一種松散液化土層中旋挖樁施工關(guān)鍵新技術(shù)
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作者：張毅
本文通過(guò)在典型的高水位、松散粉（砂）土液化地層中旋挖鉆孔灌注樁施工的工程實(shí)踐，分析和探討松散地層中旋挖鉆孔灌注樁施工的關(guān)鍵技術(shù)，以期擴(kuò)展旋挖工藝的適用性并為類似工程提供參考。
1 工程概況
擬建項(xiàng)目位于山西省太原市，為中心主樓和周邊裙樓的框架核心筒結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目地下室外輪廓約87m x57m，基礎(chǔ)底面標(biāo)高- 13. 2m - - 14. 1m，基坑支護(hù)采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁和懸掛式咖850mm三軸攪拌樁止水帷幕作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，水平構(gòu)件采用一道中心環(huán)梁內(nèi)支撐體系。由于主樓荷載較大，設(shè)計(jì)采用φ800mm鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁頂標(biāo)高- 14. 1m，樁底標(biāo)高- 62. 5m/ - 44. 5m兩種，采用三道／二道樁側(cè)注漿和樁底注漿。原設(shè)計(jì)樁間距2. 55m×2.55m，后因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)整，在部分樁已經(jīng)施工完成的條件下，對(duì)樁進(jìn)行了加密，間距調(diào)整為1. 8m×1.8m。
2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件
依據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，對(duì)鉆孑L灌注樁成孔影響較大的地層（見圖1）自上而下依次為：
填土①層：以粉質(zhì)粘土素填土和磚塊、石塊等建筑垃圾構(gòu)成的雜填土為主，平均厚度4. 1m;
粉質(zhì)粘土②層：飽和，可塑~軟塑，平均厚度4. 2m，標(biāo)貫擊數(shù)3-5擊，多夾有粉土透鏡體；
粉土③層：飽和，平均厚度3. 8m，中密，標(biāo)貫擊數(shù)6 -10擊；
粉土④層：飽和，平均厚度4. 6m，中密，標(biāo)貫擊數(shù)8 -14擊；
細(xì)砂⑤層：飽和，平均厚度3. 9m，中密，級(jí)配不良，標(biāo)貫擊數(shù)15 - 23擊；
粉質(zhì)粘土⑥層：飽和，平均厚度2. 2m，可塑。
地面下20m深度范圍內(nèi)液化土層主要為第②層中粉土透鏡體、第③層和第④層粉土、第⑤層細(xì)砂，液化指數(shù)8. 29 - 16. 44，屬中等液化。
3地層條件對(duì)旋挖施工的影響分析
3.1 塌孔情況描述
由于本工程基坑深度12m，在地面下3m位置處采用一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐，受場(chǎng)地條件限制，工程樁施工只能在自然地面（-1.2m）進(jìn)行，工程樁樁頂標(biāo)高- 14. 1m，空樁深度達(dá)12. 9m，對(duì)樁的垂直度提出了很高的要求。當(dāng)?shù)貙?duì)該類地層中鉆孔灌注樁施工，一直采用傳統(tǒng)的潛水鉆機(jī)或工程地質(zhì)鉆機(jī)造孔，效率低、樁身泥皮厚、場(chǎng)地污染嚴(yán)重，廢棄泥漿排放困難，尤其是成孔的垂直度控制較差，在空樁深度較大的情況下，經(jīng)常發(fā)生開挖后樁位偏差過(guò)大甚至樁頭重疊現(xiàn)象，不得不采取補(bǔ)樁或加大承臺(tái)等技術(shù)措施。工藝選擇時(shí)為保證工程樁的施工質(zhì)量和工期，建設(shè)單位要求采用旋挖工藝施工。
