珠海地區水中大直徑沖孔灌注樁施工技術研究

陸彬軍

[上海公路橋梁（集團）有限公司，上海市 200433]

1 工程概況

1.1 工程概況

珠海市某橋梁工程新建輔道橋樁基礎分陸地部分和水上部分。其中P7#～P12#墩為水上部分，基礎采用灌注樁，樁徑1.2 m 有4 根，1.5 m 有4 根，2.2 m有16 根，均為嵌巖端承樁，持力層選擇中風化巖層或微風化巖層。河道中各部位的樁基長度為42～48 m。樁徑為1.2 m、1.5 m 的樁基嵌入持力層有效深度不小于2 倍樁基直徑，樁徑2.2 m 的樁基嵌入持力層有效深度不小于5 m。

由于P7#～P12# 墩均處于河流之中，因此施工時需要先施工平臺，然后施工樁基礎。

樁基工程平面位置和縱剖圖見圖1。

圖1 樁基工程平面位置和縱剖圖（單位：cm）

1.2 水文地質情況

本工程現場場地位于珠海市前山河兩側，主要地貌為低丘陵地帶、山間沖淤平原、河口灣等類型；平原區地勢較平坦，微向海傾斜，地面高程-0.50～5.08 m，地勢總體相對平坦開闊，起伏不大。

地層情況描述見表1。

表1 地層情況描述

樁基施工深度范圍的地下水為潛水層，根據其賦存方式分為第四系土層孔隙潛水和基巖裂隙水。

2 依托工程特點

2.1 施工難點

（1）工程地質復雜，樁基施工場地內有呈松散狀態的填筑土和普遍分布的海陸交互相沉積層軟土即淤泥②-1，同時存在礫石、巖層等，并且灌注樁需要深入到中風化花崗巖巖層之中，成孔難度較大。

（2）由于樁位處于水中，需采用水中成樁的必要措施，并且施工中會受到河水的影響。

（3）海陸交互相沉積層軟土（淤泥②-1）層較厚，易塌孔和失穩，需要對樁孔進行保護。

（4）樁直徑較大，最大直徑為2.2 m，屬大直徑灌注樁。

2.2 工藝選擇及施工流程

2.2.1 工藝選擇

工程灌注樁穿越地層包括礫石、巖層等，特別是樁端進入中分化花崗巖，常規鉆機無法鉆進。沖孔灌注樁施工采用鉆頭自由落體的沖擊力可擊碎砂層、風化巖層，因此沖孔灌注樁適合在復雜且堅硬的地層中施工。另外，本工程灌注樁直徑較大，也利于沖孔灌注樁施工工藝的實施。

本工程樁基處于河道之中，周邊無重要保護性建筑，因此沖孔灌注樁施工幾乎不對工程周邊建（構）筑物產生影響。另外樁孔之中充滿泥漿，由于泥漿具有消音功能，因此施工噪音污染較小。

綜上，鑒于本工程施工環境、地層特性、水文條件等情況，沖孔灌注樁工藝施工具有較大優勢[1]。

2.2.2 施工流程

結合工程情況，水中沖孔灌注樁施工流程圖見圖2。

圖2 水中沖孔灌注樁施工流程圖

3 水中沖孔灌注樁施工關鍵技術

3.1 水上作業施工平臺

常見的水中灌注樁施工平臺包括圍堰、浮船和水中棧橋3 類。本樁基工程所處河道水位較深，并且樁基在河道分布較密集，采用圍堰方式填筑量大，會對河水流動產生較大阻礙，阻礙排洪。由于河水流動，浮船不穩，同時浮船施工成本較高，也不合適。

工程在樁基礎兩側架設臨時棧橋便道，同時在靠近樁位區域對棧橋進行延伸，形成灌注樁施工平臺。如此既滿足了灌注樁施工基本條件，又解決了灌注樁施工材料和設備進出場的交通問題。主棧橋便道可承載50 t 履帶吊和60 t 卡車行駛。

棧橋采用鋼管樁+ 貝雷架組合形成承載結構。貝雷架上部布設型鋼分配梁，分配梁之上布置上表面帶剪力釘的鋼板，鋼板表面鋪筑混凝土和瀝青形成棧橋橋面。樁基平臺位置處預留樁孔位置，表面僅澆筑混凝土即可。

