永久鋼護(hù)筒嵌巖工字鋼樁在深厚砂層中的技術(shù)應(yīng)用

孟秋宏

中國港灣工程有限公司 北京 110000

1 引言

D610嵌巖工字鋼樁是港澳地區(qū)房屋和橋梁工程中常見的樁基礎(chǔ)形式。該樁基礎(chǔ)可以在堅(jiān)硬的地質(zhì)條件下成孔，同時(shí)因?yàn)榍稁r深度較大，具有承載力大、沉降控制好、施工質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。但是常見的D610嵌巖工字鋼樁多采用臨時(shí)鋼護(hù)筒和普通鉆頭的施工工藝，隨著環(huán)境保護(hù)和工程質(zhì)量要求的提高，上述工藝難以應(yīng)對城市工程施工，以及深厚砂層、多斷裂帶巖層等復(fù)雜地質(zhì)條件。通過使用永久鋼護(hù)筒與同心套管系統(tǒng)環(huán)狀鉆頭相結(jié)合的改進(jìn)施工工藝，可有效解決上述難題。

2 工程背景

2.1 工程概況

澳門北安大馬路連接E2區(qū)天橋及道路建造工程，位于澳門氹仔客運(yùn)碼頭與澳門機(jī)場之間的填海區(qū)，主要工程內(nèi)容為建造自西向東跨越北安碼頭油庫區(qū)、并向東延伸至新城 E2區(qū)的雙向兩車道行車天橋一座，長度530m。樁基礎(chǔ)為D610預(yù)鉆孔嵌巖工字鋼樁，共計(jì)147根，外徑610mm，樁深24～71m，設(shè)計(jì)嵌巖深度為3.3～5.3m，施工總量約4425m。施工現(xiàn)場根據(jù)樁基礎(chǔ)分布，自西向東劃分為A區(qū)（A1-A3）、B區(qū)（B1-B7）、E區(qū)（E01-E08）共計(jì)3個(gè)一級分區(qū)、18個(gè)二級分區(qū)，各二級分區(qū)內(nèi)包含樁基礎(chǔ)數(shù)量6～9個(gè)不等。

本項(xiàng)目樁基礎(chǔ)工程施工之初，根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用臨時(shí)鋼護(hù)筒施工，在實(shí)際施工過程中受地質(zhì)條件影響，進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，改為永久鋼護(hù)筒施工。

2.2 工程地質(zhì)條件

本工程位于澳門氹仔島東區(qū)，根據(jù)地質(zhì)資料，該區(qū)域區(qū)風(fēng)化層深度平均40～50m。工程施工前進(jìn)行超前鉆孔勘察，于每個(gè)橋墩布置1～2個(gè)勘察孔，覆蓋5～8m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況。超前鉆地質(zhì)鉆探資料顯示，工程所在區(qū)域砂層厚度和巖層深度自西向東逐漸增大，部分區(qū)域巖層存在多層斷裂的情況。在西側(cè)靠近澳門機(jī)場的A、B區(qū)，存在大量拋石和孤石，直徑1～3m。在東側(cè)靠近入海口的E區(qū)，8個(gè)超前鉆孔柱狀圖揭示，該區(qū)域存在大面積的深厚全風(fēng)化花崗巖層。全風(fēng)化花崗巖層平均起始深度12m，最大起始深度20m，平均厚度25m，最大厚度41m。

2.3 水文環(huán)境條件

本工程位于入海口位置，地下水類型主要為空隙潛水。主要賦存于第四系填土層以及沖積層孔隙中，接受大氣降水補(bǔ)給，經(jīng)蒸發(fā)和側(cè)向滲流方式排泄。工程沿線地下水穩(wěn)定，水位一般約0～2.0m。地下水位受季節(jié)性影響，據(jù)澳門區(qū)域水文地質(zhì)資料顯示，上部地下水位變幅約為0.50～1.00m。地下水環(huán)境類型為Ⅱ類，地層滲透性分類為A 類。

