沖孔灌注樁樁孔糾偏預(yù)防技術(shù)研究及應(yīng)用

蔣 凱，鄧 宇，孟寶華，秦峰焰

（中冶成都勘察研究總院有限公司，四川成都610023）

0 引言

沖孔灌注樁施工工藝作為一種常用的樁基施工技術(shù)，由于其穿透巖層能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、適用于各種復(fù)雜地質(zhì)條件、施工孔深不受限制等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)應(yīng)用已久。但在實(shí)際施工中，由于復(fù)雜地質(zhì)情況，同樣會面臨漏漿、塌孔、偏孔等各種問題［1-6］，尤其是在成孔過程中，偏孔問題若不重視和及時(shí)處理，極易導(dǎo)致卡鉆、卡鋼筋籠等問題及鋼筋籠局部保護(hù)層厚度不夠、樁底成渣加厚、樁身承載力不夠等質(zhì)量問題。傳統(tǒng)方法采用回填片石糾偏可以處理偏孔問題［7］，然而其經(jīng)濟(jì)性和工效很差［8］，容易出現(xiàn)多次糾偏失敗的情況，對工程成本和工期造成巨大影響，嚴(yán)重危害成孔的質(zhì)量。本文以糾偏預(yù)防為研究思路，根據(jù)以往對沖擊成孔參數(shù)［9］和鉆頭設(shè)計(jì)［10］的研究經(jīng)驗(yàn)，預(yù)先控制沖擊成孔參數(shù)、合理進(jìn)行鉆頭設(shè)計(jì)，并在具體工程中進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐。

1 工程概況

1.1 工程簡介

擬建工程屬岷江水系Ⅱ級階地，該范圍內(nèi)的地層有：第四系全新統(tǒng)人工堆積填土，第四系上更新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)粘土、細(xì)砂、粗砂、礫砂、圓礫、含粉質(zhì)粘土卵石、卵石及中生界侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2s）砂質(zhì)泥巖和砂巖（見圖1）。

1.2 技術(shù)難點(diǎn)

沖擊鉆頭沖進(jìn)過程中，多次出現(xiàn)樁位偏移的情況（見表1）。雖然通過回填片石至偏移處標(biāo)高以上5 m 后繼續(xù)沖進(jìn)，校正了孔位，但是中途增加了回填片石環(huán)節(jié)，沖擊鉆機(jī)頻繁停鉆及二次成孔，對樁基施工工期和成本造成了極大的損失。沖擊成孔過程是將沖錘提升到一定高度，利用沖錘自由下落的沖擊能量沖擊打碎土層或巖石，并通過泥漿循環(huán)排出泥渣達(dá)到成孔的目的。本工程存在以下技術(shù)難點(diǎn)，對糾偏預(yù)防造成了巨大困難：

表1 樁位偏移記錄Table 1 Record of pile location deviation

（1）根據(jù) 4、5、6、8、9、10 號主樓地塊樁基設(shè)計(jì)要求，成孔深度在40～45 m 范圍，孔徑900 mm，在深部沖擊成孔過程中，保持孔身垂直、孔中心無偏差的施工難度大。

（2）根據(jù)圖1 所示，場地存在30 m 巨厚的圓礫層，對護(hù)壁要求高，沖擊成孔過程中不僅要預(yù)防偏孔，還存在漏漿、縮孔或塌孔的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）巖層主要為中風(fēng)化砂巖，硬度極高，具有一定傾角，入巖沖進(jìn)時(shí)不僅要預(yù)防受力不均產(chǎn)生的沖錘偏轉(zhuǎn)，還要注意沖錘磨損和鈍化。

2 樁孔偏斜分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)有以下2 種原因造成樁孔偏斜。

2.1 遇到孤石、探頭石

一般有3 種情況與偏孔相關(guān)：（1）孤石表面呈弧形導(dǎo)致錘擊時(shí)傾斜，和入巖相類似［11］；（2）遇探頭石沖擊時(shí)，一半堅(jiān)硬，一半軟弱，底部受力不均勻發(fā)生偏轉(zhuǎn)，向軟弱土層傾斜［11］；（3）孤石面積廣，堅(jiān)硬，鉆頭難以沖破，造成孔斜。

