楊宗維

（深圳市隧道工程有限公司 深圳 518034）

0 引言

深圳地區(qū)地質(zhì)水文條件復(fù)雜，地層軟硬不均，基巖裂隙發(fā)育，而地下水位又高，所以高承壓裂隙水在深圳地區(qū)較為常見(jiàn)。由于高承壓水的存在，施工旋挖鉆孔灌注樁時(shí)遇到的涌水、塌孔、縮頸等技術(shù)難題。目前，對(duì)高承壓裂隙水的研究多集中在地下工程中的盾構(gòu)施工［1-3］、基坑支護(hù)中的地連墻施工［4-5］以及基坑降水方面［6-7］高承壓裂隙水地層工程建設(shè)中，另一種主要支護(hù)方式——鉆孔灌注樁施工的研究較少，工程中有采用全套管鉆機(jī)在類似地層中施工的案例，但全套管鉆機(jī)施工存在的拔管難、工效低等難題一直未得到良好解決［8］。黃舜濤等人［9］為解決高承壓地層鉆孔灌注樁施工質(zhì)量問(wèn)題，提出了預(yù)埋管敞開(kāi)式樁端壓力注漿法，但該方法主要解決因樁底沉渣造成的樁身承載力不足問(wèn)題，而樁身施工缺陷等問(wèn)題解決效果不夠理想。因此，探究在高承壓水地層條件下，如何快速高效高質(zhì)量地進(jìn)行鉆孔灌注樁施工，保證工程質(zhì)量，不但是深圳地區(qū)，也已經(jīng)成為整個(gè)基礎(chǔ)建設(shè)行業(yè)亟待研究的課題之一。

1 工程問(wèn)題提出

深圳市某搶險(xiǎn)項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)場(chǎng)地清挖處理后，留有松散的堆積體和回填的城市棄土約300 萬(wàn)m3，為了保證滑坡殘?bào)w的穩(wěn)定性、預(yù)防泥石流等次生災(zāi)害，需對(duì)災(zāi)害體進(jìn)行綜合整治。整治措施擬定為在滑口處修建擋土壩，以防止殘留土體發(fā)生二次滑動(dòng)，造成次生災(zāi)害。擋土壩采用抗滑樁+土壩方案，分上下兩級(jí)兩個(gè)平臺(tái)。打設(shè)?1 200 mm抗滑樁341根，樁基布置如圖1所示。擋土壩壩體西側(cè)在工程勘察過(guò)程中發(fā)現(xiàn)基巖裂隙水，場(chǎng)地內(nèi)的基巖裂隙水受地下潛水和地表徑流補(bǔ)水影響，地面水頭高度達(dá)12 m、日涌水量達(dá)100 m3?？紤]到工程性質(zhì)，為統(tǒng)籌成樁質(zhì)量、工期及經(jīng)濟(jì)等方面因素，需研發(fā)針對(duì)性強(qiáng)的鉆孔灌注樁新型施工技術(shù)。

圖1 抗滑樁樁位Fig.1 Location of Anti Slip Pile

2 新型施工方法研究

2.1 現(xiàn)有施工方法概覽

樁基在鉆孔過(guò)程中遇到承壓水地層時(shí)一般分為3種情況［10］：

⑴承壓水水頭高度高出地面高程；

⑵承壓水水頭高度高于地面且上部地層有強(qiáng)透水層；

⑶承壓水水頭高度低于地面，但高于地下水位線且上部有強(qiáng)透水層。

上述幾種情況都極易在承壓水的作用下形成過(guò)水通道，使樁身周圍或樁心嚴(yán)重離析、冒水，導(dǎo)致承壓水層上部樁體嚴(yán)重受損。

針對(duì)上述幾種情況，目前國(guó)內(nèi)外常用的解決方法主要分為兩類［10］：①平衡水頭壓力；②降水井泄壓。其中，平衡水頭壓力在實(shí)際操作中可分為泥漿平衡法和填筑圍堰法。泥漿平衡法的原理是通過(guò)提高泥漿相對(duì)密度，使孔內(nèi)泥漿形成的壓力大于承壓水壓力，使泥漿抑制承壓水頭，并有一定的安全距離，確保鉆孔順利進(jìn)行；填筑圍堰法則是通過(guò)填筑圍堰使樁孔位置提升超過(guò)承壓水水頭高度從而達(dá)到平衡水頭的目的。降水井泄壓是通過(guò)在施工現(xiàn)場(chǎng)四周鉆探并設(shè)置若干大口徑降水井進(jìn)行抽水降低地下水位，控制承壓水頭，兩者對(duì)比降水井泄壓法可根據(jù)地下水水量大小布置井位間距，適用于地下水位較高、水量較大的情況，但其工程量較大，且在場(chǎng)地高差較大區(qū)域不宜展開(kāi)施工。

由于該項(xiàng)目遇到的承壓水頭高，涌水量大，且場(chǎng)地高差極大，考慮到施工難度、工期及成本等因素，傳統(tǒng)的平衡水頭壓力和降水井泄壓施工方法在工程實(shí)際中難以使用。

