旋挖鉆在復雜地質條件下充盈系數的控制與研究

孫建勝

(中鐵一局第三工程有限公司，陜西寶雞 721006)

1 工程概況

西平鐵路工程是西安至平涼的全國在建重點鐵路線，是連接西北陜、甘兩省集客貨一體的重要運輸干線。新溝特大橋、南石窟寺特大橋為西平鐵路重點控制性工程，其中新溝特大橋為全線最長橋，全長2 028.56 m，共計63個墩臺，鉆孔樁258根，樁徑為125 cm。樁基位于甘肅涇川縣涇河河道內，地質情況復雜，由上至下依次為:第四系全新統沖積物(黏質黃土、細砂、中砂、細圓礫土、粗圓礫土)，第三系上新統砂巖，白堊系下統泥巖夾砂巖等。

2 旋挖鉆擴孔成因

河灘地質條件差，施工難度大，在旋挖鉆的鉆孔過程中，經常發生擴孔現象，甚至引起塌孔。造成成本的增加。前期旋挖鉆施工鉆孔樁時，該特殊地層通常在深度4～10 m處擴孔或塌孔。該地層為砂質黏土，厚度薄，穩定性差。根據前50根樁成孔混凝土實際用量分析，均有不同程度的擴孔現象，尤其在5～7 m夾砂質黏土處，擴孔現象尤為顯著。擴孔最大時孔徑達1.37 m(設計樁徑為1.25 m)，樁孔充盈系數一般都在1.25～1.34左右。經過分析總結，出現上述情況的主要原因是含砂層處旋挖鉆機鉆進參數不合理，一味追求快速成孔，把鉆速調至最高檔鉆孔，易導致擴孔。

3 充盈系數控制技術

針對上述擴孔情況的原因分析，制定出旋挖鉆機鉆進施工技術改進等以下控制技術:

1)每墩臺開鉆第一根樁前應以地質勘測報告為依據，認真做好現場鉆渣取樣并與勘測報告中地質情況的比對工作，以備同墩臺的其他各樁施工作參考。

2)旋挖鉆機鉆孔過程控制:合理調整鉆進參數，開始時輕壓慢轉，鉆進至含砂土層時，勻速穿過，并加大泥漿密度，以穩孔護壁;鉆至淤泥質黏土時，保持中檔鉆速等。根據地質情況及時更換適用于該地層的鉆頭，控制鉆桿的搖晃擺幅在最小范圍內。

3)開鉆前、鉆進中、灌注前泥漿指標的控制:在鉆孔過程中，改善泥漿的性能，有利于在砂土類地層鉆孔中保證孔壁的形狀和穩定性。泥漿在鉆孔中起著懸浮和攜帶鉆渣、清洗孔底，增加孔壁穩定性的作用。泥漿制備采用黏土和膨潤土加火堿結合的方法，達到了泥漿性能穩定，沉渣少，護壁效果好，成孔質量高的要求。還要注意不同地層泥漿主要指標的控制，如旋挖鉆在淤泥層中鉆進時，泥漿指標應控制在:密度1.2～1.3 g/cm3，黏度19～22 s，含砂率 2 ～3%;在砂礫層中鉆進，泥漿指標應控制在:密度1.3～1.4 g/cm3，黏度20～25 s，含砂率3～4%;在水下混凝土灌注前，泥漿指標應控制在:密度1.05 ～1.1 g/cm3，黏度17 ～20 s，含砂率≤2%。

樁基施工自2008年2月15日開始至2008年4月23日完成，歷時67 d。對樁基進行小應變動測，檢測結果:Ⅰ類樁254根，占所測樁數98.4%，Ⅱ類樁4根，占所測樁數1.6%，無 Ⅲ，Ⅳ 類樁出現，承載力均超過設計要求。經過對施工方案的優化，旋挖鉆機鉆孔技術改進后，鉆孔充盈系數基本上降至1.05～1.1范圍內，擴孔現象得到了有效的控制，在含砂層處的擴孔幅度也明顯的降低(擴孔率1.25以下)，單根樁基平均節省C35混凝土1.69 m3，如表1所示，全橋樁基共節省約15.3萬元。

