陳火見 黃 華 曹健惠 潘 君

中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司 上海 200063

在我國(guó)橋梁、碼頭工程中，采用灌注樁作為基礎(chǔ)的情況較為普遍。目前，對(duì)灌注樁承載性狀和全過程施工進(jìn)行研究的論文較多，對(duì)灌注樁成孔方面的研究，多為技術(shù)、質(zhì)量控制方面，而對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)情況下的嵌巖灌注樁成孔施工，就不多見了。

本文將闡述某內(nèi)河碼頭工程在復(fù)雜地質(zhì)情況下嵌巖深度達(dá)5 m的灌注樁成孔施工，以期為今后類似情況碼頭施工建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概述

某內(nèi)河碼頭總長(zhǎng)362 m，寬30 m，采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)。碼頭排架間距7.0 m，每個(gè)排架下設(shè)6根φ1 000 mm鉆孔灌注嵌巖樁，樁端進(jìn)入中風(fēng)化巖層5 m，樁基隨巖基面起伏，樁長(zhǎng)26.2～36.2 m。樁基外套鋼護(hù)筒到樁頂，下端進(jìn)入中風(fēng)化巖0.5 m。

碼頭后方共設(shè)3座引橋，分別位于碼頭的兩端和中間位置。3座引橋靠碼頭側(cè)一跨為高樁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)，下設(shè)2排φ800 mm鉆孔灌注樁，樁底進(jìn)入中風(fēng)化巖面5 m。樁基外套鋼護(hù)筒到樁頂，下端進(jìn)入中風(fēng)化巖0.5 m。引橋靠岸側(cè)采用直立式低樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)，順防汛大堤岸線布置。承臺(tái)結(jié)構(gòu)采用L形擋墻，下設(shè)2排φ800 mm鉆孔灌注樁，樁底進(jìn)入中風(fēng)化巖面5 m。樁基外套鋼護(hù)筒到樁頂，下端進(jìn)入中風(fēng)化巖0.5 m。

防洪堤位于碼頭后方，與碼頭走向一致，采用直立式護(hù)岸結(jié)構(gòu)，為L(zhǎng)形鋼筋混凝土擋墻。擋墻底板下布置2排φ800 mm鉆孔灌注樁，樁基底進(jìn)入卵石層3 m。

2 復(fù)雜工程地質(zhì)情況及成因分析

2.1 地形地貌

從工程大區(qū)域來看，區(qū)內(nèi)地形平坦，地勢(shì)南高、北低，下游位于海積平原，上游大部位于河谷平原區(qū)和山前傾斜平原區(qū)。河谷平原地勢(shì)平坦，由上游向下游略微傾斜，其橫向?qū)挾茸兓?，山前傾斜平原由丘陵區(qū)向河谷傾斜，由洪積扇和坡積群組成，在山前溝口斷續(xù)分布。

從工程小區(qū)域來看，工程水域?qū)捈s250 m，河床由于采砂等人類活動(dòng)，航道水域深度不一，底高程在-6.0～1.0 m之間，碼頭停泊水域底高程為1.0～4.0 m。碼頭近岸陸域?yàn)樽鳛榕R時(shí)碼頭使用的不規(guī)則河漫灘地。

2.2 地基土構(gòu)成

根據(jù)鉆探揭露，按地基土?xí)r代成因、物理力學(xué)性質(zhì)特征，將場(chǎng)地地基土自上而下依次分為以下5個(gè)主要層：

1）人工填土層：素填土（Qml）。

2）第1大層（河床河漫灘相沉積層Q4al）：①1砂混淤泥、①2淤泥質(zhì)黏土。

3）第2大層（河床河漫灘相沉積層Q4al）：②1圓礫、②2粉土、②3淤泥質(zhì)黏土、②4粉質(zhì)黏土。

4）第3大層（沖洪積層Q3al+dl）：③1卵石混砂、③2砂混卵石、③3卵石。

5）第4大層（晚侏羅紀(jì)基巖J3）：④1強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、④2中風(fēng)化凝灰?guī)r。