2.2 新型施工方法研究

徐長(zhǎng)節(jié)等人［11］為解決杭州某基坑項(xiàng)目的涌水，設(shè)計(jì)了基底灌漿加固法，取得良好效果，但是對(duì)于高承壓水條件下的深基坑工程，基底注漿作用有限［12］。參考既有的研究經(jīng)驗(yàn)，為解決水泥漿在高承壓水地層中強(qiáng)度不足的弱點(diǎn)，將水泥漿變更為強(qiáng)度更強(qiáng)的混凝土，基于此，經(jīng)多次試驗(yàn)研究，創(chuàng)新性提出兩次成樁法進(jìn)行壩體樁基施工，樁基布置示意如圖2 所示。完美解決高承壓水地層裂隙水對(duì)工程樁質(zhì)量的影響。

圖2 鉆孔灌注樁擴(kuò)大樁徑示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Expanding the Diameter of Bored Pile （mm）

⑴初次成樁。在設(shè)計(jì)樁位處采用擴(kuò)徑（較設(shè)計(jì)樁徑）灌注低標(biāo)號(hào)混凝土（C20）的方法實(shí)施初次鉆孔，主要起兩方面作用：①抑制基巖裂隙水承壓水頭，混凝土漿液在自重作用下滲入到基巖裂隙，固結(jié)后起到止水帷幕的作用，消除或降低水頭壓力的同時(shí)，周邊土體強(qiáng)度得到增強(qiáng)；②較原樁徑增加的低標(biāo)號(hào)混凝土形成薄壁混凝土外殼，在二次鉆孔過(guò)程中，與被混凝土漿液加固的土體形成雙重護(hù)壁作用，從而避免在二次成孔時(shí)，承壓裂隙水突破護(hù)壁造成涌水等對(duì)樁孔產(chǎn)生的負(fù)面影響。

⑵二次成樁。實(shí)際工程樁維持原設(shè)計(jì)樁徑，保留的薄壁混凝土外殼在周邊加固體的基礎(chǔ)上，起到進(jìn)一步穩(wěn)固周邊土體的作用，以保證鉆孔過(guò)程中不出現(xiàn)塌孔，解決灌注樁施工過(guò)程中的縮徑和樁身夾渣等問(wèn)題，從而保證成樁質(zhì)量。

經(jīng)成樁后的第三方樁基質(zhì)量檢驗(yàn)，兩次成樁法施工的鉆孔灌注樁完美達(dá)到工程要求。

根據(jù)地質(zhì)勘察情況查明基巖裂隙所處地層深度h1和承壓水水頭高度h2（地面為基準(zhǔn)面），如圖3所示。根據(jù)伯努利方程［13］，為平衡高承壓水水頭，在鉆孔中灌注的低標(biāo)號(hào)混凝土（C20）比重γs應(yīng)滿足公式：

圖3 基巖裂隙水示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Bedrock Fissure Water

γsh1≥ηsγw（h1+h2） ⑴

其中：γs為C20 混凝土的重度，取2.4×104N/m3；γw為水的重度，取1.0×104N/m3；ηs為安全系數(shù)，取1.1。

當(dāng)傳統(tǒng)泥漿比重達(dá)到1.4 仍不能抑制承壓水頭時(shí)，則需采用填筑平臺(tái)增加土圍堰或者采用灌注低標(biāo)號(hào)混凝土的方式抑制水頭壓力，以確保灌注樁成樁質(zhì)量。理論上，通過(guò)調(diào)濃泥漿比重可以平衡0.4h1深度的高承壓裂隙水，即通過(guò)泥漿無(wú)法抑制裂隙位于25 m深度且承壓水頭超過(guò)10 m的高承壓水。這種情況下，需要通過(guò)比重更大的水泥砂漿或低標(biāo)號(hào)混凝土抑制承壓水頭。

通過(guò)理論分析發(fā)現(xiàn)，不必將整個(gè)鉆孔灌滿低標(biāo)號(hào)（C20）混凝土，只需灌至距離裂隙h3的高度。這將大大節(jié)省低標(biāo)號(hào)混凝土的用量，同時(shí)滿足抑制水頭的功能。此時(shí)，為平衡裂隙中高承壓水頭，公式可轉(zhuǎn)換成：

其中：γm為泥漿的重度，取1.1×104N/m3。

若繼續(xù)加大低標(biāo)號(hào)混凝土（C20）的灌注高度h3至h1，即將低標(biāo)號(hào)混凝土灌滿整個(gè)擴(kuò)大的鉆孔時(shí)，可進(jìn)一步增大混凝土在基巖裂隙處的壓強(qiáng)，使得混凝土漿液滲透得更遠(yuǎn)，從而在裂隙深部封堵來(lái)水通道，進(jìn)一步提高止水帷幕效果，也可在一定程度上增加基巖完整性，一定程度上提高基巖工程性能。