場地內(nèi)存在以往岷江河道中搬運(yùn)而來的巨型孤石，埋深淺，體積較大，弧形不明顯，主要為上述第3種情況。孤石表面為密實(shí)的風(fēng)化層，內(nèi)部為新鮮的石英砂巖，質(zhì)地堅(jiān)硬，其抗壓強(qiáng)度比中風(fēng)化砂巖高。其中5、6、8 號樓在淺部容易發(fā)生樁孔偏移（參見表1），推測該區(qū)域孤石分布較廣泛。

2.2 遇中風(fēng)化砂巖地層

根據(jù)勘察報(bào)告，中風(fēng)化砂巖錘擊聲清脆，回彈明顯，傾角 25°～30°，中生界侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2s）地層的頂標(biāo)高范圍在250～260 m，出現(xiàn)樁孔偏斜的位置標(biāo)高數(shù)據(jù)大部分位于該范圍內(nèi)（見圖2），共有11 個，占42.3%。其中7 個受中風(fēng)化砂巖影響，占63.6%。說明中風(fēng)化砂巖影響是造成入巖沖進(jìn)過程中易偏孔的重要原因。

圖2 偏孔處標(biāo)高統(tǒng)計(jì)Fig.2 Elevation at the hole deviation position

其影響主要體現(xiàn)在以下2 個方面：（1）需要沖破中風(fēng)化砂巖夾層，進(jìn)入中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖基底，夾層厚度0.5～3.0 m；（2）進(jìn)入中風(fēng)化砂巖地層，并作為持力層。

3 沖擊鉆進(jìn)糾偏預(yù)防討論

解決偏孔問題的關(guān)鍵是根據(jù)其原因，采取措施避免偏孔的發(fā)生，才能提高沖孔效率，減少成本。

3.1 遇大型孤石

遇孤石時(shí)，由于每次的沖擊強(qiáng)度不同，巖石變形破碎方式不同［12］，應(yīng)盡量避免表面研磨和疲勞破碎造成鉆頭的大幅度回彈和偏轉(zhuǎn)。因此提高沖擊鉆機(jī)的碎巖能力，將孤石削斷或沖碎，造成體積破壞，才能避免偏孔的發(fā)生。最有效的措施是提高鉆頭每次的沖擊強(qiáng)度，而沖擊強(qiáng)度又受沖擊鉆機(jī)性能、鉆頭質(zhì)量大小、鉆頭底形狀、泥漿密度和孔底地層等多種因素影響，找到其中關(guān)鍵因素可以幫助我們化繁為簡。

沖擊強(qiáng)度可以近似地當(dāng)作是落石沖擊力來計(jì)算，國內(nèi)研究認(rèn)為日本道路公團(tuán)的計(jì)算公式最為接近［13-14］：

式中：m——落石質(zhì)量，t；λ——拉梅常數(shù)，建議取1000 kN/m2；H——落石自由下落高度，m。

由此看出，沖擊力主要受鉆頭質(zhì)量大小和沖程高度影響。實(shí)際施工作業(yè)中，考慮到孔徑、沖擊鉆機(jī)能力、鋼繩磨損及孔壁的穩(wěn)定性，沖錘的質(zhì)量和沖程的高度可在合理范圍內(nèi)取最大值。

沖錘質(zhì)量大小是成孔速度的最大影響因素［9，15］，而沖擊強(qiáng)度與成孔速度在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)趨勢，印證了沖錘質(zhì)量對成孔的重要影響。選擇合理的沖錘質(zhì)量，才能保證克服孤石的沖擊強(qiáng)度。由于是脈沖式碰撞，受力面積無意義，而借鑒以往的經(jīng)驗(yàn)［16］，鉆頭質(zhì)量按鉆孔樁直徑每100 mm 取400～450 kg，鉆 頭 直 徑 800 mm 時(shí) ，鉆 頭 質(zhì) 量 在3.2～3.6 t。

