超長大直徑灌注樁牙輪鉆成孔施工技術探討

曾慶友

(福建建工集團有限責任公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著城市高層、超高層建筑和重型建(構)筑物的樁基荷載加大，施工樁長及樁徑加大，再加上工期緊迫，加大了灌注樁的施工難度[3]。超長大直徑灌注樁(以下簡稱超長樁)形似細長桿件，其樁孔深度通常大于70m，樁徑通常大于1000mm。超長樁施工，既要保證成孔安全，又要保證樁孔垂直度，還要保證成樁質量，以一般深度的灌注樁施工工藝難以滿足工期要求[4]。筆者通過富閩時代廣場工程實例，探討超長樁的成孔施工技術。

1 工程概況

1.1 工程概述

富閩時代廣場工程總建筑面積115 387.60m2，其中地下36 419.31m2，地上78 968.29m2。該工程涵蓋現澆鋼筋砼結構、預應力鋼筋砼結構、鋼結構等型式。兩層大底盤連體地下室，地上3棟建筑。

1.2 工程樁概況

該工程樁基采用泥漿護壁成孔沖(鉆)孔灌注樁，澆筑C40P8抗滲水下混凝土，合計529根，最大施工樁長58m(Φ1000，小計369根，樁端全截面進入設計持力層⑩卵石深度≥3m)、94.1m(Φ1200，小計160根, 樁端全截面進入設計持力層中-微風化花崗巖深度≥0.5m)。

對Φ1200原先采用沖擊成孔，平均每根超長樁成孔時間15d。

根據鉆孔揭露，場地巖土體類型自上而下劃分如下：

(1)雜填土①：場地內均有分布，揭示厚度1.40m～5.60m,均勻性差。

(2)淤泥質土②：該層在場地內廣泛分布，層位較穩定，揭示厚度0.60m～3.60m，均勻性較差。

(3)中砂③：場區內均有分布，層位穩定，揭示厚度7.60m～13.40m，均勻性較差。

(4)淤泥質土④：該層在場地內廣泛分布，各孔均有揭露，揭示厚度1.40m～11.30m，均勻性較差。

(5)中砂⑤：該層在場地內分布不均，揭示厚度2.20m～21.00m，均勻性較差。

(6)淤泥質土⑥：該層在場地內分布不均，揭示厚度1.10m～14.60m，均勻性較差。

(7)粉質粘土⑦：該層在場地內分布不均，揭示厚度1.20m～9.40m，均勻性較差。

(8)中砂⑧：場區內均有分布，層位穩定，揭示厚度1.70m～29.30m，均勻性差。

(9)圓礫⑨：該層在場地內分布不穩定。揭示厚度2.00m～2.90m，均勻性較差。

(10)卵石⑩：場地內均有分布，層位穩定。揭示厚度3.40m～11.30m,均勻性較差。

2 鉆機選型

灌注樁持力層在中(微)風化花崗巖層，常用的鉆孔灌注樁的鉆頭無法進行砍巖，此為施工難點，若改用沖孔灌注樁，對于該工程砂層較厚的地質，進尺緩慢。而牙輪鉆頭能夠適應從軟到堅硬的多種地層，尤其適用于高層、超高層建筑的灌注樁基礎，及持力層在中(微)風化花崗巖層等硬質巖層的灌注樁施工。通過對樁基工程施工機械市場的各種相關信息進行收集、歸類整理，并對其他一線城市的樁基工程施工機械市場進行調查、研究及詢價，結合本工程實際情況，決定采用上海探礦機械廠生產的GPS-20型鉆孔鉆機(配備一臺泥漿泵)，每節鉆桿直徑Φ168mm長3m，鉆頭一種為普通錐形鉆頭，另一種為牙輪鉆頭，以縮短單根樁成孔時間。鉆機主要性能參數如表1所示。

