硬質基巖層鉆孔灌注樁成孔新技術及應用分析

姚雪軍 張海鋆 潘旭正

(溫州浙南地質工程有限公司，浙江溫州 325006)

隨著我國工程建設事業的蓬勃發展，鉆孔灌注樁已經廣泛應用于高層建筑、重型廠房、橋梁、港口等工程中。在實際工程中，由于具體地質狀況不同，采用的成孔施工方法也會不同。當施工持力層為硬質基巖層的鉆孔樁時，由于巖層堅硬，施工難度大，傳統方法是采用沖擊鉆機進行沖擊成孔，但該成孔方法存在造價高、鉆孔沖盈系數大、鉆孔垂直度偏大、容易發生偏孔卡鉆等事故影響鉆孔質量，更重要的是施工時對周邊環境有明顯振動影響和噪聲污染，造成不良的社會影響。為了更好更快地在硬質基巖上成孔，需要對鉆孔灌注樁技術進行一定的改進。采用回旋鉆機進行硬質基巖層鉆進成孔便是一種改良后的新方法。

1 硬質基巖層回旋鉆進成孔技術

1.1 技術的提出

目前，對于硬質基巖持力層的樁基施工，相當部分還是采用沖擊鉆沖擊成孔，由于昂貴的樁基造價，對周邊環境的振動影響、噪聲污染以及不穩定的鉆孔質量等使其具有一定的局限性。與傳統施工方法相比，回旋鉆進成孔技術顯示出其優越性，造價更低、鉆孔質量更穩定、明顯減少對周邊建筑物的振動影響等，產生了可觀的經濟效益，取得了良好的社會效益。

1.2 工藝原理

硬質基巖層回旋鉆進成孔施工工法是指在復雜地質條件地層(硬質基巖)施工時，采用回旋鉆機配備牙輪鉆頭進行鉆孔灌注樁成孔施工的方法。其原理是鉆孔樁鉆孔上部鉆進使用普通三翼刮刀鉆頭鉆進，在遇到硬質基巖層或硬質基巖殘留體時更換成牙輪鉆頭繼續鉆進成孔至設計要求。在鉆進過程中，合理調節泥漿性能，選擇合適的鉆進參數進行回旋鉆進成孔。

對于硬質基巖鉆進，選擇合適的鉆頭非常關鍵，鉆頭形式決定地層的可鉆性與鉆進效率。若使用常規三翼刮刀鉆頭有以下幾個方面的不足:1)鉆頭在硬質基巖層旋轉過程中，由于受力不均勻，導致鉆具上下跳動，對鉆具及主機傳動機構產生機械損傷，維修成本高;2)盡管釬頭合金硬度高，但非常脆，容易崩離，合金消耗大，影響鉆進成本與效率;3)對硬質基巖破碎效率低，能耗高。牙輪鉆頭可克服上述缺陷，硬質基巖鉆進時采用牙輪鉆頭。

本技術適用于各種復雜地質條件(地層中含基巖殘留體、持力層為中風化基巖層)下各類工業與民用建筑的鉆孔灌注樁施工。

1.3 施工工藝

硬質基巖層回旋鉆進成孔施工工藝流程見圖1。

1.4 技術要點

鉆孔上部鉆進使用三翼刮刀鉆頭鉆進，與普通地層鉆進相一致，至孔深基本接近勘察報告基巖層深度且鉆機產生抖動時提鉆，用牙輪鉆頭或滾刀鉆頭更換刮刀鉆頭，下鉆繼續鉆進直至設計孔深(滾刀鉆頭在超深孔施工時使用)。

硬質基巖鉆進，鉆頭的選擇非常關鍵，同時科學合理地判定中風化基巖也是關鍵之一。根據多年的基巖鉆進施工經驗，總結了現場基巖面判定的三個原則:1)以地質勘察報告數據為參考;2)以鉆機相似抖動為暫定界面;3)先停止鉆進，開啟循環泵清孔10 min清理孔內鉆渣，再鉆進30 min后，經泥漿循環取樣鑒定巖屑是否屬中風化基巖巖性。同時符合上述三個原則后可判定為中風化基巖界面。

