復雜地質下超大鉆孔灌注樁施工關鍵技術的應用分析

韓 帥 李偉超 苗春林

中國建筑土木建設有限公司 山東 聊城 252400

1 引言

鉆孔灌注樁具有承載力高、施工噪音小、鉆孔無振動以及無擠土等優勢，并且適應性較好，可以解決多種復雜地質施工中的問題，因此被廣泛應用于各類工程項目施工當中，尤其是橋梁工程、道路工程以及高層和超高層建筑工程。但是鉆孔灌注樁施工過程中也存在相應的問題，比如鉆孔施工時孔壁穩定性不足導致塌孔，這不僅會影響施工進度以及成樁質量，甚至還可能威脅施工作業人員的人身安全。基于此，有必要對復雜地質下超大鉆孔灌注樁施工關鍵技術進行分析研究，以充分發揮鉆孔灌注樁在工程項目中的應用價值。

2 鉆孔灌注樁技術的概述

目前建筑領域當中針對于地下工程最為常用的鉆孔灌注樁技術主要包含兩種，一種是泥漿護壁施工技術，在具體應用過程需要嚴格遵守施工標準要求進行泥漿制備，并加強對鉆具設備的維修與養護，保障鉆具始終處于良好的運行狀態，潤滑程度符合施工要求，避免在具體施工過程中出現鉆孔坍塌等不良現象。另外一種是全套施工技術，在具體施工過程中免除了泥漿制備以及清孔等操作流程，其余操作與泥漿護壁施工技術具有高度一致性。

3 鉆孔灌注樁施工流程以及相關技術要求概述

3.1 施工流程

3.1.1 施工前準備

施工前準備環節重點需要做好以下工作：一是場地準備工作，具體包括場地平整、通水、通電以及修建道路等；二是技術準備，具體包括編制施工組織設計、選擇鉆機型號、施工方式等；三是機械設備準備，具體包括鉆機、護筒、運輸車輛以及其他機械設備[1]；四是施工材料準備，具體包括各項材料市場調研工作、混凝土配合比設計以及試驗等。

3.1.2 鉆孔施工

鉆孔灌注樁鉆孔施工一般采用的是泥漿護壁鉆孔施工法，這種方法施工效率高，成孔質量好，而且能夠適應多種復雜地質條件。在施工過程中，重點需要注意以下幾方面：一是施工場地要進行墊土并作夯實處理，避免施工過程中出現不均勻沉降；二是護筒的埋設與下沉，這是確保孔口穩定性的重要措施[2]；三是泥漿的利用，其不僅可以保護孔壁，而且還可以起到冷卻鉆頭的效果。

3.1.3 清孔

清孔環節主要是抽出并替換鉆孔內的泥漿，從而控制泥漿的粘度、密度以及含砂率，同時也要及時清理鉆渣，避免孔底沉淀厚度過大。清孔工作事關后續灌注樁施工，因此要高度重視。

3.1.4 混凝土灌注施工

鉆孔灌注樁施工中，混凝土灌注施工多采用的是直升導管法，施工時將導管下沉至孔底，從而頂托隔水栓與泥漿上升。需要注意的是，為保證施工順利，應當嚴格控制混凝土灌注施工時間，連續施工，確保混凝土灌注施工在首批混凝土初凝之前完成[3]。

3.2 技術要求

3.2.1 施工質量要求

鉆孔灌注樁施工對于施工質量要求較高，具體主要包括以下幾方面：1）各項單質材料必須符合施工標準，混凝土強度應符合設計要求；2）成孔深度以及孔壁穩定性應符合設計要求；3）鋼筋、焊條等材料需要符合設計標準以及相關規定；4）混凝土應嚴格制定配合比設計，控制好用水量；5）混凝土灌注量不低于計算量。

3.2.2 注意事項

施工過程中要最大限度避免質量通病，比如局部混凝土強度不足、局部混凝土離析、鋼筋籠扭曲、鋼筋籠焊接質量問題等；制定相關安全技術措施，包括施工作業人員個人安全防護措施、施工中嚴禁事項等。

