1、收稿日期2002-12-30大直徑超長鉆孔灌注樁的施工王成林(武漢市工程咨詢部摘要通過香港東涌行人橋鉆孔樁工程的實踐,介紹該工程的施工工藝及主要施工技術,提供了大直徑超長鉆孔灌注樁在復雜地質條件下的施工經驗。關鍵詞鉆孔灌注樁大直徑超長樁香港北大嶼山高速公路東涌段行人橋鉆孔樁工程,東臨東涌地鐵站,西靠香港新機場東涌跨海橋,地處東涌市中心。建成后的行人橋橫跨機場鐵路、高速公路、公用事業路。本工程共有32根樁,每4根樁組成一個承臺,樁直徑2.5m ,底部擴大到3.3m ,最長94.1m ,樁底部嵌入微風化花崗巖,用C40混凝土、40<32主筋。本工程由英國Mott Mac 2Donald 顧問

2、公司設計,中國建筑香港有限公司(中國海外土木工程有限公司總承包。該工程以其直徑大、樁身長(創香港之最而受到當時香港土木工程界的關注,Construction News 雜志進行了專題報導。1地質條件地質鉆探資料表明,場區地層由上而下依次為:回填砂,層厚約18m ;沖積層,由淤泥質粘土,砂質粘土夾礫石、卵石、漂石組成,層厚1217m ;完全風化、強風化花崗巖,層厚1560m ,在強風化花崗巖之中局部存在斷層角礫巖,層厚410m ;中等風化花崗巖,層厚13m ;微風化花崗巖。巖石強度試驗資料表明,微風化花崗巖單軸抗壓強度最大為226MPa 、最小為49MPa 、平均為122MPa ,屬極硬巖。場區

3、42個鉆孔資料表明,微風化巖面傾斜角度較大,傾角50°70°,據此可判斷該區域為地質斷層,此外2個鉆孔資料表明在斷層斷裂帶、深度7684m 之間有空洞(勘察時鉆桿自由下落。2工程特點該工程的特點是:(1設計要求樁外有一永久性鋼護筒,護筒長3236m ,穿過回填砂層和沖積層,進入完全風化花崗巖中。(2按設計要求,樁底嵌入微風化巖層0.3m 以上,底面直徑擴大到3.3m 。(3設計要求樁底部不允許有沉渣,且駐地工程師(相當于內地的監理工程師成樁后可隨意檢查巖芯。對每根樁要做兩組超聲波試驗。(4設計要求樁垂直度為1/75,樁的直徑2.5m ,樁最大長94m ,鋼護筒的直徑2.7m

4、 ,為了提升鉆頭時不碰上護筒,對樁的垂直度和護筒的垂直度有嚴格要求。(5巖層中有空洞。(6巖石強度高且巖面傾斜度較大。(7沖積層中夾有卵石、漂石,局部較厚(510m 。(8典型的大直徑超長樁。3施工工藝及設備由于樁的長度大,香港地區常用的套管護壁法因(也稱貝諾特樁套管難以下沉而無法采用,而內地慣用的泥漿護壁法則可以克服這一困難。對于泥漿護壁法中的正循環回轉鉆進,由于大直徑樁孔中鉆桿與孔壁之間空隙大,泥漿上返流速慢,攜渣能力差,孔底不容易清干凈,會影響成樁質量(達不到無沉渣的要求;而泵吸反循環由于泥漿的循環完全依靠砂石泵抽吸產生的負壓來維持,有效吸程較小,不適應長度大于50m 的樁。只有氣舉反循

5、環是唯一選擇,利用空壓機將壓縮空氣送入鉆桿內與泥漿混合形成比重小于1的摻氣泥漿,在鉆桿外泥漿壓力作用下鉆桿內摻氣泥漿攜帶渣屑返回地面,通過調整氣壓,克服樁長度與直徑大的影響。26地基基礎工程GEOTECH NICA L E NG I NEERI NG WOR LD VO L.6No. 3該鉆孔灌注樁施工的主要設備有:(1震錘。用于下沉永久性鋼護筒。震錘的性能應滿足2個條件:一是震錘的激振力大于土體對鋼護筒的摩阻力;二是震錘的震幅A應大于護筒下沉所需要的震幅A0。所選用的震錘是Muller MS200型,最大激振力P=4000kN,偏心力矩M= 1900Nm,自重300kN,這在香港當時是最大的