表1 新溝特大橋西安臺(橋臺)鉆孔樁施工充盈系數統計

4 成樁質量的控制技術

4.1 清孔方法對鉆孔灌注樁質量的影響及控制

在鉆孔灌注樁施工中，正循環和反循環清孔是常用的兩種清孔方法，不同的清孔方法對鉆孔樁的清孔及成樁質量有著不同的影響。根據樁尖所處的不同地層和孔底沉渣，因地制宜地選擇不同的清孔方法。例如:當樁尖附近為砂層時，正循環清孔比反循環清孔質量要高，這由于反循環清孔排大粒徑的鉆渣(如碎石、卵石等)效率高，較大的抽吸作用致使樁底附近松散的沉渣(微小砂粒)顆粒在孔內反復懸落，另外對樁尖土層擾動大，導致成樁質量(承載力)降低，如表2所示。

表2 新溝特大橋35#墩正、反循環清孔法清孔效果對比

因此，選擇合適的清孔方法要能減少沉渣厚度，同時又不擾動樁尖土層。選擇什么樣的清孔方式提高成樁質量，取決于樁底土層的條件，當樁底為沙、土層時，一般應采用正循環清孔法清孔;當樁底為卵、礫石層時，一般應采用反循環清孔法清孔。這樣會使清孔效率提高，降低孔底沉渣厚度，提高成樁質量。

4.2 鉆孔時間對鉆孔灌注樁質量的影響及控制

成孔時間長，孔壁泡水軟化現象嚴重，極限阻力減小，較長的成孔時間會加大泥皮和沉渣厚度，降低樁身混凝土和樁周土之間的摩擦力。

根據相同樁長、樁徑的100根樁各項數據比對(旋挖鉆機和沖擊鉆機成孔各50根)，數據顯示:每臺旋挖鉆機鉆進直徑1.25 m的孔，平均每小時進尺8 m，每天成孔2個，用正循環方式清孔，平均每天灌注2根。鉆直徑1.5 m孔，平均每小時進尺5 m，每天成孔1個，用正循環方式清孔，平均1.5 d灌注1根。而每臺沖擊鉆機鉆1.25 m孔，平均每小時進尺0.65 m，每3～4 d成孔1個，用正循環方式清孔，平均4～5 d灌注1根。鉆1.5 m孔，7～8 d成孔1個。用正循環方式清孔平均9～10 d灌注1根。

4.3 在同等條件下旋挖鉆與沖擊鉆工效比較

在同等條件下，旋挖鉆比沖擊鉆工效提高了近10倍，兩者主要區別在于成孔工藝不同。旋挖鉆頭是圓筒狀取土斗，通過鉆頭旋挖鉆孔同時取土裝入斗中。鉆桿提升鉆頭出孔后翻轉倒土，完成鉆孔過程。鉆孔樁終孔時，孔底經鉆頭取土基本無鉆渣，待孔內泥漿沉淀后，用旋挖鉆頭撈鉆渣，經量測校核孔深通常鉆渣都在設計允許值內，一般不需要再進行清孔。此時鉆機可進行下一樁位鉆孔，從而大大提高了成孔速度(如表3所示)。

表3 新溝特大橋鉆孔樁施工鉆機工效對比

比較這兩種鉆機各自施工的50根樁基小應變檢測結果:旋挖鉆施工的Ⅰ類樁50根，占所測樁數100%，Ⅱ類樁0根;沖擊鉆施工的Ⅰ類樁47根，占所測樁數94%，Ⅱ類樁3根，占所測樁數6%。可見，在同等條件下，旋挖鉆機要比沖擊鉆機成樁質量高。另外，旋挖鉆頭的多次上下往復提落，使孔壁變得粗糙，不易產生縮孔。旋挖鉆施工的樁基，成樁后的承載力明顯要高于其他傳統鉆機。

5 結語

經過對鉆孔樁施工方案的優化，旋挖鉆機鉆孔技術改進后，在復雜地質條件下大直徑鉆孔樁施工順利完成，大大提高了成樁的質量和效率，節約了成本，縮短了工期，更為后續的施工創造了有利的條件。

［1］ 中華人民共和國交通部．JTJ 041—2000 公路橋涵施工技術規范［S］．北京:人民交通出版社，2000．

［2］ 張忠亭．鉆孔灌注樁設計與施工(第一版)［M］．北京:中國建筑工業出版社，2007．

［3］ 范立礎．橋梁工程［M］．北京:人民交通出版社，2001．

［4］ 彭彥彬，屈彥玲．鉆孔灌注樁清孔技術及斷樁的預防和處理［J］．鐵道建筑，2006(7):42-44．

［5］ 李華．鉆孔灌注樁施工技術［J］．山西建筑，2007(10):175-176．