李保紅，歐陽昊

(1.湖北省地質(zhì)局 武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，湖北 武漢 430051；2.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430034)

2018年1月湖北地質(zhì)工程有限公司與華隴加納有限公司(甘肅建投)簽訂了加納議會大廈基坑支護樁墻施工項目合同，經(jīng)實地考察和對各類樁機設(shè)備施工特點的比較研究，提出下列問題：場地工程地質(zhì)條件總體良好，但鄰近建筑物基礎(chǔ)埋深僅2.5 m，為筏板基礎(chǔ)類型，基坑開挖勢必對鄰近建筑物基礎(chǔ)造成影響；施工場地狹窄，大型樁機設(shè)備無法抵近作業(yè)；沖擊樁機設(shè)備施鉆，入巖效果良好，但其成孔工藝無可避免將對鄰近建筑物產(chǎn)生變形影響；回轉(zhuǎn)鉆機裝備如旋挖樁機成孔效率高，但碎巖能力不強，入巖效果不理想。針對支護樁墻設(shè)計方案和場地特殊條件，提出如下合理化建議：①鑒于鋼管支護樁墻單樁口徑為300 mm,與加納水文水井機井施鉆口徑相當(250 mm)，為保證嵌巖樁入巖深度和效果，最大程度提升項目施工效率，潛孔錘施工工藝成為首選；②水文水井鉆機+潛孔錘成孔運用到樁基工程雖然沒有前人應(yīng)用和成熟經(jīng)驗可借鑒，但原理相同、路徑相似，施工操作駕輕就熟；③現(xiàn)有水文水井施工裝備經(jīng)過改進和加工，完全有能力完成基坑支護樁墻任務(wù)。湖北地質(zhì)工程有限公司在項目正式實施過程中，采用水文水井鉆機+空氣潛孔錘施工工藝+技術(shù)改進創(chuàng)新，提前24天圓滿完成了支護樁墻施工任務(wù)，為業(yè)主單位節(jié)省了大量資金投入，為總包單位爭取了主體工程施工時間，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。

1 工程概況

1.1 項目概況

加納議會擬新建一幢12層塔樓，用以緩解議會議員們的住宿難題，塔樓地址位于加納首都阿克拉市議會大院內(nèi)，西面毗鄰11層議會大廈JOB600，南面與一幢三層休息室相鄰，建筑面積785 m2。該塔樓底部擬建兩層地下停車場，開挖面積700 m2，深度9 m，開挖紅線距離11層議會大廈JOB600只有2 m，距離三層休息室只有1 m，為確保西、南兩側(cè)現(xiàn)有建筑物基礎(chǔ)安全，須設(shè)置鋼管樁墻支擋工程，按照項目咨詢單位關(guān)于基坑支護樁的設(shè)計方案，擬在西部毗鄰議會大廈和南面休息室分別施工一面U型支護樁墻，如圖1所示。其中，西面支護墻體由83根鋼管支護樁連接而成，南面墻體由68根同規(guī)格鋼管樁構(gòu)成。鋼管支護樁設(shè)計深度13.5m，要求樁體末端進入中風(fēng)化—微風(fēng)化花崗片麻巖2～2.5 m，支護樁所用無縫鋼管直徑300 mm，內(nèi)插規(guī)格為UKB203-133-30的等長20#工字鋼，鋼管與工字鋼間隙澆筑水泥砂漿成樁，樁體中心間距400 mm,如圖2所示。

圖1 基坑支護樁墻設(shè)計圖

圖2 基坑支護樁墻剖面圖

1.2 地質(zhì)概況

依據(jù)加納方提供的初勘資料及實鉆工作揭露場地地質(zhì)情況如下：

(1)Qml粘性土，黃褐色，埋藏深度0～5 m，稍濕，可塑狀，土體結(jié)構(gòu)較為致密，主要由粘性土夾少量碎石、塊石組成，成分以石英巖為主，呈棱角狀。碎塊石含量約5%，塊徑2～5 cm。

(2)Q4m粘性土，灰褐色，埋藏深度5～8 m，稍濕，可塑狀，土體結(jié)構(gòu)均勻，含少量鐵錳質(zhì)氧化物，局部夾有少量碎石顆粒，干強度中等，韌性中等，刀切面光滑，手搓成條。

(3)Qel海陸交互相沉積粘土，灰褐—黃褐色，埋藏8～10 m，稍濕，硬塑狀，土體結(jié)構(gòu)不均勻，母巖成分以花崗片麻巖為主，結(jié)構(gòu)已分解，含少量鐵錳質(zhì)氧化物，局部夾母巖碎塊，干強度高，韌性中等。

