含块石粉砂土地基灌注桩钻孔预处理施工技术的应用

2019-08-02

水利建设与管理 2019年7期

(浙江江南春建设集团有限公司，浙江杭州 311243)

1 工程概况

1.1 工程基本情况

杭州市萧山区钱塘江(七甲闸至五堡闸段)海塘加固及船闸工程，是杭州市钱塘江重点水利工程，同时是G20峰会的重点水环境工程。其船闸工程位于七甲河入江口，是在原七甲闸位置处进行拆除重建的项目，其中七甲船闸主要由上下闸首、闸室、输水系统、导航建筑物、靠船建筑物、闸门、启闭机械、电气控制设备和通信、助导航、运行管理等附属设施，生产、生活辅助建筑组成。经补充勘探，本工程基础以粉砂土为主，部分区域存在淤泥质粉土及流沙，但在原七甲闸出口(现船闸闸室及外闸首)位置，地下存在多年前用于防冲加固的抛填块石，高程位于1.5～-9.0m，即地面以下1.5～12m。

船闸基础采用直径80cm钢筋混凝土灌注桩处理，桩型为端承摩擦桩，设计桩长22m以上。

1.2 存在问题

本工程开始施工时，考虑到基础存在块石问题，计划先采用底端为尖锥形的封闭钢护筒强行以振动方式打入地下，直至穿透块石层，形成块石区桩孔，然后拔出护筒，再采用回旋钻机进行块石层以下部位钻孔。但是，当钢护筒拔出后，采用回旋钻机进行钻孔时，孔壁四周的土体(包括块石)出现一定的缓慢回弹，造成块石区桩孔缩颈。为保证孔径符合设计要求，又采用回旋钻进行上下扫孔。扫孔时，因孔壁四周部分块石脱落进入孔内，带来以下三个问题：ⓐ因块石体分布稠密程度和尺寸大小不一，块石从孔壁脱落后，造成孔壁凹陷程度差异较大，孔径大小极不一致；ⓑ脱落的块石掉落至块石层下部孔内，直接影响回旋钻机进行下一步钻孔；ⓒ因基础土体以粉砂土为主，孔壁自身稳定性小，容易产生扩孔和塌孔，最终造成灌注桩施工进度缓慢，桩身超径、缩径情况严重超出设计要求，增加施工成本，拖延工期。

2 钻孔预处理技术

针对上述施工问题，施工方成立了QC小组、工法创新课题小组，结合施工现场场地小、设备多、工期紧的情况，同时考虑经济因素，在现有设备和施工条件下，进行了一系列的技术创新及优化，形成钢护筒加振动锤结合冲抓钻的预处理技术成果。

开钻前，先采用钢钎进行孔位初探，确定该孔位存在块石后，采取预处理技术步骤如下：首先利用振动锤将两端开口的钢护筒打入至地下块石层底部约1m位置；再采用冲抓钻，抓出钢护筒内的块石及土体；然后再在钢护筒内回填土方，并采用振动锤拔出钢护筒；最后采取回旋钻进行钻孔，按无块石基础进行灌注桩施工。

本预处理的优点如下：

a.采用振动锤打设和拔出钢护筒，可以适应不同深度的块石层，同时对桩周土体及块石层有一定的密实作用，可以有效提高后期钻孔时四周孔壁的稳定性，减少塌孔概率；若原状土形成的泥浆固壁效果差，可以通过改良回填土性能来提高土体造浆固壁能力，达到孔壁稳定的效果。

b.以振动锤的振动作用打设护筒，穿透能力强，遇到块石时，只要体积小于护筒直径，基本可以成功打设；冲抓钻借助抓斗锥头的冲击力破碎块石和土体，因护筒内块石最大体积不大于护筒，且块石为杂乱分散的个体，较大块石只要进行初步破碎，即可由抓斗抓取，具有较强的通用性，若遇到个别不能破碎抓取的，可将冲抓锥改为冲击锥，进行破碎后抓取。

c.对块石层分布范围较大的灌注桩施工工程，不仅可以明显提高工程质量及进度，而且可以明显节约施工成本。

d.采用此预处理技术，若条件许可，可将振动锤改为高频液压振动锤，使用挖掘机提供动力，施工进度和效果更好，施工噪声更小，环保效果更好。

3 施工关键技术

3.1 施工工艺流程

施工工艺流程见图1。

图1 施工工艺流程

3.2 操作要点

3.2.1 钢护筒制作

钢护筒为圆筒状，两端开口，上口作为振动锤夹具夹紧部位，可焊接钢板进行适当加固，并留出2孔，作为钢丝绳的起吊点。钢护筒采用钢板卷制，钢板厚度以保证护筒具备足够的强度和刚度为依据，一般不得小于15mm，若护筒过长，应适当增加钢板厚度；钢护筒直径应大于灌注桩直径约10cm，为灌注桩施工适当留出余地；钢护筒长度按需要穿透的块石层底高程确定，并适当延长约100cm，以保证完全穿过块石区。

