堅硬破碎花崗巖地層大直徑潛孔錘跟管鉆孔灌注樁施工技術

鄧乙民，魏凌浩，周雨田

（1.湖南軍信環保股份有限公司，長沙410213；2.中南大學地球科學與信息物理學院，長沙410083；3.中南大學土木工程學院，長沙410075）

1 引言

隨著城市建設和社會發展，越來越多的工程項目在山地削填方而成的場地上進行，而較厚的填石層使得樁基礎施工變得更加困難，新型鉆孔技術如潛孔錘受到了關注[1，2]。與傳統的鉆孔技術相比，大直徑潛孔錘鉆孔技術有很多的優點，比如，在強度大的巖層中成孔更快，孔道更直等[3]。同時，環境保護和施工安全性一直也是工程項目的關注重點，而潛孔錘的應用會導致大量可吸入粉塵的產生，配合使用響應降塵設備有利于保護工人健康和周邊環境[4]。本文以長沙市望城區橋驛鎮黑麋峰固體廢物處理場的垃圾焚燒發電廠作為案例，分析大直徑潛孔錘在實際工程中的應用優勢和適用情況。

2 工程案例

2.1 項目概況

該項目位于長沙市黑麋峰固體廢棄物處理場西側，場區面積約30 ha，工程場地東、南、西3 面環山，北面緊鄰黑壩水庫。場地為山地削填方而成，最大填筑厚度達35 m，填筑土主要為花崗巖殘積土，且夾有大量堅硬孤石。本工程最初設計采用泥漿護壁鉆孔灌注樁，樁徑有φ1.0 m、φ1.2 m、φ1.4 m 3 種，樁平均深度約20 m，最大樁長約71 m，總數量約為1 799 根，均為嵌巖樁，樁端持力層進入中風化花崗巖不小于2 倍樁徑。

2.2 工程地質條件

根據勘察資料，主要有人工填土層、耕土層、砂質黏性土層，下伏基巖為燕山晚期花崗巖。場地內地形起伏大，存在高填深挖，當場地平整至設計標高時，最大填筑厚度達35 m，場地南側地段基巖裸露或覆蓋層較薄，北側地段存在由回填層、耕土、淤泥質砂質黏性土組成的深厚覆蓋層?；靥顚又饕缮百|黏性土、花崗巖塊石混填而成，偶見塊石堆，最大塊徑可達2 m，均勻性差，固結程度低；回填層及全風化基巖成樁條件差，孔壁易坍塌；強風化基巖成樁條件較好，但由于處于多雨季節，強風化基巖被水浸泡后呈松散、軟塑狀態，孔壁易坍塌。總體來說，該場地的成樁條件較差，巖石較硬，孔壁易坍塌，因此，技術和設備的選擇需要多方面考慮。

3 沖擊成孔局限性分析

原設計樁基采用泥漿護壁沖孔樁，結合現場實際情況，本工程采用泥漿護壁沖孔施工極其困難，遇到許多無法解決的難題，主要表現在：

1）泥漿容易漏失。項目選址在山間坡地，回填層孔隙多，滲水能力強，造漿能力差且容易漏漿，且由于場區緊鄰水庫，溢流的廢棄泥漿易造成水體污染。

2）工期緊，樁數多，成孔時間長。設計要求樁端進入中風化層，沖孔樁入巖施工進度相對緩慢；施工作業面有限，不允許投入大量設備，無法設置大面積泥漿池。場地深部堅硬花崗巖強度高，沖擊鉆進入巖速度極低，成孔時間長。

3）施工質量難以控制。場地巖層面起伏大，沖擊時易產生樁孔偏斜，樁孔垂直度無法滿足要求，回填層大塊徑堅硬孤石難以穿透，且易被誤判為入巖。泥漿護壁導致孔底易出現碎渣沉積，難以保證清孔滿足規范和設計要求。

4 大直徑潛孔錘全護筒跟管鉆孔灌注樁施工工藝

4.1 施工原理

大直徑潛孔錘是以壓縮空氣為動力的一種風動沖擊工具。以長螺旋動力頭做旋轉動力，在特制的鉆桿下懸掛氣動式潛孔錘，利用空氣壓縮機帶動氣動式潛孔錘沖擊破碎巖石。動力頭帶動鉆桿及潛孔錘進行適度的鉆壓與回轉鉆進，有效提升破碎效率。氣動潛孔錘的空氣既能冷卻鉆頭又能將破碎的巖屑吹離孔底實現清孔[5]。在破碎地層結合全護筒跟管鉆進工藝，空氣潛孔錘加快了鉆進速度，克服了塌孔問題，減少了環境污染，提高了工作效率，確保了順利成孔[6]。

