鉆孔灌注樁旋挖工法幾個(gè)關(guān)鍵問題的探討

李紅星 黃鵬 王佳

(中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北武漢 430040)

1 概述

為了經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增加，提高人民生活水平，保障人們?nèi)粘Ｉ罘奖悖诳深A(yù)見的將來，大江大河上、島礁之間的橋梁、城市之間的軌道交通及高層建筑等建(構(gòu))筑物會越來越多。鉆孔灌注樁因具有“顯著提高單樁承載力，減少樁和承臺數(shù)量，降低成本;使用靈活、受力明確、計(jì)算簡潔”等優(yōu)點(diǎn)，在上述建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)中得到了廣泛的應(yīng)用，且樁直徑、樁長越來越大。

作者從事跨江、跨海橋梁、軌道交通及高層建筑等建(構(gòu))筑物施工中機(jī)械生產(chǎn)和管理工作多年，對旋挖工法在鉆孔灌注樁成孔方面的幾個(gè)關(guān)鍵問題拋磚引玉，供同行在施工設(shè)備選型時(shí)借鑒與參考。

2 旋挖工法

旋挖工法是指以旋挖鉆機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)備的成孔工藝。旋挖鉆機(jī)的英文名稱為Rotary Drilling Rig，是指能附帶鉆動(dòng)套管的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、配備旋挖斗、短螺旋鉆頭、全液壓驅(qū)動(dòng)、具有大扭矩輸出的履帶式鉆機(jī)。這種鉆機(jī)在1947年由美國開發(fā)的回轉(zhuǎn)斗鉆機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)發(fā)展而來的。旋挖工法的優(yōu)勢如下:

1)在土層中成孔效率高。在堅(jiān)硬、密實(shí)、卵石、碎石、漂石及塊石地層中，由于傳統(tǒng)鉆機(jī)的自重有限，不可能給鉆頭施加更大的鉆進(jìn)壓力。而旋挖鉆機(jī)采用動(dòng)力頭裝置(見圖1)，動(dòng)力頭裝置將加壓力傳遞給鉆桿，加壓力加上鉆桿的重量形成鉆進(jìn)壓力。鉆進(jìn)壓力大，鉆進(jìn)能力強(qiáng)。一般來說，在相同的地層中，旋挖鉆機(jī)的成孔速度是回旋鉆機(jī)成孔速度的5倍以上。

圖1 旋挖鉆機(jī)工作時(shí)加壓力、彎矩及扭矩圖

2)環(huán)保性好。傳統(tǒng)鉆機(jī)采用泥漿正、反循環(huán)方式，依靠泥漿攜帶鉆渣而鉆進(jìn)成孔，因?yàn)槌煽讜r(shí)需要泥漿，所以泥漿產(chǎn)生的污染處理成本高。而現(xiàn)在對工程建設(shè)的環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，使得傳統(tǒng)鉆機(jī)面臨要求嚴(yán)格的環(huán)保危機(jī)。旋挖鉆機(jī)采用動(dòng)力頭形式，其工作原理是通過旋挖斗、短螺旋鉆頭，利用強(qiáng)大的扭矩直接將土、砂礫等旋轉(zhuǎn)挖掘(見圖1)，然后快速提到孔外。對于物理力學(xué)性能參數(shù)高的地層，不需要泥漿護(hù)壁實(shí)現(xiàn)干法成孔。即使需要泥漿護(hù)壁的土層，泥漿也只起到維護(hù)孔壁穩(wěn)定性的作用。所以，旋挖工法中泥漿用量少，污染源大大減少，保護(hù)了環(huán)境，施工成本降低。正因?yàn)樾诠し芨煞ǔ煽祝瑥?001年6月開始的，在生態(tài)環(huán)境十分脆弱敏感的青藏鐵路樁基施工中，主要采用旋挖工法中的干成孔工藝，保證了青藏鐵路沿線生態(tài)環(huán)境的原始性。

3 旋挖工法關(guān)鍵問題的探討

3.1 旋挖工法是否適合于巖層

從已有施工實(shí)踐看，旋挖工法適合于粘土、粉土、砂土、淤泥質(zhì)土、人工回填土及含有部分卵石、碎石的土層中鉆進(jìn)成孔。旋挖鉆機(jī)單機(jī)價(jià)格高，一般起步價(jià)300萬元，最佳使用年限5年，設(shè)備折舊費(fèi)高，造成旋挖工法成孔單價(jià)高，但由于旋挖鉆機(jī)的成孔速度是回旋鉆機(jī)成孔速度的5倍以上，對于講究高周轉(zhuǎn)的房地產(chǎn)開發(fā)商來說，旋挖工法性價(jià)比高。同樣，如果對鉆孔灌注樁施工進(jìn)度要求高的建(構(gòu))筑物工程，建議在成孔中使用旋挖工法。