6、震錘。(2鉆機。型號分別是KP G3000、QJ250-1、BRM-4A。選擇鉆機除需滿足鉆孔直徑、鉆孔深度要求外尚應根據地質條件確定所需鉆機的轉盤扭矩和鉆頭比壓。由計算得出的技術性能參數確定鉆機型號及鉆進方式。(3鉆頭。本工程備有梳齒鉆頭(俗稱刮刀、楔齒鉆頭(又稱牙輪鉆頭、球齒鉆頭以及擴孔鉆頭。由于沖積層中含有卵石、漂石,梳齒鉆頭難以粉碎,導致經常堵管,且鉆頭磨損情況嚴重,故梳齒鉆頭不適應本工程的地質條件。由于中、微風化巖層強度較高,經過一根樁的使用,楔齒鉆頭上的14個齒損壞9個,基本上不能再使用。球齒鉆頭鋼珠的合金鋼強度很高,對花崗巖的粉碎能力較強,較為適用本工程。(4其他設備,如泥漿分離

7、器、空壓機及風鼓、大型起重機等。4主要施工技術4.1鋼護筒的施工按設計要求,本工程在承臺以下設永久性護筒,長度為3236m。根據施工情況,鋼護筒內徑取2.7m,鋼護筒的筒壁厚度取18mm,筒壁厚度須通過驗算鋼護筒在施工過程中的強度及剛度而確定。強度驗算分兩種情況:(1未灌注混凝土前,在土壓力作用下筒壁承受的應力;(2護筒下沉過程中在豎向激振力和橫向土壓力的共同作用下,筒壁承受的應力。剛度驗算主要考慮護筒在下沉過程中在豎向激振力和橫向土壓力作用下,部分土體被挖走后筒壁局部穩定的驗算。一般來說,筒壁厚度主要由剛度驗算確定。本工程前期施工時,鋼護筒壁厚采用12mm,曾先后發生兩起護筒局部變形事件,導

8、致樁位報廢,改為18mm后就再未出現這種情況。鋼護筒下沉施工中主要技術要點是控制護筒的垂直度。施工中采取了以下措施:(1制作安裝導向架,嚴格控制第一根護筒的垂直度;(2加強下沉護筒過程中的測量控制;(3根據前節護筒的偏斜方向再焊接下一節護筒,通過改變護筒筒壁剖口角度及時調整。4.2克服卵石、漂石的影響如前所述,本工程地質構造中的沖積層夾有卵石、漂礫石,埋深在23m左右,當厚度稍大時,這不僅使護筒所受的阻力較大而難以下沉到設計高程,而且在鉆進過程中漂礫石常堵塞鉆頭的排渣孔和導管,使鉆進的速度較慢,因此有必要用抓斗將這層卵石、漂礫石抓出來。干抓速度較快,但護筒內外地下水位差較大時,護筒底部的土隆起

9、,護筒周圍的土體及地下水涌入筒內,護筒周圍局部地方出現空洞,護筒壁從均勻承受土壓力變為不均勻承受土壓力,護筒因剛度不足會發生變形。濕抓則由于筒內水的作用影響抓土效率,進度慢。故保證在不發生隆起情況下應盡量采用干抓方法。經計算,將干抓深度確定為15m,其后護筒內注水至地面1m深后(與地下水位齊平再用抓斗,其間不斷注水以保持筒內水位不變,將卵石、漂礫石層穿透后再采用鉆機鉆孔。本工程曾發生干抓27m,筒底土體隆起,鋼護筒發生變形的事故。4.3鉆孔(1泥漿護壁:鉆孔過程中的首要問題是保持不塌孔,這對于本工程(覆蓋層主要為中、粗砂,最深達60m尤為重要。鉆孔內泥漿面的高程須經過孔壁穩定分析確定。孔壁穩定

10、的條件是:孔內泥漿壓力P1+圓形孔壁拱作用產生的對孔壁的支撐力P2>地下水壓力P3+孔壁土側壓力P4+地面鉆機產生的側壓力P5。計算結果表明:當護筒內泥漿面與地下水位差在2m時即可滿足孔壁穩定的條件,因此下沉鋼護筒時,筒頂應高出地面2m,鉆孔過程中應密切觀察護筒內泥漿面的高度,通過循環系統及時補充泥漿。(2分級鉆孔:由于本工程微風化花崗巖強度較高,且樁徑較大,3臺鉆機中僅KP G3000的扭矩、鉆頭比壓能滿足巖石破碎要求。扭矩、比壓不夠,巖石很難破碎,作業時間長,鉆進效率低,對鉆頭、鉆機的損耗很大(本工程曾發生二次鉆桿斷裂、鉆頭掉入孔內的事件,因此根據地質條件和鉆機性能采取分級鉆進是克服