現(xiàn)場(chǎng)前期采用旋挖工藝施工30余根護(hù)坡樁，護(hù)坡樁直徑φ800mm，有效樁長(zhǎng)19m，施工作業(yè)面為自然地面，成孔深度22m，泥漿比重1.2。施工過(guò)程中普遍存在塌孔嚴(yán)重現(xiàn)象，基本集中在地面下12m深度范圍內(nèi)，混凝土灌注充盈系數(shù)1.4 -2.0，混凝土用量嚴(yán)重超方。將泥漿比重調(diào)整為1.4，效果仍不理想。塌孔不僅造成了混凝土浪費(fèi)，而且嚴(yán)重時(shí)，樁孔周邊地面下陷，容易造成鉆機(jī)傾覆的安全事故。對(duì)于塌孔嚴(yán)重的樁孔，只能先用粘土回填，擱置一段時(shí)間再成孔，針對(duì)已發(fā)生的塌孔現(xiàn)象，如不采取有效措施將不能保證工程的有序推進(jìn)。
3.2原因分析
旋挖鉆斗旋轉(zhuǎn)提升出土?xí)r，鉆斗會(huì)對(duì)孔壁產(chǎn)生抽吸力，因此分析孔壁穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)考慮鉆斗的抽吸力影響，根據(jù)文獻(xiàn)[1，2]，可以總結(jié)得出砂土層中造孔時(shí)，當(dāng)泥漿壓力小于靜止側(cè)壓力時(shí)，孔壁易發(fā)生塌孔。
式中：y，yw，y'分別為泥漿、水與土體有效容重；H，Hw，Hs分別為泥漿、水與土體深度；k為靜止土壓力系數(shù)；Pc為鉆斗提升時(shí)由于泥漿在鉆斗外側(cè)與孔壁之間向下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的抽吸力。文獻(xiàn)[2]認(rèn)為：就孔壁固定深度而言，其重力勢(shì)能不變，提鉆時(shí)泥漿在孔壁某處產(chǎn)生的抽吸力Pc可用式(2)計(jì)算：
式中：vz為提鉆速度；Sz為鉆頭底面面積；Sn為鉆頭和孔壁間隙面積；vn為泥漿通過(guò)間隙的速度；m為間隙內(nèi)泥漿質(zhì)量。對(duì)咖800mm直徑的樁孔，提鉆速度為1 m/s時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[2]由泥漿運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的抽吸力為51. 4kPa。
為便于計(jì)算分析，令JP=，yH -Pc，稱為有效泥漿壓力；令Ps=ywHw+koy'Hs稱為靜止土水壓力；取ko=0.5，y’=9.5kN/m3，認(rèn)為泥漿液面與自然地面齊平，其余參數(shù)同圖1。計(jì)算得到P（有效泥漿壓力）和Ps（靜止土水壓力）隨Hs（計(jì)算點(diǎn)深度）的變化曲線，見圖2。表明：①泥漿比重為1.2，并不考慮鉆頭抽吸力時(shí)，自地面下5. 64m位置開始，泥漿有效壓力P小于土的靜止水土壓力Ps，孔壁易于坍塌；②泥漿比重為1.4，并不考慮抽吸力時(shí)，泥漿有效壓力P略大于靜止土水壓力Ps，孔壁保持穩(wěn)定；③泥漿比重1.4，考慮鉆斗抽吸力時(shí)，泥漿有效壓力明顯不足，孔壁易于坍塌。
綜上所述，在本工程地層和地下水條件下采用傳統(tǒng)的潛水鉆機(jī)、工程地質(zhì)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，當(dāng)泥漿比重增加至1.4時(shí)，可以保證鉆孔孔壁穩(wěn)定；而采用旋挖鉆機(jī)則由于其鉆斗抽吸力較大，孔壁易于坍塌，從而限制了旋挖工藝在此類地層的適用性。若采用旋挖工藝，就必須采取有效措施降低鉆斗的抽吸力。
4 施工關(guān)鍵技術(shù)
根據(jù)以上分析，本工程施工過(guò)程中采用如下關(guān)鍵技術(shù)，有效地控制了塌孔現(xiàn)象。
4.1 加大泥漿比重