2.3 復(fù)雜地質(zhì)情況

本工程地質(zhì)情況的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在第3大層和第4大層。第3大層最為復(fù)雜，從上到下主要由砂混卵石、卵石混砂和卵石構(gòu)成，土質(zhì)不均勻、卵石徑大小不一、分層厚度變化大。

造成第3大層地質(zhì)復(fù)雜的主要原因是該段河道為較早時(shí)期的采砂河段。河砂采走后，為了保持河岸的穩(wěn)定，人工隨意回填了大量大小不一的卵石，之后經(jīng)過若干年的河床淤積，導(dǎo)致了目前的砂混卵石層、卵石混砂層和卵石層的復(fù)雜地質(zhì)情況。

第4大層的地質(zhì)復(fù)雜性主要體現(xiàn)在巖面起伏變化大、巖石強(qiáng)度變化大，給判定中風(fēng)化巖面造成了一定的困難。造成復(fù)雜地質(zhì)的原因是該區(qū)域處于剝蝕丘陵區(qū)，地形起伏大，風(fēng)化巖風(fēng)化程度不一。

3 筑島平臺(tái)及成孔施工流程

3.1 筑島平臺(tái)

本碼頭工程的嵌巖灌注樁，除少量可以進(jìn)行陸上施工外，其余大部分樁基均處于水上。因此，必須有一個(gè)用于灌注樁成孔施工的機(jī)械作業(yè)平臺(tái)，該平臺(tái)必須高出水面，形成一個(gè)干作業(yè)的施工環(huán)境[1]。

原計(jì)劃搭設(shè)鋼平臺(tái)，該鋼平臺(tái)必須滿足具備移動(dòng)荷載為55 t履帶起重機(jī)（臂長(zhǎng)22 m）、6 m3混凝土攪拌車（25 t）、25 t汽車、沖擊鉆機(jī)（13 t）配3 t沖錘、回旋鉆機(jī)（10 t）及常規(guī)施工機(jī)具等的施工需要，并滿足周轉(zhuǎn)材料堆載。因此，鋼平臺(tái)采用鋼管樁、H型鋼和321型鋼梁結(jié)構(gòu)。搭設(shè)鋼平臺(tái)時(shí)，鋼管樁需采用起重船進(jìn)行水上沉樁，拔除鋼平臺(tái)鋼管樁時(shí)采用浮吊配合振動(dòng)錘進(jìn)行。但該內(nèi)河水域在附近下游橋梁限高的情況下，起重船和浮吊無法到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)。受此情況限制，作業(yè)平臺(tái)方案改為筑島平臺(tái)。

筑島平臺(tái)（圖1）前沿超出碼頭前沿線3 m，兩端超出碼頭平臺(tái)輪廓2 m。臨水面鋼板樁支擋，以形成直立面，減少土方量，也減少對(duì)過洪斷面的影響。鋼板樁內(nèi)填塘渣，上下游兩端分別延伸10 m，以便筑島端部放坡。筑島主體回填塘渣及碎石土，標(biāo)高超出河道常年平均水位1 m。駐島平臺(tái)形成后，可保證未發(fā)洪水的情況下，灌注樁成孔處于一個(gè)干作業(yè)的施工環(huán)境，使水上作業(yè)變成了陸地干作業(yè)，改善了作業(yè)環(huán)境，施工質(zhì)量也可得到更好的保障。

圖 筑島平臺(tái)示意

3.2 成孔施工流程

本工程的嵌巖灌注樁與常規(guī)的灌注樁成孔工藝有所不同。在常規(guī)的成孔工藝中，鋼護(hù)筒在混凝土澆筑后還需拔除[2]。在本工程中，嵌巖灌注樁設(shè)計(jì)有鋼護(hù)筒全護(hù)壁，護(hù)筒從樁頂一直至中風(fēng)化巖面下50 cm。鋼護(hù)筒在灌注樁成孔后將作為樁體的一部分，不予拔出。

