福建沿海某電廠灌注樁成樁工藝研究

張法智，尹愛月，施洽殷

(1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250100；2.華能（福建漳州）能源有限責任公司，福建 漳州 363215)

0 引言

福建沿海地區屬花崗巖分布區，受地質構造作用，地層演變極為復雜，巖面埋藏較深，上部有淤泥層存在，砂層較厚，下部碎塊狀風化巖的硬度大。

近年來福建沿海地區新建了若干火電廠等電力項目，因荷載較大，地層條件較差，多采用灌注樁作為地基處理的主要方式。傳統上，福建沿海地區的灌注樁施工多采用沖擊鉆成孔，使用黏土或膨潤土造漿的泥漿護壁，存在易坍孔、單樁豎向承載力偏低、成孔效率低等問題。本文對福建沿海某項目的灌注樁施工進行研究，使用280型旋挖鉆機成孔，配嵌巖雙底撈砂斗和長護筒，采用奈普頓化學泥漿進行護壁，并使用氣舉反循環法二次清孔，解決了施工難的問題。

1 工程概況

1.1 工程簡介

該發電項目位于福建省漳州市的一個半島，廠址距海岸線約1.2 km。擬建場地地貌成因類型為海積平原，地貌類型為平地。場地地形整體較為平坦。

1.2 工程地質條件

工程場地上覆地層為第四系全新統人工填土(Q4ml)、風積層(Q4eol)、海陸交互沉積層(Q4m+al)，海積層(Q4m)，第四系下更新統坡洪積層(Q3pl+dl)、殘積層(Q3el)；巖性為細砂、中細砂、粗砂、粉質黏土、殘積砂質黏性土，下伏地層為燕山期(γ)花崗巖。場地地層表見表1所列。

表1 場地地層表

勘測期間地下水穩定水位埋深為1.00～2.05 m，據調查，擬建場地常年最高地下水位可達地表。

1.3 灌注樁的設計

根據地質勘測資料及廠區擬建建筑物特征，擬采用鋼筋混凝土灌注樁進行地基處理的主要建(構)筑物有：主廠房，煙囪，鍋爐基礎，條形煤場及轉運站等荷載較大的建(構)筑物。

灌注樁設計樁徑為800 mm，樁端持力層為強風化花崗巖，樁端進入持力層不小于2.0 m。從自然地面算起，地面以下樁長約為30～40 m。

2 灌注樁的施工

2.1 施工工藝

灌注樁施工工藝流程主要包括：施工準備→施工現場整平→放線、測放樁位→開挖泥漿池、泥漿溝→設鋼護筒→鉆機就位、孔位校正→鉆孔至設計深度、泥漿循環、清除廢漿、泥渣→清孔換漿→終孔驗收→下鋼筋籠→下導管→二次清孔→水下澆筑混凝土→成樁養護。

傳統上，福建沿海地區的灌注樁施工多采用沖擊鉆成孔，使用黏土或膨潤土造漿作為泥漿護壁[1]。

該施工工藝的優點：①設備簡單，操作方便，鉆進參數容易掌握；②設備移動方便，機械故障少；③對堅硬花崗巖的沖擊破碎效果較好；④膨潤土造漿成本較低，護壁效果較好[1]。

該施工工藝的缺點：①利用鉆桿或鋼絲繩牽引沖擊頭進行沖擊鉆進時，大部分作業時間消耗在提放鉆頭和掏渣土上，鉆進速度較低、隨樁孔加深，掏渣時間和孔底清渣時間相對較長；②容易出現樁孔不圓的情況，擴孔率較高；③遇地層不均勻時容易出現斜孔、卡錘和掉鉆等事故；④容易造成泥皮過厚，降低樁的側摩阻力[1]。

為了解決上述問題，根據本發電項目的灌注樁設計方案和地質條件，對當地傳統的施工工藝進行了改進，提出了新的施工工藝。新的施工工藝為使用280型旋挖鉆機成孔，配嵌巖雙底撈砂斗和長護筒，采用奈普頓化學泥漿進行護壁，并使用反循環法二次清孔。

2.2 成孔設備的選擇

旋挖鉆機是大功率、全液壓、機電一體化、操作舒適的產物，是現代高科技的結晶，體現了人性化、智能化和效率化的集中統一，其自動化程度高、勞動強度低、工作環境舒適。旋挖鉆機可以靠軌道自行行走，鉆前定位準確方便。

從成孔速度分析，旋挖鉆機比沖擊鉆機快。旋挖鉆機可以配備不同的鉆頭，常用的旋轉鉆頭有螺旋鉆和旋轉吊桶。此外，還有針對不同地質條件的筒芯鉆、擴孔鉆、沖擊鉆和沖擊抓斗鉆，可用于砂層、土層、巖層等不同地層的鉆進。

