超大直徑超深嵌巖旋挖分級(jí)成孔技術(shù)

許谷星，孫 言

(1.江西省地質(zhì)工程(集團(tuán))公司，江西 南昌 330029; 2.江西省地質(zhì)調(diào)查勘察院基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查所，江西 南昌 330025)

0 引言

旋挖鉆機(jī)已普遍應(yīng)用于樁基工程施工中，隨著旋挖鉆機(jī)動(dòng)力功率越來(lái)越大，旋挖鉆機(jī)處理硬質(zhì)巖殘留體和在硬質(zhì)巖中鉆進(jìn)成孔相對(duì)于沖擊鉆、回轉(zhuǎn)鉆機(jī)具有成孔效率高、泥漿產(chǎn)出少的特點(diǎn)，因此有必要充分發(fā)揮旋挖鉆機(jī)的這些優(yōu)勢(shì)，開(kāi)拓和完善旋挖鉆機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

本工程位于深圳市福田區(qū)上沙村中洲濱海華府四期樁基基礎(chǔ)工程，建設(shè)項(xiàng)目總用地面積2.65萬(wàn)m2。本工程樁徑120 cm～280 cm，孔深25 m～95 m，共179根。樁端持力層為中(微)風(fēng)化花崗巖，入巖深度不小于1倍樁徑。工期90日歷天。

1.2 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

1)地形地貌特征。擬建場(chǎng)地原始地貌為沖洪積平地，原始地形在場(chǎng)地內(nèi)起伏不大?，F(xiàn)場(chǎng)地為人工填土堆填后城中村用地，地面標(biāo)高變化不太大，勘察期間鉆孔孔口標(biāo)高在3.90 m～6.48 m之間。

2)巖土層結(jié)構(gòu)及其物理力學(xué)性質(zhì)。據(jù)鉆探揭露，場(chǎng)地內(nèi)的地層按成因可分為人工填土層、第四系沖洪積土層、第四系殘積土層和下伏燕山期花崗巖?，F(xiàn)按層序由上而下分述如下：

a.人工填土層。雜填土：灰、灰褐、黃、褐黃色，呈稍密狀態(tài)，主要由含石英砂礫黏性土組成，建筑垃圾混凝土、磚塊含量在20%～35%，塊徑在1 cm～35 cm，呈次棱角狀；局部主要由垃圾混凝土、磚塊或石英質(zhì)粗礫砂組成，縫隙中充填少量黏性土。厚度為0.70 m～7.60 m，平均為2.78 m。

b.第四系沖洪積土層。根據(jù)土質(zhì)成分不同，可分為兩個(gè)亞層，其特征如下：

礫砂：灰、灰白、黃、褐黃色，濕～飽和，多呈稍密狀態(tài)，局部孔下部呈中密狀態(tài)，砂成分為石英質(zhì)，顆粒分選較差，不均勻含黏性土約30%(局部孔中夾粉質(zhì)黏土層)。大部分地段均有分布，厚度為0.90 m～15.00 m，平均為4.87 m；(含砂)粉質(zhì)黏土厚度為0.80 m～7.80 m，平均為3.47 m。

c.第四系殘積土層。礫(砂)質(zhì)黏性土：褐、褐黃、黃、灰白、紫褐色，可～硬塑狀態(tài)，組織結(jié)構(gòu)全部破壞，由花崗巖風(fēng)化殘積而成，石英質(zhì)砂礫含量約為30%，黏性一般。大部分鉆孔均有鉆遇，厚度為1.40 m～15.00 m，平均為6.31 m；層頂埋深為3.80 m～17.80 m。