3 兩次承樁法工程實(shí)施

3.1 勘察裂隙位置及承壓水頭

充分利用鉆孔巖芯比對(duì)和物探手段查明基巖裂隙的位置、埋深、分布范圍、發(fā)育情況，以及地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件；在灌注樁的基樁位置進(jìn)行地質(zhì)勘察，主要勘察內(nèi)容為提前獲悉測(cè)壓水位面深度、承壓裂隙水層深度以及承壓含水層頂界面到測(cè)壓水位面的垂直距離即承壓水水頭高度。

3.2 初次擴(kuò)徑成樁

根據(jù)工程樁設(shè)計(jì)樁位進(jìn)行施工放樣，且進(jìn)行樁位二次復(fù)核后，進(jìn)行初次擴(kuò)徑成樁。擴(kuò)徑樁體采用低標(biāo)號(hào)素混凝土（C20），混凝土澆筑后需保證其凝結(jié)時(shí)間不少于1 d，且在擴(kuò)徑樁混凝土強(qiáng)度大于5 MPa 小于10 MPa時(shí)進(jìn)行二次成樁，此時(shí)施工工效最高且成樁質(zhì)量?jī)?yōu)異。當(dāng)兩次成樁法運(yùn)用于北方地區(qū)時(shí)，冬季施工溫度在5℃以下時(shí)，初次擴(kuò)孔成樁可根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，適當(dāng)延長(zhǎng)混凝土凝結(jié)時(shí)間。

3.3 二次成樁

當(dāng)擴(kuò)徑樁強(qiáng)度達(dá)到施工要求后實(shí)施二次成樁。在擴(kuò)徑樁上測(cè)量放線并進(jìn)行樁位二次復(fù)核，做好中心點(diǎn)標(biāo)記，二次成樁要求混凝土超灌0.8～1.0 m。二次成樁施工應(yīng)避免初次成樁后長(zhǎng)時(shí)間放置而未進(jìn)行二次成樁施工，以防初次成樁的樁基強(qiáng)度過(guò)高，造成二次成樁困難。二次成樁后，根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范：JGJ 106—2014》中鉆芯法規(guī)定，樁基齡期達(dá)到28 d后，對(duì)樁基質(zhì)量進(jìn)行取芯檢測(cè)鉆芯取樣檢測(cè)結(jié)果如圖4所示，經(jīng)樁基鉆芯取樣檢測(cè)，采用兩次成樁法施工的工程樁均為Ⅰ類樁，表明兩次成樁法在高承壓裂隙水地層施工擁有良好效果。

圖4 工程樁芯樣Fig.4 Sample of Engineering Pile Core

3.4 施工效益分析

從經(jīng)濟(jì)效益及工期兩方面經(jīng)綜合對(duì)比分析。

⑴采用兩次成樁法施工技術(shù)，相比常規(guī)的平衡水頭法，增加了初次成孔費(fèi)用，但減少平臺(tái)填筑及土方轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi)用，總計(jì)節(jié)約成本約12.6萬(wàn)元。

⑵初次成孔工期與填筑平衡水頭壓力的土臺(tái)，以及降水井施工、降水所耗工時(shí)相比，可節(jié)省工期14 d。

⑶兩次成樁法無(wú)需平臺(tái)填筑及土方轉(zhuǎn)運(yùn)，減少了相應(yīng)的措施費(fèi)用，同時(shí)也極大程度地減少了機(jī)械在高臺(tái)上施工所帶來(lái)的工程風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

⑴兩次成樁法，初次擴(kuò)徑成樁采用C20 號(hào)混凝土，混凝土澆筑1 d后，強(qiáng)度大于5 MPa小于10 MPa時(shí)進(jìn)行二次成樁，施工工效最高且成樁質(zhì)量?jī)?yōu)異。

⑵兩次成樁法可更好地抑制承壓水頭，同時(shí)，混凝土漿液滲入周邊土體形成的漿液加固體結(jié)合擴(kuò)徑部分構(gòu)成雙重護(hù)壁，可進(jìn)一步保證成樁質(zhì)量。

⑶兩次成樁法不需要特殊樁基設(shè)備，采用傳統(tǒng)樁基設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)在高承壓裂隙水地層的快速高效高質(zhì)量成樁施工。

⑷兩次成樁法成樁后經(jīng)樁基檢測(cè)，均為Ⅰ類樁，表明兩次成樁法在高承壓裂隙水地層施工中擁有優(yōu)秀效果。

⑸與平衡水頭法相比，兩次成樁法無(wú)需平臺(tái)填筑及土方轉(zhuǎn)運(yùn)，簡(jiǎn)化施工操作程序，減少人工、消耗性周轉(zhuǎn)材料和施工機(jī)械的投入，減少了相應(yīng)的措施費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的同時(shí)，也極大程度地降低了機(jī)械在高臺(tái)施工所帶來(lái)的工程風(fēng)險(xiǎn)，提高施工安全性。