旋挖鉆機特別適用于沖積層較厚的平原及沿海地區的灌注樁鉆進。本項目的地層有淤泥層和深厚砂層的存在，樁端持力層為花崗巖，綜合考慮設計因素、地層因素以及旋挖鉆機的動力頭額定輸出扭矩、液壓系統額定工作壓力、主卷揚安全系數等參數，選用了280型旋挖鉆機，搭配嵌巖雙底撈砂斗作為本次灌注樁施工的成孔設備，設備參數見表2所列。

表2280型旋挖鉆機參數表

嵌巖雙底撈砂斗適用于卵、碎石層和中等風化的類土質軟巖以及風化程度較高的較硬巖，如全、強風化花崗巖等。嵌巖雙底撈砂斗如 圖1所示。

圖1 嵌巖雙底撈砂斗

2.3 護筒的選擇

本項目場地的地層，②中砂為松散—稍密狀態，施工時有坍孔的風險；④-1淤泥質黏土為軟塑狀態，施工時容易造成樁孔的縮徑，并且②中砂、④-1淤泥質黏土在廠區內普遍存在。

為了解決上部的坍孔和樁孔縮徑等問題，經多次試驗，采用了長度為8 m、內徑870 mm的鋼護筒，護筒上部預留1個溢漿孔。

因護筒長度較大，護筒的埋設和澆筑后拔出均比較困難，本項目采用了EC480型振動打拔機來完成埋設和拔出。護筒埋設時采用GPS和鋼尺定位，確保護筒中心和樁位中心的偏差不大于50 mm。

2.4 泥漿的選擇

泥漿主要起護壁作用，防滲、防水帷幕。以孔內高于地下水位的泥漿的側壓力平衡孔壁土壓力和孔周圍水壓力，抵抗孔周圍水滲入孔內，維持孔壁穩定。

泥漿是在樁基施工中的一個重要環節。若泥漿的比重較小時，不能夠平衡地層壓力，易造成鉆孔縮徑，更為嚴重時，會造成坍孔或者斷樁，直接影響樁基的質量和工程的施工進度，造成經濟損失；若泥漿的比重較大時，不利于樁基的施工，孔位較近時，易串孔，對于灌注也不利。

傳統上多采用黏土或者膨潤土造漿，泥漿 的 指 標 為 比 重1.10～1.20 g/cm3，粘 度20～24 Pa·s，含水率4%～8%[2]。對本項目的地層，因較厚的砂層存在，泥漿比重為1.10左右時，泥漿護壁效果不夠，易坍孔；泥漿比重為1.20左右時，易在樁側形成較厚的泥皮，導致側摩阻力的降低。傳統泥漿的另一個缺點在于鉆渣沉淀速度慢，清孔時鉆渣很難全部沉淀，往往首次清孔與二次清孔之間的沉渣厚度超過1 m，水下混凝土澆筑過程中，仍有大量沉渣，影響樁身質量。

因砂層較厚，工程地質條件復雜，護壁要求泥漿的黏度大，并且鉆渣沉淀快，經反復對比，確定使用化學聚合物泥漿[3]。本次使用的化學泥漿為奈普頓旋挖鉆機專用聚合物泥漿。造漿時采用空壓機造漿法，具體如下。

1)施工準備：挖一個泥漿池，根據用量確定泥漿池的大小，并在池邊安裝好泥漿泵和空氣壓縮機，周邊做好防護。

2)將清水注入泥漿池后，用20%氫氧化納溶液調節水的pH值在8～10之間，用空氣壓縮機攪拌均勻，攪拌時間為10～20 min。

3)將循環泵打開，進行自循環后，通過泵出水管口加入本產品，要求緩慢均勻加入，首次使用時一般采用最大量使用，加量為0.05%，即：100 m3水中加入化學泥漿50 kg，后用空氣壓縮機攪拌10 min，用工程漏斗測定溶液的黏度到22 s左右，一般情況下手感稍有黏度，起線絲狀即可[4]。

4)若黏度≥22 s，可直接加水稀釋；若黏度＜22 s，可能是由于攪拌時間不夠，需延長攪拌時間；如果仍達不到黏度，可打開循環泵自循環后通過出水口補充本產品，并再用空氣壓縮機繼續攪拌，直至滿足條件[5]。

5)在鉆進過程中，如果含砂層較多，要提前準備好足量的泥漿，并在鉆進過程中不斷補充泥漿，保持鉆進液面，確保地層壓力平衡。

6)鉆進完成后，靜置60 min，用鉆機打撈沉降的鉆渣等雜質。

7)澆筑完成后，返回的泥漿黏度需符合要求，如果黏度＜20 s，可以打開循環泵自循環后通過出水口補充本產品，并用空氣壓縮機不停攪拌，直至滿足條件。同時，在另外一個泥漿池中配制新的泥漿，以滿足下回所用。