d.燕山期花崗巖。場(chǎng)地下伏基巖為燕山期花崗巖。由上而下可分為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化巖和微風(fēng)化巖帶。全風(fēng)化花崗巖：巖石完全風(fēng)化解體，礦物成分發(fā)生顯著變化，巖芯呈堅(jiān)硬土狀，遇水手捏可成團(tuán)。層厚為1.90 m～9.80 m，平均4.95 m；強(qiáng)風(fēng)化花崗巖：結(jié)構(gòu)大部分破壞，裂隙很發(fā)育，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈而解體，礦物成分發(fā)生顯著變化；巖芯多呈砂礫土狀，底部少量巖芯呈碎塊狀(局部底部夾少量中風(fēng)化巖塊)，土狀芯遇水易散，巖塊多手折可斷，干鉆困難。該層在場(chǎng)地內(nèi)均有分布，厚度極不均勻，厚度為2.00 m～50.50 m，平均為15.16 m。巖芯采取率約80%；中風(fēng)化花崗巖：灰褐、灰色，裂隙發(fā)育～較發(fā)育，裂面鐵染呈鐵銹色，巖芯呈碎塊、塊、短柱、柱狀，較堅(jiān)硬，錘擊聲稍脆，合金鉆進(jìn)較困難。該層在場(chǎng)地內(nèi)均有分布，大部孔未鉆穿，揭露厚度為0.80 m～9.70 m，平均為5.67 m；微風(fēng)化花崗巖：灰褐、灰色，裂隙較發(fā)育，局部裂面可見(jiàn)少量鐵染呈鐵銹色，巖芯呈塊狀、短柱狀、柱狀，巖質(zhì)較新鮮～新鮮、堅(jiān)硬，錘擊聲脆，需金剛石鉆具鉆進(jìn)。揭露厚度為2.00 m～7.30 m，平均為3.86 m。層頂標(biāo)高為-64.29 m～-18.27 m，層頂埋深為23.00 m～70.00 m。

3)特殊性巖土。根據(jù)勘察結(jié)果：場(chǎng)地內(nèi)分布的人工填土為特殊性土。人工填土呈稍密狀態(tài)，其成分、厚度及狀態(tài)在縱橫向分布上略有不同，雖已基本完成自重固結(jié)，但整體穩(wěn)定性不均且較差。根據(jù)鉆探資料可知，在該場(chǎng)地內(nèi)局部強(qiáng)風(fēng)化巖層中有“中風(fēng)化巖孤石”(或稱(chēng)“殘留體”)分布。

2 工程難點(diǎn)及原因分析

2.1 綠色施工是本工程施工與管理的重點(diǎn)

本工程場(chǎng)地黃海高程約6.00 m、樁頂黃海高程21.70 m～27.30 m，空樁深度在26.70 m～33.10 m，樁基空孔深達(dá)27.00 m，空孔量大。渣土及泥漿運(yùn)輸和消納是深圳工程施工中十分棘手的問(wèn)題，同時(shí)也是施工的難點(diǎn)和重點(diǎn)；項(xiàng)目地處深圳地鐵運(yùn)行線安全控制范圍內(nèi)，限制沖擊鉆機(jī)使用。

2.2 樁孔垂直度控制難度大

本工程場(chǎng)地地質(zhì)條件較為復(fù)雜，巖面起伏較大，特別是T8號(hào)樓中風(fēng)化破碎帶厚，實(shí)樁長(zhǎng)度長(zhǎng)達(dá)75.00 m。因此樁基施工入巖、樁的垂直度控制、沉渣厚度控制是本項(xiàng)目的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.3 工期要求與成孔效率低的矛盾尖銳

本項(xiàng)目合同工期90日歷天，每天必須完成2根樁以上。根據(jù)我們多年施工經(jīng)驗(yàn)在堅(jiān)硬巖石層中使用滾刀鉆頭的情況下其成孔效率低下[1]，每小時(shí)進(jìn)尺不足2 cm，日進(jìn)尺不足20 cm。這樣的進(jìn)尺效率對(duì)業(yè)主和施工單位來(lái)說(shuō)都是無(wú)法接受的。