3 施工工藝

主要施工流程見圖1所示。

圖1 D610嵌巖工字鋼樁施工流程圖

3.1 場地平整和測量放樣

在樁基礎(chǔ)施工前，先探明埋管線情況，再進(jìn)行場地平整、夯填密實(shí)，滿足樁機(jī)設(shè)備放置要求，并確保樁機(jī)施工過程安全。測量員采用全站儀進(jìn)行樁位放樣，并對樁位逐樁復(fù)核，形成測量交接樁記錄，符合要求后由技測量員報(bào)顧問單位復(fù)核。在成孔過程中，每一節(jié)護(hù)筒下放完畢后或施工人員發(fā)現(xiàn)樁位出現(xiàn)明顯偏差時(shí)應(yīng)立即進(jìn)行護(hù)筒樁位復(fù)核（樁頂放樣允許誤差為：±25mm）。于樁位四周埋設(shè)十字護(hù)樁，必須采用砂漿或混凝土進(jìn)行加固保護(hù)，以備鉆進(jìn)過程中對樁位進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.2 鋼護(hù)筒焊接

采用對接焊施工工藝將鋼護(hù)筒接長至設(shè)計(jì)長度，焊接前將其中一端的鋼管口切割成45°，清除焊接點(diǎn)的雜質(zhì)，然后進(jìn)行焊接。

3.3 鉆孔施工

鉆孔施工前需再次測量確定樁位。樁機(jī)就位時(shí)，應(yīng)安置在牢固的地面或鐵墊板上，以保證樁機(jī)平定穩(wěn)固，轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá)中心應(yīng)與測量放樣樁中心對準(zhǔn)，并隨即利用平水尺把鉆孔機(jī)調(diào)校至設(shè)計(jì)要求的90°垂直角度。鉆孔期間每2m用水平尺監(jiān)察著樁孔的垂直度，待鉆孔機(jī)完成調(diào)較角度之后，鉆進(jìn)土石層1m深后再次進(jìn)行位置和垂直度校正，位置準(zhǔn)確后隨即進(jìn)行永久鋼護(hù)筒鉆孔施工[1]。

成孔施工過程控制如下：

(1) 鉆孔到達(dá)巖層后，收集巖石樣本，并繼續(xù)鉆進(jìn)，使鋼護(hù)筒鉆入基巖內(nèi)30cm；

(2) 在鉆孔過程中每1m距離檢查樁身垂直度（不超過1/75）；

(3) 鉆孔至巖石面，檢查由筒底排出的物料，符合三級巖石樣本后，停止帶筒鉆頭鉆孔；

(4) 經(jīng)核實(shí)鋼護(hù)筒底石層位置的標(biāo)高及巖石材質(zhì)后，換上Φ550mm鑿巖鉆頭繼續(xù)鉆孔，進(jìn)入巖面后，需每隔50cm至100cm取次巖樣,以核實(shí)巖層的風(fēng)化程度和支承條件[2]；

(5) 鉆進(jìn)設(shè)計(jì)要求的深度時(shí)停止鉆進(jìn)并目測巖石樣版；

結(jié)合實(shí)際的銀行發(fā)展?fàn)顩r來看，我國的銀行大都是采用規(guī)模擴(kuò)張的粗放式的發(fā)展策略，雖然當(dāng)前有一部分銀行金融機(jī)構(gòu)都在大力實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)管理策略，比如將信用風(fēng)險(xiǎn)管理開拓到了操作風(fēng)險(xiǎn)、市場管理風(fēng)險(xiǎn)等其他方面，甚至也擬定出了很多的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)量模型，可是這種風(fēng)險(xiǎn)管理并沒有取得實(shí)質(zhì)性的效果。事實(shí)上，銀行總行的考查過于看重業(yè)績，風(fēng)險(xiǎn)管理在實(shí)際的考查中并不會(huì)占據(jù)太多的比重，所以在這種考查方式下，銀行會(huì)為了提升業(yè)績二不斷的加大貸款的投放數(shù)額，這樣做不僅僅導(dǎo)致了自身面臨著更多的金融風(fēng)險(xiǎn)，而且在一定程度上來說也導(dǎo)致了經(jīng)濟(jì)泡沫的出現(xiàn)，不利于經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)固。

(6) 核實(shí)鉆孔深度符合要求后，完成鉆孔；

(7) 鉆孔完成后，樁基礎(chǔ)進(jìn)行Koden垂直度測試。

成孔期間同時(shí)進(jìn)行排渣清孔。透過高壓風(fēng)機(jī)、風(fēng)管及鉆桿把穩(wěn)定壓力的壓縮風(fēng)送進(jìn)至鉆頭前端出風(fēng)口位置，利用風(fēng)壓把泥渣及石碎強(qiáng)排出樁孔外。取出鉆錘，將φ160mm的導(dǎo)管插入孔底并向樁孔中不斷注入清水，使用空氣壓縮機(jī)將樁底碎石及細(xì)砂吹出。

