高強度花崗巖中大直徑鉆孔灌注樁施工技術分析

張培印

（中國水電基礎局有限公司，天津 301700）

鉆孔灌注樁被廣泛應用在基巖施工中，這是因為施工技術可以有效控制成樁直徑和樁長，受荷載后傳力結構簡單，單樁承載力大，可以同時承受抗豎向作用力和水平荷載，成為房建工程、市政工程、橋梁工程基礎設計的首選成樁工藝。在這樣的環境背景下，探究高強度花崗巖中大直徑鉆孔灌注樁施工技術分析具有非常重要的現實意義。

1 工程概況

某市政工程施工中，通過地質勘查發現地層分布有花崗巖風化殘積土至微風化、未風化巖層，設計以抗拔承載力控制，1.5m直徑樁嵌入高強度硬質巖層深度達13.5m，1.8m直徑樁嵌巖達13m；基巖最高抗壓強度達100MPa，巖面起伏劇烈，相鄰樁基巖面高差達10m，導致鉆具碎巖過程中非常容易發生筒體變形及卡鉆，極大地降低了成孔效率。后續開展三支試驗樁，成孔設備采用36型鉆機進行試鉆，由于樁基入基巖深度較深，其中中風化和微風化深度約為地面下48m，巖層均為花崗巖，完整性好，進尺速度緩慢，基巖的進尺效率難以保證。對此，結合工程情況，運用大直徑鉆孔灌注樁施工技術，采用高強度合金牙輪鉆頭，優化焊接角度及質量的同時，基于堅硬巖破碎機理，采用分級回轉套鉆方法，提高入巖工效；結合土層實際標貫值，充分考慮土層側摩阻力，科學經濟的確定入巖深度，避免超嵌，提高成孔效率。

2 基于標貫值的抗拔樁豎向承載力研究

2.1 明確標貫值

根據國標《建筑樁基技術規范》的要求，在標貫值的基礎上開展抗拔樁豎向承載力的研究，得到基樁抗拔承載力為：

推斷出等效抗拔狀態下的樁側阻力。式中：Tuk-樁抗撥承載力標準值；λi代表抗拔系數，數值在0.50～0.80之間；qsik-樁側第i層土的抗壓側阻力標準值；ui-樁身周長。在項目設計階段中，基于不同土層范圍值，利用樁體長細比確定取值范圍，得到折減系數。這種方法主要適用在土層抗拔承載力計算，若要得到巖層中的抗拔承載力，結合地方標準，估算單根錨樁的抗拔極限承載力標準值：

其中：Qbk-錨樁抗拔承載力的標準值；fr-錨樁混凝土軸心抗壓強度較小值；Ur-樁身周長；hr為錨樁深度。由于承載力與巖石抗壓強度相關，確定其側阻力取值范圍為0.02＜C2＜0.04或是0.03＜C2＜0.05。通過現場極限承載力試驗得出抗拔側阻力標準值。

2.2 試驗樁得出土層設計參數

選擇1根1000mm直徑灌注樁進行現場抗拔靜載試驗和應力測試，得到抗拔樁的Q-s曲線，揭示該場地嵌巖灌注樁的抗拔承載特性。在土層變化位置、標貫試驗位置埋設應變計和位移計，觀察試樁基于加載情況下的軸力分布值。試驗樁樁長為26.5m，嵌入巖層1.1m，試驗擬施加2.5倍工作荷載，使其達到1545t；在加載過程中，上拔荷載達到530.9t時，試樁位移過大，土體與樁周接觸滑動失效。通過土層樁側阻力的分析，得出不同性質的土層，其側阻力發揮特征也不相同；巖層中的單位側阻力遠高于上覆土層，所占總荷載的比例較大。通過樁側阻力與各土層的標貫值對比，基本上可以得出土層中樁側抗拔阻力約等于標貫值（kPa），巖層的樁側抗拔阻力約等于5.5倍的標貫值，即550kPa。