工程前期護(hù)坡樁施工時(shí)，采用的泥漿比重為1.2，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試配，調(diào)整泥漿比重為1.4。當(dāng)泥漿比重大于1.4時(shí)，鉆進(jìn)、提升鉆桿時(shí)，阻力較大，造孔效率明顯降低。更為嚴(yán)重的是，混凝土灌注之前孔底泥漿由于沉淀作用，泥漿比重更大，混凝土灌注時(shí)混凝土面頂升困難，只能減少混凝土導(dǎo)管的埋置深度，一般控制在2m左右，灌注導(dǎo)管拆卸頻率過(guò)高，極易造成導(dǎo)管拔脫或拔不動(dòng)現(xiàn)象。在綜合采用其他技術(shù)措施后，本工程后期施工中將泥漿比重確定為
1.4。同時(shí)，為保證泥漿面穩(wěn)定，從而保證泥漿壓力穩(wěn)定，在護(hù)筒上開設(shè)溢漿孔，孔口附近設(shè)臨時(shí)泥漿坑，專人負(fù)責(zé)補(bǔ)漿工作，保持漿面始終位于孔口處。
4.2改進(jìn)鉆斗結(jié)構(gòu)
根據(jù)文獻(xiàn)[2]，φ800mm鉆頭的抽吸力可達(dá)到51. 4kPa，是松散砂土地層中造成塌孔的關(guān)鍵原因，也限制了旋挖工藝在此類地層中的適用性。為減少鉆頭的抽吸力，采取了如下措施：①選用外形上面直徑小、下面直徑大的圓臺(tái)形單層底旋挖鉆斗(見圖3)；②在鉆斗下部分圓周對(duì)稱焊接4塊50×lOOmm(h)、厚度為15mm的鋼板，鋼板底部焊接切削刃；③加設(shè)貫穿鉆斗上下的流水孔（見圖4）。
以上措施減少了鉆斗與孔壁的接觸面，或使泥漿從流水孔通過(guò)，減少了鉆斗上下泥漿壓力差，從而有效降低了鉆斗提升時(shí)的抽吸力，孔壁的坍塌現(xiàn)象得到了有效控制。
4.3鉆進(jìn)操作方式優(yōu)化
旋挖成孔在松散砂土地層中的操作方式也至關(guān)重要，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)普遍存在加壓快速鉆進(jìn)、單斗進(jìn)尺過(guò)多以及提放鉆動(dòng)作較快的現(xiàn)象，而且機(jī)手習(xí)慣性地使用鉆機(jī)高速甩土檔在滿斗后合斗門時(shí)高速旋轉(zhuǎn)數(shù)圈后再提鉆，對(duì)孔周土層造成了惡性擾動(dòng)。結(jié)合鉆機(jī)廠家的指導(dǎo)意見，對(duì)機(jī)手重新進(jìn)行了技術(shù)交底。要求鉆進(jìn)過(guò)程中要遵循“三降”和“三減”原則。所謂“三降”是指：降低放鉆速度、降低旋轉(zhuǎn)速度、降低提鉆速度；“三減”是指：減少單斗進(jìn)尺（每斗800mm減少到400mm - 500mm）、減少鉆壓（采用自由下放鉆進(jìn)）、減少合斗門時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度和圈數(shù)。
4.4 縮短工序銜接時(shí)間
本工程位于城市核心區(qū)，周邊有居民、辦公和酒店等設(shè)施，不能保證24h連續(xù)作業(yè)，因此將開孔時(shí)間規(guī)定在上午6時(shí)，采取長(zhǎng)短樁結(jié)合的辦法，每臺(tái)鉆機(jī)每天完成一根長(zhǎng)樁和一根短樁，剩余時(shí)間不足嚴(yán)禁開鉆，確保鉆孔不過(guò)夜。成樁過(guò)程中采取如下措施：①鉆機(jī)開鉆后，必要時(shí)換人不停機(jī)，保證鉆孔連續(xù)作業(yè)；②由于護(hù)壁泥漿比重較大，孔底沉淤現(xiàn)象比較明顯，鉆進(jìn)至孔底后，更換撈砂鉆斗淘底5次后，移開鉆機(jī)；③鋼筋籠、吊車提前就位，鉆機(jī)移開前，底部鋼筋籠已吊起待放，鋼筋籠均采用直螺紋連接，以減少空中對(duì)接時(shí)間；④與商品混凝土廠家溝通，在鋼筋籠下放時(shí)工地發(fā)出通知，混凝土罐車50min到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，保證導(dǎo)管下放完畢時(shí)，混凝土罐車已到場(chǎng)；⑤導(dǎo)管下放完畢后，通過(guò)導(dǎo)管向孔內(nèi)泵入泥漿，進(jìn)行清孑L，清孔時(shí)間控制在lOmin - 30min之內(nèi)，使孔底沉淤處于活動(dòng)狀態(tài)即可，控制指標(biāo)：泥漿比重≤1.4，沉渣厚度≤200mm;⑥連續(xù)灌注混凝土，導(dǎo)管埋置深度控制在2m -4m。
