連徐高鐵硬巖地層鉆孔樁施工技術

王世東 中國鐵路上海局集團有限公司徐州鐵路樞紐組工程建設指揮部

1 前言

鉆孔灌注樁是高速鐵路建設中最常見的地基基礎工程，其施工過程常常面臨復雜、未知地質條件的挑戰，如何依據地質數據，在現有的施工工藝中準確地制定合適的施工方案，是保證高鐵樁基礎進度的關鍵。

本文以新建連續高速鐵路東海特大橋樁基施工為例通過對各種施工工藝及設備的對比分析及實踐應用，針對以前震旦系混合變質巖為主的地層情況和大直徑鉆孔樁施工方法展開研究，總結出在混合變質巖中鉆孔樁施工的合理化建議。

2 工程概況

2.1 工程地質

根據鉆探揭示，施工區段內下伏基巖主要為前震旦系混合變質巖，巖性可分為片麻巖、花崗片麻巖、石英巖，部分為燕山期侵入巖，巖性為花崗閃長巖。

施工區段內地質條件比較復雜，主要表現在：

（1）地下巖層起伏較大，鉆孔過程中頻繁遇到地下斜巖，且斜巖硬度高。

（2）地下分布有石英礦脈，石英礦脈硬度高，耐磨，旋挖鉆機難以穿透。

（3）基巖強度高，完整性好。根據已施工樁基巖芯強度檢測報告顯示，基巖石軸向飽和抗壓強度達80 MPa～166 MPa。

2.2 鉆孔樁簡介

本工程大直徑鉆孔樁主要有Φ2.0 m和Φ2.5 m兩種。Φ2.0 m樁樁長26 m，嵌巖深度8 m，基巖為弱風化花崗片麻巖，飽和抗壓強度80 MPa～105 MPa，樁長18 m～19.5 m處有石英巖夾層；Φ2.5 m樁樁長17 m，嵌巖深度6 m，基巖為弱風化花崗片麻巖，飽和抗壓強度90 MPa～166 MPa；

3 施工方案比選

連續梁鉆孔樁樁身穿過的地層主要為粉質黏土、片麻巖、花崗片麻巖等。樁底進入強度較高的弱風化片麻巖及弱風化花崗片麻巖層，計劃采用旋挖鉆機成孔、沖擊鉆機成孔的施工方案。施工中針對Φ2.0 m樁沖擊鉆施工，Φ2.5 m樁420型旋挖鉆施工和Φ2.5 m樁550型旋挖鉆施工三種工藝進行了試驗。

3.1 沖擊鉆機成孔

沖擊鉆機采用電力提供動力，設備租金低廉，成本單價較低。所成孔壁較堅實、穩定，坍孔少，設備要求場地面積小，受施工場地限制少。

大樁徑施工時，接觸面大，沖擊壓強小，巖石破碎效率低；孔內泥漿流速慢，排渣粒徑小、需要將孔底鉆渣反復破碎成小塊后排出，排渣效率低；巖石強度以及斜巖、強度不均等不良地質對工效影響大，工效不穩定，工期可控性不強。

3.2 旋挖鉆成孔

旋挖鉆機采用柴油提供動力，施工中需配備挖機、吊車等輔助設備。大型旋挖鉆市場租金高，在硬巖中鉆進時能耗高，鉆具損耗大。使用旋挖鉆施工成本較高。

通過使用不同鉆具適應不同地質，旋挖鉆適用范圍較廣。軟巖層使用截齒鉆頭可以順利鉆進，遇硬巖時需更換成牙輪鉆頭。效率穩定，工效與巖層強度相關，可通過調整鉆具適應不同地質，工期易掌控。

3.3 方案對比

（1）工期對比

三種工藝的“時間—鉆孔深度曲線”見圖1。

圖1 三種工藝的時間—鉆孔深度曲線

由圖1可以看到，使用錘重8.3 t的沖擊鉆施工Φ2.0 m的鉆孔樁，鉆至24.4 m時耗時770 h。使用420型旋挖鉆施工Φ2.5 m的鉆孔樁，鉆至24.5 m孔深，耗時266 h；使用550型旋挖鉆施工Φ2.5 m的鉆孔樁，鉆至24.4 m孔深，耗時86.7 h。550型旋挖鉆施工效率是沖擊鉆的9倍。

