雙動力頭強力鉆機在海濱復雜地質下硬切割咬合樁中的應用

林金江

福建第一公路工程集團有限公司，福建 泉州 362000

本文以福建沿海地區某公路工程的下穿通道雨水泵站基坑支護的咬合樁的應用為背景，通過對咬合樁施工工藝的對比研究分析，系統歸納整理了海濱地區復雜地層中雙動力頭強力多功能鉆機在硬切割咬合樁施工過程中的控制要點。

1 工程概況

沿海地區某公路工程的下穿通道的雨水泵站，該泵站處于海濱，距離海岸線距離不足20m，泵站建筑面積1947.78m2，泵站咬合樁外圍尺寸為40.2m×23.9m 的異型?；蝇F狀地面絕對標高為8m，泵站結構的正負零相對標高對應的絕對標高為8.3m。

該泵站基坑主要采用Ф900mm 排樁+鋼支撐支護，咬合樁采用鋼筋混凝土樁與素混凝土樁間隔布置并咬合的形式，咬合長度為250mm（局部有調整，咬合長度不小于250mm），支護樁樁長25m，基坑深度19m，嵌入基坑底6m，咬合樁樁底位于全風化花崗巖層，原設計圖紙上咬合樁采用軟咬合工藝，鋼筋混凝土樁采用C30 微膨脹混凝土（以下簡稱“葷樁”），素混凝土樁采用C20 超緩凝混凝土（以下簡稱“素樁”）。咬合樁布置如圖所示：

根據地質鉆探報告，各土層分布自上而下描述如下：

（1）素填土層，松散狀，以粉質黏土為主，層厚7m 左右.

（2）中砂層：中密狀，層厚10 m 左右

（3）粉質黏土層：可塑性，層厚4.5m 左右

（4）孤石層：位于粉質黏土層中，層厚0.5～1.5m 左右

（5）全風化花崗巖層：手捏易散，遇水易崩解，巖體極破碎，為極軟巖。層厚4m 左右。

根據地質鉆探報告揭露，地下水按其埋藏條件大致可分為潛水，孔隙、網狀裂隙水兩種類型。潛水層主要賦存于素填土層，勘察期間測得地下水混合穩定水位絕對標高為6.1m（相對標高2.2m）,孔隙、網狀裂隙水主要賦存于中砂層、全風化花崗巖層中，其中中砂層透水層，富水性好，屬強透水層，中砂層、全風化花崗巖層在動水壓力下容易出現塌孔，流沙現象［1］。

基于上述地質條件，咬合樁的施工主要難點在于咬合樁較長，垂直度控制要求高，中砂層、全風化花崗巖層在漲退潮的動水壓力下容易出現塌孔、流沙現象，地層透水性極高且地下水與海水相通，位于粉質黏土層中的孤石層穿透困難等。

2 施工工法的選擇

原設計方案中的咬合樁采用軟咬合施工，軟咬合樁施工工藝較成熟且有很多成功的施工案例。但根據本項目現場實際情況，其施工工藝有以下不足：

（1）咬合施工中止水效果的成敗主要依托于超緩凝劑的效用，如因各種因素引起葷樁成樁時間超過超緩凝混凝土的初凝時間，極易造成咬合樁漏水、斷樁，嚴重影響了基坑安全，后續因處理事故樁需采取各項措施，易造成較大的經濟損失和工期影響。

（2）素樁采用超緩凝混凝土，有利于葷樁的咬合切割，但本項目施工區域的水文地質環境惡劣，地下水受潮汐作用明顯，超緩凝混凝土在動水的反復沖刷下，易造成素樁樁身混凝土質量不合格。

（3）工葷樁的過程中，由于素樁尚未終凝，在穿越中砂層、全風化花崗巖層或套管垂直度偏差超過設計要求且需將套管拔出重新鉆進時、易發生素樁混凝土管涌進入套管內的現象，影響咬合效果和成樁質量。

（4）樁施工中穿越孤石層時，由于套管對孤石層的擠壓切割，極易造成孤石及沙土侵入尚未初凝的素樁，造成素樁斷樁及止水帷幕漏水。

基于以上軟咬合工法不足之處，經與設計單位深入溝通確認后，本項目咬合樁施工擬采用硬切割咬合樁工法。硬法切割咬合樁是在軟咬合樁工法基礎上，素樁灌注普通混凝土，葷樁采用硬切割素樁成樁，施工步驟大致與軟咬合樁工法相同。這種工法從理論上講有三大優勢。

（1）切割咬合時無須使用超緩凝混凝土，避免了采用軟咬合時素樁混凝土管涌現象，且超緩凝混凝土成本較高，也節約了施工成本。

（2）用硬切割工藝，葷樁成樁時間可控，避免了葷樁施工時超過超緩凝混凝土的初凝時間而引起的各種施工病害。

（3）備超強切削能力的成孔機械可以解決穿越深度較深的孤石層和切削強度等級C20 以上混凝土時存在的施工問題。

綜上所述，硬切割咬合樁工法可以擴充既有的咬合樁的施工技術，并提高在復雜地質成樁的施工工法的選擇，并降低了施工成本。

3 硬法切割咬合樁機械對比選擇

（1）360°全回轉套管機＋旋挖機：360°全回轉套管機無需采用泥漿護壁，切削能力一般，垂直精度高，成孔直徑標準，充盈系數小，節約混凝土。但360°全回轉套管機施工效率較低，施工成本較高。