4.5輔助措施
采取以上主要措施后，塌孔現(xiàn)象明顯減少，混凝土超方量大幅下降，但個(gè)別鉆孔仍然存在塌孔現(xiàn)象，局部出現(xiàn)流塑狀淤泥質(zhì)土。經(jīng)過(guò)調(diào)查了解，歷史上有護(hù)城河曾從場(chǎng)地內(nèi)通過(guò)，走向不清楚。為此，采取如下輔助措施：
l)臨時(shí)降水措施
本工程基坑周邊采用三軸攪拌樁止水帷幕，由于帷幕底端沒有較好的隔水地層，仍屬懸掛式帷幕。針對(duì)旋挖塌孔現(xiàn)象，曾經(jīng)設(shè)想先施工基坑內(nèi)降水井，將水位降低后再施工工程樁。由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，帷幕外的回灌系統(tǒng)尚不能施工，坑內(nèi)降水會(huì)對(duì)周邊建筑產(chǎn)生較大影響，同時(shí)，工程樁采用了樁底、樁側(cè)后壓漿技術(shù)，后壓漿時(shí)，水泥漿液壓力較大，會(huì)對(duì)坑內(nèi)降水井造成破壞。因此決定采用臨時(shí)降水措施，在主樓樁群范圍內(nèi)臨時(shí)設(shè)置4口降水井，將樁群范圍內(nèi)地下水位降低3m。降水井深度12m。采用8根φ16鋼筋形成內(nèi)徑為300mm的井骨架，鋼筋籠外纏雙層40目密目網(wǎng)，鋼筋籠與孔壁之間用lOmm -20mm的石子填充。
2)長(zhǎng)護(hù)筒措施
根據(jù)塌孔的深度范圍分析，如采用14m長(zhǎng)鋼護(hù)孔進(jìn)行剛性護(hù)壁，可從根本上解決塌孔問題。但在這種松散砂土層中，較大口徑的護(hù)筒沉放與起拔難度很大。目前，對(duì)長(zhǎng)護(hù)筒的沉放、提拔有兩種方式，挖掘機(jī)帶液壓鉗和振動(dòng)沉管鉆機(jī)。經(jīng)過(guò)向有關(guān)單位咨詢，14m長(zhǎng)護(hù)筒對(duì)淤泥地層把握較大，對(duì)砂土地層未有施工經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)?shù)靥幚淼鼗夯�，�?jīng)常采用振動(dòng)沉管碎石樁工藝，地面下沉幅度多達(dá)200mm -300mm，如采用振動(dòng)沉管，隨著振動(dòng)影響，土體發(fā)生液化后變得更加密實(shí)，護(hù)筒沉放后，14m長(zhǎng)φ900mm鋼護(hù)筒，需要的起拔力達(dá)到3000kN，遠(yuǎn)超過(guò)沉管鉆機(jī)的承載能力，因此，本工程施工過(guò)程中，未將長(zhǎng)護(hù)筒作為主要技術(shù)手段，而是作為輔助、備用手段。具體做法是，現(xiàn)場(chǎng)備用4個(gè)長(zhǎng)度14m，直徑φ900mm，厚度10mm的鋼護(hù)筒，當(dāng)鉆孔出現(xiàn)坍塌后，用吊車起吊長(zhǎng)護(hù)筒，順著原樁孔沉放，采用旋挖鉆機(jī)動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)盤均勻加壓沉放，必要時(shí)從護(hù)筒內(nèi)邊淘挖邊沉放。采用長(zhǎng)護(hù)筒措施對(duì)個(gè)別塌孔嚴(yán)重的樁孔進(jìn)行了處理。經(jīng)過(guò)對(duì)開挖后采用長(zhǎng)護(hù)筒的樁進(jìn)行檢查，樁位、垂直度控制都比較理想。
3)空樁回填措施
