軟土地區嵌巖灌注樁關鍵技術研究與應用

李 翠 黃金寶

中億豐建設集團股份有限公司 江蘇 蘇州 215131

1 工程概況

1.1 項目概況

本項目為蘇州軌交1號線木瀆公交換乘樞紐項目基坑支護工程，擬建建筑物設有2層地下室，基坑開挖深度約12 m，基坑安全等級為一級，場地北部分布有大量巖層，且巖石強度較高，基坑采用鉆孔灌注樁加水平支撐的支護形式，同時配以三軸攪拌樁（土層區域）、高壓旋噴樁（基巖區域）止水帷幕止水。其中嵌巖立柱樁采用φ800 mm灌注樁，立柱采用Q235角鋼及鋼板，長度3.5～40.5 m，共137根。

1.2 工程地質條件

場地原為荒地，表層分布有大量建筑垃圾及雜填土，起伏較大，場區自然地面下最大勘探深度58.50 m以淺褐色的（巖）土體為第四系以來的沖湖積沉積物及燕山期花崗巖。地層起伏較大，Ⅰ2中風化花崗巖為持力層，呈長柱狀、短柱狀，強度高，巖體較完整，巖石單軸抗壓強度標準值frk達64.77 MPa，大于60 MPa，屬堅硬巖。

2 設計關鍵技術分析

場地大部分為巖石地基，灌注樁支護結構需滿足抗傾覆穩定性、整體穩定性和抗隆起穩定性驗算要求，計算方法與普通土質條件相同，棧橋區域的嵌巖樁分析與普通灌注樁不同，應予以重視。

2.1 嵌巖立柱樁承載力分析

嵌巖樁承載力計算公式如下：

嵌巖樁承載力計算[1]時，嵌巖段采用側阻和端阻綜合系數ζr進行計算，不再區分側阻力和端阻力，本項目中ζr采用0.65。樁端進入基巖1 m，經計算，極限承載力標準值為28 687 kN，承載力特征值Ra為14 343 kN。

棧橋區基巖最大埋深為坑底下24 m處，且棧橋區立柱樁樁端均進入基巖，立柱樁承載力特征[2]最小值為Ra＝14 343 kN，滿足規范要求。

當設計條件一定時，施工質量的好壞直接影響灌注樁的承載力大小，施工質量最直接的影響因素是沉渣厚度。規范要求施工沉渣厚度不超過5 cm。本項目嵌巖樁施工采用旋挖成孔，同時配合閉口式撈砂鉆頭，在施工過程中嚴格控制沉渣厚度，經檢測沉渣厚度仍普遍為10～100 cm不等。為研究沉渣厚度對嵌巖樁承載力的影響，選取5組相同深度、相同承載力的嵌巖樁研究其承載力，每組嵌巖樁沉渣厚度分別為10～15 cm、50～55 cm以及95～100 cm。經承載力檢測可知，隨著沉渣厚度的增加，樁基承載力略有減小，但相差不大，且均可以滿足立柱樁的承載力要求。嵌巖樁的施工工藝使得沉渣厚度相對較小，同時根據對比試驗可以看出，沉渣厚度對嵌巖樁承載力的影響可以忽略不計。

2.2 嵌巖樁圍護止水關鍵技術

為截斷潛水滲流路徑，本工程選擇落底式止水帷幕，保證坑內降水不對周邊環境產生影響。止水帷幕常用水泥土攪拌樁或高壓旋噴樁，三軸攪拌樁比高壓旋噴樁造價相對較低，但因本工程圍護樁需進入花崗巖，成孔時鉆進困難，故在圍護樁需進入花崗巖地段采用φ900 mm@1 300 mm疏樁支護形式。為防止在樁間淤泥質土擠出的同時兼顧截水，根據基坑情況，在支護灌注樁間施工三軸攪拌樁或高壓旋噴樁作止水帷幕。根據現場施工情況，采用高壓旋噴樁的止水效果優于三軸攪拌樁，現場未出現基坑滲漏情況。

3 施工關鍵技術

3.1 場地條件分析

擬建場地淺表西北部為施工活動房拆除后的水泥地坪，其余為民房拆除后散落的厚度不均的建筑垃圾，下部基本為正常沉積的第四系黏土、粉質黏土及粉土層等，土質較均勻。在土層的底層與基巖接觸部位，局部地段分布有少量孤石，對鉆孔灌注樁樁基施工較為不利；在基巖分布較淺部位分布的①2淤泥質填土，含碎石子，易坍塌，屬對工程不利的埋藏物；下部為完整的花崗巖巖體，巖質較硬，基坑開挖時需進行爆破處理。上述因素對基坑開挖及樁基施工均會產生不利影響，且基坑北側基巖面標高高于基底標高，需要進行開挖處理。

