的一半，鉆進(jìn)效率高，有利于加快進(jìn)度，保證工期。

2）有利于降本增效：由于旋挖鉆機(jī)干作業(yè)對(duì)土質(zhì)要求高，一般需要采用換填或者鋼護(hù)筒的措施，所以坍孔現(xiàn)象控制得好，混凝土充盈系數(shù)比非旋挖鉆機(jī)干作業(yè)的灌注樁要低很多，能夠節(jié)約大量的混凝土，降低了工程成本，為企業(yè)增加效益。

3）有利于安全文明施工：南京地區(qū)雨季時(shí)間較長，下雨后場(chǎng)地較為泥濘，旋挖鉆機(jī)相比其他方式成孔的灌注樁機(jī)械，在場(chǎng)地內(nèi)移動(dòng)便利；同時(shí)，旋挖鉆機(jī)施工受天氣影響不大，施工過程中沒有大量泥漿需要處理，方便現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的管理。

6.2 選擇旋挖鉆機(jī)施工的建議

1）中風(fēng)化砂巖層抗壓強(qiáng)度高于強(qiáng)風(fēng)化砂巖層，進(jìn)入該土層時(shí)需放慢鉆進(jìn)速度，可以更換成巖鉆并采用分級(jí)鉆進(jìn)的方案。

2）干作業(yè)施工要求地下土層含水量少、滲透性差，否則需選擇泥漿護(hù)壁濕作業(yè)施工。

3）遇到較厚的雜填土層、素填土層、粉土層及砂土層等孔壁穩(wěn)定性較差的土層時(shí)，需要采用護(hù)筒護(hù)壁，遇到成孔困難及較復(fù)雜土層時(shí)建議慎選。

4）旋挖鉆機(jī)在施工過程中遇黏土?xí)r易糊鉆，建議選用體開式鉆頭，以便于卸土。

5）樁底土層自穩(wěn)性較差時(shí)，不建議采用樁底擴(kuò)孔施工。

7 結(jié)語

旋挖成孔施工工藝復(fù)雜，對(duì)土層地質(zhì)條件要求高，因此并不是所有的土層都可以采用旋挖成孔干作業(yè)施工。旋挖成孔工藝雖然具有施工效率高、有利于降本增效和安全文明施工等優(yōu)勢(shì)，但也有自身的缺陷和不足，需要我們進(jìn)一步研究和探索，不斷加以改進(jìn)和完善。