泰山石硬质岩桩基成孔施工技术研究

2021-01-08张俊毅

工程技术研究 2020年23期

张俊毅

（中交路桥华东工程有限公司，上海 201203）

对硬质岩层宜采用冲击钻或人工挖孔，可提高成孔效率。科学合理地组织施工，选择经验丰富、组织能力强的施工队伍，能够提高成孔速度。文章所示项目所在标段小桩号桥梁桩基属于泰山区，是泰山山脉延伸段山体岩石，岩石密度大、坚硬，俗称“花岗岩”“泰山石”。

1 工程概况

1.1 工程位置及规模

山东省济南至泰安高速公路1标段三分部位于泰安市辖内，起讫里程K31+550～K45+050。该区段桥梁桩基孔径分别有φ1.2m、φ1.5m、φ1.6m、φ1.8m、φ2.0m、φ2.2m六种类型，桩长12～37m，其中端承桩为1000根。

1.2 工程地质

该地地层主要由第四系冲积层（Q4al+pl）、卵石层、太古代泰山群闪长岩等组成。太古代泰山群岩性以肉红色、灰白色和灰黑色闪长岩为主，常见花岗岩、石英岩等岩脉侵入岩性，下伏于第四系松散堆积层下。岩面起伏较大，中风化层岩体完整，岩质坚硬（见图1）。

图1 该工程地质纵断面图（单位：m）

2 施工方法的选择

经过施工试验及考虑设计、地质、水文现场环境等因素，确定采用冲击钻和人工挖孔的两种工艺一起施工，以加快施工进度。冲击钻适用于有孤石的砂砾石层、漂石层、岩层，适用性较强，因为是机械成孔，所以对场地存在一定的要求。人工挖孔适用无地下水或有少量地下水，且较密实的土层或风化岩层。在周围存在建筑物的限制情况下，人工挖孔桩使用水磨钻等静态施工方法。

3 施工方法技术要点

3.1 冲击钻施工

（1）场地平整。钻机就位前做到“三通一平”，使用挖机将场地按照方案规划进行平整并碾压，满足钻机、泥浆系统等的场地大小要求。

（2）桩位定位。测量放线工作由测量技术人员完成，桩位测量放样后，先用φ16mm钢筋做四角护桩标志，经复测后，用十字线标明钻孔桩的中心。

（3）护筒埋设。护筒壁厚8mm，直径大于桩径200～400mm、埋深2～4m的圆形钢护筒，上方割300mm×400mm的开口出浆口，护筒顶面比施工面高0.3m。护筒安装采用挖坑埋设法，周围黏土分层夯实。严格按照程序开钻前复测桩位坐标和顶面标高，并填写记录表。

（4）泥浆制备。①泥浆池和沉淀池的布置要科学合理，这样有利于泥浆循环、排渣，且不影响后续施工。②泥浆制备选用黏土或膨润土。③泥浆通过泥浆泵打入孔底，将孔内的钻渣浮悬置换到沉淀池，经过沉淀再流入泥浆池循环使用。④泥浆池四周设置防护围栏。采用标准定型围栏并设置警示牌、夜间警示灯，临近道路设置危险告知牌，禁止非施工人员进入施工现场。⑤泥浆清孔后的指标：相对密度为1.03～1.10，黏度为17～20Pa·s，含砂率＜2%，胶体率＞98%，沉渣厚度≤50mm。⑥泥浆护壁是冲击钻成孔的一个关键点，泥浆含砂率一定要小。随时检查控制泥浆指标，并且护筒内的水头一定要保持，防止塌孔。

（5）钻机就位、钻孔。桩基钻孔在地面以下，钻孔施工属于隐蔽工程，不确定因素较多，因此施工前需制订详细可行的施工方案，还应编制钻孔桩施工作业指导书，从人、机、料、法、环等方面进行施工准备及制订预防措施。施工前人员要做好安全技术交底、泥浆循环系统和材料准备、安全保障措施、质量保证措施，并配置备用发电机。施工中应根据现场地质状况合理选择冲击钻，在钻进过程中确保不发生倾斜和位移，及时检查垂直度并观察设备仪表数据，观察是否有异样情况并及时处理。开始钻进宜慢不宜快，采用“小冲程（2～3m），勤松绳”原则，利用低锤密击的方法，直至钻进超过钻头全高，防止塌孔。钻进过程应连续进行，每钻进2～3m及时校正垂直度。每钻进2m应捞取渣样，地质发生变化时应加密捞取渣样，钻渣的样品应标明地层状况和标高，如实填写钻孔记录表。勤量测钻进深度，严禁超钻代替清孔。终孔以后通知监理一起验收，共同确认终孔的地质和相关指标，符合要求后在钻孔记录中确认终孔标高并签字。