4 復雜地質下超大鉆孔灌注樁施工關鍵技術的應用分析

4.1 項目概況

4.1.1 概述

新建鄭州至濟南鐵路山東段站前工程ZJTLSG-2標段六分部管段位于山東省聊城市東昌府區，正線里程DK119+508.91～DK136+452.52，全長16.944km。計劃工期2020年6月9日至2021年12月31日，共計18個月。主要施工內容包括：樁基：4757根、24.8萬延米；墩身：623個；現澆連續梁：單線5聯、雙線4聯；地基處理：螺桿樁28918延米；路基填筑：基床以下路堤31.06萬m3、AB料6.66萬m3、級配碎石0.46萬m3；管段內共設9處連續梁，其中（40+56+40）m單線連續梁1處，（40+64+40）m單線連續梁4處，（48+80+48）m雙線連續梁1處，（60+100+60）m雙線連續梁2處，（72+128+72）m雙線連續梁1處。

4.1.2 施工難點

本項目中施工難點主要有以下幾方面：1）國內外目前在富水含砂復雜地質條件下采用超大鉆孔灌注施工的橋梁工程極為少見，根據相關資料顯示，在類似地質條件下，僅有一些中小型橋梁工程有成功的經驗，因此可供參考和借鑒的施工經驗以及相關資料較少。2）在施工過程中，鉆孔灌注樁沉降以及變形問題控制難度較大，同時還要考慮水流沖刷作用的影響。3）本項目所處自然環境復雜，地質條件特殊，需要在強潮涌條件下開展施工作業，因此施工組織設計以及具體施工的開展難度極大。

4.2 復雜地質下超大鉆孔灌注樁施工關鍵技術

4.2.1 搭設鉆孔平臺

搭建鉆孔平臺需要注意兩方面，一是應根據施工區域的地質條件、水文條件等合理設計平臺結構以及功能分區，確保平臺能夠滿足鉆孔施工的各項要求。二是鉆孔平臺結構設計必須符合穩定性、安全性、經濟性以及實用性等要求。本項目中，鉆孔平臺的規格為30×20m，分為材料、半成品存放區、設備停放區以及起吊設備作業區三大功能分區。平臺上部結構采用的是雙層貝雷桁架主桁結構，基礎采用鋼管樁基礎。

4.2.2 鋼護筒設計與施沉

1）鋼護筒設計

結合本項目的實際情況，鋼護筒頂面標高為2.1m，底面標高為-39.9m，鋼護筒長度為42.0m，考慮施工過程中最高水位可能達到5.9m，再保留一定余量，因此鋼護筒頂面標高設定為10.0m，鋼護筒最終長度為50.0m。根據《公路橋涵施工技術規范》中的相關要求，鋼護筒的內徑設計為4.2m。鋼護筒整體選用Q345C鋼板制作，分為兩部分，上部35.0m筒壁厚度為2.5cm，下部15.0m筒壁厚度為3.0cm。考慮到鋼護筒施沉過程中受阻力以及其他因素的影響，可能發生變形，因此在底部增設刃腳，高度為0.5m，同時在底部兩側焊接厚度為2.0cm的鋼板。

2）鋼護筒施沉

本項目中鋼護筒施沉流程如下：①設備選擇，本項目中振動錘選擇的是DZ-150加強型雙聯動振動錘；起吊設備選擇的是300t汽車吊，其作業半徑可以達到10.0m，單次最大吊重為79.0t，本項目單次最大吊重為72.0t，符合施工要求。②鋼護筒制作與運輸，本項目中由于施工現場自然條件復雜，場地有限，因此選擇工廠化加工，采用分節制作的方法，運輸至現場后進行拼接。制作完成的鋼護筒單節最大重量為48.0t，因此運輸車輛選用50t平板車。③鋼護筒施沉，鋼護筒運輸至現場并完成拼裝后，采用履帶吊與汽車吊同時吊裝，汽車吊勾住鋼護筒頂部，履帶吊勾住鋼護筒底部，將鋼護筒豎立起來，其中履帶吊的拉力一直控制在35t，鋼護筒豎立后松下履帶吊，依靠汽車吊將鋼護筒與孔口對接。施沉過程中在相互垂直的兩個方向采用全站儀進行觀測，確保鋼護筒的垂直度，發現偏差及時進行糾正。首節鋼護筒施沉到位后，在鋼護筒頂部布設12塊規格為50×20×18mm的限位鋼板，次節鋼護筒下沉后要精準卡在鋼板內，然后采用全站儀進行觀測，確認無誤后開始對接縫處進行焊接。