（2）經濟效益對比

三種工藝經濟指標對比如表1所示。

表1經濟指標對比表

由表1可以看出，沖擊鉆施工單價最低，旋挖鉆施工550型相對420型旋挖鉆每米單價節約4529.9元。

綜合工期要求和經濟效益考慮，Φ2.5m樁采用550型旋挖鉆施工。

4 施工工藝

4.1 鉆具

在土層及全風化層鉆進時，選用帶截齒鉆頭的鉆斗（見圖2），破碎、取土同時進行，提高工作效率。

在強風化巖層中鉆進時，選用安裝牙輪鉆頭的多級桶鉆（見圖3），多級桶鉆直徑組合為Φ1.5 m+Φ2.0 m，可實現Φ2.0 m孔一次成孔。

在弱風化層中鉆進時，使用牙輪筒鉆。Φ1.5 m孔施工時，宜采用長鉆頭（鉆頭長度2.0 m～2.5 m），有利于折斷巖芯及擴孔時導向定位。

圖3 多級筒鉆

4.2 分級擴孔工藝

基巖強度120 MPa以下時，使用420型旋挖鉆施工，可采用4級擴孔工藝。擴孔直徑組合為Φ1.0 m，Φ1.5 m，Φ2.0 m，Φ2.5 m。

Φ2.5 m樁基巖強度166 Mpa，基巖整體性好。使用420型旋挖鉆施工時，由于扭矩、鉆桿強度等原因，無法產生足夠的側壓力破碎巖石。需要采用6級擴孔工藝較小巖壁厚度。擴孔直徑組合為Φ1.0m，Φ1.5m，Φ1.8m，Φ2.0m，Φ2.2m，Φ2.5m。

采用550型旋挖鉆施工，可選用較少的擴孔級別，直徑組合為 1.5 m，2.0 m，2.5 m。

4.3 破巖工藝

牙輪桶鉆施工原理是利用鉆頭磨、壓在巖石周圍形成環形槽，然后將環槽內巖石折斷取出。因此選用合理的破巖工藝，對牙輪桶鉆的施工功效影響巨大。

1級鉆孔時，桶鉆內形成整體巖芯，宜盡量維持巖芯整體性，然后折斷取出。因此采用長鉆頭，在鉆頭根部加裝破巖楔塊。這樣一方面可增加巖芯臨空長度，降低破巖時鉆桿扭矩，另一方面可增加巖芯長度，減少取芯次數。

擴孔時，由于巖芯成環形，無法取出整體巖芯，因此破巖楔塊應安裝在鉆頭端部。這樣形成的巖石碎塊體積小，有利于撈渣斗清渣。破巖楔塊如圖4所示。

圖4 端部破巖楔塊

4.4 定位導向工藝

分級擴孔時，不可避免要在已成型的大直徑孔底進行小直徑孔的鉆進作業。此時孔底基巖突兀、鉆桿伸出較長、鉆頭無孔壁約束，容易產生鉆頭擺動而不能順利入巖，并容易損壞鉆具。此時需要使用定位導向裝置。

本工程中使用的定位導向裝置有兩種，一是利用Φ1.5 m孔導向，進行Φ2.0 m孔的鉆進，二是利用Φ2.0 m孔導向，進行Φ1.5 m孔鉆進。Φ2.5 m孔依靠自身孔壁進行導向。導向裝置見圖5和圖6。

圖5 Φ2.0 m孔導向鉆頭

圖6 Φ1.5 m孔導向鉆頭

5 結束語

（1）大型旋挖鉆與沖擊鉆相比，施工費用較高，但可以極大縮短施工周期，在工期緊張的情況下，可以使用大型旋挖鉆機進行鉆孔樁施工，以滿足工期要求。

（2）旋挖鉆在硬巖地層中施工時，可采用分級擴孔工藝實現大樁徑鉆孔樁的成孔。應根據設備功率、基巖強度和基巖完整性選擇合理的擴孔直徑組合。

（3）旋挖鉆鉆進時，應靈活選用不同的鉆具以使用不同的巖層。土層和極軟巖宜采用截齒鉆斗施工，軟巖和硬巖宜使用筒鉆，硬巖中鉆進時宜采用牙輪桶鉆施工。

（4）破巖工藝是影響硬巖鉆孔效率的重要因素。整體取芯時，宜采用長鉆頭，高位楔塊破巖，保證巖石整體性；擴孔施工時，宜采用低位楔塊，增加巖石破碎程度。