遠(yuǎn) 航，任志杰，王保華，張仲民

(1.青島港國(guó)際股份有限公司， 港建分公司，山東 青島266001；2.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100007；3.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島266071)

隨著船舶大型化發(fā)展，碼頭工程也日益向開(kāi)敞化、大型化、深水化發(fā)展，外海開(kāi)敞式大型碼頭和引橋樁基承受波浪力等水平荷載較大，為了有效抵抗水平荷載，樁基通常考慮設(shè)計(jì)斜樁；若工程所處區(qū)域樁基持力層為巖基，且?guī)r基上覆蓋層較薄，直接采用鋼管樁沉樁困難，則需要通過(guò)在鋼管樁下端增加鋼筋混凝土嵌巖芯柱來(lái)提高樁基承載力，以滿足樁基承載力要求[1-2]。此類大直徑嵌巖斜樁的鋼筋混凝土樁芯成孔一直以來(lái)是施工中的難題。經(jīng)過(guò)不斷探索，目前已經(jīng)在鉆具開(kāi)發(fā)[3]、成孔工藝[4-6]、成孔質(zhì)量控制[7]等方面取得了一定成果，積累了相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)。

本文以青島港董家口港區(qū)原油碼頭二期工程為例，對(duì)30萬(wàn)噸級(jí)泊位引橋樁基施工中不良地質(zhì)條件下嵌巖芯柱斜向成孔、鉆孔偏位、坍孔、硬質(zhì)巖層鉆孔進(jìn)尺緩慢等施工難點(diǎn)及問(wèn)題原因進(jìn)行分析，并從成孔機(jī)具選型、增加導(dǎo)向裝置、海水泥漿護(hù)壁、鉆孔技術(shù)參數(shù)等方面提出相應(yīng)解決技術(shù)措施，形成外海斜樁嵌巖成孔技術(shù)，為同類工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 樁基設(shè)計(jì)

青島港董家口港區(qū)原油碼頭二期工程30萬(wàn)噸級(jí)油品泊位位于董家口嘴作業(yè)區(qū)西防波堤二期工程外側(cè)，平面采用蝶型布置，工作平臺(tái)、靠船墩與系纜墩與引橋呈T形布置，引橋長(zhǎng)456 m、總寬12 m，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁形式，引橋墩采用高樁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)，每個(gè)高樁墩臺(tái)由8根φ1.5 m鋼管樁組成，鋼管樁斜度為4.5:1，鋼管樁打入強(qiáng)風(fēng)化巖面不少于4 m，巖面以下4.5 m芯柱嵌巖，引橋墩樁位布置見(jiàn)圖1，引橋墩結(jié)構(gòu)斷面見(jiàn)圖2。

圖1 引橋墩樁位布置(單位：mm)

圖2 引橋墩結(jié)構(gòu)斷面(高程：m；尺寸：mm)

1.2 工程地質(zhì)條件

工程位于青島市西海岸新區(qū)泊里鎮(zhèn)的瑯琊臺(tái)灣董家口嘴作業(yè)區(qū)西防波堤二期工程外側(cè)，泥面高程在-16.99～-15.41 m。在鉆探深度范圍內(nèi)巖土層自上而下分布為：淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、夾層粉質(zhì)黏土混砂及強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖等。其中粗粒強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為黃褐色，局部灰白色，原巖結(jié)構(gòu)可見(jiàn)，主要成分為石英、長(zhǎng)石，原巖已風(fēng)化呈砂土狀，手掰易碎，遇水易軟化崩解，局部呈碎塊狀。該層連續(xù)分布，平均標(biāo)貫擊數(shù)N>50擊。

2 施工技術(shù)難點(diǎn)

