矩形截面樁機械成孔工法研究與實踐

丁占華 莊亦農

引言

矩形樁比同截面積圓形樁的剛度大、抗彎能力高，因此可承受較大豎向荷載和水平向荷載。在高邊坡防工程中，矩形樁應用較為廣泛。矩形樁的應用關鍵是其成孔難，目前多采用人工挖孔的方式進行大尺寸矩形樁的施工。但人工挖孔多需采用單節護壁，施工效率較低，另人工挖空超過一定深度后還需采取通風等安全措施，因此人工挖孔不能滿足施工工期、安全等方面的要求。旋挖鉆機是一種用于成孔作業的施工設備，其施工高效快捷、環保，并且成孔質量高，已得到廣泛應用。目前，旋挖鉆機鉆頭均為圓形，難以滿足矩形樁施工，本文提出采用圓形鉆頭與自制的矩形鉆頭相結合的施工工藝進行矩形樁成孔施工，大大提高了施工效率，并且提高了經濟性。

1 工程概況

烏魯木齊地窩堡國際機場北區改擴建工程核心區高邊坡支擋結構，部分采用樁板式擋墻支護，樁基尺寸為2.0m×2.5m，樁間距3.0m，樁長24～31m。

1.1 樁基構造要求

（1）樁頭鎖口加固

本工程樁為大尺寸矩形樁，為了確保開挖時孔口的穩定，在孔口設有一圈50cm寬、30cm高的鎖口梁。

（2）護壁設計

矩形人工挖孔樁的護壁厚度相比圓形截面更厚，普遍都采用鋼筋混凝土。通常每節護壁高1m，頂寬30cm，底寬15cm。由于人工挖孔的護壁均為一節一節地施工，因此矩形人工挖孔樁進行護壁設計時，上下護壁需搭接10cm。

1.2 地質概況

根據勘察工程資料揭露，場地主要地層為填土（雜填土、素填土）、耕土、粉土和圓礫，各地層巖土特征描述如下：

雜填土：場地表層廣泛分布，厚度0.2～1.5m，主要由建筑垃圾混土構成，有少量植物根系，干、松散。耕土（表土）：以粉土為主，厚度一般為0.3～0.8m左右，含較多植物根莖，含有少量有機物，松散～稍密。粉土：分布廣泛，灰黃色～褐黃色，厚度一般為1.2～3.8m，干～稍濕，稍密～中密，干強度低，韌性低，搖震反應中等，無光澤反應。圓礫：是本場地穩定地層，良好的天然地基持力層或下臥層，局部地段表現為卵石。青灰色，磨圓度好，級配良好，一般粒徑0.5～4cm，可見較大粒徑約8～12cm。圓礫中密～密實狀態，人工開挖較困難。局部有砂透鏡體及夾層，中密。依據勘察資料反映的試驗結果，該層土圓礫不均勻系數CU=29.81，曲率系數CC=1.92，顆粒級配良好。

2 方案對比

根據設計方案需采用人工挖孔，每挖深1m左右即放入一個截錐形模板，在模板與孔壁之間澆筑混凝土護壁，每挖一段護一段，形成一個梯套護壁，直至要求深度，之后放置鋼筋籠，澆筑樁身混凝土。

該方案需要每段進行護壁，在混凝土達到一定強度后方可對護壁進行拆模，降低了施工效率，并且人工挖空勞動強度較大，安全性較差。根據場地地質條件，成樁深度最大的為圓礫層，該土層人工開挖難度較大，非常適合旋挖鉆機進場作業，機械施工能大幅提高施工進度，縮短施工工期。另外，根據造價分析，人工挖孔方案中人工費在單樁總成本中占到較大的比例，而采用機械成孔所增加的機械臺班費遠低于人工挖孔人工費。通過以上分析，最終采取機械成孔工藝。

3 矩形樁機械成孔施工工藝及方法

矩形樁施工整體流程：定位放樣→樁頂鎖口澆筑→成孔→清孔→下放鋼筋籠→混凝土澆筑，其中成孔工藝需采用三種不同鉆頭形式進行取土，為避免成孔過深造成坍孔，劃定每3～4m為一段進行成孔。以25m樁長為例，需進行7～8段成孔。每段成孔施工流程：φ800螺旋鉆鉆進→φ1800大孔徑旋挖鉆鉆進→1.2m方形旋挖鉆修整。

3.1 鎖口施工

經測量定位，用灰線畫出鎖口外部輪廓線，采用小型挖掘機開挖鎖口，然后安裝固定內模和鎖口鋼筋并澆筑C20混凝土。

3.2 成孔施工

3.2.1 長螺旋干取土

利用旋挖鉆機，先用φ800長螺旋鉆頭鉆按照圖1所示位置交替挖深至約4m深度。在鉆進過程中低速鉆進，減少鉆進過程中振動，減少坍孔。

圖1 長螺旋鉆孔位置示意圖

圖2 長螺旋鉆頭

3.2.2 旋挖取土

長螺旋鉆頭挖深至約4m孔深后，換上φ1800大孔徑圓形鉆頭。鉆孔位置位于矩形樁中心處，將矩形樁內四個圓孔之間內余土挖除。該過程應控制注意不要超挖，以免對下次長螺旋取土造成影響。

圖3 φ1800圓形鉆孔位置示意圖

圖4 大孔徑圓形鉆頭

3.2.3 矩形抗滑樁切角取土

待采用圓形鉆頭取土至規定深度后，換上自制矩形鉆頭。利用鎖口梁內側作為導向墻，用方形切刀對孔壁進行修整，切除剩余的土體。切削過程中確保垂直度小于1%。

圖5 自制矩形鉆頭位置示意圖

圖6 自制矩形鉆頭

4 施工效果

（1）成孔結束后采用測孔儀和測繩對孔深、孔徑和垂直度等進行檢查，孔深、孔徑均不小于設計值，垂直度不大于1%。

（2）以樁長24m矩形樁為測算對象，機械成孔需進行約7段施工，成孔時間2d。對比人工挖孔，24m樁長需進行24段施工，考慮護壁拆模時間，每段需1d時間，在無天氣等因素影響下，需施工24d。機械成孔效率提高明顯。

（3）機械成孔相比人工挖孔可以減少護壁土石方開挖以及護壁混凝土澆筑，降低了施工成本。

圖7 成孔效果圖

5 結語

本文提出了在砂礫石地層干取土機械成孔的新方案，并與人工挖孔方案進行了對比。實踐表明，該工藝不僅技術上可行，而且能極大程度縮短工期并保證施工安全，對同類工程具有借鑒意義。但本工藝取土過程中需不斷更換鉆頭，使得工藝較為復雜，還有進一步改進的空間。