4.2.3 鉆孔施工

本項目中鉆孔施工流程如下：1）鉆機型號選擇，根據相關資料顯示，目前國內外適用于超大直徑鉆孔灌注樁施工的鉆機主要是德國與國產兩種，結合國內類似工程的施工經驗，本項目中決定采用國產的KTY4000鉆機。2）鉆頭型號選擇，結合本項目的地質條件、水文條件，選擇了兩種型號的鉆頭，分別是單環四翼刮刀鉆頭與滾刀鉆頭，前者適用于圓礫、砂以及土等地質，后者適用于巖層。3）泥漿配置，通常情況下鉆孔灌注樁施工中采用的泥漿包括粘土漿、水泥砂漿、石灰漿、化學漿以及水泥漿等。本項目中考慮到施工區域的地質條件因素，選擇PHP泥漿，其具有低固相、不分散以及高粘度的特性，主要原材料包括碳酸鈉、加重劑、膨潤土、FCI、CMC以及PHP等。4）鉆孔，本項目施工區域為富水含砂地質，其中粉沙與細砂層較厚，鉆進時圓礫、砂以及土等地層采用單環四翼刮刀鉆頭，巖層采用滾刀鉆頭，排渣采用泵吸與氣舉反循環的方式。5）成孔檢測，鉆孔施工完成后采用超聲波反射技術對鉆孔進行檢測，檢測結果顯示孔底標高為-108.5m，鉆孔垂直度為0.5‰，鋼護筒垂直度為0.4‰，均符合設計標準。

4.2.4 鋼筋籠制作

鋼筋籠安裝筋接頭采用墩粗直螺紋連接器連接形式，每根主筋直接采用墩粗直螺紋連接器連接。在綁扎和焊接鋼筋籠時，位移棒外護管、聲測管、壓漿管連接用套筒圍焊同時安裝。其中位移棒以絲扣連接，并和鋼筋籠綁扎在一起，避免出現滲泥漿的情況。為確保樁身的混凝土保護層厚度符合要求，在鋼筋籠上間隔4.0m均勻布設6處鋼筋。鋼筋籠上共設置4處吊點，吊點位置采用鋼板與主筋滿焊。

鋼筋籠制作完成后采用履帶吊吊裝至平板車上，以拉鎖進行固定，運輸過程中全程保持勻速形勢，避免因碰撞導致鋼筋籠變形，運輸至施工現場后應吊放在指定區域并注意做好保護措施。

4.2.5 混凝土灌注施工

1）混凝土配合比設計

本項目中，單樁混凝土灌注方量為1485m3，灌注施工時間較長，因此對于混凝土初凝時間有特殊要求，需要控制好混凝土和易性，結合國內相關工程的經驗與項目實際情況，本項目混凝土配合比設計如下：（1）混凝土配合比設計遵循耐久性、經濟性、工作性以及力學性四項原則，根據水灰比法則、最小水泥用量法則以及最小單位用水量法則等確定混凝土最佳參數，包括砂石比、水膠比以及漿集比。（2）關于混凝土原材料的選擇，水泥選用硅酸鹽水泥，粉煤灰選用Ⅱ級粉煤灰，礦粉選用S95級礦粉，砂選用天然河沙，碎石采用5~25mm連續級配碎石，外加劑選用緩凝高效減水劑，水選用飲用水。