3.2.2 振动锤打设钢护筒

钢护筒和振动锤由现场的履带式吊机起吊。

施工顺序：钢护筒立直→振动锤起吊→夹具夹牢钢护筒→钢护筒就位→打设钢护筒。

先按桩孔中心位置进行钢护筒初步就位，确定钢护筒立直并稳定后，放松起吊钢丝绳，吊钩在重力下自动松开，再用履带式吊机起吊振动锤，吊至钢护筒上方，确定正对钢护筒上口后，由振动锤操作人员控制夹具加紧钢护筒。夹牢后，吊起钢护筒，进行钢护筒准确就位于桩孔中心位置，同时通过调整吊机仰角和吊臂长度，确定吊机钢丝绳、钢护筒中心及桩孔中心在同一垂直线后，开启振动锤，并逐步放松履带吊起吊钢丝绳，使钢护筒垂直打入地下，达到设计高程时，停止振动锤振动，松开振动锤夹具，移开振动锤，进行下一步回填施工。

施工过程中，必须控制好钢护筒中心与灌注桩孔位中心偏差及钢护筒垂直度。控制孔位偏差，首先应保证钢护筒就位误差小于规范规定的5cm，其次应保证打设过程中的垂直度。控制钢护筒垂直度，主要在于控制打设过程中的垂直度。因地下土体分布的差异性，造成钢护筒四周受力并不均匀，容易产生倾斜，故必须随时控制好履带吊钢丝绳的松紧度，以确保钢护筒垂直打入，若出现倾斜，轻微时可通过调节履带吊吊机仰角和吊臂长度进行适当修正，严重时可拔高后重打。

3.2.3 冲抓钻施工

冲抓钻施工采用8JZ系自动挂卸冲抓钻进行施工，其工作原理相仿于冲击钻打桩机的升降机具和抓土机抓斗部分的综合运用，利用冲抓锥张开锥瓣向孔底冲击的动能，使锥瓣切入地层。当利用卷扬机通过钢丝绳提升冲抓锥时，切入地层的锥瓣收拢并抓取土，提升抓取了土的冲抓锥，卸去土渣。该设备具有使用范围广、对环境污染少、工效高、结构简单、操作和维修方便等优点。

冲抓钻施工顺序：安装钻机→冲击→抓土提升→挂钩→卸土→下一循环。

冲抓钻操作要点如下：

安装钻机：采用吊机吊起钻机机架至孔口上方，安装卷扬机、自动拖挂器和冲抓锥，将锥头落入钢护筒内，检查钢丝绳是否在护筒中心位置，如不符合，可旋转机架上的校正联杆并调整斜撑，直至钢丝绳居中为止，误差不大于2cm。

冲击：卷扬机吊起锥头离孔底2～3m时，完全松开刹车，使其自由落体进行冲击。冲击到底部后，立即刹住卷筒，不使卷筒反转散开钢丝绳太多。

抓土提升：冲击好后，扳动手柄，使卷筒正转，钢丝绳上升。此时井下锥头即可将叶片闭合完成抓土动作，然后整个锥头上升。如接绳器搁置在开闭机内未启出，说明叶片没有闭合，应重新下锥冲击。

挂钩：锥头提升到孔口以上，碰到自动挂卸器，将挂卸器上导向罩往上顶，挂钩自动进入挂架内，刹住刹车，等待小车卸土。

卸土：待挂钩将锥头挂稳后，将小车拉到锥头下，放松刹车，将土卸到小车内(小车必须在锥头挂牢后才能拉入，以免发生事故)。拉开小车即可重新脱钩冲击，进行下一个循环。小车未离孔口时，不得脱钩。

施工中，若遇到孔内有较大漂石，抓取困难时，可投入片石进行辅助，若仍不能破碎抓取时，可改用冲击锥钻进。

3.2.4 护筒内回填土方及拔出护筒

待确认桩孔内块石处理完成后，可撤出冲抓钻，进行护筒内回填土方，回填土方须采用不含杂物的土体，若原状土造浆固壁能力较差(灌注桩钻孔时)，可在回填土中掺加一定量的黏性土，提高孔内泥浆固壁能力。回填土方可直接倾倒进护筒内，因地下水位较高，一般无须分层夯实。拔出护筒时，在护筒高速振动作用下，孔内和四周土体同时受到了振冲密实，土体密实度可达到中密(或接近中密)，不仅提高了桩周土体的密实度，也极大地提高了灌注桩桩身的摩阻力。

土方回填完成后，可采用振动锤缓慢拔出护筒。