(4)強風(fēng)化—中風(fēng)化片麻巖，深灰色，埋藏10～15 m，中厚層狀結(jié)構(gòu)，片麻構(gòu)造，硅質(zhì)膠結(jié)，主要礦物為石英、長石。

1.3 氣象、水文地質(zhì)條件

場地位于加納阿克瓦皮丘陵地帶，在首都阿克拉中心城區(qū)，南面距大西洋海岸線直線距離約400 m。屬熱帶雨林氣候，氣候干熱，分為雨季和旱季，5—10月為雨季，11—4月為旱季。3—4月氣溫最高，為23～35 ℃，最高可達43 ℃；8—9月較為涼爽，為22～27 ℃，最低氣溫15 ℃左右。西南部平均年降雨量1 200～1 800 mm，北部地區(qū)為600～1 200 mm。

首都阿克拉一帶，年平均降雨量為731 mm，降雨量最多為6月(180 mm)和10月(66 mm)；11—2月和7月中旬—9月為兩個旱季。日平均氣溫在24.2～27.9 ℃，月平均氣溫最高為3月(32 ℃)，月平均氣溫最低為8月(21.3 ℃)。

項目施工期間正值加納旱季，地下水補給條件差，埋藏水位深，加之場地在構(gòu)造單元上劃分屬于泛非活動帶，以片麻巖和上地殼巖石為主，地下水以全—中風(fēng)化裂隙水為主，水量普遍不大，為樁墻施工創(chuàng)造了有利條件。

2 鉆進施工工藝

2.1 施工工藝的選擇

原基坑支護樁設(shè)計擬采用800 mm鉆孔灌注樁，但受到施工場地和設(shè)備能力的限制，無法實現(xiàn)。擬施工西面支護樁軸線距議會大廈基礎(chǔ)僅1 800 mm，南面支護樁軸線距休息室基礎(chǔ)僅1 500 mm，樁基施工設(shè)備無法貼近施工；另外，設(shè)計要求支護樁樁體末端進入中風(fēng)化—微風(fēng)化花崗片麻巖2～2.5 m，首選采用沖擊鉆進工藝，但該鉆進方法會對鄰近建筑物產(chǎn)生破壞性影響，可能造成無可估量的損失。經(jīng)參考國內(nèi)類似工程施工案例[1-3]，并與業(yè)主單位、項目總包和設(shè)計單位充分商榷后，擬采用車載水文水井鉆機，利用氣動潛孔錘工藝進行施工，該工藝以壓縮空氣為動力，產(chǎn)生沖擊功可以直接傳遞給鉆頭，再通過鉆機和鉆桿的回轉(zhuǎn)驅(qū)動，形成對孔底巖石的脈動破碎能力，同時利用潛孔錘排出的壓縮空氣，將破碎后的巖石顆粒以氣舉懸浮形式排出鉆孔，清除孔底沉渣。該方法能克服場地條件的限制，鉆機搬遷方便，對原建筑物不會產(chǎn)生破壞性影響，與沖擊鉆進工藝相比，能極大提升碎巖功效，顯著提高成孔效率。

2.2 主要機械設(shè)備

空氣潛孔錘鉆孔灌注樁施工選用SPC-300D型車載式水文水井回旋鉆機，配備30 m3英格索蘭空壓機作為空氣循環(huán)動力，采用英格索蘭DHD360和DHD380型氣動潛孔錘分2-3級沖鉆成孔。采用的主要機械設(shè)備如表1所示。

表1 基坑支護樁墻施工設(shè)備

2.3 空氣潛孔錘鉆孔灌注樁施工工藝

空氣潛孔錘鉆孔灌注樁施工工藝流程包括：場地平整→樁位放線→鉆機就位→孔位校正→下入工作套管→一級造孔→二級造孔→終孔驗收→下入鋼管→下入風(fēng)管→氣舉清除孔底沉渣和積水→下入工字鋼梁→灌注水泥砂漿→振動搗實→成品養(yǎng)護。

(1)鉆機就位并進行孔位校正。啟動空氣壓縮機，當氣壓達到3 MPa壓力時，開動鉆機下入臨時工作套管，進行空氣潛孔錘第一級開孔鉆進。為保證垂直度防止偏孔，開孔時應(yīng)采取慢速回轉(zhuǎn)低頻沖擊，防止設(shè)備跑偏移位。

