流砂地層雙鋼護(hù)筒旋挖樁成孔工藝開發(fā)與研究

袁 況 王 歡 陳志偉 劉振寰 唐 超 劉 雨

中建五局第三建設(shè)有限公司 湖南 長沙 410004

1 流砂地層旋挖樁樁基成孔研究現(xiàn)狀

1.1 研究背景

我國河道縱橫，流域廣闊，是多水之國，河流總長度超40萬 km，而我國建筑有依山而建、伴水而居的居住、生活習(xí)慣和特點(diǎn)。在重慶這座兩江交匯的城市，建筑工程臨水建設(shè)或布置于舊河道區(qū)域的現(xiàn)象尤為普遍。

在舊河道區(qū)域以及臨水區(qū)域的流域沖積平原，通常地下水位高、地層活動(dòng)頻繁，造成影響建筑施工的不良流砂地層。在此種地質(zhì)條件下，重慶區(qū)域的建筑工程多采用旋挖成孔灌注樁作為基礎(chǔ)形式，其具有成孔速度快、安全系數(shù)高、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 研究現(xiàn)狀

在面對流砂地層時(shí)，傳統(tǒng)處理方案多為低強(qiáng)度等級混凝土反壓再成孔或者鋼護(hù)筒輔助成孔施工工藝，在大量工程實(shí)踐過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)以上2種工藝現(xiàn)場處理較為復(fù)雜，面對突發(fā)問題的應(yīng)對能力不足，容易造成工期、成本的浪費(fèi)，且無法保證樁基施工質(zhì)量。而新興的自帶跟進(jìn)式護(hù)筒護(hù)壁旋挖鉆孔施工技術(shù)又受到施工成本、設(shè)備緊缺等影響，現(xiàn)場難以推廣應(yīng)用。為解決流砂地層給旋挖樁施工帶來的不良影響，王樹民[1]通過分析流砂地層土應(yīng)力傳播特點(diǎn)來對施工工藝進(jìn)行優(yōu)化，以解決旋挖樁施工問題，崔元龍[2]、王衛(wèi)平[3]、李文生[4]將旋挖樁成孔施工環(huán)節(jié)進(jìn)行拆分，針對性研究、解決各環(huán)節(jié)的常見問題，提高旋挖樁成形質(zhì)量。流砂地層成因復(fù)雜[5]，影響因素繁多[6]，對旋挖樁基礎(chǔ)施工危害極大，若不及時(shí)采取針對性措施，將對旋挖樁基安全質(zhì)量造成無法挽回的損失。同時(shí)，旋挖樁作為建筑根基，受到業(yè)主、監(jiān)理及質(zhì)監(jiān)站各方關(guān)注，質(zhì)量要求越來越高。在建筑市場如此嚴(yán)峻形式下，傳統(tǒng)及新型工藝均無法滿足現(xiàn)在所需的質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)要求。

2 項(xiàng)目流砂地層旋挖樁樁基成孔研究分析

2.1 工程概況以及流砂地層旋挖樁成孔問題

中建·瑜和城（二期）Ⅰ05-1/01地塊項(xiàng)目位于重慶市巴南區(qū)李家沱王家壩路，靠近長江流域，是集住宅、商業(yè)、幼兒園于一體的綜合性房建項(xiàng)目，住宅最大高度為98.3 m，基礎(chǔ)形式多為旋挖樁基礎(chǔ)。經(jīng)地質(zhì)勘探，項(xiàng)目地質(zhì)條件良好，無明顯地下水位及其他不良地質(zhì)影響。

起初，項(xiàng)目基礎(chǔ)工程采用傳統(tǒng)機(jī)械旋挖成孔灌注樁工藝進(jìn)行施工，并在施工過程中，發(fā)現(xiàn)有樁孔坍塌、高地下水位、泥砂反涌等現(xiàn)象，經(jīng)參建單位研討，采用傳統(tǒng)處理方式（即低強(qiáng)度等級混凝土反壓再成孔或者鋼護(hù)筒輔助成孔施工工藝）進(jìn)行處理。由于前期工程量小，現(xiàn)場反應(yīng)迅速，并未發(fā)生重大的質(zhì)量事故。

隨著工程基礎(chǔ)施工大面積鋪開，15#樓棟第1批次樁基出現(xiàn)大量Ⅳ類樁基，經(jīng)現(xiàn)場勘察，原因?yàn)榱魃暗貙訉?dǎo)致樁身成形質(zhì)量完整性不合格。

