雙動(dòng)力頭強(qiáng)力鉆機(jī)在海濱復(fù)雜地質(zhì)下硬切割咬合樁中的應(yīng)用

林金江

福建第一公路工程集團(tuán)有限公司，福建 泉州 362000

本文以福建沿海地區(qū)某公路工程的下穿通道雨水泵站基坑支護(hù)的咬合樁的應(yīng)用為背景，通過對(duì)咬合樁施工工藝的對(duì)比研究分析，系統(tǒng)歸納整理了海濱地區(qū)復(fù)雜地層中雙動(dòng)力頭強(qiáng)力多功能鉆機(jī)在硬切割咬合樁施工過程中的控制要點(diǎn)。

1 工程概況

沿海地區(qū)某公路工程的下穿通道的雨水泵站，該泵站處于海濱，距離海岸線距離不足20m，泵站建筑面積1947.78m2，泵站咬合樁外圍尺寸為40.2m×23.9m 的異型?；蝇F(xiàn)狀地面絕對(duì)標(biāo)高為8m，泵站結(jié)構(gòu)的正負(fù)零相對(duì)標(biāo)高對(duì)應(yīng)的絕對(duì)標(biāo)高為8.3m。

該泵站基坑主要采用Ф900mm 排樁+鋼支撐支護(hù)，咬合樁采用鋼筋混凝土樁與素混凝土樁間隔布置并咬合的形式，咬合長(zhǎng)度為250mm（局部有調(diào)整，咬合長(zhǎng)度不小于250mm），支護(hù)樁樁長(zhǎng)25m，基坑深度19m，嵌入基坑底6m，咬合樁樁底位于全風(fēng)化花崗巖層，原設(shè)計(jì)圖紙上咬合樁采用軟咬合工藝，鋼筋混凝土樁采用C30 微膨脹混凝土（以下簡(jiǎn)稱“葷樁”），素混凝土樁采用C20 超緩凝混凝土（以下簡(jiǎn)稱“素樁”）。咬合樁布置如圖所示：

根據(jù)地質(zhì)鉆探報(bào)告，各土層分布自上而下描述如下：

（1）素填土層，松散狀，以粉質(zhì)黏土為主，層厚7m 左右.

（2）中砂層：中密狀，層厚10 m 左右

（3）粉質(zhì)黏土層：可塑性，層厚4.5m 左右

（4）孤石層：位于粉質(zhì)黏土層中，層厚0.5～1.5m 左右

（5）全風(fēng)化花崗巖層：手捏易散，遇水易崩解，巖體極破碎，為極軟巖。層厚4m 左右。

根據(jù)地質(zhì)鉆探報(bào)告揭露，地下水按其埋藏條件大致可分為潛水，孔隙、網(wǎng)狀裂隙水兩種類型。潛水層主要賦存于素填土層，勘察期間測(cè)得地下水混合穩(wěn)定水位絕對(duì)標(biāo)高為6.1m（相對(duì)標(biāo)高2.2m）,孔隙、網(wǎng)狀裂隙水主要賦存于中砂層、全風(fēng)化花崗巖層中，其中中砂層透水層，富水性好，屬?gòu)?qiáng)透水層，中砂層、全風(fēng)化花崗巖層在動(dòng)水壓力下容易出現(xiàn)塌孔，流沙現(xiàn)象［1］。

基于上述地質(zhì)條件，咬合樁的施工主要難點(diǎn)在于咬合樁較長(zhǎng)，垂直度控制要求高，中砂層、全風(fēng)化花崗巖層在漲退潮的動(dòng)水壓力下容易出現(xiàn)塌孔、流沙現(xiàn)象，地層透水性極高且地下水與海水相通，位于粉質(zhì)黏土層中的孤石層穿透困難等。

2 施工工法的選擇

原設(shè)計(jì)方案中的咬合樁采用軟咬合施工，軟咬合樁施工工藝較成熟且有很多成功的施工案例。但根據(jù)本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，其施工工藝有以下不足：

（1）咬合施工中止水效果的成敗主要依托于超緩凝劑的效用，如因各種因素引起葷樁成樁時(shí)間超過超緩凝混凝土的初凝時(shí)間，極易造成咬合樁漏水、斷樁，嚴(yán)重影響了基坑安全，后續(xù)因處理事故樁需采取各項(xiàng)措施，易造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和工期影響。

（2）素樁采用超緩凝混凝土，有利于葷樁的咬合切割，但本項(xiàng)目施工區(qū)域的水文地質(zhì)環(huán)境惡劣，地下水受潮汐作用明顯，超緩凝混凝土在動(dòng)水的反復(fù)沖刷下，易造成素樁樁身混凝土質(zhì)量不合格。