2）混凝土拌和

本項目中混凝土用量較大，并且要求連續施工，因此選擇在施工場地現場拌和混凝土。混凝土拌和設備選用中聯120型強制攪拌機，配備全自動計量系統，拌和混凝土時除水以體積計量外，其他原材料全部按照質量計量，其中水泥、礦粉、粉煤灰、水、外加劑允許誤差不超過1%，砂、碎石允許誤差不超過2%。

3）混凝土灌注施工

本項目中混凝土灌注施工采用導管法，進行混凝土灌注施工前，首先需要對成孔質量進行檢查，若孔底沉渣厚度超過200mm以上，則需要重新清孔，直至符合混凝土灌注施工要求為止。同時要對泥漿進行檢測，要求含砂率不超過2%，粘度在17~20s之間。比重在1.0~1.1g/cm3之間，PH=10。混凝土運輸至施工現場后，應檢測坍落度，要求為180~220mm，若坍落度不符合施工要求，不能進行灌注施工。

灌注首批混凝土時采用大料斗，2臺泵車同時供料，首批混凝土灌注完成后，將料斗更換為小料斗，灌注施工過程中注意控制泥漿高度，使其與孔外的水位差在2m以上，同時要將鋼筋籠與鋼護筒焊接起來，避免灌注混凝土時鋼筋籠上浮。待混凝土灌注到設計標高時緩慢拔出導管，避免在樁內形成空洞，考慮到本項目為超大直徑鉆孔灌注樁，浮漿層厚度會略大，為確保樁身質量，混凝土灌注標高應高出設計標高1.0m左右。需要注意的是，在混凝土灌注施工過程中，必須保持連續施工，不能間斷，提升導管時要穩定、緩慢，避免觸碰到鋼筋籠，以免影響灌注施工質量。

5 復雜地質下超大鉆孔灌注樁施工質量控制

5.1 對鉆孔灌注樁施工質量進行全面驗收

為了最大限度地保障超大鉆孔灌注樁施工技術的應用效果，施工單位應當對施工現場各個環節進行綜合而系統的監督與分析，并著重加強質量驗收工作，避免存在安全隱患問題，影響超大鉆孔灌注樁整體施工質量。在具體施工過程中應當嚴格遵守施工標準盡量避免樁高存在較大的誤差現象，并針對具體情況積極采用無損檢測技術對重要樁體以及重要施工環節進行質量檢測。若是施工人員對樁體施工質量存在疑問，應當及時進行檢測，并找出其中存在的問題，必要情況下還可以按照施工標準要求采用鉆取巖樣法進行質量檢測，一旦在檢測環節中發現樁體存在瑕疵，應當立即進行返工處理，積極提升超大鉆孔灌注樁施工質量，只有保障此環節樁體質量全部合格后方可開展下一環節的施工操作。

5.2 原有地下結構增層改造的大承載力鉆孔樁施工

地下連續墻止水帷幕施工操作結束后，施工單位應當做好以下幾方面工作：其一是各種便于施工作業的排架措施進行拆除；其二受到支撐棧橋硬度滿足施工標準要求后，應當將既有地下室至地下2層的施工工程樁進行拆除；其三，在完成上述施工操作后，施工單位應當積極采用中100mm水鉆機沿線并排鉆孔切割地下室底板，在此過程中應當盡可能降低對原有工程樁的碰撞以及接觸，除此之外，為了完成不同高度空間范圍內超大鉆孔灌注樁施工要求，施工單位還應當積極采取有效的措施，例如低凈空區域采用改制樁架方法等。

6 結語

文章對鉆孔灌注施工流程以及相關技術要求進行了簡要闡述分析，結合工程項目施工經驗重點對富水含砂地質條件下超大直徑鉆孔灌注樁施工關鍵技術進行了研究，包括鉆孔平臺搭設、鋼護筒設計制作、鉆孔施工、鋼筋籠制作運輸以及樁身混凝土灌注施工，驗證了超大直徑鉆孔灌注樁施工技術，為類似工程施工提供了一定的依據。