（6）硬质岩的施工措施。根据实际地质和钻孔情况，在进入硬质岩层时，冲击钻钻进速度较慢，可以采取如下措施：采用较高强度、刚度的锤牙，必要时更换锰合金锤牙；加强锤牙完好率检查，及时修复吊锤的锤牙磨损，防止缩颈卡锤；遇到硬岩层时应更换重锤；宜采用“中、大冲程（4～5m），稳进行”的原则，钻头起、落不得过猛或骤然变速，不得打空锤；调整泥浆指标，增大比重，降低含砂率；钻渣粒径应为5～8mm，当粒径较小时，说明泥浆浓度偏小；岩层倾斜时应采用小冲程、低速钻进的方法，此处位置通过回填卵石或片石反复冲击，必要时回填混凝土，待强度达标后反复冲击，直到岩层平整，以防止出现卡钻、孔位倾斜等。

3.2 人工挖孔施工

（1）施工准备。施工前编制《人工挖孔桩专项施工方案》，组织专家论证，按照规定须审查签字。施工中严格按照方案执行操作，按照《爆破专项施工方案》施工，以及按照相关规定使用火工品。保持场地平整，做好地表排水。规划施工顺序，相邻两个孔不得同时开挖，需按照跳孔开挖原则进行。开挖前先浇筑C30桩基护圈，高出原地面不少于30cm，测量员要复测桩位，采用吊锤法检查成孔垂直度，钢尺检查孔径不得小于设计值，如有偏差应随时纠正。在护圈上方安装提升架，提升架配重应满足要求，慢速卷扬机各构配件满足安全要求，安全保障措施及物资到位，如个人防护用品、通风设备到位，防水带罩灯泡照明，使用安全电压、防水绝缘电缆、防除尘设备、有毒有害气体检测仪、氧气瓶等。

（2）钻爆法和水磨钻法。施工地段基岩裸露，岩层坚硬，取芯强度达100MPa以上，适合人工挖孔桩施工作业。人工挖孔桩主要运用钻爆法和水磨钻法两种施工工艺。当桩孔在房屋等构筑物安全距离以内时采用钻爆法；在受到周围建筑物限制的情况下，采用水磨钻法施工。开挖自上而下，出渣先中间后周边逐层向下，岩石不完整时应每开挖一级就浇筑桩基同等级混凝土护壁，严禁只挖不浇筑护壁冒险作业。如地下有渗水情况，应在孔内设集水坑，并及时排出孔外。①钻爆法：采用手持风钻人工钻孔，必须按照浅眼松动爆破方法，严格程序和控制因素，以松动为主，严格控制炸药量，避免造成塌孔现象。按照掏槽眼→辅助眼→周边眼的顺序起爆。掏槽眼装药量为炮眼深度的1/2，周边眼为1/3。炸药选用3cm乳化炸药，爆破必须采用数字电雷管引爆，或者选用性能更高的导破管，毫秒延迟爆破。爆破后通风排烟15min，并检查是否有盲炮，然后解除警戒，进行下道工序施工。②水磨钻法：采用水磨钻机，沿桩基圆周中心线打孔取芯（孔深约0.6m，孔径约16cm，并保证孔直径不小于设计大小），孔孔连成环，岩芯和桩壁会自然分开，构成临空面，然后在饼形岩芯上钻均匀排列小孔，在小孔内插入钢楔子，捶击钢楔使其挤压岩石。当挤压力大于极限抗拉力和极限抗剪切力之和时，岩石沿锤击面被拉裂并从底部发生剪切破裂，形成分块，利用提升架将岩石块提出孔外。人工挖孔施工机具简单，场地需求较小，无泥浆排出。钻爆法爆破对周围结构物有一定影响，而水磨钻法可保证周边房屋及周围其他结构物的稳定性，防止损坏开裂破坏，并且对周围岩体及护壁扰动小，质量可靠；但是水磨钻法比钻爆法耗费费用要高、进度较慢。

（3）硬质岩的施工措施。①钻爆法。对于不同岩质，炮眼深度也不同，软岩炮眼深度不宜超过0.8m，硬质岩不宜超过0.5m，要根据爆破效果调整辅助眼的数量。在掏槽眼打孔，应向孔中心倾斜，形成锥形；周边眼在离桩周边线一定距离，垂直打入，孔眼应对称布置形成等边三角形，这样可提高开挖功效。②水磨钻法。为加快施工效率可采用水磨钻+浅眼松动的预裂方法。通过岩芯的中心取芯样，形成临空面，然后在残留断面层布置适当炮眼，采用小眼震动破裂，使其分割成块状。