(2)沖鉆過程中采用勻速慢進，遇回轉(zhuǎn)阻力增大時潛孔錘向上提升，提升距離約0.30～0.50 m，再次旋轉(zhuǎn)振動沖擊進尺，孔深鉆至5～8 m，提升鉆桿排除鉆渣一次，孔深鉆至10 m進行第二次減壓排渣，以此類推，直到鉆進孔深達到設(shè)計要求(13.5 m)。

(3)鉆進過程中禁止移動鉆機，保持機架的穩(wěn)定性和成孔的垂直度。發(fā)現(xiàn)偏斜應(yīng)立即停止鉆進，采取措施進行糾偏。對于變層和易發(fā)生偏斜的層位，應(yīng)采用低錘輕擊的辦法通過，以保持孔壁完整良好。

(4)二級潛孔錘擴孔鉆進達到預(yù)定深度后，起拔鉆具，吊放鋼套管至孔底，下入風(fēng)管至套管底部，開啟空壓機，利用高壓氣舉方式將孔底沉渣和積水排出套管，確?？椎赘蓛簟Ｈ缬鲢@孔承壓水位較高，可預(yù)先投入1.0～1.5 m混凝土進行孔底滲水封堵，隨即下入工字鋼梁，必要時配置合適比例的扶正器以確保鋼梁居中。工字鋼梁下入并檢查無誤后，立即進行水泥砂漿灌注，灌注過程中采用振動棒振動鋼管和工字鋼，以振動傳導(dǎo)方式便于砂漿灌入和搗實，如照片1所示。

照片1 支護鋼管樁墻鉆孔施工和澆筑

(5)剛澆筑完的水泥砂漿灌注樁，不宜立即在其附近沖擊相鄰樁孔，宜采取間隔施工，間隔距離應(yīng)在1～2 m，防止因潛孔錘鉆進震動或主體側(cè)向擠壓而造成樁體變形或內(nèi)部砂漿強度降低，影響樁體質(zhì)量。

2.4 注意事項

(1)鉆進過程中應(yīng)盡量做到不停頓(加鉆桿及更換鉆頭除外)，如必須停頓時，應(yīng)及時將鉆頭提離孔底(至少高于孔底1.5 m)，以免鉆渣沉淀而埋鉆。

(2)鉆進過程中，當發(fā)現(xiàn)塌孔、偏孔、斜孔時，應(yīng)及時處理。

(3)灌注過程中如發(fā)生堵管或砂漿灌注量明顯小于理論方量，應(yīng)及時分析原因，采取具體措施(如采用振管法)及時恢復(fù)灌注，如確實不能續(xù)灌應(yīng)立即拔出鋼管內(nèi)工字鋼梁，清除已灌砂漿，然后再按規(guī)范要求進行灌注。

(4)不宜在剛澆筑完混凝土的灌注樁附近立即施工樁孔，而應(yīng)間隔距離1～2 m外施工，以防止?jié)摽族N鉆進震動或主體側(cè)向擠壓而造成樁體變形或內(nèi)部水泥砂漿強度降低，影響樁體質(zhì)量。如照片2所示，通過間隔跳鉆方式完成的基坑支護鋼管樁墻。

照片2 完成的基坑支護鋼管樁墻

3 施工中遇到的突出問題及處理措施

潛孔錘鉆進施工過程中，遇到孔斜超標、鋼管下入困難、鉆屑上返困難及局部地區(qū)孔壁失穩(wěn)等問題，項目部人員查閱了相關(guān)文獻[4-7]，結(jié)合現(xiàn)場條件，創(chuàng)新性地提出了對應(yīng)的處理措施，有效解決了這些問題。

3.1 潛孔錘擴孔鉆進產(chǎn)生孔斜，導(dǎo)致鋼管下入困難

鉆孔施工完成后，在鋼管下入過程中，孔斜問題凸顯，個別鉆孔鋼管以螺旋旋轉(zhuǎn)方式能夠勉強下入到設(shè)計孔深，大部分鉆孔鋼管下入不到位，甚至高出地面2～3 m，需提拔鋼管，待鉆機重新就位后擴孔，既浪費了大量人力和時間成本，又嚴重影響了施工進度和效率。

在鉆孔施工過程中，采用Φ165 mm潛孔錘開孔，然后分別用Φ250 mm和Φ315 mm潛孔錘進行兩次擴孔，這兩種擴孔方式實際上是一種無導(dǎo)向性的疊加擴孔，水平方向能夠滿足甚至>Φ315 mm口徑，而垂直方向上因同心度無法滿足要求，甚至達不到Φ300 mm口徑，造成鉆孔垂直度有較大偏差，鋼管無法正常嵌入。

