大直徑超深、超厚嵌巖旋挖灌注樁梅花形成孔施工技術

李耀良 陳益貴 黃 磊 羅云峰

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

隨著我國各大城市新建建筑可利用土地面積的不斷壓縮，超高層建筑快速發展，越來越多要求在狹小區域內開發建設的建筑物拔地而起，隨之對單樁承載力的要求也越來越高，大直徑、超深、超厚嵌巖樁隨處可見。

這類樁的施工，除依靠配套的大型旋挖機來保證所需的扭矩和嵌巖能力外，還需從力學角度進行施工技術優化。在大直徑超深、超厚嵌巖樁施工中，如何確保將大型旋挖機產生的機械能最大限度轉化為成孔進尺，減少無用功的出現，以期提高施工成孔效率，是值得深入研究和探討的技術難題。

1 工程概況

金地中心樁基礎工程項目位于深圳市南山區高新技術產業園南區，項目周長約562 m，規劃設計為超高層寫字樓、企業總部、特色商業及服務式公寓，基地占地面積44 370 m2，規劃地上總建筑面積208 800 m2，建筑高度300 m，采用巨撐-核心筒結構。

1.1 工程地質情況

區域內地層自上而下可分為第四系地層、未分統的殘積層、上白堊統地層、侏羅系地層、三疊系地層、石炭系地層、泥盆系地層等。除上述地層外，區內中生界巖漿活動極為強烈，花崗巖類的侵入巖及酸性-中酸性火山巖廣布全區，此外，還常見有酸性、中性、基性巖脈。根據勘察結果，區域內分布的主要地層有：人工填土層、第四系海陸交互相沉積層、沖洪積層和殘積層。下伏基巖為燕山晚期花崗巖，受區域構造運動影響，局部呈碎裂巖化，部分區域揭露輝綠巖脈。巖層從上至下依次為：⑤4中風化花崗巖，屬較軟巖，巖體較破碎～較完整，層厚0.50～21.30 m；⑤5微風化花崗巖，屬較硬巖，巖體較完整，層厚0.70～9.60 m；⑥4中風化輝綠巖，屬較軟巖，巖體較破碎，層厚0.50～7.80 m；⑥5微風化輝綠巖，屬較硬巖，巖體較完整，層厚2.46～8.36 m。

1.2 工程樁設計概況

工程樁設計主要有南、北2座塔樓樁以及裙房樁，其中，南、北2座塔樓鉆孔灌注樁樁徑為2 200、2 400、2 600、2 800 mm共4種，設計要求樁端持力層在微風化花崗巖或微風化輝綠巖脈，入巖深度0.5～2.0 m不等，樁基礎設計等級甲級。

工程樁施工階段基坑已局部進行土方開挖，其中北塔地面標高為-7.0 m，南塔地面標高為+2.0 m，成孔深度最深的為南塔ATZ6#樁，設計樁徑為2.6 m，成孔深度達81.47 m；穿透中風化巖層最厚的為北塔BTZ34#樁，設計樁徑為2.4 m，需要穿透中風化巖層厚度達17.3 m，另設計要求須嵌入微風化巖層1.5 m。南座塔樓平均成孔深度達68.4 m，嵌巖深度達6.0 m，其中還不包含強風化二代花崗巖以及中風化碎裂巖化花崗巖；北座塔樓平均嵌巖深度達7.0 m以上，將大直徑超深、超厚嵌巖特性有效合一，對成孔技術和效率要求極高。

1.3 旋挖機設備

項目施工階段同時投入了多種當前在國內使用的比較多的大型旋挖機，在先天條件上保證了大直徑超深、超厚嵌巖旋挖灌注樁施工需要的超大動力和扭矩，以便于在常規工藝的基礎上，能夠對大直徑超深、超厚嵌巖旋挖灌注樁的施工技術進行更深入的研究和優化，在提高成孔工效的同時，也為將來類似超高層建筑樁基設計和施工提供可靠的經驗。

2 關鍵施工技術

2.1 常規大直徑超深、超厚嵌巖樁施工技術

常規大直徑超深、超厚嵌巖旋挖灌注樁的施工技術主要為“三刀切”[1-2]。基本工序（以2.6 m樁徑為例）為：土層中使用φ2.6 m的撈渣斗進行進尺，直到進尺至效率變慢，一般成孔深度為50 m，到強風化夾中風化層時更換φ1.5 m撈渣斗繼續進尺。在中風化夾層、中風化巖以及微風化巖中先使用φ1.0 m牙輪進尺、鉆進至設計樁底標高；然后換φ2.2 m撈渣斗進尺至設計樁底標高（進尺較難時用φ2.2 m牙輪、筒鉆）；最后使用φ2.6 m撈渣斗擴孔鉆進至設計樁底標高（進尺至較難時用牙輪、筒鉆）。通過變換不同規格直徑的鉆頭，形成類似于“三刀切”的逐級擴孔、逐級鉆進成孔的施工技術。

此技術為當前應對大直徑超深、超厚嵌巖旋挖灌注樁的主流施工方法，利用常規的逐級擴孔原理，將原有的大直徑旋挖灌注樁施工轉化為小直徑成孔施工，以期在應對超深、超厚嵌巖時，旋挖設備能夠保證足夠的動力和扭矩，實現大直徑超深、超厚嵌巖旋挖灌注樁成孔的目的。