表1 鉆機主要性能參數表

3 牙輪鉆成孔工藝原理

牙輪鉆頭的砍巖非常復雜，對巖石破碎作用最大的力和運動，是沿牙齒軸線方向的壓力和壓入運動。牙輪鉆頭轉動時,各牙輪又繞自身軸滾動,滾動的方向與鉆頭轉動方向相反。牙輪鉆頭的破碎過程，實際上是壓入和壓崩兩種形式聯合作用的效果。影響牙輪鉆頭砍巖效果的，主要是牙齒結構和布齒方法[1]。牙輪鉆機鉆孔時，依靠加壓、回轉機構通過鉆桿，對鉆頭提供足夠大的軸壓力和回轉扭矩，牙輪鉆頭在巖石上同時鉆進和回轉，對巖石產生靜壓力和沖擊動壓力作用，如圖1～圖2所示。

圖1 牙輪鉆頭

(a)牙輪鉆頭剖面圖

4 上部土層鉆進成孔

4.1 普通錐形鉆頭鉆進

鉆孔的順序應事先規劃好，相鄰樁的中心距小于4m時，應跳打施工；中間空出的樁須待鄰樁混凝土達到設計強度的50%以后，方可施打。

鉆進過程中，每2m～3m檢查鉆孔直徑和垂直度，隨時檢查鉆機平臺的水平度，發現傾斜，及時調整，確保成孔垂直度[5]。

產生斜孔、彎孔和縮孔時，應停鉆，拋粘土塊夾片石至偏孔開始處以上2m，重新鉆進，不得用沖孔鉆頭修孔，防止卡鉆。

鉆進中如遇塌孔，應立即停鉆，回填夾片石的粘土塊，加大泥漿比重，反復沖擊造壁及鉆進。

沿護筒周圍冒漿、造成孔口坍塌地表沉陷時，應立刻停鉆并防止鉆機傾倒，及時在護筒外圍回填粘土(用稻草拌和)；并加以夯實，必要時壓上一層泥、砂包后方可繼續鉆進。

若遇卡鉆時，將鉆頭緩緩吊起，不得硬提猛拉，必要時可使用打撈鉤、千斤頂等輔助工具助提；掉鉆時應立即打撈，用打撈鉤鉤住鉆頭預設的打撈環，把鉆頭提上來。

進入硬質巖層后，每鉆進30cm～50cm應記錄鉆進速度，以便作為更換牙輪鉆頭時的參考依據。

4.2 鉆進速度及泥漿參數的控制

孔壁坍塌是導致灌注樁成孔時間延長的主要原因，而鉆進速度及泥漿比重是影響孔壁穩定的關鍵因素，因此需要在鉆進的過程中根據土層的變化不斷調整鉆進速度和泥漿比重，以保證孔壁的穩定及鉆孔的效率。

若土層結構中砂層、礫石及卵石等土層較厚，在中砂層及卵石層鉆進時，應適當增大泥漿比重，促使在該土層成孔過程中孔壁形成一層較厚的泥皮，以有效防止孔壁土體向孔內的膨脹。結合工程實際地質、水文情況、施工工藝及施工機械的情況，成孔過程中泥漿比重宜控制在1.3～1.7之間，如表2所示。

表2 上部土層的鉆進速度及泥漿比重控制

5 更換牙輪鉆頭及鉆桿

基巖上部覆蓋層較厚，灌注樁上部造孔需要GPS-20型工程回旋鉆機，因此立足現有設備，更換適用于GPS-20型回旋鉆機的牙輪鉆頭。先采用GPS-20型鉆機普通錐形鉆頭進行鉆孔，鉆至碎塊狀強風化花崗巖層時普通錐形鉆頭平均鉆進速度為0.1m/h，這時普通錐形鉆頭進尺過于緩慢，嚴重影響到成孔時間，需更換牙輪鉆頭繼續成孔，提鉆、更換牙輪鉆頭及下鉆耗時較短，此時更換牙輪鉆頭即減少了鉆頭的磨損，降低維修及更換的成本，且不影響成孔時間，因此決定鉆進至碎塊狀強風化花崗巖層時才更換牙輪鉆頭(圖3)。因砍巖時鉆桿扭矩非常大，適用于牙輪鉆頭的鉆桿壁厚比普通鉆桿厚，節間法蘭螺栓數量更多。

