超長大直徑旋挖鉆孔擴底樁應用技術

魏 珂， 吳 懿， 王勝昌， 吳 鋒

(中建交通建設集團有限公司，北京 100082)

20世紀80年代旋挖鉆孔技術被引入國內，在最近20年被逐漸認識和應用。其優點是施工效率較高、環境污染少、質量控制好等[1]。擴底樁使傳統的單樁承載力和抗拔力大大提高、沉降減小、抗震性能好、成本降低、減少資源浪費，適合于各種復雜地質條件。

擴底鉆孔灌注樁是在傳統鉆孔灌注樁完成成孔后，改用擴底鉆頭，放入孔底后開始開鉆擴孔，通過增大樁斷面面積，從而提高了樁的承載力[2]。擴底樁施工工藝主要應用于樁長不超過40 m的樁基礎施工中，當樁長超過40 m時使用較少，這種超長鉆孔擴底樁可以有效縮短樁長。

1 工程簡介

保定市樂凱大街南延工程位于保定市西南部，是保定市規劃的加強“一城三星一淀”的四條道路連接線之一。保定市樂凱大街南延工程項目線路跨保定南站主橋13#及14#墩，其樁基為擴底樁。樁身直徑1.8 m，樁底直徑3.0 m，等高0.75 m，以12 °角擴大，樁間距4.5 m；其中13#樁基礎設計樁長84 m，14#樁基礎設計樁長71 m(圖1)。

圖1 橋型布置

目前，該橋轉體重量及跨度為世界第一。為解決場地限制、降低承臺體積、摩擦樁帶來的超長樁長問題，該橋采用擴底樁的施工方法。

該橋的樁基礎采用AM工法進行施工，它是一種全液壓可視可控旋挖擴底樁施工技術，該施工工藝精準，質量可靠。AM施工技術采用全液壓擴底快換魔力鏟斗進行切削挖掘，首先用鉆機按照傳統鉆孔灌注樁成孔，當鉆到設計的深度后，改用擴底鉆頭(全液壓擴底快換魔力鏟斗)下降到孔的底端，打開擴大翼進行擴大切削挖掘，擴底時使樁底端保持水平擴大，采用映像追蹤監控技術對切削挖掘控制(樁底端的深度及擴底部位的形狀、尺寸等數據和圖像通過檢測裝置顯示在操作室內的監控器上)[3]。

AM工法采用的旋挖鉆機適應性較強，能適應從黏土層到硬土層、粉沙層、砂層、砂礫層、圓礫層、泥巖、閃長巖、風化巖等各種地質條件。因該系列鉆機通過柴油機帶動液壓系統旋轉、切削、挖掘鉆進成擴孔，故該鉆機在成孔過程中不需電源。在城市施工時，因基礎工程施工用電比較集中，在無電源的公路、鐵路等樁基施工地方更能體現其優勢。該鉆機成孔過程是通過鉆斗挖掘，然后將土運出裝載在自卸車上，從而使成孔過程實現無泥漿排放。在灌注混凝土過程中，將排出的泥漿通過泥土分離裝置對廢漿進行更新處理，以便循環使用，節約水源，既解決了大批量泥漿運輸排放的難題，又滿足了施工現場環境清潔，減少城市污染，保證文明施工的要求。

2 擴底樁施工技術

擴底樁施工先利用普通鉆頭鉆至設計深度，然后將普通鉆頭更換為擴孔鉆頭，將擴孔鉆頭下降到設計深度底端。由于擴孔底對鉆桿扭力及剛度有較高要求，鉆機需配有加強型轉桿，采用專用機械式擴孔底鉆頭，成孔采用泥漿分離器分離泥漿中砂。在成孔過程中，應做好渣樣留存工作，通過渣樣判斷地質地層狀況調整成孔的速度，并且根據泥漿性能等指標，確保成孔質量。

2.1 樁基礎試成孔施工

根據設計及現場施工條件，對保定市樂凱大街南延工程跨保定南站主橋樁基進行試成孔施工。試樁孔徑1 800 mm(擴底段孔徑1 800～3 000 mm)，母塔樁長84 m，孔深約90.0 m；子塔樁長71 m，孔深約80.5 m。

通過試成孔確定超長擴底樁成孔工藝、成孔各項參數及AM工法擴底成孔可行性等，復核工程地質狀況，同時驗證施工部署、資源配置等情況是否能滿足施工要求。

2.2 樁基礎成孔施工要點

采用AM工法進行試成孔施工的工藝流程圖2。

工程開工前，測量放線、護筒埋設、鉆機就位等前期準備工作均與普通旋挖鉆施工要求相同。

為防止孔壁坍塌，應在成孔作業過程中根據不同地質情況對泥漿比重進行調整，并采用泥漿護壁。同時為保證擴底段孔壁穩定，擴底施工前應調整泥漿比重不低于1∶2；在作業過程中要做好詳細的施工記錄及相應的檢測記錄，同時保存好渣樣[4]。