本工程是在部分工程樁已施工完成后，修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)補(bǔ)充了大量工程樁，形成密集群樁，樁間距僅為1. 8m，小于規(guī)范規(guī)定的最小樁間距。同時(shí)，工程樁空樁深度達(dá)12. 9m，灌注完成后，空樁部分回填質(zhì)量不好，不僅影響到鉆機(jī)安全，而且容易造成鄰樁施工塌孔。為此，空樁回填采取了如下措施：①灌注完成后，向樁孔中心插入咖25mm焊接鋼管，鋼管下部2m范圍內(nèi)開孔；②管外采用煤矸石塊回填，塊體直徑50mm- 100mm;③回填完成后通過(guò)鋼管壓入水泥漿液，直至地面流出濃稠水泥漿液為止。采用煤矸石回填是考慮到該材料在當(dāng)?shù)乇容^容易獲得，而且價(jià)格低廉，同時(shí)塊體強(qiáng)度較低，加入水泥漿液后有一定的粘結(jié)強(qiáng)度，但又不至于造成后期剔鑿困難。此項(xiàng)措施在鄰樁施工時(shí)，起到了很好的作用，未發(fā)生坍塌、下陷，同時(shí)也保證了鉆機(jī)的行走和作業(yè)中的安全。
5效果檢驗(yàn)
1)通過(guò)采取以上綜合措施，共施工了174根護(hù)坡樁，混凝土充盈系數(shù)1. 17 -1.41，平均1.26；工程樁共計(jì)施工487根，基本未發(fā)生塌孔現(xiàn)象，成樁施工得以連續(xù)進(jìn)行，基本未發(fā)生塌孔、回填、再成孔的惡性重復(fù)過(guò)程，保證了工程順利進(jìn)行，混凝土充盈系數(shù)1. 12 -1.32，平均1.21。這表明施工過(guò)程中采取的技術(shù)措施是有效的。
2)施工完成后，選取15根有效樁長(zhǎng)為48. 4m的樁，進(jìn)行了高應(yīng)變檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值(14000kN)時(shí)，樁頂沉降為23. 7mm - 30. 7mm，平均27. 4mm，P-S曲線未發(fā)生明顯突變，樁端極限阻力占總極限阻力的百分比為23. 9% - 34. 2%，平均31. 1%，占樁總承載力的比例較高，施工過(guò)程中雖然降低了對(duì)灌注前泥漿和沉渣的要求，但并未對(duì)樁端承載力產(chǎn)生影響。主要原因是樁端持力層為砂層，孑L底沉渣多以砂性土為主，樁端注漿對(duì)沉渣的固化作用較好。
3)為對(duì)樁身質(zhì)量進(jìn)行判斷，現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽取了135根樁，采用低應(yīng)變法進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果I類樁134根，占99.3%；Ⅱ類樁1根，占0.7%。工程樁樁身完整性較好。
6 結(jié)語(yǔ)
1)旋挖工藝具有機(jī)械化程度高、孔壁泥皮薄、現(xiàn)場(chǎng)泥漿污染小等優(yōu)點(diǎn)，是城市建設(shè)中優(yōu)先考慮的工藝之一，但旋挖鉆斗選用不當(dāng)、技術(shù)措施不到位，其鉆斗產(chǎn)生的抽吸力在特殊地層中施工，如松散砂土地層、淤泥質(zhì)地層，不僅不能忽略，而且有可能帶來(lái)不利影響，工藝選用時(shí)，應(yīng)提前采取應(yīng)對(duì)措施。
2)松散砂土層中鉆孔灌注樁孔壁自穩(wěn)時(shí)間較短，應(yīng)特別重視對(duì)泥漿有效壓力的控制，并通過(guò)試驗(yàn)確定相關(guān)施工技術(shù)參數(shù)。
3)灌注樁后注漿技術(shù)在提高單樁承載力的同時(shí)，可以在一定程度上彌補(bǔ)施工工藝或質(zhì)量控制不當(dāng)所造成的缺陷，應(yīng)給予足夠重視。
7[摘要] 結(jié)合工程實(shí)際地層條件，分析了旋挖工藝在松散砂土地層中塌孑L原因，指出鉆斗抽吸力對(duì)孔壁穩(wěn)定的不利影響；從鉆斗結(jié)構(gòu)和操作方式兩個(gè)方面，提出了減小抽吸力的技術(shù)措施；根據(jù)地層和工藝特點(diǎn)，介紹了使用旋挖工藝控制塌孔的關(guān)鍵和輔助技術(shù)，以期擴(kuò)展旋挖工藝的適用性和為類似工程提供參考。