2.1 斜樁成孔難度大

本工程位于外海無(wú)掩護(hù)水域，浪大、水深，樁基受到的波浪等外部荷載大，為了有效抵抗水平荷載，鋼管樁采用4.5:1的斜樁，因此鋼管樁下端嵌巖芯柱為斜樁嵌巖。在斜樁嵌巖成孔時(shí)，由于孔位傾斜，鉆頭回旋鉆進(jìn)時(shí)，在自重作用下緊貼鋼管樁內(nèi)壁的下側(cè)，如不采取相應(yīng)措施則會(huì)造成咬樁，更為嚴(yán)重的是當(dāng)鉆頭進(jìn)入鋼管樁刃腳以下位置，孔位將向下偏斜，嚴(yán)重影響成樁質(zhì)量。

2.2 強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r層中鉆進(jìn)易塌孔

本工程區(qū)域范圍內(nèi)巖層風(fēng)化程度差異性較大，強(qiáng)風(fēng)化巖層較發(fā)育區(qū)域厚度超過(guò)10 m，強(qiáng)風(fēng)化上亞帶原巖已風(fēng)化呈砂土狀，手掰易碎，遇水易軟化崩解(圖3)，在鉆頭的擾動(dòng)下極易導(dǎo)致坍孔，斜孔與直孔相比，上部側(cè)壁巖體軟化崩解后在重力作用下更易發(fā)生坍孔。

圖3 強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r

2.3 硬質(zhì)巖層鉆孔進(jìn)尺緩慢

工程所處區(qū)域中風(fēng)化巖層最小單軸抗壓強(qiáng)度均值為67.1 MPa，最大可達(dá)94.1 MPa，嵌巖成孔施工時(shí)，鉆頭在進(jìn)入強(qiáng)度較高巖層時(shí)鉆孔進(jìn)尺緩慢。

2.4 施工場(chǎng)地局促

工程引橋墩為外海開(kāi)敞式無(wú)掩護(hù)獨(dú)立墩，施工環(huán)境惡劣，施工難度大；引橋墩施工時(shí)采用預(yù)制混凝土套箱作為墩臺(tái)模板，在嵌巖芯柱成孔施工時(shí)存在施工場(chǎng)地局促、無(wú)造漿場(chǎng)地等困難。

3 采取的技術(shù)措施

3.1 合理選擇斜樁成孔機(jī)具

目前專門用于斜樁嵌巖成孔的鉆機(jī)多為頂置式，即鉆機(jī)安裝于鋼管樁頂部，通過(guò)緊固裝置與鋼管樁固定，鉆機(jī)門架可以旋轉(zhuǎn)一定角度以實(shí)現(xiàn)不同斜率的鉆進(jìn)。主流產(chǎn)品有德國(guó)維爾特、寶峨或日本石川島等系列鉆機(jī)，國(guó)內(nèi)于20世紀(jì)90年代開(kāi)展了同類產(chǎn)品的研發(fā)，目前已經(jīng)擁有XD、GPS等系列鉆機(jī)，可專門用于大型碼頭等工程傾斜樁基的成孔。但此類鉆機(jī)往往自質(zhì)量較大，在樁機(jī)定位時(shí)需要大噸位起重設(shè)備輔助施工。

沖擊鉆成孔在碼頭斜樁嵌巖成孔施工中也有成功案例，但由于本工程強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層水下易崩解的特性，受到較大震動(dòng)時(shí)容易坍孔，尤其是在鉆至鋼管樁刃腳以下高程時(shí)，坍孔將造成鋼管樁刃腳外側(cè)巖體掏空，嚴(yán)重影響鋼管樁側(cè)阻和端阻的發(fā)揮。

綜合考慮上述因素，本工程斜樁成孔選用氣舉反循環(huán)回旋鉆機(jī)(圖4)進(jìn)行施工，通過(guò)調(diào)整鉆機(jī)傾斜度以滿足成孔斜率。

圖4 氣舉反循環(huán)回旋鉆機(jī)