AM工法：樁的定位、鉆孔、挖掘、擴底和下鋼筋籠、清孔，混凝土灌注后生成完整的擴底樁。成樁中具體采用下述步驟：

(1)進行樁孔的中心定位，引導鉆機進行準確定位。

(2)鉆機挖孔，其孔徑大于預設樁徑，然后埋設護筒。

(3)鉆孔：將穩定液加入孔中，并且鉆機鉆孔的同時加入穩定液，孔中鉆下的土被裝到鉆機中，每鉆入一定深度，需要提升到地面清理鉆機鏟斗內的泥土，再次鉆孔提伸，如此反復，至設計標高為止。

(4)擴底：采用魔力擴底鏟斗對樁孔底部進行擴底，鏟斗被分成2份或4份進行旋轉切削挖掘；挖掘下的泥土沙礫被放入鏟斗，鏟斗閉合時將其帶至地面運走。

(5)檢測樁孔的深度、樁孔中的沉渣，并且對擴底部分進行伸縮擴張檢測，將隔離管綁在鋼筋籠上，然后再放進樁孔中，用清渣泵清渣。

(6)下導管，澆混凝土，形成完整的擴底樁。

成孔過程見圖3～圖6。直徑長度相同，擴底樁豎向承載力比傳統等徑單樁提高36 %～50 %以上,承載能力大小相同，擴底樁比等徑樁少用混凝土27 %～36 %以上，特殊地方的地質承載力能達到提高100 %,將擴底樁應用于較好地質層作為持力層效果會更好。擴底樁的優點是傳統摩擦樁無法與之相比的[5-7]。

圖3 等徑成孔

圖4 泥漿制備

圖5 擴底鉆頭檢

圖6 擴底成孔

3 擴底樁施工質量控制

鉆孔擴底樁具有單樁承載力高、沉降量小、抗震性能好，費用低等優點[8]，但由于擴底部分隱蔽性強，檢測較為困難，因此施工過程中質量控制有一定的難度。

(1)在成孔開始前應做好充分的準備工作，需對鉆頭進行檢查確認?；炷翝仓淮涡酝瓿?，為防止孔壁周圍的土質發生物理變化，應做好記錄；同時應做好渣樣留存工作。

(2)鉆進過程中設專人記錄泥漿比重、黏度、含砂率、鉆進速度、進尺速度及地質特征等參數，同時應對各地層鉆進異常情況進行描述，終孔時記錄泥漿性能參數、孔深、提鉆時間等，記錄應及時、準確、清晰。

(3)擴底成孔時，應分兩次成孔。第一次用等徑鉆頭鉆至樁底設計標高，將鉆頭提出孔外，換上擴底直徑能收縮的魔力鏟斗，通過鉆桿將擴底鉆頭下送到孔底，進行第二次擴底成孔，直至滿足樁底設計要求[9]。隨著鉆進深度增加，鉆斗的升降速度應適度減小。

(4)地面測量魔力鏟斗行程時一定要仔細準確。施工中擴底樁徑、擴底及清孔時間、泥漿指標、沉淀、孔深等參數由質量員全程監控，檢查驗收；并上報監理等單位進行復查[10]。

(5)當發生鉆進困難，每次進尺深度太小，斗內鉆渣太少時，可采用切削角較大的鉆頭，或先采用直徑較小的筒形齒狀鉆斗鉆一小孔，然后再用正常直徑鉆斗擴孔鉆進。

(6)混凝土灌注時，應重點控制擴底段的灌注速度，防止因灌注速度過快，混凝土對護壁擾動過大而坍塌。

4 施工質量結果驗證

通過對施工成孔質量，混凝土灌注后樁基礎完整性檢測來復核工程施工質量，檢測結果滿足預期目標。檢測過程見圖7、圖8。

圖7 成孔超聲檢測

圖8 成孔檢測結果

5 結論

(1)旋挖鉆機施工具有的優點是成孔速度快，環境污染小，施工方便快捷，通常情況下僅需幾個小時便可成孔，是傳統鉆孔機械施工速率的幾倍以上。

(2)盡管旋挖鉆機施工前期需要更高的投資成本，但是在某些地質狀況下考慮到其他因素的成本，最終總的經濟效益具有較大的優勢。

(3)對于工程橋梁地質情況，采用旋挖鉆機鉆孔施工技術，不僅能保證施工的質量，而且能夠縮短施工時間，擴孔率小，有效地控制了混凝土的超方現象。通過成孔孔形檢測及樁基礎超聲檢測，孔形及樁身質量均達到預期要求，其中樁身完整性檢測中，達到I類樁為100 %，從施工進度、成本控制、質量保證及環境控制等方面得到監理、建設單位及社會的一致好評。