3.2 嵌巖樁施工技術

3.2.1 嵌巖樁施工機械選擇

蘇州地處長江三角洲地區，土質相對較軟，屬于軟土地區，巖石區域相對較少，基坑支護大多采用鉆孔灌注樁，施工機械采用GPS-10鉆機或GPS-20鉆機，而對于較堅硬的土層及巖層，一般使用沖擊鉆或者旋挖鉆機，但沖擊鉆機施工進度相對較慢。本項目北部區域分布有大量巖層，且樁基入巖深度在1.5～9.0 m不等，工程量較大，不適宜選擇沖擊鉆。旋挖鉆機工藝成熟，且信息化程度較高，不僅在巖層施工時具有良好的效果，而且可通過計算機控制其成孔速度、垂直度以及鉆進深度等，施工質量有保證。因此，本項目根據工程實際情況，選擇中聯460V型旋挖鉆機進行嵌巖施工，同時在施工過程中根據地層的不同配以不同的鉆頭。當鉆頭未進入巖層時，采用閉口式撈砂鉆頭（圖1）；當鉆頭進入巖層時，換用開口式牙輪筒鉆（圖2）和開口式截齒筒鉆（圖3）。

圖1 閉口式撈砂鉆頭

圖2 開口式牙輪筒鉆

圖3 開口式截齒筒鉆

本項目巖石飽和單軸抗壓強度達64.77 MPa，大于60 MPa，屬于堅硬巖，可采用開口式牙輪筒鉆或開口式截齒筒鉆。其中，開口式牙輪筒鉆采用的是三牙輪鑲齒鉆頭，由優質碳化鎢新配方和新工藝制作完成，具有較強的耐高壓性能，對破碎硬-極硬地層巖石具有良好的研磨性。而開口式截齒筒鉆采用高強度合金作為鉆頭，同時在截齒有效截割部分制作有3 mm的耐磨層，同樣具有良好的耐磨性能，適用于堅硬巖石的鉆進及取芯。

3.2.2 旋挖鉆機嵌巖鉆進關鍵施工技術

1）施工工藝流程。旋挖鉆機嵌巖樁施工流程為：施工準備—測量放線—預埋鋼護筒—泥漿制備—成孔施工。其中，泥漿制備時的主要原料為鈉基膨潤土和水，同時為增強泥漿對地層適應性，適量添加相關外加劑，主要為羧甲基纖維素和碳酸鈉。

2）超厚、堅硬嵌巖旋挖成孔技術。在旋挖鉆機鉆進過程中，應仔細觀察地層變化，并根據地層情況及時更換適宜的鉆頭。當土層較軟時，采用閉口撈砂筒鉆；當鉆進巖石地基時，采用開口牙輪筒鉆或開口式截齒筒鉆。本項目灌注樁入巖深度在1.5～9.0 m，巖層較厚，施工難度較大，施工時應安排合理的施工工藝，根據不同地層采用不同的鉆進鉆頭。在土層中采用閉口式撈砂鉆頭，適用于土層及較破碎的巖層，施工過程中可將土層及破碎巖層帶出樁孔；而巖層中采用開口式牙輪筒鉆和開口截齒鉆頭，施工過程中可將截斷的巖層取出，利于判別巖層性狀，與地勘報告進行對比，進而校核設計。

3）成孔速度分析。成孔的速度直接影響工程的施工進度，旋挖機的成孔速度與地層和施工鉆頭有很大的關系。本項目巖石的單軸飽和抗壓強度為64.77 MPa，為堅硬巖。通過旋挖鉆機在項目中的施工得出，對于直徑為1 m的嵌巖灌注樁，鉆機在土層中的施工速度為16 m/h，在巖層中的施工速度為0.45 m/h。同時，為了研究鉆頭的類型和角度對施工速度的影響，本項目分別對比了開口式牙輪筒鉆和開口式截齒鉆頭的施工工效，同時改變開口式截齒鉆頭刀口的角度，分別為15°、20°、25°、30°，每種角度選取3個樣本，記錄鉆頭的施工速度。通過試驗對比，發現開口式牙輪筒鉆更適合于破碎、較破碎巖石的鉆進，而開口截齒鉆頭由于其端部曲率較大，在完整性較好的巖層中優勢更加明顯。由不同角度情況下開口式截齒鉆頭鉆進的速度可以得出，刀口角度在20°～25°之間時鉆進速度較快，且刀口角度為30°的鉆頭鉆進速度快于刀口角度為15°的鉆頭鉆進速度。

3.3 基巖開挖

基坑北側基巖面標高高于基底標高，計劃采用破碎機、風鎬進行破碎、清理。基坑大面積采用破碎機破除，圍護樁、立柱樁周邊1 m采用人工風鎬破除，減少對圍護樁、立柱樁的破壞。必要時，計劃采用靜力爆破進行基巖破除。

4 結語

通過對軟土地區嵌巖樁關鍵技術的應用分析，得出以下結論[3-4]：

1）嵌巖樁承載力計算時，嵌巖段采用側阻和端阻綜合系數ζr進行計算，不再區分側阻力和端阻力，且嵌巖樁施工過程中產生的沉渣對承載力的影響很小，可以忽略不計。

2）旋挖鉆機在鉆進過程中，應根據工程經驗判斷不同的地層，進而采用不同的鉆頭進行施工。當土層較軟時，采用閉口撈砂筒鉆；當鉆進巖石地基時，采用開口牙輪筒鉆，同時應控制好施工鉆進的速度。

3）開口式牙輪筒鉆更適合于破碎、較破碎的巖石鉆進，而開口截齒鉆頭更適合于完整性較好的巖層。

4）開口截齒鉆頭刀口角度在20°～25°之間時，鉆進速度較快，而刀口角度為30°的鉆頭鉆進速度快于刀口角度為15°的鉆頭鉆進速度。