因此，嵌巖灌注樁成孔施工流程也和常規(guī)的灌注樁成孔施工流程不一樣，在成孔過程中鋼護(hù)筒沉設(shè)需及時(shí)跟進(jìn)，以防坍孔或頸縮。具體成孔施工流程為：樁位放樣→沉設(shè)第1節(jié)鋼護(hù)筒→第1、第2大層成孔→焊接第2節(jié)鋼護(hù)筒→第3大層成孔、沉設(shè)鋼護(hù)筒→焊接第3節(jié)鋼護(hù)筒→強(qiáng)風(fēng)化巖成孔、沉設(shè)鋼護(hù)筒→判別中風(fēng)化巖層→嵌巖5 m成孔。

4 成孔試樁比選

4.1 試樁理由

本工程的嵌巖灌注樁成孔時(shí)需穿過土質(zhì)不均勻、卵石粒徑大小不一、分層厚度變化大的第3大層，極易坍孔埋鉆，施工難度較大。碼頭及引橋全部采用嵌巖灌注樁作為樁基，嵌巖灌注樁基嵌入中風(fēng)化巖面不小于5 m，成孔機(jī)械鉆頭在進(jìn)入中風(fēng)化巖層后成孔困難。鑒于上述情況，為了找到適合該地質(zhì)情況的嵌巖灌注樁成孔施工工藝及機(jī)械設(shè)備，提高成孔施工效率，成孔試樁勢(shì)在必行[3]。

4.2 成孔試樁

本工程共采用了3種機(jī)械進(jìn)行成孔試樁，即沖擊鉆機(jī)械、回旋鉆機(jī)械及旋挖鉆機(jī)械。成孔的方式有2種：第1種，回旋鉆+沖擊鉆成孔；第2種，旋挖鉆成孔。

4.2.1 回旋鉆+沖擊鉆成孔

灌注樁的鋼護(hù)筒分節(jié)制造，采用鉆打結(jié)合、振動(dòng)沉設(shè)的方法施工，相當(dāng)于引孔后沉設(shè)。成孔工藝將采用鉆沖結(jié)合，即離散土層采用回旋鉆成孔；進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖層后，則換沖擊鉆嵌巖成孔，無護(hù)筒段成孔均采用泥漿護(hù)壁。

采用回旋鉆加沖擊鉆產(chǎn)生的主要問題如下：

1）成孔時(shí)間長(zhǎng)，特別是沖擊成孔，一根樁成孔完成大約需3 d。造成成孔時(shí)間長(zhǎng)的主要原因是清渣和坍孔處理。

2）環(huán)境污染嚴(yán)重，因成孔過程中采用泥漿護(hù)壁，且沖孔過程中噪聲比較大，故對(duì)環(huán)境影響嚴(yán)重。

3）充裕系數(shù)大，在強(qiáng)風(fēng)化巖層中成孔，護(hù)壁的泥漿流失嚴(yán)重，很容易產(chǎn)生坍孔，充裕系數(shù)最高達(dá)到2.0。

4）機(jī)械移動(dòng)緩慢，沖擊鉆機(jī)和回旋鉆機(jī)靠的是滾軸移動(dòng)，動(dòng)作緩慢且移動(dòng)不便。

4.2.2 旋挖鉆成孔

從地面開始一直至完成5 m嵌巖，全部采用旋挖鉆成孔。為了適應(yīng)高出地面的鋼護(hù)筒，鉆桿需比正常的短5 m左右，以便于鉆頭抬出護(hù)筒棄泥土。

旋挖鉆機(jī)為履帶式，移動(dòng)方便，成孔施工過程中噪聲小，無泥漿護(hù)壁，環(huán)境影響小。

4.3 比選

通過成孔試樁，從效率、費(fèi)用、環(huán)保等方面進(jìn)行比較（表1）[4-7]，以便確定經(jīng)濟(jì)、合理、適用的成孔施工機(jī)械。