1.5 施工難點

1)成孔。在復雜地層中鉆進，易產生孔斜、縮徑等事故，且難以鉆進，以致后續工作比如放鋼筋籠、下導管等不能正常進行，所以在施工過程中成孔是各工序的關鍵。2)清孔。鉆孔灌注樁施工中能否控制好孔底沉渣厚度，是影響樁端承載力的一個重要因素。根據施工設計及相關規定要求，本技術采取二次清孔技術方案，第一次清孔采用正循環法，第二次清孔采用氣舉反循環法。其中，技術參數的選用及泥漿的調配是難點。3)鋼筋籠的制作及安裝。鋼筋籠在現場分節制作，主筋與加強筋、螺旋筋與主筋之間的連接制作應符合設計及規范要求。在安裝過程中，導管埋深過大、泥漿比重過大或泥漿中含砂率過大等會導致浮籠。由于導管接頭法蘭外突，故在提管過程中也會造成浮籠。4)混凝土澆筑。在混凝土澆筑的整個過程中必須要確保導管內暢通無阻，澆筑前導管內壁不干凈、初灌量過大或過小、泥漿比重過大、骨料較粗、混凝土制作時攪拌時間不夠造成混凝土和易性降低等均可能造成混凝土在澆筑過程中受阻。

1.6 質量控制

1)利用GPS-15型鉆機配備牙輪鉆頭鉆進，鉆進參數選擇鉆壓250 kN，轉速12 rpm，泥漿泵量108 m3/h。在軟硬地層交界處，應嚴格控制鉆進速度，進尺保持在0.1 m/h～0.2 m/h左右，避免孔壁產生臺階，保證樁孔垂直度，確保鉆孔質量。

2)為保證鉆孔垂直度與完整性及鉆孔質量，鉆頭的導向裝置有以下要求:導向保護圈距牙輪鉆頭底部(h)以上2.5 m～3.0 m處，圈外徑(d)比孔徑(D)小10 mm～15 mm，見圖2。

3)每完成一個孔對牙輪鉆頭一定要認真檢查，檢查牙苞與底座連接是否穩固，合金磨損是否嚴重，一般每2個～3個孔都須進行加固或更換。

4)成孔時每臺班應測量兩次以上泥漿比重，泥漿比重控制在1.25～1.35為宜。根據施工實際情況決定是否在泥漿中添加黃泥或摻加鈉羧甲基纖維素(Na-CMC)，以改善泥漿性能，起到防止縮徑、孔壁坍塌、漏漿等事故，提高成孔效率和成孔質量。

5)在鉆進至中風化基巖時應及時取樣，巖樣判定應結合勘察報告及附近樁孔施工情況綜合判定。每鉆進200 mm～300 mm取樣一次留置現場各方確認，以防誤判。

6)鉆進至設計要求孔深后，鉆具上提1 m～2 m，慢轉清孔30 min～1 h，最大限度清理孔內鉆渣，確保后續工序保質保量完成。

1.7 工程實例

硬質基巖層回旋鉆進成孔技術于2008年7月形成，至2010年6月已經歷兩個工程項目應用，分別是溫州市方正地塊安置房樁基工程4號～7號樓，溫州市鹿城廣場350 m塔樓樁基工程。

1)溫州市方正地塊安置房樁基工程4號～7號樓。該工程位于飛霞南路與溫瑞塘河交叉口的北側，為4幢高層商住樓，主樓31層和32層，附2層裙樓商場，地上總建筑面積129 911 m2，基礎采用機械鉆孔灌注樁，樁總數為625根，入巖長度要求為樁端進入中風化基巖不少于1倍樁徑，單樁承載力設計值最大為4 300 kN。該項目初期施工時，采用了3臺沖擊成孔鉆機施工，經統計，混凝土充盈系數達到1.32，而且經常造成鋼筋籠無法正常下放至孔底，采用本技術后，混凝土充盈系數下降到1.22，鋼筋籠下放遇阻情況也極少出現，驗收良好。該項目被評為溫州市標化工地。

為了驗證該工程中鉆孔灌注樁的承載能力，對樁基進行了單樁豎向(抗壓、抗拔)靜載荷試驗。根據設計要求，本工程選擇10根工程樁進行靜載荷試驗，其反力采用壓重“水泥塊配重”平臺反力裝置(7根樁)和硬地平支撐反力裝置(3根樁)。