（3）工葷樁的過程中，由于素樁尚未終凝，在穿越中砂層、全風(fēng)化花崗巖層或套管垂直度偏差超過設(shè)計(jì)要求且需將套管拔出重新鉆進(jìn)時(shí)、易發(fā)生素樁混凝土管涌進(jìn)入套管內(nèi)的現(xiàn)象，影響咬合效果和成樁質(zhì)量。

（4）樁施工中穿越孤石層時(shí)，由于套管對(duì)孤石層的擠壓切割，極易造成孤石及沙土侵入尚未初凝的素樁，造成素樁斷樁及止水帷幕漏水。

基于以上軟咬合工法不足之處，經(jīng)與設(shè)計(jì)單位深入溝通確認(rèn)后，本項(xiàng)目咬合樁施工擬采用硬切割咬合樁工法。硬法切割咬合樁是在軟咬合樁工法基礎(chǔ)上，素樁灌注普通混凝土，葷樁采用硬切割素樁成樁，施工步驟大致與軟咬合樁工法相同。這種工法從理論上講有三大優(yōu)勢(shì)。

（1）切割咬合時(shí)無須使用超緩凝混凝土，避免了采用軟咬合時(shí)素樁混凝土管涌現(xiàn)象，且超緩凝混凝土成本較高，也節(jié)約了施工成本。

（2）用硬切割工藝，葷樁成樁時(shí)間可控，避免了葷樁施工時(shí)超過超緩凝混凝土的初凝時(shí)間而引起的各種施工病害。

（3）備超強(qiáng)切削能力的成孔機(jī)械可以解決穿越深度較深的孤石層和切削強(qiáng)度等級(jí)C20 以上混凝土?xí)r存在的施工問題。

綜上所述，硬切割咬合樁工法可以擴(kuò)充既有的咬合樁的施工技術(shù)，并提高在復(fù)雜地質(zhì)成樁的施工工法的選擇，并降低了施工成本。

3 硬法切割咬合樁機(jī)械對(duì)比選擇

（1）360°全回轉(zhuǎn)套管機(jī)＋旋挖機(jī)：360°全回轉(zhuǎn)套管機(jī)無需采用泥漿護(hù)壁，切削能力一般，垂直精度高，成孔直徑標(biāo)準(zhǔn)，充盈系數(shù)小，節(jié)約混凝土。但360°全回轉(zhuǎn)套管機(jī)施工效率較低，施工成本較高。

（2）雙動(dòng)力頭強(qiáng)力多功能鉆機(jī)＋旋挖機(jī)：雙動(dòng)力頭強(qiáng)力多功能鉆孔機(jī)為雙動(dòng)力頭可分離式鉆機(jī)，內(nèi)動(dòng)力頭與外動(dòng)力頭能同軸逆向旋轉(zhuǎn)，使扭轉(zhuǎn)反力自平衡；雙動(dòng)力頭可上下任意分離、相對(duì)運(yùn)動(dòng)、逆向旋轉(zhuǎn)分別驅(qū)動(dòng)內(nèi)側(cè)螺旋鉆頭和外側(cè)套管鉆孔，在配置多套外套管時(shí)可同時(shí)開挖多根樁，提高了機(jī)械的利用率。

雙動(dòng)力頭強(qiáng)力多功能鉆孔機(jī)無需采用泥漿護(hù)壁，成孔直徑標(biāo)準(zhǔn)，垂直精度高，充盈系數(shù)小，節(jié)約混凝土，外動(dòng)力頭帶動(dòng)的外套管能夠?qū)崿F(xiàn)大扭矩的掘削鉆進(jìn)，特別是能在孤石層及堅(jiān)硬巖石層等復(fù)雜地層和切削強(qiáng)度等級(jí)C20 以上混凝土?xí)r高效率鉆進(jìn)，在鉆進(jìn)硬巖石層時(shí)，螺旋鉆頭更換成帶牙輪筒鉆頭的旋挖機(jī)嵌巖，又可保證施工進(jìn)度。且施工成本相對(duì)360°全回轉(zhuǎn)套管機(jī)低［2］。

由以上分析可見，“雙動(dòng)力頭強(qiáng)力多功能鉆機(jī)＋旋挖機(jī)”可以適應(yīng)高地下水位，上部砂層下部有孤石層的硬切割咬合樁的施工，既能提高鉆進(jìn)效率，降低施工成本，又能保證施工質(zhì)量，保證止水效果。

經(jīng)過多方面因素考慮，本項(xiàng)目最終選用雙動(dòng)力頭強(qiáng)力多功能鉆機(jī)+旋挖鉆機(jī)配合進(jìn)行硬切割工法的咬合樁施工。

4 硬切割咬合樁主要工藝流程

硬切割咬合樁與傳統(tǒng)軟咬合樁施工步驟基本一致，采用間隔跳打，先施工素樁，等相鄰兩側(cè)的素樁混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后切割素樁成孔葷樁，然后澆筑葷樁混凝土成樁。