為保證兩次擴孔鉆進的同心度，在Φ250 mm和Φ315 mm錘頭底部分別加工了Φ165 mm和Φ250 mm同心導(dǎo)向管，確保了潛孔錘擴孔鉆進的同心度和垂直度，解決了擴孔造成的孔斜問題。在施工過程中發(fā)現(xiàn)，焊接加工的Φ165 mm和Φ250 mm導(dǎo)向管易被錘擊打扁或脫落，在孔內(nèi)造成次生事故。針對此類情況，采取了優(yōu)化處置，利用氣割對錘頭進行了環(huán)形切槽，導(dǎo)向管采用內(nèi)鑲方式焊接加固，同時對導(dǎo)向管材料進行了優(yōu)選，采用了廢棄的載重汽車大梁后橋彈簧鋼板，經(jīng)烘爐彎曲加工而成，有效提高了導(dǎo)向管的強度，可靠性大大增強。

采用經(jīng)改進的同心導(dǎo)向管施工后的鉆孔，其垂直度明顯改善，鋼管一次下入成功率顯著提升，有效解決了鋼管下入困難的問題。

3.2 孔內(nèi)鉆屑上返困難，孔底沉渣過厚

在潛孔錘分級擴孔過程中，隨著鉆孔孔徑增大、深度增加，鉆桿與孔壁之間的環(huán)狀間隙空間逐級增大，作為循環(huán)介質(zhì)的空氣在單位體積內(nèi)壓力逐級變小，孔內(nèi)上返風(fēng)速不足，巖屑攜帶能力明顯減弱，存在巖屑重復(fù)破碎，上返粒徑變小，孔底沉渣過厚，鉆探進尺嚴重緩慢的現(xiàn)象。

項目部針對現(xiàn)場情況和既有條件，利用現(xiàn)有的Φ165 mm(內(nèi)徑150 mm)高強度PVC井管穿過Φ89 mm鉆桿，在鉆桿上下部分別加工焊接兩個托盤夾持固定PVC井管，并保證其同心度和垂直度，如照片3所示。使用經(jīng)過改造后的鉆桿，增大了鉆桿直徑，減小了環(huán)狀間隙，有效提升了巖屑攜帶能力，同時鉆桿重量變化不大，對工人起下鉆的勞動強度不造成影響。同時，對原鉆桿未造成變形、破壞，加工、拆卸和恢復(fù)鉆桿原貌簡單方便。

照片3 改造后的鉆桿

3.3 局部欠穩(wěn)定地層孔內(nèi)支護問題

場地地質(zhì)條件基本良好，上部開挖1.8～2.0 m后，土體結(jié)構(gòu)依然堅硬致密，大部分鉆孔僅在孔口安置孔口管，無需套管支護。但西部毗鄰JOB600議會大廈場地情況特殊，施工過程中發(fā)現(xiàn)場地曾被人工開挖建造過一個8 m×4 m×3 m的地下混凝土儲水池，周邊均為人工回填的建筑垃圾和雜填土，潛孔錘鉆進過程中，0～5 m深度土層穩(wěn)定性差，掉渣掉塊嚴重，無完整孔壁，甚至出現(xiàn)孔內(nèi)無返風(fēng)返渣現(xiàn)象。

為解決這一問題，現(xiàn)場采用3 mm薄鋼板自制了Φ350 mm卷鐵皮工作套管，同時加工了配套的Φ380 mm擴孔鉆具，并采取了分段分次開鉆擴孔的施工工藝。

上部(0～7 m段)欠穩(wěn)定地層三次擴孔：

(1)開孔。采用Φ165 mm空氣循環(huán)潛孔錘鉆進，控制風(fēng)量并自然配重鉆進，保證鉆進效率和定位效果，確保上部回填土層鉆孔垂直度，鉆至片麻巖強風(fēng)化層(7.00 m左右)。

(2)一次擴孔。原采用焊接有165 mm導(dǎo)向管的Φ250 mm空氣循環(huán)潛孔錘鉆進，但因回填建筑垃圾完整性差，內(nèi)部孔隙發(fā)育疏松，鉆進過程中受風(fēng)力干擾性強，出現(xiàn)孔壁垮塌、漏風(fēng)跑氣，最終采用以泥漿循環(huán)為主的Φ250 mm/Φ165 mm梯級葉片刮刀鉆頭鉆進。