2.2 流砂地層旋挖樁施工問題損失測算

針對本次廢樁（Ⅳ類樁不滿足樁基質(zhì)量要求，即為廢樁）現(xiàn)象，項(xiàng)目從經(jīng)濟(jì)方面對廢樁問題成本進(jìn)行測算，主要從人工機(jī)具成本、材料成本等方面進(jìn)行測算，其中還未包括工期、管理及其他方面的損失。

2.2.1 人工機(jī)具成本測算

在發(fā)生廢樁事故以后，首先需采用履帶式旋挖機(jī)在原樁位進(jìn)行破樁鉆進(jìn)，直至基底標(biāo)高，隨后按照旋挖樁基礎(chǔ)施工工藝，重新進(jìn)行樁基混凝土澆筑。上述過程中，根據(jù)破樁鉆進(jìn)（即二次成孔）深度、二次混凝土澆筑時(shí)間，以及旋挖樁成孔單價(jià)、工人每天的工資，可以得到廢樁造成的人工機(jī)具損失。經(jīng)計(jì)算，人工機(jī)具成本損失合計(jì)為55 225元。

2.2.2 材料經(jīng)濟(jì)損失

廢樁后，原鋼筋混凝土樁基需全數(shù)由機(jī)械破除，這些鋼筋混凝土無法二次利用，直接導(dǎo)致材料浪費(fèi)。根據(jù)合同單價(jià)及信息價(jià)，出站的鋼筋單價(jià)為4 160元/t，C30水下混凝土單價(jià)為457元/m3。經(jīng)計(jì)算，鋼筋混凝土成本損失合計(jì)為37 827元。

2.2.3 其他損失

由于樁基成形質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致工期增加，現(xiàn)場為了追回工期，要求勞務(wù)單位增加1臺(tái)260型旋挖機(jī)，造成進(jìn)場費(fèi)1萬元的經(jīng)濟(jì)損失；樁基二次成形同樣需要進(jìn)行樁基完整性超聲波檢測以及樁身鉆孔檢測，造成檢測費(fèi)用5 000元的經(jīng)濟(jì)損失，合計(jì)15 000元。

2.3 廢樁問題原因分析

2.3.1 地質(zhì)勘探報(bào)告不準(zhǔn)確的影響

根據(jù)原始地勘報(bào)告可知，本項(xiàng)目并無高地下水位、流砂地層等不良地質(zhì)情況。但在實(shí)際施工過程中，卻頻繁出現(xiàn)流砂地層等，分析其原因，主要有以下兩點(diǎn)：

1）進(jìn)場施工前，建設(shè)單位委托地勘單位按20 m×20 m間距進(jìn)行地質(zhì)勘察，由于前期地質(zhì)勘測點(diǎn)分布較稀，地勘報(bào)告較為粗略，且未進(jìn)行超前鉆補(bǔ)勘，造成地勘與現(xiàn)場實(shí)際情況不符，使作業(yè)人員無法對地質(zhì)情況有準(zhǔn)確的認(rèn)識。

2）項(xiàng)目駐地原為當(dāng)?shù)刈∶袼邪~塘，蓄水深度1.2～2.0 m，時(shí)間達(dá)到10年，池水抽干后，塘底淤泥堆積，最深處達(dá)到1 m，沒及人腰部，車輛、人員均無法進(jìn)入，但業(yè)主單位僅采取片石換填方式進(jìn)行了簡單處理，為項(xiàng)目旋挖樁基礎(chǔ)施工埋下隱患。

2.3.2 流砂地層旋挖樁施工難度的影響

流砂地層的形成主要與地下水動(dòng)力和土層自身物理性質(zhì)有關(guān)。在常規(guī)的流砂地質(zhì)中，往往會(huì)發(fā)生下述情況[5]：當(dāng)樁孔開挖至一定深度，孔外水高于孔內(nèi)抽水后的水位，內(nèi)外水壓差大于地層土顆粒的浸水密度，使土粒懸浮失去穩(wěn)定性而變成留洞狀態(tài)，土粒隨水從坑底或兩側(cè)涌入坑內(nèi)，此時(shí)如果施工采取強(qiáng)挖，抽水愈深，土層里的動(dòng)水壓力就愈大，流砂就愈嚴(yán)重。

流砂地層具有水體不穩(wěn)定、土體流動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，且常規(guī)地勘報(bào)告難以準(zhǔn)確描述，往往需要現(xiàn)場施工臨時(shí)進(jìn)行判斷，增加了基礎(chǔ)施工的不確定性，給工程質(zhì)量帶來了巨大隱患。