沖程是指每一次沖擊時(shí)，沖錘下落的高度。當(dāng)有了沖錘質(zhì)量的穩(wěn)定保障，遇大型孤石時(shí)，采用高沖程，達(dá)到克服孤石的最大沖擊強(qiáng)度，便能高效擊碎孤石，最后成功穿過。工程勘察報(bào)告顯示，天然狀態(tài)下，中風(fēng)化砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為80 MPa，孤石抗壓強(qiáng)度應(yīng)在80 MPa 以上，故沖程控制在2.4～3.0 m，沖擊頻率 10～12 次/min［16］?？紤]到維持孔壁的穩(wěn)定性，應(yīng)高低沖程交替進(jìn)行。

3.2 遇傾斜中風(fēng)化砂巖

基于現(xiàn)有的勘察鉆孔資料，對 4、5、6、8、9、10 號樓總計(jì)310 個孔，找出54 個受中風(fēng)化砂巖地層影響的樁，其中5 號樓未受中風(fēng)化砂巖地層影響，而6、9、10 號 樓 受 影 響 嚴(yán) 重 ，分 別 有 14 個 、13 個 和 15 個 樁孔，如圖3 所示。

圖3 受中風(fēng)化砂巖影響的樁孔Fig.3 Holes affected by moderately weathered sandstone

遇傾斜堅(jiān)硬巖層時(shí)，由于缺乏相應(yīng)科學(xué)的計(jì)算模型，且落石計(jì)算不能反映沖擊角度對沖擊強(qiáng)度的影響［13］，鉆頭質(zhì)量大小難以科學(xué)地決斷，但是若鉆頭沖擊時(shí)能牢牢抓住傾斜面，便能減少鉆頭大幅度偏轉(zhuǎn)。應(yīng)用實(shí)踐證明，通過給鉆頭底部加焊導(dǎo)正爪，在起伏不定的巖層面，能快速穩(wěn)定切削巖石，預(yù)防偏孔的發(fā)生［17］。并且十字形鉆頭底加焊硬質(zhì)合金塊，不僅具有較高的硬度、強(qiáng)度、耐磨性和沖擊韌性，還具有良好的焊接性能，大大提高了鉆頭的各項(xiàng)性能［16］。因此在本工程中，預(yù)先圈定受中風(fēng)化砂巖影響的樁孔，改進(jìn)十字鉆頭將會取得較好的效果。

3.2.1 增厚硬質(zhì)合金塊改進(jìn)思路及優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)的加焊耐磨塊［16］，只有 1 層的情況，加焊位置也未通過合理計(jì)算，只有抗沖擊和耐磨的能力，僅對微傾斜（＜10°）的巖層有效，并且材料利用和效果未最大化。但實(shí)際現(xiàn)場施工過程中，巖層傾角普遍都在 5°～30°，個別甚至超過 30°。在 9-52 和 10-41 號2 個樁孔入巖沖進(jìn)時(shí)，預(yù)先都采用傳統(tǒng)的加焊耐磨硬質(zhì)合金塊，9-52 號樁孔入巖沖進(jìn)時(shí)，低頻密擊4 h后，沖錘全斷面才成功入巖；10-41 號樁孔低頻密擊4 h，沖擊過程中頻繁歪錘，鋼繩回顫明顯，對孔壁擾動大，入巖效果仍不理想。

本文依據(jù)巖層傾角和鉆頭底受力情況，合理選用多層硬質(zhì)合金塊，并科學(xué)計(jì)算其焊接位置，使其適用于大部分傾斜巖層。

改進(jìn)工藝的基本思路是：如圖4 所示，預(yù)先讓增厚部位接觸孔底，能增大集中受力部位，使集中受力點(diǎn)靠近鉆頭軸線中心，減少了因受力不均導(dǎo)致的鉆頭偏轉(zhuǎn)和能效的降低，能快速鑿巖開小孔，最后鉆頭全斷面沖入，形成完整標(biāo)準(zhǔn)的孔徑。