施工順序如下：場(chǎng)地平整→測(cè)量放樣→施工導(dǎo)墻（導(dǎo)墻強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%）→鉆機(jī)就位→套管及螺旋鉆頭雙動(dòng)力鉆孔→旋挖鉆清除孤石→清孔→吊放鋼筋籠（葷樁）→安裝導(dǎo)管→灌注水下混凝土→拔出導(dǎo)管→起拔套管。

5 硬切割咬合樁主要控制要點(diǎn)

5.1 垂直度控制

鉆孔施工前將套管的順直度偏差控制在1‰～1.5‰以內(nèi)，正式鉆孔前通過設(shè)備自帶儀表及全站儀校核套管垂直度，確保套管垂直度控制在設(shè)計(jì)要求的3‰以內(nèi)。

5.2 糾偏

成孔過程中應(yīng)加強(qiáng)量測(cè)，每鉆進(jìn)2m 必須校核一次套管垂直度，當(dāng)套管垂直度偏差超過設(shè)計(jì)要求時(shí)，先利用鉆機(jī)自身糾偏，如調(diào)整后垂直度還不能滿足設(shè)計(jì)要求，可緩慢拔出套管，拔出套管時(shí)應(yīng)向孔內(nèi)注水，以防止出現(xiàn)土體管涌現(xiàn)象，直至提升到上次垂直度檢查合格的位置后，重新校核垂直度合格后方能重新緩慢鉆進(jìn)。

5.3 孤石層鉆進(jìn)

當(dāng)鉆進(jìn)過程中遇到孤石層時(shí)，外套管應(yīng)緩慢鉆進(jìn)孤石層，確保套管的垂直度，鉆穿孤石層后，將鉆機(jī)的螺旋鉆頭更換成帶牙輪筒鉆頭旋挖鉆機(jī)進(jìn)行嵌巖。

5.4 葷樁鉆進(jìn)

當(dāng)素樁混凝土強(qiáng)度越高，葷樁鉆入速度越慢，機(jī)械損耗越大，施工時(shí)間也越長(zhǎng)；當(dāng)素樁的強(qiáng)度太低時(shí)，葷樁鉆入時(shí)容易造成素樁受切割擾動(dòng)損壞。

經(jīng)施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，當(dāng)素樁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%～60% 時(shí)，切削素樁時(shí)素樁受擾動(dòng)破壞小、咬合面連接較好，止水效果好，切削較為順利，葷樁的垂直度更容易控制。因此葷樁應(yīng)選擇當(dāng)相鄰兩根素樁混凝土強(qiáng)度全部達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50% 以上時(shí)方可進(jìn)行施工［3］。

另一方面，當(dāng)相鄰的兩根素樁的強(qiáng)度相差較大時(shí)，葷樁施工過程中垂直度控制難度加大，施工時(shí)應(yīng)放慢鉆進(jìn)速度，加強(qiáng)垂直度控制，確保施工質(zhì)量。

5.5 防止出現(xiàn)管涌措施

本工程位于近海海濱區(qū)域，約10m 厚的中砂層透水性強(qiáng)，套管在下壓取土過程中，套管外的砂土容易大量進(jìn)入套管內(nèi)，套管外的地層被掏空，混凝土澆筑后拔出套管時(shí)，混凝土填充掏空位置，造成樁身擴(kuò)孔嚴(yán)重，影響后續(xù)的基礎(chǔ)施工且浪費(fèi)混凝土。因此咬合樁施工時(shí)必須使套管底比套管內(nèi)土面深3～4 m，必要時(shí)向孔內(nèi)注水，以防止出現(xiàn)土體管涌現(xiàn)象。

5.6 清孔

清孔時(shí)應(yīng)將套管壁上孔內(nèi)虛土和沉渣清除干凈，并用旋挖鉆機(jī)夯實(shí)孔底，防止因孔壁的虛土進(jìn)入樁身造成樁身夾泥現(xiàn)象，引起咬合樁漏水。

6 施工效果檢驗(yàn)

2020 年8 月20 日本項(xiàng)目完成了下穿通道的雨水泵站的基坑開挖工程，根據(jù)基坑開挖結(jié)果顯示：除兩處因土體管涌形成咬合樁樁徑變大侵入基坑內(nèi)需鑿除和一處輕微滲水點(diǎn)外，咬合樁止水效果良好，樁身檢測(cè)及垂直度滿足設(shè)計(jì)要求，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

7 結(jié)語

本項(xiàng)目在雨水泵站咬合樁施工過程中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，經(jīng)過研究分析并在施工中證明了雙動(dòng)力頭強(qiáng)力多功能鉆機(jī)在硬切割咬合樁在海濱、高滲透、深基坑、復(fù)雜地質(zhì)等條件下的應(yīng)用確實(shí)可行。硬切割咬合樁與軟咬合樁對(duì)比具有工程成本低、適應(yīng)海濱復(fù)雜地質(zhì)、工序簡(jiǎn)單可控等優(yōu)點(diǎn)。