（2）雙動力頭強力多功能鉆機＋旋挖機：雙動力頭強力多功能鉆孔機為雙動力頭可分離式鉆機，內動力頭與外動力頭能同軸逆向旋轉，使扭轉反力自平衡；雙動力頭可上下任意分離、相對運動、逆向旋轉分別驅動內側螺旋鉆頭和外側套管鉆孔，在配置多套外套管時可同時開挖多根樁，提高了機械的利用率。

雙動力頭強力多功能鉆孔機無需采用泥漿護壁，成孔直徑標準，垂直精度高，充盈系數小，節約混凝土，外動力頭帶動的外套管能夠實現大扭矩的掘削鉆進，特別是能在孤石層及堅硬巖石層等復雜地層和切削強度等級C20 以上混凝土時高效率鉆進，在鉆進硬巖石層時，螺旋鉆頭更換成帶牙輪筒鉆頭的旋挖機嵌巖，又可保證施工進度。且施工成本相對360°全回轉套管機低［2］。

由以上分析可見，“雙動力頭強力多功能鉆機＋旋挖機”可以適應高地下水位，上部砂層下部有孤石層的硬切割咬合樁的施工，既能提高鉆進效率，降低施工成本，又能保證施工質量，保證止水效果。

經過多方面因素考慮，本項目最終選用雙動力頭強力多功能鉆機+旋挖鉆機配合進行硬切割工法的咬合樁施工。

4 硬切割咬合樁主要工藝流程

硬切割咬合樁與傳統軟咬合樁施工步驟基本一致，采用間隔跳打，先施工素樁，等相鄰兩側的素樁混凝土達到一定強度后切割素樁成孔葷樁，然后澆筑葷樁混凝土成樁。

施工順序如下：場地平整→測量放樣→施工導墻（導墻強度達到設計強度70%）→鉆機就位→套管及螺旋鉆頭雙動力鉆孔→旋挖鉆清除孤石→清孔→吊放鋼筋籠（葷樁）→安裝導管→灌注水下混凝土→拔出導管→起拔套管。

5 硬切割咬合樁主要控制要點

5.1 垂直度控制

鉆孔施工前將套管的順直度偏差控制在1‰～1.5‰以內，正式鉆孔前通過設備自帶儀表及全站儀校核套管垂直度，確保套管垂直度控制在設計要求的3‰以內。

5.2 糾偏

成孔過程中應加強量測，每鉆進2m 必須校核一次套管垂直度，當套管垂直度偏差超過設計要求時，先利用鉆機自身糾偏，如調整后垂直度還不能滿足設計要求，可緩慢拔出套管，拔出套管時應向孔內注水，以防止出現土體管涌現象，直至提升到上次垂直度檢查合格的位置后，重新校核垂直度合格后方能重新緩慢鉆進。

5.3 孤石層鉆進

當鉆進過程中遇到孤石層時，外套管應緩慢鉆進孤石層，確保套管的垂直度，鉆穿孤石層后，將鉆機的螺旋鉆頭更換成帶牙輪筒鉆頭旋挖鉆機進行嵌巖。

5.4 葷樁鉆進

當素樁混凝土強度越高，葷樁鉆入速度越慢，機械損耗越大，施工時間也越長；當素樁的強度太低時，葷樁鉆入時容易造成素樁受切割擾動損壞。

經施工現場試驗確定，當素樁混凝土強度達到設計強度的50%～60% 時，切削素樁時素樁受擾動破壞小、咬合面連接較好，止水效果好，切削較為順利，葷樁的垂直度更容易控制。因此葷樁應選擇當相鄰兩根素樁混凝土強度全部達到設計強度的50% 以上時方可進行施工［3］。

另一方面，當相鄰的兩根素樁的強度相差較大時，葷樁施工過程中垂直度控制難度加大，施工時應放慢鉆進速度，加強垂直度控制，確保施工質量。

5.5 防止出現管涌措施

本工程位于近海海濱區域，約10m 厚的中砂層透水性強，套管在下壓取土過程中，套管外的砂土容易大量進入套管內，套管外的地層被掏空，混凝土澆筑后拔出套管時，混凝土填充掏空位置，造成樁身擴孔嚴重，影響后續的基礎施工且浪費混凝土。因此咬合樁施工時必須使套管底比套管內土面深3～4 m，必要時向孔內注水，以防止出現土體管涌現象。

5.6 清孔

清孔時應將套管壁上孔內虛土和沉渣清除干凈，并用旋挖鉆機夯實孔底，防止因孔壁的虛土進入樁身造成樁身夾泥現象，引起咬合樁漏水。

6 施工效果檢驗

2020 年8 月20 日本項目完成了下穿通道的雨水泵站的基坑開挖工程，根據基坑開挖結果顯示：除兩處因土體管涌形成咬合樁樁徑變大侵入基坑內需鑿除和一處輕微滲水點外，咬合樁止水效果良好，樁身檢測及垂直度滿足設計要求，基坑圍護結構安全穩定。

7 結語

本項目在雨水泵站咬合樁施工過程中，結合現場實際情況，經過研究分析并在施工中證明了雙動力頭強力多功能鉆機在硬切割咬合樁在海濱、高滲透、深基坑、復雜地質等條件下的應用確實可行。硬切割咬合樁與軟咬合樁對比具有工程成本低、適應海濱復雜地質、工序簡單可控等優點。