3 設(shè)備選型和施工方案的優(yōu)化

3.1 設(shè)備選型

綜上所述，沖擊鉆機(jī)和普通的回轉(zhuǎn)鉆機(jī)無(wú)法滿(mǎn)足綠色施工和深圳市相關(guān)部門(mén)要求，只有選擇旋挖鉆機(jī)。旋挖鉆機(jī)使用的是掏土工藝，具有施工進(jìn)度快、機(jī)械化程度高、產(chǎn)生泥漿少的特點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的功率最大的旋挖鉆機(jī)最大扭矩達(dá)到360 kN·m，如果利用旋挖鉆機(jī)的鉆壓全截面破碎基巖面，由于中(微)風(fēng)化花崗巖的單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到100 MPa以上，釆用全截面破碎成孔效率很低。只有改用整體取芯施工工藝，但是基巖的抗剪強(qiáng)度達(dá)到50 MPa以上，即扭斷每平方米的基巖的力矩需要達(dá)到50 t·m以上，這對(duì)取芯鉆頭的長(zhǎng)度和取芯的芯的截面面積大小提出了要求，即對(duì)巖芯的長(zhǎng)細(xì)比大小必須滿(mǎn)足一定條件才能將巖芯扭斷并取出巖芯，根據(jù)計(jì)算和實(shí)踐證明使用扭矩為360 kN·m的大型旋挖鉆機(jī)只能扭斷直徑1.5 m的巖芯，即巖芯截面面積小于1.7 m2。

3.2 旋挖分級(jí)成孔技術(shù)

1)持力層施工方案的優(yōu)化。有鑒于上述原因，本工程采用“旋挖分級(jí)成孔技術(shù)”的工藝進(jìn)行成孔施工。“旋挖分級(jí)成孔技術(shù)”就是使用筒式牙輪刻槽鉆頭將超大直徑樁芯分二次或者三次同心切割，施工順序是先從樁心切割并整體取出樁中心部分，后同心切割并整體取出內(nèi)環(huán)狀部分，依次從樁心到樁外圈，直至將本回次設(shè)計(jì)的入巖部分全部取出，直到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)進(jìn)入持力層要求。針對(duì)本工程釆用三次刻槽取芯辦法，即先用150 cm牙輪刻槽鉆頭刻槽進(jìn)入孔底，將直徑150 cm樁心巖芯取出，后用直徑200 cm牙輪刻槽鉆頭刻槽進(jìn)入孔底將直徑100 cm至直徑200 cm環(huán)狀部分取出，最后用280 cm牙輪鉆頭刻槽進(jìn)入孔底，并將整個(gè)剩余巖芯整體取出[2]。

2)孤石層施工方案的優(yōu)化。對(duì)于孤石層，對(duì)于中(微)風(fēng)化殘留層，由于其整體差，抗承載力不均等特性，采用兩級(jí)牙輪鉆頭刻槽穿越殘留層。先用直徑2.0 m牙輪刻槽鉆頭刻槽穿過(guò)殘留層，并將整個(gè)剩余殘留層取出，最后用2.8 m牙輪鉆頭刻槽穿過(guò)殘留層底，并將整個(gè)剩余殘留層取出。

4 旋挖分級(jí)成孔技術(shù)施工工藝流程及關(guān)鍵點(diǎn)(以樁徑280 cm為例)

4.1 工藝流程

1)殘留層鉆進(jìn)施工工藝流程。土層鉆進(jìn)→安裝第一級(jí)直徑200 cm牙輪刻槽鉆頭→完成第一級(jí)刻槽殘留層鉆進(jìn)→取出第一級(jí)殘留層巖芯→更換第二級(jí)直徑280 cm牙輪刻槽鉆頭→完成第二級(jí)刻槽殘留層鉆進(jìn)→取出第二級(jí)殘留層巖芯。