對于進行豎向抗壓的靜載荷試驗采用堆載法，反力裝置為堆載平臺，用鋼梁搭一個平臺，上面堆滿約6 000 kN～9 000 kN的混凝土塊，樁頂鋪一塊φ1 000 mm鐵板，用兩臺YS630型千斤頂進行并聯加載，壓力傳感器進行監控和測讀，沉降觀測用四只固定在基準梁上的位移傳感器對稱布置在樁頭上進行測讀。在逐級等量加載過程中，定時測讀樁頂沉降，當沉降達到規范或設計要求時終止加荷。實測累計沉降量在10 mm～15.5 mm之間，荷載—沉降曲線正常圓滑，沉降—時間曲線平直均勻，曲線間距離基本一致或逐漸略有增大。卸載后沉降回彈率在40%～60%之間，見圖 3，圖 4。

對于豎向抗拔的靜載荷試驗則采用了硬地平支撐反力裝置。用四塊水泥塊配重搭建兩個平臺，用一根7.3 m的主梁架在兩個平臺上，主梁上放置一臺YS630型千斤頂。試驗時采用此千斤頂進行加載，兩只位移感應器對稱安裝在樁頂處，觀測試樁的上拔情況，加載量大小由油泵上的壓力傳感器進行監控和測讀。當樁頂沉降達到規范或設計要求時即可終止加荷。試驗結果表明，進行豎向抗拔試驗的3根試樁全部滿足設計要求，其最大累計上拔量達13.96 mm，卸載后的回彈率在51%～78%之間，荷載—累計上拔量曲線正常圓滑，累計上拔量—時間曲線平直均勻，曲線間距離逐漸略有增大，見圖5，圖6。

本工程基礎采用機械鉆孔灌注樁，遇到硬質基巖層時采用回旋鉆進成孔技術，樁總數達625根之多。為了檢查樁質量是否達到要求，工程中對4號樓及裙樓、5號樓及裙樓和7號樓進行了低應變動測檢測。動測試驗采用先進的ZK-7E智能測樁儀，采用反射波檢測樁身完整性，推定缺陷類型及在樁身中的部位，對樁長進行核對，對樁身質量等級作出估計。對每一根被檢測的單樁均進行三次以上重復測試，出現異常波形及時排除，重復測得波形與標準形應有較好相似性。根據所測波形曲線及有關資料(見圖3～圖8)，通過計算機處理即可得到樁的測試結果。檢測結果表明，其中Ⅰ類樁占90%左右，無Ⅲ，Ⅳ類樁，符合驗收規范與設計要求，見圖 7，圖 8。

2)溫州市鹿城廣場350 m塔樓樁基工程。該工程地上建筑面積為22萬m2，塔樓層數為78層(地下室4層)，樓高為350 m，建成后將成為浙江省第一高樓。樁型為鉆孔灌注樁，樁徑為1 100 mm，樁數為287根，孔深為103 m～122 m，樁端進入中風化閃長巖500 mm，并進行樁底高壓注漿，單樁極限承載力為2 800 t。硬質基巖層回旋鉆進成孔技術在本工程應用過程十分順利，未發生任何質量與安全事故。經樁身完整性檢測，結果均符合驗收規范與設計要求，Ⅰ類樁比例達94.1%，無Ⅲ類樁。

2 結語

目前鉆孔灌注樁已廣泛運用于公路、鐵路、水利、房屋建筑等多個領域，而硬質基巖層回旋鉆進技術作為鉆孔灌注樁的一種新的成孔技術，采用本工法成孔造價低，與傳統沖擊鉆機成孔相比，每施工10 m基巖，節省成本2 000元以上;電耗低，耗電節省，正常施工每24 h可節電312 kW·h;混凝土用量省，每10 m3混凝土(理論方量)可節省1 m3混凝土實際用量，經濟效益顯著。在鉆進效率與沖擊成孔基本持平的情況下，樁孔垂直度高，樁孔充盈系數小，樁孔質量穩定。施工噪聲低，對周邊建筑物基本無振動影響，社會效益良好。

因此，該技術具有良好的技術經濟優越性，已得到成功應用，推廣應用前景廣闊。

［1］JGJ 94-2008，建筑樁基技術規范［S］.

［2］舒 欣.淺談軟弱土層鉆孔灌注樁質量控制［J］.山西建筑，2011，37(6):196-197.

［3］嚴錫龍.關于橋梁樁基回旋鉆成孔技術的若干探討［J］.中國新技術新產品，2009(3):92.