橋梁、軌道交通及高層建筑等建(構(gòu))筑物的安全使用年限為百年，所以，樁端需嵌入中風(fēng)化層甚至微風(fēng)化層數(shù)米，可以用旋挖工法進(jìn)行嵌巖段施工。但如果樁基礎(chǔ)全孔段為軟巖、較軟巖及以上，則用旋挖工法成孔值得探討。如圖1所示，旋挖工法在孔口通過動(dòng)力頭，產(chǎn)生加壓力。加壓力、鉆桿重量形成鉆進(jìn)壓力。而鉆桿重量僅占鉆進(jìn)壓力的小部分，絕大多數(shù)的鉆進(jìn)壓力由動(dòng)力頭產(chǎn)生的加壓力承擔(dān)。此時(shí)，在孔口產(chǎn)生的加壓力和孔底產(chǎn)生的、阻礙鉆桿嵌巖阻力的共同作用下，鉆桿中產(chǎn)生彎矩(MB)。如果鉆桿的剛度不夠，則在成孔過程中，鉆桿會彎曲。這種彎曲不僅難以測量，而且由于累積誤差，導(dǎo)致孔壁傾斜，使孔壁垂直度偏差超過1%的規(guī)定。這種由于樁基礎(chǔ)全孔段為軟巖、較軟巖及以上，導(dǎo)致孔底偏差超過數(shù)米的案例在施工實(shí)踐中經(jīng)常遇到。解決辦法是回填，用另外成孔工藝重新成孔，不僅大大增加了施工成本，而且延誤了工期。

3.2 旋挖工法破巖鉆進(jìn)理論計(jì)算

根據(jù)施工實(shí)踐，旋挖鉆機(jī)穿越第四系土層時(shí)，旋挖鉆機(jī)旋挖斗活門底板或短螺旋鉆頭上的切削刃用斗齒。當(dāng)旋挖鉆機(jī)穿越巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度20 MPa以內(nèi)的巖層，活門底板或短螺旋鉆頭上的切削刃用截齒。旋挖鉆機(jī)穿越巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度20 MPa以上巖層，旋挖斗的邊緣加切削刃，俗稱筒鉆，此時(shí)，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度60 MPa以內(nèi)，切削刃用截齒;巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度60 MPa以上，切削刃用牙輪齒。

無論用截齒，還是牙輪齒，破巖前必須齒尖先楔入巖層內(nèi)，此時(shí)，鉆進(jìn)壓力P按下式確定(見圖2)。

其中，P為旋挖鉆機(jī)提供的鉆進(jìn)壓力;α為P1與水平面的夾角;P1為平行于截齒齒尖或牙輪齒齒尖的鉆進(jìn)壓力分量;P2為垂直于截齒齒尖或牙輪齒齒尖的鉆進(jìn)壓力分量;S為每個(gè)截齒或牙輪齒與混凝土接觸的齒尖面積;fcu為巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度。

當(dāng)齒尖所受到的壓強(qiáng)不小于巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度時(shí)，齒尖楔入巖層表面進(jìn)入巖層內(nèi)部。因?yàn)閹r石單軸飽和抗壓強(qiáng)度大于巖石飽和抗剪強(qiáng)度，當(dāng)齒尖隨鉆桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，在扭矩(MT)作用下，楔入巖層內(nèi)部的齒尖在巖層內(nèi)部進(jìn)行切削作用，對巖層進(jìn)行剪切破壞，把孔內(nèi)巖層與孔外巖層分離開來。

由上式計(jì)算得到的鉆進(jìn)壓力，減去鉆桿重量，即為動(dòng)力頭裝置所需要提供的加壓力(FV)。

圖2 截齒所受的鉆壓力分解示意圖

3.3 旋挖工法時(shí)泥漿密度理論計(jì)算

在旋挖工法成孔過程中，當(dāng)把樁直徑范圍內(nèi)的土體清除時(shí)，相當(dāng)于擋土結(jié)構(gòu)離開土體的方向位移，此時(shí)，會在土體中產(chǎn)生主動(dòng)土壓力，可用朗肯土壓力公式計(jì)算此時(shí)的土壓力。在主動(dòng)土壓力作用下，引起孔壁坍塌或孔壁向孔內(nèi)位移。另外，場地面上發(fā)育地下水，在地下水壓力作用下，也會引起孔壁坍塌或孔壁向孔內(nèi)位移。最后，樁位附近的成孔施工機(jī)械會增加地層的附加力，即地面荷載也會導(dǎo)致孔壁坍塌或孔壁向孔內(nèi)位移。

為了確保成孔時(shí)孔壁的穩(wěn)定性，人們通常在孔內(nèi)補(bǔ)充泥漿。泥漿具有平衡主動(dòng)土壓力、地下水壓力、地面荷載，從而阻止孔壁坍塌或孔壁土體向孔內(nèi)位移、維持孔壁的穩(wěn)定。另外，泥漿還具有懸浮攜帶鉆渣、降低鉆頭溫度、潤滑鉆頭等作用。因此，泥漿是樁基礎(chǔ)成孔時(shí)必備材料之一，在實(shí)踐工程中，泥漿性能指標(biāo)主要有密度、粘度、含砂率。在3個(gè)泥漿性能指標(biāo)中，其中密度的參數(shù)可以通過理論計(jì)算獲得。只要所計(jì)算地層底的泥漿壓力≥主動(dòng)土壓力+地下水壓力+地面荷載，則能確保整個(gè)所計(jì)算土層段孔壁的穩(wěn)定。