2.5 二次清孔工藝

鉆進完成后，靜置40～60 min，用鉆機打撈沉降的鉆渣等雜質，不要控漿，然后下放鋼筋籠和混凝土導管，一般情況下都能達到灌注樁要求的含砂量和沉砂量，個別地層可能會出現沉砂量較多的情況，可以在下鋼筋籠之前多撈幾次，以確保下放鋼筋籠和導管后沉渣 達標。

為防止下放鋼筋籠和導管時再次產生沉渣，本項目采用氣舉反循環工藝進行二次清孔，確保澆筑時的沉渣厚度不大于50 mm。

3 新工藝的施工效果

3.1 機械成孔的效果

新工藝的施工機械，使用旋挖鉆機代替傳統工藝的沖擊鉆，對比如下。

1)施工難易程度：旋挖鉆機配嵌巖雙底撈砂斗，適用于本地層灌注樁的施工；沖擊鉆用卷揚機在沖樁架上掛沖擊錘，利用沖擊錘自重沖出成孔，也適用于本地層的灌注樁施工。因沖擊鉆成孔時存在易偏孔、易掉錘孔、沖擊振動干擾大等弊端，施工難度大于使用旋挖鉆機。

2)施工速度：每根樁的成孔時間，使用沖擊鉆約為6 h，使用280型旋挖鉆機成孔，配嵌巖雙底撈砂斗，成孔時間約3 h。每根樁的二次清孔時間，使用化學泥漿約為15 min，沉淀時間為1 h；使用黏土或膨潤土造漿時，沉淀和二次清孔時間約為3 h。因此，新工藝的施工速度比傳統工藝快，每根樁縮短約4.5 h。

3)成本：旋挖鉆機的設備租賃費約為 16萬元/月，沖擊鉆的費用則約為4萬元/月，雖然旋挖鉆機的施工速度快、效率高，但使用旋挖鉆機的成本仍然高于沖擊鉆。

3.2 泥漿的效果

本次灌注樁施工，采用奈普頓化學泥漿代替傳統的黏土或膨潤土泥漿，對比如下。

1)適宜性：根據本工程的地質條件，化學泥漿和傳統泥漿均適用于本次的灌注樁施工，但化學泥漿不形成厚泥皮，不會造成樁的側摩阻力降低，有助于提高單樁豎向承載力。

2)環保性：奈普頓化學泥漿易降解、無污染。可用3%的過氧化氫溶液或5%的次氯酸鈉溶液在排放前進行處理，同時加上定量的處理劑，用泥漿泵對所有需處理的泥漿進行循環，使其氧化后進行充分排放，這樣就不會對環境造成危害。

3)經濟性：以100 m3的水配置泥漿為例，計算化學泥漿和膨潤土制漿的成本：①化學泥漿：100 m3水，50 kg化學泥漿，奈普頓化學泥漿采購價約550元/箱，每箱25 kg，購置價約1100元；②膨潤土泥漿：100 m3水，10 t膨潤土，膨潤土采購價約500元/t，購置價約5000元。可見，使用化學泥漿的成本低于膨潤土泥漿[6]。

3.3 整體施工效果

本次新工藝使用280型旋挖鉆機成孔，配嵌巖雙底撈砂斗和長護筒，采用奈普頓化學泥漿進行護壁，并使用反循環法二次清孔，沒有出現任何坍孔現象，沉渣厚度也全部控制在50 mm之內。通過靜載和高應變檢測，樁的承載力全部滿足設計要求，合格率100%；通過低應變檢測，全場1038根樁全部合格，其中I類樁為988根，占95%；Ⅱ類樁50根，占5%；無Ⅲ類樁和Ⅳ類樁。

Ⅱ類樁出現原因主要是從地面起約11.0 m處為④-1粉質黏土，軟塑狀態，此處容易產生縮徑。為防止出現縮徑，可采取辦法為：鉆進成孔時，在深度約11.0 m處進行空轉，讓此處孔壁地層保持相對穩定的狀態；成孔后加快鋼筋籠下放、導管下放、澆筑混凝土的工序時間，在孔壁地層產生徐變前完成澆筑。

4 結論

采用280型旋挖鉆機成孔，配嵌巖雙底撈砂斗和長護筒，采用奈普頓化學泥漿進行護壁，并使用氣舉反循環法二次清孔，很適合福建沿海地區上部有淤泥層、砂層較厚、下部碎塊狀風化巖硬度大的地層的灌注樁 施工。

旋挖鉆機專用聚合物化學泥漿具有制漿速度快、護壁效果好、沉淀速度快、對環境無污染、沉渣厚度小等優點，造價低于膨潤土制漿。

本工程的實踐通過應用此施工工藝，灌注樁的承載力滿足設計要求，同時施工質量得到有效保證。