施工時(shí)選用100 t浮吊配合鉆機(jī)就位，基本就位后使用手拉葫蘆進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，檢查鉆架、轉(zhuǎn)盤、水龍頭、卷?yè)P(yáng)機(jī)、排渣系統(tǒng)、鉆桿夾持裝置、鉆桿指示裝置、鉆桿導(dǎo)向裝置等構(gòu)配件完好情況。隨后下鉆頭、鉆桿，并檢查各部連接螺栓有無(wú)松動(dòng)、各管路接頭密封情況、鉆機(jī)安裝后吊鉤中心是否對(duì)準(zhǔn)孔位中心。鉆機(jī)安裝完畢后，接通空氣反循環(huán)系統(tǒng)，經(jīng)空車試運(yùn)行20 min無(wú)異常后開(kāi)始鉆進(jìn)。當(dāng)?shù)?節(jié)鉆桿鉆完時(shí)，先停止轉(zhuǎn)動(dòng)，使反循環(huán)系統(tǒng)延續(xù)工作至孔底沉渣排凈后換接鉆桿，并予以擰緊，以防漏氣、漏水。施工過(guò)程中以角度儀測(cè)量復(fù)核誤差，控制鉆桿傾斜度在77.40°～77.50°，確保成孔斜率符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 增加導(dǎo)向裝置

為避免成孔過(guò)程中鉆頭咬樁及孔位偏斜，同時(shí)增加側(cè)向約束以提高鉆桿線剛度，減小鉆桿在自重作用下的撓曲，便于在頂部施加豎向荷載以保證足夠的鉆壓滿足成孔效率，在鉆桿上加設(shè)有效的導(dǎo)向扶正裝置，保障鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中方向正確，減少卡鉆、憋鉆現(xiàn)象。本工程導(dǎo)向裝置采用導(dǎo)向輪(圖5)，導(dǎo)向輪采用環(huán)形鋼帶焊接而成，直徑比鋼管樁內(nèi)直徑小2 cm，固定于鉆頭上方2.5 m處。

圖5 導(dǎo)向輪

增加導(dǎo)向裝置后，保證了鉆桿與樁的設(shè)計(jì)軸線始終保持同向，解決了在自重作用下鉆頭向下偏斜的問(wèn)題，未再出現(xiàn)卡鉆、斷桿等情況，提高了鉆進(jìn)效率，保證成孔質(zhì)量。

3.3 海水泥漿護(hù)壁

在成孔施工時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)無(wú)制漿場(chǎng)地等施工條件限制，先期采用清水鉆進(jìn)工藝，結(jié)果坍孔嚴(yán)重導(dǎo)致埋鉆。經(jīng)分析研究后采用泥漿護(hù)壁工藝，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件利用工程鋼管樁作為泥漿池。現(xiàn)場(chǎng)泥漿制備及循環(huán)見(jiàn)圖6。

圖6 泥漿制備及循環(huán)

由于本工程為海上施工，鋼管樁底部存在裂隙與海水連通，無(wú)法采用淡水制漿。為克服海水中的陽(yáng)離子使泥漿中黏土顆粒從懸浮分散狀態(tài)向凝集狀態(tài)轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致泥漿在施工過(guò)程中逐漸脫水絮凝[8-9]，失去護(hù)壁作用，在泥漿中按照1.5‰的比例摻入Na2CO3作為分散劑。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及勘察資料，考慮到強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r密度為2.5～2.7 tm3，兼斜孔上壁自重影響的不利因素，同時(shí)為避免泥漿過(guò)濃導(dǎo)致糊鉆，其參數(shù)初步確定為密度1.25 tm3、黏度20 Pa·s、砂率6%。開(kāi)鉆后坍孔現(xiàn)象得到一定改善，但仍未達(dá)到預(yù)期效果。調(diào)整漿液密度為1.3 tm3，并按1:10的比例摻入膨潤(rùn)土后，坍孔現(xiàn)象得到較好控制。

3.4 合理確定硬質(zhì)巖層鉆孔技術(shù)參數(shù)