(3)二次擴孔。采用Φ311 mm牙輪鉆頭+鉆鋌組合鉆進，目的是為了提高鉆孔垂直度，增加對上部雜填土的擠壓和破碎效果，提高擴孔鉆進效率。

(4)三次擴孔。采用Φ380 mm/Φ310 mm擴孔鉆具(如照片4所示)+鉆鋌組合鉆進，保證鉆孔同心度、垂直度的同時確保擴孔效果。擴孔鉆進至預(yù)定強風(fēng)化層深度5～7 m，提鉆下入Φ350 mm卷皮鋼套管。

照片4 Φ380 mm擴孔鉆具

下部(7～13.5 m段)穩(wěn)定堅硬地層二次擴孔：

(1)開孔。采用Φ165 mm空氣循環(huán)潛孔錘鉆進，控制風(fēng)量并自然配重鉆進，保證鉆進效率和定位效果，鉆至片麻巖微風(fēng)化層(13.5 m左右)。

(2)一次擴孔。采用空氣循環(huán)潛孔錘擴孔鉆進，下入焊接有160 mm導(dǎo)向管的Φ250 mm潛孔錘鉆進，直至鉆進到預(yù)設(shè)孔深13.5 m。

(3)二次擴孔。下入焊接有245 mm導(dǎo)向管的Φ315 mm潛孔錘鉆進，直到鉆進孔深達到設(shè)計要求。

該工藝方法存在的不足之處：一是采用的鉆探技法較多，提下鉆頻次較高，勞動強度大；二是雜填土成分復(fù)雜，均勻性差，擴孔過程鉆機振動劇烈，易導(dǎo)致孔位偏移和垂直度降低；三是雜填土本性疏松，孔隙度大，泥漿漏失嚴重。針對上述困難和問題，采用定向靜錘、吊打吊擴的方式解決了鉆孔偏位、振動過大的問題；因地制宜，挖取場地“螞蟻山”(非洲螞蟻將地下粘性較好的粘土搬運至地面，形成2～5 m高的棲息地)，解決了泥漿材料短缺和孔內(nèi)漏失封堵等問題。

4 結(jié)論

(1)隨著加納經(jīng)濟社會發(fā)展，高層建筑深基坑支護工程和應(yīng)用技術(shù)將逐步普及，針對首都阿克拉地區(qū)全—中風(fēng)化基巖地層埋藏較厚的巖土體結(jié)構(gòu)和特點，以潛孔錘高質(zhì)效施工為代表的鉆探工藝必將成為基坑支護樁成孔鉆探技術(shù)首選，大口徑潛孔錘鉆探技術(shù)將以其入巖效率高、孔底沉渣少等優(yōu)勢和特點成為鑲嵌式鉆孔灌注樁主流。

(2)新時代鉆探工作需要掌握基礎(chǔ)性巖土工程知識和積累大量的現(xiàn)場施工經(jīng)驗，以生產(chǎn)實踐中出現(xiàn)的困難和問題為導(dǎo)向，認真研判原因，制訂處置措施，優(yōu)化設(shè)計方案，付諸實踐檢驗，善于在生產(chǎn)實踐中提煉和總結(jié)新工藝、新工法，不斷研究施鉆條件，改進施鉆技藝，達到提高質(zhì)效的目的。

(3)在非洲基礎(chǔ)工業(yè)薄弱、物質(zhì)材料匱乏、交通物流不便的條件下，要充分發(fā)揮專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢和發(fā)揚地質(zhì)人“四特別”精神，集思廣益創(chuàng)造性地開展巖土工程掘進工作。同時加強與國內(nèi)探礦機械生產(chǎn)單位和科研院所的密切聯(lián)系，在廣袤的非洲大地上大膽引進國產(chǎn)高精專成套裝備和技術(shù)，以科技創(chuàng)新引領(lǐng)海外工程的高質(zhì)量發(fā)展。

(4)本項目雖然順利完成，但還存在一些問題和不足，需要不斷引進、消化和吸收。一是國內(nèi)外先進鉆探技術(shù)和裝備在非洲地區(qū)還沒有被充分引進，如擴孔潛孔錘應(yīng)用、雙壁鉆桿和反循環(huán)潛孔錘應(yīng)用等在非洲大陸水文水井和樁基工程中尚未被廣泛推廣；二是大口徑組合潛孔錘鉆具的碎巖功效、成孔技術(shù)在國內(nèi)外地災(zāi)防治治理工程中未被充分發(fā)揮和應(yīng)用，大多數(shù)滑坡抗滑樁依然采用施工危險性大、風(fēng)險性高、不確定因素多的人工挖孔樁，不具備高質(zhì)量發(fā)展要求；三是空壓機并聯(lián)重組或大功率空壓機的研發(fā)是未來潛孔錘施工技藝不斷提升的迫切需求。