2.3.3 傳統(tǒng)處理方案較為落后的影響

針對不良流砂地層情況下的旋挖樁成孔施工作業(yè)，國內(nèi)外常見的處理方法有低強(qiáng)度等級混凝土反壓再成孔和鋼護(hù)筒輔助成孔施工，以及新興的自帶跟進(jìn)式護(hù)筒護(hù)壁旋挖鉆孔施工技術(shù)。研究人員針對上述工藝的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了逐項(xiàng)分析。

1）低強(qiáng)度等級混凝土反壓再成孔工藝：此工藝通過擴(kuò)大樁孔直徑，利用低強(qiáng)度等級混凝土將樁基周邊松軟土體固結(jié)，旋挖樁基礎(chǔ)二次鉆進(jìn)時(shí)，再利用周邊混凝土形成天然護(hù)壁，可以顯著減少坍孔等問題。但在面對流砂地層時(shí)，由于流砂區(qū)域空腔面積無法確定，若采用低強(qiáng)度等級混凝土進(jìn)行反壓，無法有效預(yù)估反壓混凝土用量，極易使現(xiàn)場混凝土超量，帶來巨大成本；同時(shí)，巨大的流砂地層將大量低強(qiáng)度等級混凝土吸納，使得周邊軟弱土層無法得到充分固結(jié)，導(dǎo)致軟弱土質(zhì)仍然存在，無法消除樁基施工過程中的隱患。

2）鋼護(hù)筒輔助成孔施工工藝：此工藝通過鋼護(hù)筒護(hù)壁阻隔樁基周邊流砂及軟弱土質(zhì)，具有成孔快、效果明顯等特點(diǎn)。但由于鋼護(hù)筒護(hù)壁與周邊地基土體貼合不緊密，存在大量縫隙，流體狀態(tài)的流砂土體可以持續(xù)從縫隙中滲入護(hù)壁內(nèi)部，與樁基混凝土混合后產(chǎn)生大量夾雜、孔洞，導(dǎo)致樁基質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。

3）自帶跟進(jìn)式護(hù)筒護(hù)壁旋挖鉆孔施工技術(shù)：此工藝通過改進(jìn)型自帶跟進(jìn)式護(hù)筒旋挖機(jī)械進(jìn)行旋挖樁施工，成孔同時(shí)下方由鋼護(hù)筒護(hù)壁，保證護(hù)壁與樁基深度基本同步，能夠相對有效地解決流砂地層問題。但此方案需要特制的具有鋼護(hù)筒驅(qū)動(dòng)裝置的旋挖機(jī)，造價(jià)過高，且國內(nèi)保有量低，故在工程實(shí)踐中難以推廣應(yīng)用。

2.4 廢樁問題解決

為提高樁基成形質(zhì)量，確保工程結(jié)構(gòu)安全，有效減少廢樁問題帶來的經(jīng)濟(jì)損失，研究人員在要求地勘單位對現(xiàn)場地質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)補(bǔ)勘的同時(shí)，研討并開發(fā)一項(xiàng)新型的施工工藝來解決上述各種問題，即雙鋼護(hù)筒輔助成孔旋挖施工工藝。

2.4.1 雙鋼護(hù)筒輔助成孔旋挖施工工藝原理

本工藝的作業(yè)原理為：在常規(guī)鋼護(hù)筒護(hù)壁輔助成孔施工工藝的基礎(chǔ)上，增加1道可周轉(zhuǎn)鋼護(hù)筒，利用內(nèi)外護(hù)壁及其中間的隔絕區(qū)，大大提高對流砂地層的防護(hù)能力。

以直徑較大的周轉(zhuǎn)鋼護(hù)筒設(shè)置于巖層之上，對流砂地層進(jìn)行第1次隔絕，再由直徑較小的一次性鋼護(hù)筒從外筒內(nèi)嵌至樁基底部，與基底持力層緊密結(jié)合，進(jìn)行二次隔絕，2層鋼護(hù)筒之間形成流砂隔絕區(qū)，進(jìn)一步提高阻隔效果，如圖1所示。

圖1 雙鋼護(hù)筒輔助成孔旋挖樁示意

2.4.2 雙鋼護(hù)筒輔助成孔旋挖施工工藝施工流程

雙鋼護(hù)筒輔助成孔旋挖施工工藝流程大體為：定位放線→一次成孔，周轉(zhuǎn)鋼護(hù)筒隨鉆隨下→旋挖機(jī)繼續(xù)成孔→提鉆→一次性鋼護(hù)筒設(shè)置→清孔→鋼筋籠制安→混凝土澆筑。