4.2 施工工藝流程

大直徑潛孔錘全護筒跟管鉆孔灌注樁施工流程如圖1所示。

圖1 大直徑潛孔錘全護筒跟管鉆孔灌注樁施工工藝流程

4.3 配套機具設備

大直徑潛孔錘設備組成如圖2所示。

圖2 大直徑潛孔錘設備組成圖

本項目采用的配套機具設備如下。

1）鉆機：工程鉆機機架為灤州重工生產的履帶式多功能機架，鉆機自重110 t。

2）潛孔錘：潛孔錘鉆頭選用賽柯洛克QL300 型潛孔錘，潛孔錘鉆頭直徑為91.5 mm，沖擊器及鉆頭總質量約8 t。

3）鉆桿：鉆桿直徑φ920 mm，自重15 t，鉆桿上設置風道，以便利用風壓清孔。鉆孔加設1 個外護套管以減小鉆桿與孔壁之間的孔隙，有利于渣土吹出地表，降低能耗[7]。

4）空氣壓縮機：本工程采用4 臺空壓機（型號：XRHS506型空壓機，排氣量：30 m3/min）并行送風，保持穩定壓力和充足風量，為鉆頭提供穩定的動力，并順利地將巖屑吹至地面。另需配備儲氣罐、油霧器以提供沖擊動力并減少摩阻力，同時對氣動元件進行潤滑。

5）降塵設備：氣動潛孔錘研磨刻碎巖石過程中產生大量的粉塵，選用廊坊聚力生產的PMB-50 泡沫泵，通過專用的發泡裝置，通過良好的覆蓋、濕潤和黏附等方式作用于粉塵，有效地降低空氣中粉塵濃度。

6）搓管機：根據本工程的地質情況、樁徑大小及鋼護筒埋深，選用全液壓旋挖型搓管機起拔鋼護筒，本設備由旋挖型搓管機、液壓泵站、控制系統等組成。

7）鋼護筒：項目場地回填層松散破碎，易出現跨孔縮徑。采用南通遠志生產的特制鋼護筒，內徑與樁徑一致，筒靴前端鑲嵌合金鉆齒環切各類地層及巖石，提升護筒鉆入能力[8]。根據勘察報告及實際情況，護筒埋設至中風化層頂部，護筒高出原地面頂面0.5～1.0 m 左右，若鉆孔發現地基穩定性差，出現坍孔、縮孔時，應加深鋼護筒埋深長度[9]。

4.4 潛孔錘鉆機施工

1）潛孔錘鉆機安裝就位：利用樁機液壓行走機構將鉆機移至鉆孔位置，進行定位。

2）鉆進至樁底設計標高：樁位、護筒垂直度檢驗合格將鉆具（潛孔錘鉆頭、鉆桿）提離孔底20～30 cm，開啟空壓機和鉆具上方的回轉電機，待護筒口出風時，將鉆具輕輕放至孔底，開始潛孔錘鉆進作業。

3）鉆桿加長、護筒接長：當潛孔錘破巖鉆進、護筒下沉至孔口以上約1.0 m 時，將鉆桿和護筒接長。將主機與潛孔錘鉆桿分離，鉆機稍讓出孔口，先將鉆桿接長，需控制鉆桿長度始終高出護筒頂。

4）鉆進至設計入巖深度、終孔：孔垂直和孔徑檢測采用6 m 長的鋼筋籠骨架檢測，檢查泥渣是否與地勘報告相符。符合設計規范后，報請監理工程師驗收、確認同意后方可終孔[10]。終孔前，嚴格判定樁端巖性和入巖深度，確保樁端持力層滿足設計要求。

5）清孔：鉆進至持力層深度后，為保證灌注混凝土質量，必須清除孔內沉渣[11]，終孔后移開潛孔錘樁機，采用空壓機吹渣清孔，為了避免沉渣增多，樁到位后應立即進行清孔，清孔結束應立即吊放鋼筋籠，灌注混凝土。

5 工程成果

項目1 799 根樁基施工完畢后采用低應變、聲波透射法、鉆芯法及靜荷載試驗對樁身進行檢測。檢測結果表明，樁身完整性、混凝土強度、樁端承載力、孔底沉渣等，均滿足設計和規范要求，質量合格，其中93.6%的工程樁為Ⅰ類樁、6.4%的工程樁為Ⅱ類樁。目前，長沙市生活垃圾深度綜合處理（清潔焚燒）項目已投入使用，并榮獲了2018—2019年度中國建設工程魯班獎。

6 結語

大直徑潛孔錘全護筒跟管鉆進成孔技術相對于泥漿護壁沖擊成孔等傳統成孔工藝而言，雖然能耗較高、整體施工成本較大，但其平均成孔速度可以提高7 倍以上，可以為后續工序節約大量時間，提升了現場文明施工水平。對于項目整體而言，可以極大地提前項目的投產時間，因工藝而增加的施工成本相對于提前投產所產生的巨大經濟效益而言是微不足道的，是一種值得推廣應用的新技術。