根據(jù)鋼管樁沉樁施工記錄，樁底在進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖層后，貫入度小于2 mm擊；勘察資料揭示地層為強(qiáng)風(fēng)化下亞帶及中風(fēng)化粗?；◢弾r，巖體強(qiáng)度較高，鉆孔時(shí)進(jìn)尺緩慢，成孔難度大。

為保證鉆進(jìn)效率，采用牙輪滾刀鉆頭鉆進(jìn)。影響鉆進(jìn)效率最重要的因素為鉆壓大小。當(dāng)鉆壓過(guò)小時(shí)，切削刃齒不能切入巖體，只能在巖石表面以摩擦方式破碎巖石，鉆頭磨損大，鉆進(jìn)效率低。只有當(dāng)鉆壓超過(guò)界限鉆壓，切削刃齒侵入巖體產(chǎn)生體積破碎，此時(shí)破巖比功較小，破巖效果最好。但鉆壓過(guò)大，也會(huì)造成切削齒磨損過(guò)甚，施工成本增加，同時(shí)還會(huì)加大鉆桿撓曲，影響鉆孔斜率。因此，選擇合適的鉆壓，是提高鉆進(jìn)效率、保證成孔質(zhì)量的首要前提。

牙輪鉆頭在軟巖中鉆進(jìn)時(shí)，通常情況下轉(zhuǎn)速越大則鉆進(jìn)效率越高。但在硬質(zhì)巖層中，當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到一定數(shù)值后，若進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速，機(jī)械鉆速反而下降。其原因在于鉆頭牙輪鉆刃在壓力作用下切入巖石后，需要一定接觸時(shí)間以完成應(yīng)力傳遞破碎刃前巖體，當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，鉆刃還未完成切削動(dòng)作便與巖體脫離，降低了鉆頭對(duì)巖體的侵徹力，造成巖體破碎不充分，使每次旋轉(zhuǎn)完成的破碎深度減小，導(dǎo)致鉆進(jìn)效率下降。同時(shí)，轉(zhuǎn)速過(guò)高，鉆頭對(duì)孔壁沖擊也會(huì)加大，會(huì)造成擴(kuò)孔甚至坍孔。

根據(jù)本工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，當(dāng)鉆至強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下亞帶及中風(fēng)化巖層時(shí)，應(yīng)采用“兩大一低”的鉆進(jìn)方式，即以大壓力、大泵量、低轉(zhuǎn)速的設(shè)置進(jìn)行鉆進(jìn)，當(dāng)鉆機(jī)輸出明顯增加、并伴有跳鉆現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低鉆壓，減輕鉆頭磨損，降低轉(zhuǎn)速，盡可能充分破巖，保證鉆進(jìn)效率。

經(jīng)不斷調(diào)整鉆孔參數(shù)，實(shí)際操作中鉆壓保持為170 kN，鉆速為20 rmin，對(duì)于花崗巖強(qiáng)風(fēng)化下亞帶及中風(fēng)化巖層進(jìn)尺效率可分別保持為40、15 cmh左右，有效滿足施工要求。

4 結(jié)語(yǔ)

1)采用氣舉反循環(huán)回旋鉆機(jī)可滿足大直徑嵌巖樁芯的成孔施工，施工過(guò)程中通過(guò)安裝導(dǎo)向裝置，可有效保障成孔符合設(shè)計(jì)軸線。

2)采用牙輪滾刀鉆頭鉆進(jìn)，鉆壓保持在170 kN，轉(zhuǎn)速保持為20 rmin，可以在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖下亞帶及中風(fēng)化巖層中實(shí)現(xiàn)40、15 cmh的鉆進(jìn)速度。

3)在易崩解的強(qiáng)風(fēng)化粗粒花崗巖中進(jìn)行鉆孔，必須采用泥漿護(hù)壁。泥漿參數(shù)須綜合考慮巖石密度、斜率大小等因素，對(duì)于自穩(wěn)條件較差的巖層，應(yīng)適當(dāng)提高泥漿密度、黏稠度等參數(shù)。