3.4 工字鋼施工

工字鋼采用S355型號，英標(biāo)UBP305×305×223Kg/m 工字鋼，根據(jù)每根樁的實(shí)際成孔深度加工制作鋼樁長度，樁底以上4m需安裝中置器，中置器采用B500Φ16的鋼筋[3]。工字鋼安裝前需要進(jìn)行水樣取樣，檢測合格后方可進(jìn)行工字鋼安裝。

3.5 樁芯水泥漿澆注

工字鋼樁灌漿是利用高壓灌漿泵及已安裝好的灌漿喉管把現(xiàn)場拌好的無收縮水泥漿以水下灌漿方式灌注入樁孔內(nèi)，由底部開始緩緩地向上灌注，并籍此把樁孔內(nèi)積水從底部向上排出。

注漿時(shí)注漿泵正常工作壓力控制在2MPa。外護(hù)筒的拔出隨著灌漿高度的增加而不斷的進(jìn)行拔出工作，但是灌漿過程中，外護(hù)筒拔出應(yīng)與注漿導(dǎo)管一樣，保持水泥漿最少8～12m埋置深度，確保水泥漿的連續(xù)性注漿時(shí)，注漿液應(yīng)均勻上冒，直至灌滿。孔口冒出濃漿為止，注漿高度應(yīng)至少高出設(shè)計(jì)樁頂1m。注漿應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，不得中斷，現(xiàn)場應(yīng)確保水泥漿灌注連續(xù)性，保證上一車水泥漿剩余1/3時(shí)有水泥罐車在現(xiàn)場等待。

3.6 成孔檢測

水泥漿澆筑14天后，進(jìn)行樁基質(zhì)量檢測，檢測方法包括超聲波檢測法和鉆孔取芯驗(yàn)證法兩種。

(1) 超聲波檢測法：

超聲波成孔檢測，是應(yīng)用超聲波反射技術(shù),對成孔質(zhì)量進(jìn)行綜合檢測的新技術(shù)。根據(jù)樁基檢測結(jié)果，可將樁分為I、II、III類。

(2) 鉆芯驗(yàn)證法：

每根610樁的樁頂安裝取芯鉆機(jī)，通過φ100mm金屬管鉆取樁底與巖石交界面混凝土和巖心進(jìn)行檢測，并按照要求裝訂檢測報(bào)告。

4 對比常規(guī)D610嵌巖工字鋼樁施工的改進(jìn)工藝

4.1 同心套管系統(tǒng)環(huán)狀鉆頭的應(yīng)用

在靠近入海口的E區(qū)施工過程中發(fā)現(xiàn)，使用普通鉆頭施工成孔率較低。在鉆進(jìn)過程中，普通鉆頭由于采用外擴(kuò)式進(jìn)行鉆進(jìn)，鋼護(hù)筒底與鉆頭之間存在25cm左右空隙，高壓氣體從鉆頭側(cè)孔噴出，對周圍土壤產(chǎn)生擾動(dòng)。大量泥砂隨高壓氣體從鋼護(hù)筒內(nèi)帶出并噴涌而出，造成環(huán)境污染。泥砂流失導(dǎo)致樁基施工區(qū)兩側(cè)道路產(chǎn)生沉降，帶來行車安全風(fēng)險(xiǎn)。普通鉆頭在施工過程中易出現(xiàn)鉆桿堵塞、高粘土及小碎石卡住金鋼齒無法提鉆的情況。