主要棧橋及棧橋平臺搭設示意圖見圖3。

圖3 主要棧橋及棧橋平臺搭設示意圖（單位：mm）

棧橋鋼管樁采用φ600×8 mm 螺旋鋼管樁，由于地層條件較好，河道之中鋼管樁最大長度25.8 m。鋼管樁平連管采用φ273×6 mm 鋼管。棧橋施工利用50 t 履帶吊和振動錘結合沖擊錘逐孔振沉鋼管樁，逐孔架設上部結構的施工方法（釣魚法）搭設。 鋼管樁采用YC-5 液壓沖擊錘振動錘入地層。

50 t 履帶吊振沉鋼管樁示意圖見圖4。

圖4 50 t 履帶吊振沉鋼管樁示意圖

3.2 鋼護筒施工

樁基處于河道之中，需要在水上施工作業，同時樁位場地內有呈松散狀態的填筑土和普遍分布的海陸交互相沉積層軟土即淤泥②-1，這將給成樁造成一定影響，因此需要埋設鋼護筒來定位樁基及保護樁孔。鋼護筒布置示意圖見圖5。

圖5 護筒布置示意圖

水上樁基礎護筒采用雙護筒施工方法；內側護筒（后文如無特別說明，所述護筒即為內側護筒）外徑大于鉆頭直徑20 cm，采用卷板機分段卷制焊接。

護筒埋設時，首先在水上平臺上安裝導向架。導向架高度2 m，由型鋼制作。履帶吊起吊護筒時，吊索應位于護筒中心，保持護筒豎直。首節護筒長度一般為12 m，起吊后吊入導向架，然后調整導向架限位裝置，使其與護筒間隙為1 cm。依靠自重沉入河床后，檢查護筒平面位置和豎直度，要求鋼護筒中心平面位置偏差小于30 mm，豎直方向的傾斜度小于1/500，滿足要求后接長護筒。最后吊起振動錘和液壓夾具，振動下沉護筒，振沉設備選擇永安振動錘DZ120（激振力883 kN）和DZ150（激振力1 140 kN），夾具采用永安S7 雙夾具。

護筒采用分節對接振動下沉，對接縫采用坡口對接滿焊，并且接縫處按周長八等分焊加強聯接鋼板（8 塊30.0 cm×10.0 cm×1.0 cm 鋼板）。鋼護筒振動下沉過程中，護筒頂以下1 m 至1.5 m 處設置內部支撐防止振動夾頭，避免護筒產生徑向塑性變形，一次振動時限控制在5 mim 內。護筒穿過淤泥之后，需進入粉質黏土1.5 m，如淤泥層之后為砂礫層，則需進入砂礫層3 m。

護筒下沉按標高控制，當護筒底沉入設計位置后切割多余護筒，護筒頂比平臺高0.3 m。

待內護筒施工完畢后施工外護筒，外側護筒依靠自重下沉，然后在內外護筒之間填充中粗砂。通常外側護筒依靠自重沉入淤泥之中1 m 即可，這時填充在內外側護筒之間的中粗砂不宜從底部流出護筒之外，同時避免材料浪費。

護筒埋設完成后，與水上施工平臺連成一體，形成鉆孔作業平臺。

3.3 成孔工藝

成孔采用CK1500 型和CK2200 型沖擊樁機。每臺樁機配置1 臺150SBQ-30 潛水砂石泵。樁機主要由上部動力系統、鉆頭及排渣系統組成。動力系統負責提升鉆頭。鉆頭中心設置一管狀通道，排渣管的下端在鉆頭的中心孔內，鉆頭作上下沖擊運動時，排渣管除了隨鉆孔進尺間歇下放外，一般保持不動，并在沖擊的同時啟動砂石泵連續排出鉆渣。排渣的同時對樁孔內補充無渣的合格泥漿。泥漿池的容量為每根樁排渣量的1.5～2 倍，就近布置，及時清運。