圖4 鉆頭底部集中受力部位示意Fig.4 Schematic diagram of the concentrated stress parts at the bottom of the drill bit

改進(jìn)工藝還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）能增加十字刃的入巖能力，增厚塊使鉆頭更“尖銳”，相同的沖擊動能下，沖擊強(qiáng)度變高，能預(yù)先使巖層破碎開裂。

（2）入巖沖進(jìn)時(shí)，增厚塊耐磨損，承受了絕大部分的磕碰作用，能有效保護(hù)十字刃。

3.2.2 增厚塊基本設(shè)計(jì)

增厚硬質(zhì)合金塊含鉻、鎳、鉬、鎢、釩等金屬元素。其設(shè)計(jì)如圖5 所示，硬質(zhì)合金塊最多3 層，其中建議硬質(zhì)合金塊Ⅰ的長a固定為100 mm，厚度d取30 mm。

圖5 增厚硬質(zhì)合金塊基本設(shè)計(jì)示意Fig.5 Basic design diagram of the TC chip with increased thickness

當(dāng)堅(jiān)硬傾斜巖層傾角α確定時(shí)，可計(jì)算出：

縮短長度e=d/tanα；

硬質(zhì)合金塊Ⅱ長b=a+e；

硬質(zhì)合金塊Ⅲ長c=b+e；

鉆頭半徑r＞a+e＞b+e＞c+e。

設(shè)計(jì)層數(shù)可按最后一層依次遞減，設(shè)計(jì)為1 層增厚硬質(zhì)合金塊時(shí)，只有Ⅰ；設(shè)計(jì)為2 層增厚硬質(zhì)合金塊時(shí)，有Ⅰ、Ⅱ；設(shè)計(jì)為3 層增厚硬質(zhì)合金塊時(shí)，有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。硬質(zhì)合金塊Ⅲ寬度不大于十字刃最小寬度，硬質(zhì)合金塊Ⅱ?qū)挾刃∮谟操|(zhì)合金塊Ⅲ寬度，硬質(zhì)合金塊Ⅰ寬度不大于硬質(zhì)合金塊Ⅱ?qū)挾龋附右竺軐?shí)牢固。

現(xiàn)場硬質(zhì)合金塊層數(shù)的設(shè)計(jì)，還應(yīng)該依據(jù)巖層傾角α和鉆頭半徑r確定：

（1）當(dāng) 20°＜α＜30°且r＞260 mm 時(shí)，設(shè)計(jì) 3 層較為合理；

（2）當(dāng) 10°＜α＜20°且r＞270 mm 時(shí)，設(shè)計(jì) 2 層較為合理；

（3）當(dāng)α＜10°且r＞270 mm 時(shí)，設(shè)計(jì) 1 層較為合理。

3.2.3 增厚硬質(zhì)合金塊的局限性

增厚硬質(zhì)合金塊在極度傾斜（＞30°）的中風(fēng)化砂巖地層不適用。根據(jù)原理要求，當(dāng)巖層傾角＞30°時(shí)，對增厚層的層數(shù)或厚度要求變高，隨著層數(shù)或厚度的增加，增厚硬質(zhì)合金塊整體的焊接穩(wěn)定性及抗彎折能力降低。故最大限度的增厚層設(shè)計(jì)應(yīng)控制在3 層以內(nèi)，且總厚度≯120 mm。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場糾偏預(yù)防方案

基于以上經(jīng)驗(yàn)成果，結(jié)合本工程現(xiàn)場質(zhì)量、成本、工期要求，針對性制定了以下可行性糾偏方案。

（1）遇孤石時(shí)，及時(shí)更換選用3.6 t 重的鉆頭，然后高低沖程交替沖擊，高沖程3.0 m，低沖程1.0 m，沖擊頻率 10～12 次/min。