其中，σak為土中豎向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa;Ka，i為第 i層土的主動(dòng)土壓力系數(shù);ci為第i層土的粘聚力，kPa;φi為內(nèi)摩擦角，(°)。

其中，σac為淤泥自重產(chǎn)生的豎向總應(yīng)力，kPa;Δσk，j為計(jì)算點(diǎn)所在地層上覆第j個(gè)土層附加荷載作用下計(jì)算點(diǎn)的土中附加豎向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa;q0為成孔時(shí)，樁位附近場地面上均布附加荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kPa。

為了確保成孔時(shí)孔壁的穩(wěn)定性，必須滿足如下公式:

其中，H為泥漿高度，m;γ泥為泥漿密度，kN/m3。

在實(shí)踐中，采用水土合算，基于主動(dòng)土壓力、地下水壓力及地面荷載的泥漿密度理論計(jì)算方法及計(jì)算公式得出的泥漿密度值偏大。應(yīng)用時(shí)，應(yīng)減去 0.3 g/cm3～0.5 g/cm3。

3.4 旋挖工法鉆孔灌注樁的樁長、樁徑

隨著橋梁、軌道交通及高層建筑等建(構(gòu))筑物規(guī)模的日益擴(kuò)大，樁長不小于90 m的超長、樁直徑不小于2.5 m的大直徑鉆孔灌注樁越來越多。

旋挖鉆機(jī)的鉆桿分為兩種:一種是互鎖式鉆桿，標(biāo)準(zhǔn)型3節(jié)～4節(jié)鉆桿，允許每節(jié)鉆桿傳遞全部扭矩，最大鉆孔深度100 m;另一種是摩阻式鉆桿，不可鎖，標(biāo)準(zhǔn)型5節(jié)鉆桿，在縮減扭矩模式下工作，最大鉆孔深度120 m。鉆孔灌注樁直徑越大，旋挖斗或短螺旋鉆頭切削巖層所需要的扭矩就越大，而此時(shí)如果樁越長，所需要鉆桿數(shù)量就越多。但容納鉆桿空間是有限的，所以，只能減薄鉆桿壁。鉆桿壁薄，如果鉆桿的剛度沒有相應(yīng)增加，在成孔中易發(fā)生鉆桿折斷的事故。

樁越長，樁直徑越大，切削刃楔入、剪切破碎巖層時(shí)阻力越大，需要增加扭矩和加壓力。于是，勢必增加動(dòng)力頭性能及鉆桿的剛度，來輸出、傳遞更大的扭矩和加壓力。這樣，設(shè)備的重量就會增加，導(dǎo)致對場地要求增加。表現(xiàn)在兩個(gè)方面:如果在水上，則搭建鋼棧橋的鋼管樁的壁厚、埋入地層中的深度要增加，貝雷桁架的力學(xué)強(qiáng)度要增加，橋面板厚度要增加，上述做法皆要增加鋼棧橋的成本;如果在陸地上，則對場地的承載力要求提高，自然也會增加提高場地承載力的費(fèi)用。

對于超長、大直徑鉆孔灌注樁，用旋挖工法成孔時(shí)，加壓力增大，會在鉆桿中形成更大的彎矩MB，導(dǎo)致孔壁傾斜更加嚴(yán)重。

所以，總結(jié)作者多年旋挖工法施工實(shí)踐，性價(jià)比最好的旋挖工法是對樁直徑不大于2 m，不大于60 m的鉆孔灌注樁。

4 結(jié)語

1)旋挖工法盡管施工單價(jià)高，但在土層中成孔效率高。

2)旋挖工法的鉆進(jìn)壓力由動(dòng)力頭產(chǎn)生的加壓力和鉆桿重量產(chǎn)生。旋挖工法采用楔入、剪切破壞兩種破巖方式鉆進(jìn)，前提是切削刃的齒尖壓強(qiáng)不小于巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度。

3)旋挖工法在孔口產(chǎn)生的加壓力和孔底產(chǎn)生的、阻礙鉆桿嵌巖阻力的共同作用下，在鉆桿中產(chǎn)生彎矩，這種彎矩會導(dǎo)致孔壁傾斜。

4)采用水土合算，基于主動(dòng)土壓力、地下水壓力及地面荷載的泥漿密度理論計(jì)算方法及計(jì)算公式得出的泥漿密度值偏大。應(yīng)用時(shí)，應(yīng)減去 0.3 g/cm3～0.5 g/cm3。

5)性價(jià)比最好的旋挖工法是對樁直徑不大于2 m，不大于60 m的鉆孔灌注樁。