11、鉆機性能不足的有效措施。經計算,本工程使用QJ250-1、BRM-4A鉆機鉆進時采用二36巖土工程界第6卷第3期地基基礎工程級鉆孔的辦法,開始用直徑1.8m鉆頭鉆至設計深度后再改用直徑2.5m鉆頭成孔。實踐證明,分級鉆孔在保證鉆進效率情況下可以用小型鉆機來完成大直徑鉆孔樁工程。(3擴孔:按設計要求,鉆孔樁樁身直徑為2.5m,進入微風化花崗巖層后擴孔,最終底部直徑為3.3m。本工程施工時是用直徑2.5m的鉆頭鉆至樁底后再換上擴孔鉆頭鉆進,將底部直徑擴大到3.3m。用于本工程的是機械式球齒擴孔鉆頭,它是鉆頭在旋轉過程中由鉆進壓力和坐在樁底的底盤反作用力共同作用下使帶有球齒的擴孔臂連桿架張開,在張開

12、過程中球齒鉆頭切削孔壁,隨著鉆桿向下延伸,連桿架同時慢慢張開,孔徑也隨著擴大,最后達到要求的孔徑。(4泥漿質量控制:施工過程中泥漿不僅固定孔壁,還清洗孔底、攜帶鉆渣。按英國標準,泥漿性能指標如下:比重1.1gml-1(供應的泥漿,粘度39秒(粘度計,漏斗容積1000ml,剪力1.4 10Nm-2,p H值810(p H試紙。為達上述指標,施工中采取以下措施:1選好泥漿配合比:表1室內試驗結果淡水膨潤土純堿CMC比重粘度(S剪力100080808080901004555551.0451.0451.0451.0451.0501.053373840404042接

13、近33.42做好泥漿循環,完善泥漿的凈化系統。保障泥漿循環是進行鉆孔樁施工的必要條件。本工程泥漿循環的順序是:鉆孔內沉淀池循環池儲備池鉆孔內。沉淀池起著凈化作用,進入循環池后再投入純堿、CMC等配制成符合要求的泥漿,然后,流入儲備池。泥漿的凈化處理分兩種方法,一是自然沉淀后,由挖土機進行清理沉渣;二是機械處理,對經過自然沉淀處理后浮在池的上部泥漿采用泥水分離器進行再次分離處理。本工程使用德國BAU ER公司生產的B E250型泥水分離器,其主要功能是通過旋轉篩將泥漿中細小的砂顆粒分離出來,排出池外。4.4灌注水下混凝土灌注水下混凝土前應清除孔底沉渣,本工程的清孔工作分二次進行。第一次是在擴孔完

14、畢后,拆鉆機之前,將鉆頭提離孔底200mm,維護氣舉反循環,使鉆頭空轉半小時,初步清除鉆渣。第二次清孔是灌注混凝土之前,利用灌注混凝土的導管進行,操作上注意以下3點:1配制一池比重小,膠體率高(粘度、剪力大,含砂率小的優質泥漿專為清孔所用;2多次量取鉆孔深度,使沉渣厚度為零;3掌握清孔時間,當導管出口泥漿的含砂率與進口泥漿的含砂率(本工程規定這4%相近時即可停止下來,以防止吸塌孔壁。由于本工程最長樁混凝土體積近500m3,連續澆灌時間在20小時左右,因此本工程對混凝土的質量有如下要求:1混凝土的塌落度不小于180mm,以便有較好的流動性;2混凝土的初凝時間宜取24小時,以保證初灌的混凝土(含有

15、少量沉渣能上返到樁頂,避免因過早凝固而出現斷樁事故。灌注水下混凝土的技術要點如下:1初灌時要求混凝土將導管埋深不小于1m,因此要求混凝土初灌漏斗的體積也不小于12m3;2控制混凝土埋管深度,及時拆卸、提升混凝土導管。本工程導管埋入混凝土的深度是4m左右,這對保證成樁混凝土質量至關重要,導管埋深過深或過淺都將帶來質量問題。3混凝土的灌注高度,應比樁頂高程高出4m以上(即浮漿層,這4m范圍的混凝土因壓力不夠,成樁的混凝土較疏松,后來的超聲波試驗結果也證明這一情況。鉆芯取樣試驗表明,本工程成樁混凝土質量無缺陷,且樁身混凝土與基巖之間無沉渣。4.5空洞的處理如前所述,本工程在斷層斷裂帶中存在空洞(距地表深7684m之間,設計方提出用永久性護筒封閉的處理方案。由于空洞距地表較深,采用該方案施工其困難是極大的