針對上述問題，項(xiàng)目部經(jīng)翻閱文獻(xiàn)資料，在后期的樁基施工過程中改用礦山鉆探中常用的同心套管系統(tǒng)環(huán)狀鉆頭。通過環(huán)狀鉆頭焊接在護(hù)筒腳底，利用鉆頭與環(huán)保箍一起鉆進(jìn)，有效地解決了在深厚砂層中的泥砂管涌、鉆桿堵塞、路面沉降等問題。環(huán)狀鉆頭針對孤石、巖石夾層等復(fù)雜地質(zhì)條件，具有更好的適用性。環(huán)狀鉆頭系統(tǒng)在成孔過程中利用氣動(dòng)提升的方式將泥漿及碎石從鋼護(hù)筒中自下而上排出。鋼護(hù)筒嵌入巖面后拆除定向鉆頭，更換外徑為550mm的鑿巖鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求嵌巖深度后停止。環(huán)狀鉆頭系統(tǒng)在成孔過程中產(chǎn)生的泥漿和碎石幾乎全部流向鋼護(hù)筒內(nèi)部，相比普通鉆頭而言，對周圍土體擾動(dòng)大幅降低[4]。

通過在A、B區(qū)共計(jì)76根D610樁的施工統(tǒng)計(jì)，使用環(huán)狀鉆頭系統(tǒng)可有效避免卡鉆、地面沉降等問題，有效提高施工效率，經(jīng)檢測成樁合格率為100%。

4.2 永久鋼護(hù)筒的應(yīng)用

港澳地區(qū)常見的D610嵌巖工字鋼樁通常采用臨時(shí)鋼護(hù)筒，即完成注漿后將鋼護(hù)筒拔出并重復(fù)利用[3]。本項(xiàng)目原設(shè)計(jì)方案因缺少該地區(qū)的巖土勘察報(bào)告，在進(jìn)行D610嵌巖工字鋼樁設(shè)計(jì)時(shí)采用了常見的臨時(shí)鋼護(hù)筒的技術(shù)要求，工字鋼保護(hù)層最小厚度僅7cm。在填海區(qū)深厚砂層中的D610嵌巖工字鋼樁施工過程中，臨時(shí)鋼護(hù)筒拔出后漿體大量流失，工字鋼保護(hù)層厚度減小，海水極易侵蝕工字鋼，從而嚴(yán)重影響樁基礎(chǔ)質(zhì)量，存在較大質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

本項(xiàng)目在樁基礎(chǔ)施工之初采用臨時(shí)鋼護(hù)筒施工，在E區(qū)施工過程中拔出鋼護(hù)筒時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的漏漿現(xiàn)象。同時(shí)由于地下承壓水的影響，在鋼護(hù)筒拔出過程中產(chǎn)生塌孔的情況。經(jīng)與設(shè)計(jì)、監(jiān)理和業(yè)主溝通后，確定在該區(qū)各二級分區(qū)抽取1根總計(jì)8根D610樁作為試驗(yàn)樁，由監(jiān)理旁站記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，8根試驗(yàn)樁均出現(xiàn)不同程度的漏漿，其中最大水泥漿損失比高達(dá)10.6，平均水泥漿損失比介于2.4和4.9之間，遠(yuǎn)超正常損耗水平。考慮到部分D610樁仍有11.7～30m長度的鋼護(hù)筒尚未拔出，實(shí)際水泥漿損失比更高。造成水泥漿損失比較大的主要原因?yàn)椋涸搮^(qū)域全風(fēng)化花崗巖層厚度為19～41m，全風(fēng)化砂層和巖石夾層中可能存在滲流孔隙水，在鋼護(hù)筒拔出過程中，全風(fēng)化砂層中較大的間隙導(dǎo)致水泥漿四處擴(kuò)散。

經(jīng)設(shè)計(jì)變更后，本工程余下全部樁基工程采用永久鋼護(hù)筒進(jìn)行施工作業(yè)。通過調(diào)取試驗(yàn)樁所在區(qū)域及臨近區(qū)域的11根D610樁的施工數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)和對比可得：使用永久鋼護(hù)筒的D610樁水泥漿損失比最小值為1.15、最大值為1.29、平均值為1.22，比采用臨時(shí)鋼護(hù)筒工藝大幅節(jié)約了水泥漿用量。

表1 使用永久鋼護(hù)筒水泥漿漏漿情況統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

在填海區(qū)深厚砂層、拋填石區(qū)、建筑垃圾堆放區(qū)等復(fù)雜地質(zhì)條件下，通過采用同心套管系統(tǒng)環(huán)狀鉆頭與永久鋼護(hù)筒相結(jié)合的方式，能夠很好地解決D610嵌巖工字鋼樁在成孔和成樁時(shí)遇到的技術(shù)難題，可對類似工程項(xiàng)目的施工提供借鑒。