3 施工工藝

3.1 施工準備工作

針對本工程樁基直徑大、成孔深、嵌硬巖的特點，選用國產三一SR360旋挖鉆機和德國寶峨BG36作為施工主力機械，考慮到旋挖鉆機自重對頂部孔口土層的影響，要采取孔口防護措施，以減小在鉆進過程中對孔壁穩定性的不利影響。鉆機就位前，在鉆機作業區域鋪一層25mm厚鋼板，分散集中應力對孔口的影響，增大鉆機兩側履帶受力面積，達到地表承載力的提升，為鉆機鉆進施工提供平穩施工面，保證鉆進效果。

3.2 土層段鉆進

根據勘察報告針對樁孔地質特點選擇鉆進方式，土層鉆進時一般按設計樁徑一直鉆孔到底，鉆進時間盡可能縮短，盡量加大回次鉆進時的進尺，增大每次提鉆的土方量，提升鉆頭出孔時行速緩慢，防止孔內水壓力快速下降，在孔內做好補漿處理，進而維持孔內水壓力的穩定性。

3.3 巖層段鉆進

3.3.1分級擴孔鉆進

本工程樁基持力層為中、微風化巖層，巖層極其堅硬，為克服大斷面鉆進阻力，硬巖鉆進時采用分級擴孔鉆進施工方案。旋挖機鉆桿連接牙輪筒鉆頭，鉆頭直徑為1.0m，通過旋挖鉆機不斷的輸出扭矩、壓力，帶動牙輪鉆頭不斷旋轉，與巖層接觸面不斷的摩擦，最終在巖體四周磨出環槽，擴孔鉆進為全斷面破碎巖，巖壁被最終磨為石塊或石屑，進尺達到一定深度時，截齒撈砂鉆頭進行石屑清理。

3.3.2旋挖鉆機破巖

在旋挖鉆機破巖過程中，需要提供增加壓力的方式，把鉆具截齒壓進巖石中，通過動力頭輸出扭矩，實現巖石剪切破碎。在此過程中，還要借助加壓載荷和旋轉扭矩聯合作用，使得鉆具和巖石接觸后，發生較強的剪切力，達到破巖剪切的目的。科學使用破碎工具，可以保證以最小阻力壓進巖石，鉆進效果明顯，故本項目選擇鑲嵌球形體的合金鋼牙輪鉆頭，制作鉆頭焊接專用工具及平臺，便于統一焊接位置與角度，以便成孔過程中減少或不存在局部破壞點，使得一組牙輪在切向與方向同步碎巖。

3.4 鋼筋籠制安、導管安放、混凝土澆筑

采用直徑φ300mm絲扣導管灌注混凝土，灌注前對使用導管的長度和數量進行分配，導管長度適中，入孔前逐根記錄，保證底端距孔底30～50cm預先計算好初灌時導管埋管深度及所需混凝土方量，現場檢查混凝土標號、坍落度合格后，在澆筑料斗的導管口放置適量膨脹蛭石，以防止底部混凝土離析。兩輛混凝土灌車同時灌注，確保導管底端埋入混凝土中1m以上的要求。混凝土超灌高度至少比設計樁頂標高多50～100cm，澆筑過程中做好記錄。

4 施工中的常見問題及處理方案

4.1 鉆孔偏斜

在高強度花崗巖中大直徑鉆孔灌注樁施工中，很容易出現鉆孔偏斜問題，這是因為施工場地平整度與密實度不夠，再加上鉆機底座安裝偏斜，或是施工中，施工人員將鉆機組安裝在軟硬土層交界面，鉆機運行中會沿著界面開展，發生鉆孔偏斜。同時，地層中砂卵石過多，巖石形態不同，鉆孔過程中，在高強度鉆壓下，花崗巖會受力不均；孔道擴充位置，鉆頭很容易發生擺動，迫使鉆頭偏斜到另一處，造成鉆孔偏斜。