2.2 梅花形成孔大直徑超深、超厚嵌巖施工技術

梅花形成孔大直徑超深、超厚嵌巖旋挖灌注樁施工技術的基本工序（以2.6 m樁徑為例）為：土層中使用φ2.6 m的撈渣斗進行進尺，直到進尺效率較慢；在中風化夾層、中風化巖以及微風化巖層中先使用φ2.6 m牙輪在孔內進尺1.0 m，即孔周邊切斷，再使用φ1.0 m筒鉆（或巖石硬度大時使用φ0.8 m）梅花孔進尺（圖1）。一般為3個孔，三角形狀，貼著原牙輪邊進行。然后更換φ2.4 m撈渣斗進行擴孔、撈渣，再使用φ2.6 m牙輪收孔，接著繼續進尺下一循環，基本每個循環能進尺1.0 m。形成類似于“梅花”形的鉆進成孔施工技術。

圖1 梅花形成孔示意

此技術除了利用將大直徑轉小直徑的常規思路外，還從應力解除方面分析，使用梅花形成孔方法。大牙輪切斷了孔徑中巖石與周邊巖層的聯系，再使用小鉆頭解除大直徑樁內巖石的部分應力，應力分解后，最后進行擴孔施工成孔。施工技術從力學出發，大大提高了施工效率。

3 成孔效率分析

結合項目工程實例，對2種不同施工技術的成孔效率進行對比和分析。所選樁型的設計要求和施工設備相同，樁徑相同，成孔深度基本相同，巖層厚度也基本相同，分析比較2種不同技術的效率高低，為同類項目提供經驗。選取2根樁進行成孔效率分析，2根樁的樁徑均為2.6 m，地質情況和巖層厚度基本相同。

3.1 常規“三刀切”施工工藝效率分析

采用傳統“三刀切”施工大直徑超深、超厚嵌巖樁時，每進尺1 m，φ1.0 m鉆頭（第1刀）約需2 h，φ2.2 m鉆頭（第2刀）約需1.5 h，φ2.6 m鉆頭（第3刀）約需1 h，在巖層中進尺效率約為4.5 h/m。當遇到特殊情況如2.8 m樁徑、巖層硬度大時，可能需要“四刀”甚至“五刀”切，成孔效率將會明顯下降。

3.2 采用梅花形成孔施工工藝效率分析

采用梅花形成孔施工大直徑、超深、超厚嵌巖樁時，每進尺1 m，φ2.6 m牙輪需1.0～1.5 h，1 m筒鉆梅花孔約0.5 h，3個梅花孔共需1.5 h，φ2.4 m撈渣斗約0.25 h，一般撈渣進尺2次，共0.5 h。單個輪回時間總共為3.0～3.5 h。

經分析，在巖石層中采用梅花形成孔施工工藝，每米的效率能提高1 h左右，說明該工藝應用于大直徑超深、超厚嵌巖的旋挖灌注樁施工有明顯提高工效的作用。

4 成孔質量驗證

4.1 混凝土充盈系數

經過對項目的多根大直徑樁施工數據記錄進行比較、驗證發現，采用2種不同技術施工大直徑超深、超厚嵌巖灌注樁的混凝土充盈系數存在明顯差異：采用“三刀切”施工技術成孔的樁孔混凝土充盈系數為1.17～1.25；而采用梅花形成孔施工技術成孔的樁孔混凝土充盈系數為1.06～1.07。分析數據后，項目部認為主要是梅花形成孔施工技術一開始就先采用φ2.6 m鉆頭進行切割成孔，加強了樁孔本身的護壁效果，同時減少了后續對孔壁的反復擾動，使超深樁孔孔壁相對穩定，從而產生了優化效果。

4.2 鉆芯取樣驗證

樁基施工全部完成并達到要求齡期后，由建設單位委托第三方對塔樓樁成孔質量情況進行鉆芯取樣檢測，單樁鉆孔取芯數量均為3個孔。芯樣結果顯示：受檢樁樁長、樁身混凝土強度、樁底沉渣厚度和樁身完整性均為合格。

5 結語

1）隨著城市建設進程的不斷推進，社會經濟的日趨變化，超高層建筑日新月異，施工時間要求也日益苛刻，故而對施工技術的不斷優化、研究顯得尤為重要，在硬件達到一定瓶頸的時候，需要我們在軟件上充分發揮能動性，提高工效，保證工程建設能保質、保量、按期完成。

2）梅花形成孔施工工藝不僅能有效提高大直徑超深、超厚嵌巖旋挖灌注樁的施工效率，而且在成本、質量上同樣擁有足夠的優勢，在深圳金地中心項目的100多根大直徑超深、超厚嵌巖旋挖灌注樁施工過程中，梅花形成孔技術對機械設備的維修和損壞率明顯更低，同等配件的作業壽命增加。另外，成樁后的混凝土充盈系數也有所保障。

梅花形成孔施工工藝不僅遵從了常規的以小變大的理念，還從力學等方面優化了以小變大的過程，運用應力解除的力學理念，將大直徑超深、超厚嵌巖灌注樁的施工效率大幅提高，為日趨主流的同類型大樁的施工提供了可靠的工程實例。