在整個施工過程中，孔內水頭始終比孔外水頭高1.5 m 以上，這樣有利于孔壁泥皮的形成，同時避免地下水向孔內循環，進而加強孔壁的穩定性。

由于沖孔灌注樁鉆錘沖擊過程中對孔壁土體產生持續的擾動，尤其是沖錘沖擊到孔底的振動對整個孔壁的土體均有較大影響，而停止沖擊時孔壁土體部分結構有一定程度的恢復，可有效預防塌孔。因此，可通過適當控制鉆進速度和沖孔頻率來預防塌孔問題。按照經驗，在淤泥土層中沖擊頻率控制在20～30 次/min，鉆進速度控制在2～3 m/h；在粗砂層中沖擊頻率控制在30～35 次/min，鉆進速度控制在1～2 m/h；強風化巖層中沖擊頻率控制在35～40 次/min，鉆進速度控制在0.5～1.5 m/h。對于黏土、粉土、一般砂層等，其鉆進參數介于淤泥和粗砂之間[2-3]。

3.4 泥漿制備管理及沖程設置

本工程的地層以砂性土為主。砂性土層中鉆井容易塌孔，因此宜采用以膨潤土人工拌制的泥漿來提升鉆孔孔壁泥皮的質量，同時加強護筒和土體界面處的強度，預防塌孔。

在施工過程中嚴格控制泥漿質量，加強泥漿檢測頻率，控制泥漿的密度、黏度、含砂率、pH 值等，指標不符合要求時應及時更正。同時應根據不同的地層來調整泥漿指標，特別是不同土層的交界處應及早采用保守指標進行過渡。

根據地層情況設置沖孔灌注樁沖程和泥漿相對密度，見表2。

表2 沖孔灌注樁沖程和泥漿相對密度

3.5 鉆孔異常的預防及處理

沖孔灌注樁施工過程中常見的施工問題主要包括塌孔、彎孔、卡鉆、掉鉆、擴孔過大等情況[4]。

（1）塌孔。對于沖孔灌注樁而言，如塌孔程度微弱時，一般選擇降低沖程、增加孔內泥漿壓力、改善泥漿品質等手段，待徹底穿過塌孔段再保持正常沖孔鉆進速度。如塌孔較為嚴重，則需要進行回填或者加設護筒等之后再進行鉆進。總之如遇到易塌孔地層，應加大泥漿密度，加快鉆進速度，在鉆進時適當應用小沖程、拋碎石等措施來反復沖砸加固孔壁，達到保證孔壁強度和加快鉆進速度的目的。

（2）彎孔。施工過程中應加強測量工作，發現彎孔趨勢時須及早調整。出現彎孔時，如彎孔不嚴重可利用鉆孔對孔壁進行反復沖擦掃孔，糾正彎孔；如彎孔嚴重時，回填帶棱角的碎石、石塊，再進行沖孔，以糾正孔的垂直度，因為棱角分明的石塊、碎石等具有較大摩擦角，嵌入泥土之中不易塌孔。

（3）卡鉆、掉鉆。沖孔灌注樁的施工工藝會導致卡鉆情況發生頻繁。卡鉆時不可直接強行提起，避免發生更大的掉鉆問題。當出現卡鉆時，一般采用晃動大繩來頻繁活動鉆頭，不斷增加鉆頭的自由度和自由空間來擺脫卡鉆問題。如發生掉鉆時，采用專用打撈工具進行打撈，如埋鉆時宜采用吸泥機等將鉆頭頂部泥沙抽走。

（4）擴孔率過大。擴孔率大的原因是鉆頭擺動、地層松軟、沖擊能力太大等導致。通常采用加固鉆架使其保持穩定或降低沖程等措施進行改善。

4 結 語

（1）采用水中鋼管樁基礎+貝雷架結構制作施工平臺及施工棧道，為沖孔灌注樁施工搭建平臺和創造條件。

（2）施工雙護筒結構，避免施工過程中水土界面處的淤泥土層塌孔擾動，同時可導正鉆錘方向。雙護筒結構可大幅增強護筒強度和穩定性，利于施工。

（3）參照常規沖孔灌注樁的施工經驗進行鉆進施工，加強施工管理，盡量采用優質泥漿等保守施工工藝，確保施工順利。

（4）水中沖孔灌注樁要嚴格控制施工平臺制作、各類土層鉆進施工參數、泥漿制備、護筒設計及埋設等關鍵要點。按照本文水中大直徑沖孔灌注樁施工工藝，珠海某樁基工程中直徑1.2～2.2 m 的24 根水中大直徑沖孔灌注樁全部順利完工，施工期間未發生任何障礙和事故。