以1.0 m直徑樁基施工為例：

1）使用時(shí)，先以周轉(zhuǎn)鋼護(hù)筒進(jìn)行常規(guī)旋挖樁成孔施工，采用1.4 m直徑的周轉(zhuǎn)鋼護(hù)筒輔助成孔，護(hù)筒隨挖隨進(jìn)，直到巖層部位，鋼護(hù)筒受巖層阻擋，無法繼續(xù)下落。

2）旋挖機(jī)保持作業(yè)狀態(tài)繼續(xù)鉆進(jìn)，直至樁孔深度滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

3）提起鉆斗，由履帶式起重機(jī)吊運(yùn)1.2 m直徑的永久鋼護(hù)筒至樁孔位置，人工配合坐標(biāo)定位、垂直校正，將鋼護(hù)筒準(zhǔn)確下放至周轉(zhuǎn)鋼護(hù)筒內(nèi)。

4）此時(shí)樁孔內(nèi)會(huì)有部分流砂，但在鋼護(hù)筒自重作用下能夠自然下落至基底，若遇阻，可采用振動(dòng)錘輔助下落。

5）永久性鋼護(hù)筒設(shè)置完成后，旋挖機(jī)替換清孔鉆頭對樁基進(jìn)行清孔，確保孔內(nèi)無沉渣、淤泥。

采用周轉(zhuǎn)鋼護(hù)筒加永久鋼護(hù)筒2道阻隔屏障，解決了流砂滲入樁內(nèi)引起的混凝土澆筑不連續(xù)問題，減少因樁身完整性檢測不合格引起的返工，縮短工期，也能有效地控制混凝土用量。

2.5 雙鋼護(hù)筒旋挖成孔工藝實(shí)施效果

中建·瑜和城（二期）Ⅰ05-1/01地塊項(xiàng)目就流砂不良地質(zhì)情況，針對性地提出雙鋼護(hù)筒旋挖成孔施工工藝，就前后樁基礎(chǔ)的超聲波投射法檢測及樁身鉆孔檢測結(jié)果來看，本工藝對流砂不良地質(zhì)情況下的樁基成孔合格率從傳統(tǒng)工藝的63%提高到100%，成樁質(zhì)量有顯著提高。

3 結(jié)語

本文通過與工程實(shí)例進(jìn)行結(jié)合，分析本項(xiàng)目廢樁產(chǎn)生的原因，并根據(jù)原因提出問題的解決和預(yù)防措施，創(chuàng)造性地提出雙鋼護(hù)筒輔助成孔旋挖樁施工工藝，減少項(xiàng)目部分不必要的損失。該工藝具有以下幾方面的優(yōu)勢：

1）準(zhǔn)備工作簡單：本工藝施工準(zhǔn)備工作較傳統(tǒng)鋼護(hù)筒護(hù)壁旋挖成孔灌注樁并無差異，僅需要一些常規(guī)的施工機(jī)具、材料即可，且此工藝操作簡單，方便。

2）泛用性強(qiáng)：本工藝不僅針對流砂地層。

3）施工質(zhì)量高：項(xiàng)目采用此工藝進(jìn)行施工后，旋挖樁成形質(zhì)量經(jīng)檢測達(dá)到100%，較第1批成孔有了顯著提高。

4）施工成本低：本工藝無特殊設(shè)備投入，且有效規(guī)避了低強(qiáng)度等級混凝土反壓成本不可控的缺點(diǎn)，同時(shí)兼具鋼護(hù)筒護(hù)壁成孔工藝施工設(shè)備及人員投入少、施工周期短、質(zhì)量控制簡單等優(yōu)點(diǎn)，在確保質(zhì)量、安全的前提下，最大化節(jié)約成本與工期。

流砂地層旋挖樁施工質(zhì)量控制是重慶地區(qū)一個(gè)常見且棘手的問題，很多建設(shè)者都會(huì)采用傳統(tǒng)的低強(qiáng)度等級混凝土反壓及鋼護(hù)筒護(hù)壁施工進(jìn)行處理，卻往往達(dá)不到預(yù)想的結(jié)果。由于流砂地層的復(fù)雜性、不確定性，導(dǎo)致出現(xiàn)廢樁的原因也復(fù)雜與不確定，因此還需要在以后工作中進(jìn)行分析、總結(jié)、優(yōu)化、實(shí)踐，最終求得解決之法。