2)基巖鉆進(jìn)施工工藝流程。土層鉆進(jìn)→殘留層鉆進(jìn)→安裝第一 級(jí)直徑150 cm牙輪刻槽鉆頭→完成第一級(jí)刻槽鉆進(jìn)→整體取出第一級(jí)巖芯→第一次清孔→更換第二級(jí)直徑200 cm牙輪刻槽鉆頭→完成第二級(jí)刻槽鉆進(jìn)→整體取出第二級(jí)巖芯→第二次清孔→更換第三級(jí)直徑280 cm牙輪刻槽鉆頭→整體取出巖芯→終孔清孔。

4.2 旋挖分級(jí)成孔技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)硬質(zhì)巖層有一定的難度，關(guān)鍵問(wèn)題在于如何提升入巖效率，同時(shí)還要降低鉆具、鉆齒的損耗，以及及時(shí)檢測(cè)維護(hù)鉆桿，并預(yù)防偏孔，其關(guān)鍵點(diǎn)如下：

1)正式施工前，要對(duì)分級(jí)施工工藝進(jìn)行試樁施工，針對(duì)試樁施工中出現(xiàn)的問(wèn)題逐項(xiàng)檢查解決問(wèn)題。

2)采用三級(jí)牙輪刻槽筒式嵌巖鉆頭時(shí)，鉆頭筒壁要達(dá)到足夠的強(qiáng)度，其厚度不小于5 cm；三級(jí)鉆頭保持平行，其垂直度不小于0.5%，且其軸線必須保持一致。三級(jí)牙輪刻槽筒式嵌巖鉆頭見(jiàn)圖1，直徑280 cm筒式牙輪刻槽嵌巖鉆頭見(jiàn)圖2。

3)施工時(shí)要緩壓慢轉(zhuǎn)，即逐步加壓并且轉(zhuǎn)速要慢，不求快速，只求穩(wěn)定性。每刻槽進(jìn)尺20 cm左右要停機(jī)休息30 min，以防止設(shè)備疲勞，降低鉆頭、鉆齒、鉆桿的工作溫度。

4)更換刻槽牙輪鉆頭鉆齒要求：更換刻槽牙輪鉆頭個(gè)別或全部鉆齒時(shí)，必須保證整體鉆齒布局的同心度，保證各齒均勻同步受力，這樣可降低鉆具、鉆齒的損耗并提升入巖效率。

5)對(duì)于旋挖成孔泥漿護(hù)壁深孔樁及大直徑樁，應(yīng)注意泥漿性能比重及黏度指標(biāo)，預(yù)防塌孔，同時(shí)應(yīng)輔以必要的清孔手段，保證孔底沉渣在設(shè)計(jì)規(guī)范范圍內(nèi)，本施工技術(shù)采用了氣舉反循環(huán)清孔工藝，同時(shí)，為快速降低泥漿的含砂率，第二次清孔時(shí)采用漿渣分離器快速有效分離濾除泥漿中的細(xì)砂，既保證了灌注前泥漿性能指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求[3-4]，也可預(yù)防深孔大直徑樁大方量混凝土灌注時(shí)發(fā)生夾泥夾砂的樁身質(zhì)量問(wèn)題。

6)對(duì)于工程存在風(fēng)化不均的中風(fēng)化殘留體地層，特別是同一截面軟硬不均時(shí)，在提前做好了超前鉆勘察工作的條件下，可直接選用自身具備垂直導(dǎo)正功能的長(zhǎng)直筒牙輪鉆頭，有利于垂直度的控制，同時(shí)也利于降低鉆具、鉆齒的損耗。

5 結(jié)語(yǔ)

利用大功率旋挖鉆機(jī)的大扭矩輸出功能，對(duì)超大直徑鉆孔灌注樁釆用分級(jí)整體取芯方法完成了在中(微)風(fēng)化花崗巖中的鉆進(jìn)成孔，其成孔效率提高了5倍，同時(shí)安全性也有更好的保障。另外用同樣的分級(jí)取芯技術(shù)突破殘留體夾層的效果也十分明顯。