表1 成孔比選

從表1可以看出，采用旋挖鉆進(jìn)行成孔，雖然在綜合單價(jià)上比回旋鉆加沖擊鉆成孔要貴一些，但縮短了施工時(shí)間，且過程中不易坍孔，同時(shí)更環(huán)保。

5 完善旋挖鉆機(jī)成孔施工

旋挖鉆能在強(qiáng)、中風(fēng)化巖層中成孔，主要是依靠加大壓力將鉆頭截齒壓入巖石，在強(qiáng)大的動(dòng)力頭輸出扭矩的作用下，使巖石產(chǎn)生剪切破碎。旋挖鉆機(jī)在施工過程中，通過動(dòng)力頭的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)鉆桿，帶動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)，在加壓載荷與旋轉(zhuǎn)扭矩的作用下，鉆具與巖石的接觸面之間就會(huì)產(chǎn)生剪切力，實(shí)現(xiàn)剪切破巖 。

在使用旋挖鉆成孔過程中，也碰到了在卵石層中成孔時(shí)鋼護(hù)筒無法跟進(jìn)、在進(jìn)入中風(fēng)化巖層后成孔效率低下、鉆具磨損嚴(yán)重等不利因素。為了克服上述不利因素，在采用旋挖鉆機(jī)成孔施工過程中，應(yīng)不斷進(jìn)行完善。

5.1 擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔

在卵石層中成孔，若鋼護(hù)筒不及時(shí)跟進(jìn)，則易導(dǎo)致坍孔或頸縮。為了解決在卵石層中成孔時(shí)鋼護(hù)筒無法跟進(jìn)的問題，在進(jìn)入卵石層成孔后，將旋挖鉆機(jī)的鉆頭更換為擴(kuò)孔鉆頭，采用擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔，加大孔徑，以滿足鋼護(hù)筒順利沉設(shè)的要求。

5.2 小直徑鉆頭預(yù)破巖

當(dāng)成孔施工進(jìn)入巖層，特別是中風(fēng)化巖層后，由于土層強(qiáng)度的提高，摩阻力增加，故成孔效率降低。

為了克服上述困難，在旋挖鉆機(jī)進(jìn)入中風(fēng)化巖層后，首先將鉆頭更換為φ800 mm的嵌巖筒鉆，對(duì)孔內(nèi)巖芯進(jìn)行松動(dòng)，增加巖層自由面，以降低其應(yīng)力水平，使之有利于大直徑筒鉆的進(jìn)一步鉆進(jìn)，以提高其工作效率。然后將φ800 mm的嵌巖筒鉆更換為φ990 mm的嵌巖筒鉆進(jìn)一步松動(dòng)巖面。最后換用普通撈砂斗鉆頭入巖，破碎巖芯，同時(shí)鉆進(jìn)取渣。

5.3 鉆具外壁焊保護(hù)鋼條

在進(jìn)入風(fēng)化巖層后，鉆具磨損開始變得越來越嚴(yán)重。為了減少磨損，除了更換小直徑的鉆頭外，還應(yīng)在鉆具外壁焊保護(hù)鋼條，減少土體與鉆具的接觸面積，從而減少摩阻力，進(jìn)而達(dá)到減少鉆具磨損的目的。

6 結(jié)語

在灌注樁施工中，成孔的好壞決定了整個(gè)灌注樁施工的成敗。在本工程中，在內(nèi)河水域條件滿足不了船舶施工的情況下，創(chuàng)造性地采用了筑島平臺(tái)。通過多種機(jī)械設(shè)備的試樁成孔比選，選定了合適的施工機(jī)械及成孔方法。在旋挖成孔中，對(duì)于不同的土層，采用不同的鉆具，完善成孔施工，從而提高了成孔效率。

灌注樁的大、小應(yīng)變及取芯等的檢測(cè)結(jié)果均滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。灌注樁的成功施工為保證項(xiàng)目工期、控制工程造價(jià)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，得到了業(yè)主的充分肯定。