圖3 更換牙輪鉆頭

6 硬質巖層鉆進成孔

當鉆至中(微)風化花崗巖層時，加大鉆機功率，牙輪在孔底滾動中連續地擠壓、切削沖擊破碎巖石，直至形成所需孔深的鉆孔。結合工程地質情況、水文情況、施工工藝及施工機械的情況，成孔過程中泥漿比重宜控制在1.3～1.7之間，如表3所示。張玉良[2]等人對鉆孔灌注樁施工過程中牙輪鉆頭的脫落進行過有效處理。

表3 各硬質土層的鉆進速度及泥漿比重控制

綜上所述，平均每根超長灌注樁的鉆進時間為8.6+37.6+10.4+30.5+45+7.1=139.2h，加上提鉆、更換牙輪鉆頭及下鉆需要消耗12h，加上前期準備工作時間，平均每根樁成孔的時間約為168h(即7d)。

采用正循環鉆進，反循環清渣，當注漿管往孔內注入泥漿后，泥漿可帶動砂石穿過出漿槽最后流至地表，將孔內的砂石順利帶出，因牙輪鉆已將大部分的硬質巖層研磨成較細顆粒，故沉渣厚度遠小于其他工藝，孔底密實。在鉆進過程中，多顆牙輪鉆同時研磨周邊巖層，各向受力均勻，不易偏鉆，成孔垂直度偏差較小。

7 終孔持力層判定

以中(微)風化花崗巖層作為持力層，而持力層巖面的判定需以巖樣為主以地勘標高為輔。巖面判定做法為在泥漿反循環系統的撈渣口撈取巖樣進行判定，如圖4所示。

判定進入持力層(即巖面)需同時滿足以下3個要求:

圖4 撈渣口巖樣

(1)撈取出的巖樣應符合地勘報告中關于該土層巖樣的特征如圖5所示；

圖5 中-微風化花崗巖的巖樣

(2)成孔深度需達到地勘報告中該處的巖面標高；

(3)終孔的鉆進速度需小于10cm/h。

具體持力層判定應根據工程地勘報告、設計圖紙要求，由設計單位、勘查單位、監理單位、建設單位及施工單位共同判定。

8 結論

該工程超長大直徑灌注樁通過采用牙輪鉆成孔，結果表明，優點如下：

(1)采用大功率鉆機，采用新型牙輪鉆頭，提高了成孔速度，實現超長樁施工，尤其適用于硬質巖層的砍巖。

(2)鉆孔處多為中砂及卵石層等易坍孔地層，在鉆孔過程中控制泥漿性能和合理選擇鉆進技術參數，采用護壁泥漿，加入適當的膨潤土等措施，在施工過程中避免塌孔，保證施工加速進行。

(3)每根超長樁成孔時間從常規施工工藝的15d縮短到7d，極大縮短了施工工期，提高工效1倍以上，節約了時間成本，大幅度減少勞動力、機械設備及時間的投入。

該工藝缺點是，每顆牙輪鉆頭更換成本較高。

該工程QC成果“提高樁徑1.2m超長鉆孔灌注樁成孔一次合格點率”榮獲2017年度全國工程建設優秀質量管理小組二等獎、福建省一等獎”。

參 考 文 獻

[1] 劉榮桂，邾祝融，程知言，等.牙輪鉆頭在鉆孔灌注樁進入硬巖中的應用研究[J].四川建筑科學研究，2008，34(1)：100-102.

[2] 張玉良，全明周.鉆孔灌注樁施工中鉆頭牙輪脫落的處理措施[J].能源技術與管理，2009(5)：135-136.

[3] 阮強，宋武超，水俊峰.牙輪鉆頭動靜耦合碎巖機理及旋挖成樁應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013(10)：49-52.

[4] 王陶，馬曄.超長鉆孔樁豎向承載性狀的試驗研究[J].巖土力學，2005，26(7)：1053-1057.

[5] JGJ 94-2008 建筑樁基技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2008.