針對鉆孔偏斜問題，在施工中，鉆機安裝前，施工人員要夯實支撐點基礎，保證基礎平整，禁止出現偏斜情況；及時檢查鉆孔情況，第一時間發現鉆孔偏斜位置，將鉆桿設置在偏斜位置，通過反復掃孔的方式，恢復鉆孔正直；在鉆孔偏斜嚴重的問題填入適當的砂黏土，夯實后進行小幅度鉆進。

4.2 掉鉆落物

在施工中，掉鉆落物也比較常見，會影響施工質量，鉆機卡鉆中，可能會由于操作方法不當或是用力過大導致，鉆桿和鋼絲承受負荷較大，發生斷裂問題；鉆桿接頭安裝不到位而發生滑絲問題，也會造成掉鉆落物。除此之外，若各個部件磨損過重，引發鋼絲偏轉，再加上操作人員操作不當，會讓該部件脫落，鉆桿松動脫節，進而造成掉鉆落物情況。

在實際處理中，針對掉鉆落物的突發情況，施工人員要做好準備工作，加強對鋼絲繩、鉆頭、鉆桿和卷揚機等設備的定期檢查，保證連接固定，鉆孔前清理孔中的雜物，優化鉆頭和連接位置設計，有效預防掉鉆落物事件的發生，一旦發生掉鉆落物問題，要找到落鉆問題，清理雜物找到鉆頭，針對零星鐵采用電磁鐵吸附出來，或是選擇打撈工具撈出，及時更換鉆桿和鉆頭，擰緊連接松動位置，保證經營生產活動的正常運行。

4.3 孔底沉渣厚

在施工中，由于花崗巖的強度大，鉆進過程中會形多的沉渣，孔底沉渣過厚，會影響樁身承載性能，容易引發地基沉降，進而對上部建筑物的使用造成不利影響。造成這一現象的原因主要是鉆進過程中的地基土層結構穩定性差，若清孔中泥漿沒有清除干凈，或是清孔方式不當，就會引發孔底沉渣過厚問題。

在實際處理中，施工人員要選擇抽漿法進行沉渣治理，徹底清孔，鉆孔前提高護筒埋深，護筒高出地面25cm。同時，施工人員要控制泥漿密度與黏度，適當添加黏土粉，使其密度在合理范圍內，粘度控制在30—40s范圍內，及時檢測孔底沉渣厚度，沉渣厚度在30cm以內，就要吊放鋼筋籠，終孔后立即停止進尺，鉆機保持運行，吸渣時間達到15min后，清除孔底沉渣。

4.4 鋼護筒變形

在鉆進過程中，樁的鋼護筒很容易發生變形情況，使得鉆頭無法通過，影響鉆進進程。這主要是受到花崗巖中的漂石的影響，插打鋼護筒時擠壓鋼護筒，造成鋼護筒變形或是撕裂開，影響鉆孔過程。針對這一問題，施工過程中要選擇APE 400型振動打樁錘，及時拔除已經變形的鋼護筒，切除變形部分，重新插打鋼護筒。針對變形范圍小的鋼護筒而言，施工人員可以采用回填片石的方式，通過沖擊鉆機對變形范圍進行重復沖擊，之后選擇KPG 3000A型鉆機進行施工。而針對變形范圍內大的鋼護筒而言，要選擇水下切割的方式，切除已經變形的護筒，考慮到可能引發淤泥內涌的問題，施工中同步注漿與下套保險小鋼護筒的方式，達到鞏固效果，及時處理已經變形的鋼護筒，保證施工質量。

5 結束語

綜上所述，高強度花崗巖成孔施工時，由于硬度較大無法保證樁基快速成孔，必須要選用大直徑鉆孔灌注樁施工技術，提高成孔效率與成樁速度，縮短工期，降低施工成本，保證工程效益的最大化。