（2）當(dāng)判斷沖進(jìn)至中風(fēng)化砂巖地層時(shí)，預(yù)先強(qiáng)化十字錘刃，加焊增厚硬質(zhì)合金塊。

由于中風(fēng)化砂巖傾角α最大為30°，鉆頭半徑400 mm，故選用3 層增厚硬質(zhì)合金塊。硬質(zhì)合金塊厚度為30 mm，硬質(zhì)合金塊Ⅲ長200 mm，寬50 mm；硬質(zhì)合金塊Ⅱ長150 m，寬40 mm；硬質(zhì)合金塊Ⅰ長100 mm，寬30 mm。然后大沖程低頻率沖進(jìn)入巖。

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果

在5-2 號樁孔沖孔作業(yè)時(shí)，沖進(jìn)至15.6 m 時(shí)，錘擊聲變高，絞繩升降不均勻，此時(shí)更換長1.6 m、重3.6 t 的長型重型鉆頭，提高其垂直度，增加其碎巖能力，并采用高低沖程交替沖擊，勤掏渣，最后成功沖破孤石。

在9-45 號樁孔進(jìn)行沖孔作業(yè)時(shí)，當(dāng)進(jìn)尺＞39.0 m，且錘聲清脆、回彈明顯時(shí)，已沖至中風(fēng)化砂巖地層，立即停止沖進(jìn)，然后將鉆頭底按應(yīng)用要求加焊3層硬質(zhì)合金塊，再高低沖程交替沖擊，成功快速進(jìn)入中風(fēng)化砂巖，最后大沖程沖進(jìn)。

4.3 應(yīng)用注意事項(xiàng)

（1）糾偏方案是從避免偏孔出發(fā)，提前預(yù)知，針對性采取相應(yīng)糾偏措施，其有效性和精準(zhǔn)性依賴于鉆孔資料的詳盡程度。但是該工程未有一樁一孔的鉆孔資料，故圖3 中圈定的受中風(fēng)化砂巖影響的樁孔范圍有一定誤差。沖擊鉆進(jìn)時(shí)操作人員還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場入巖時(shí)錘擊聲及沉渣巖屑判斷是否沖至中風(fēng)化砂巖，然后采取鉆頭加焊措施。尤其地下孤石隨機(jī)分布，更是需要現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)豐富的作業(yè)人員仔細(xì)甄別。

（2）若判斷出淺部遇孤石，且一開始便向某一方向偏轉(zhuǎn)，說明孤石表面弧度大，沖擊角度傾斜，也可采取加焊增厚硬質(zhì)合金塊的措施，采取上述的2層增厚硬質(zhì)合金塊即可。

5 結(jié)論

（1）本文基于現(xiàn)場實(shí)踐，分析了偏孔的2 個重要影響因素，即遇孤石和進(jìn)入中風(fēng)化砂巖。

（2）根據(jù)以往研究經(jīng)驗(yàn)和本項(xiàng)目實(shí)際情況，遇孤石時(shí)，科學(xué)控制沖錘質(zhì)量大小和沖程大小，能加大沖擊強(qiáng)度，有效沖破大型孤石；進(jìn)入中風(fēng)化砂巖地層時(shí)，加焊多層增厚硬質(zhì)合金塊，能高效快速入巖，達(dá)到實(shí)現(xiàn)糾偏預(yù)防的目標(biāo)。

（3）實(shí)踐證明，針對本工程復(fù)雜地質(zhì)條件特征，以糾偏預(yù)防為主的方案措施有著巨大成效，并且科學(xué)、合理地改進(jìn)沖擊成孔施工技術(shù)，積累了在孤石廣泛且傾斜堅(jiān)硬巖層地區(qū)進(jìn)行樁孔施工的經(jīng)驗(yàn)，可為類似地區(qū)高層建筑樁基工程設(shè)計(jì)、施工提供借鑒。