复杂地质条件下大直径长桩冲击钻机成孔质量的控制
摘要:介绍了广州市地铁四号线车站1标高架车站和区间桩基础———冲孔灌注桩施工中遇到的施工难题及其解决方法:利用超前钻探手段,根据不同地层条件,采取相应的技术措施,控制孔壁坍塌、缩颈、桩孔偏斜以及减少在冲孔过程中常遇的卡钻、埋钻等问题。（参考《www.jianzhu518.com》）
关键词:复杂地质 大直径长桩 超前钻探 冲击钻机成孔
1 工程概况
1.1 设计
广州市地铁四号线车站1标包括石站和海傍站高架车站站台及站房,车站站台及区间柱间距为25m,车站轨道梁采用预制后张预应力混凝土箱形梁,除站厅及部分设备与管理用房外均架空。采用嵌岩端承桩基础,桩径分1.2m、1.5m两种,站台及区间墩采用双柱,每柱下四桩承台,站房部分多为两桩承台,其中
1.2m桩径约100根,1.5m桩径约80根,多数桩长超过50m,最大桩长80m。
1.2 工程地质
本场地属于丘陵地貌,地表水系发育,河涌、沟塘遍布,根据地质初勘资料,站场地内由上到下的各地层岩性为:人工填土层 土层厚0.50~9.70m,土层平均厚度1.48m。
海陆交互相沉积淤泥层 饱和,流塑,含有机质、细砂、贝壳碎片等,土层厚1.20~7.50m,土层平均厚度3.41m。
海陆交互相沉积中粗砂层 饱和,松散状,层厚1.20~3.50m,平均厚度2.42m。
混合花岗岩类残积土层 土性为砂质黏性土,具有遇水软化、崩解特点。层厚1.30~21.50m,平均厚度7.83m。
混合花岗岩全风化带 风化剧烈,裂隙发育,岩芯呈坚硬土柱状,遇水易软化、崩解。层厚1.80~18.00m,平均厚度6.88m。
混合花岗岩强风化带 岩芯呈半岩半土状、碎块状,岩石风化不均,多夹中风化岩块,可见球形风化现象。层厚1.30~39.20m,平均厚度10.97m。
混合花岗岩中风化带 岩石组织结构部分破坏,裂隙较发育,可见多组裂隙,倾角>60°,层厚0.50~18.00m,平均厚度5.09m。
1.3 工程地质评价
本段地貌属珠江三角洲冲积平原,砂层分布较广,厚度较大,下伏基岩为白垩系碎屑岩,地下水补给来源较充沛,地下水丰富,属于岩土工程条件复杂地段,存在如下影响:①软土:软土强度低,易流变的特点,钻(冲)孔桩施工时易产生缩颈问题。②砂土:本区砂土多为饱和、松散~中密,钻(冲)孔桩施工时易发生塌孔。③软弱夹层:白垩系沉积岩中软弱夹层较为发育,存在大量透镜体,导致岩质不均,岩石强度和岩面起伏变化大。
2 施工中的超前地质钻探
根据设计要求,桩的终孔原则:轨道梁下的桩基可进入连续中风化岩层深度>3D(D:桩直径),或进入连续微风化1.5D,或进入中风化加微风化的深度>3D;且桩下中风化层或微风化层岩层厚度≥3D。设计虽然给出了详细的地质勘察报告,但由于地质条件较复杂,桩位也有调整,所以不能满足桩成孔的质量要求,特别是桩穿过的详细土层情况和桩端持力层高程不能准确判断,为此,决定采用超前钻探手段,准确判定桩位地质状况。
2.1 超前钻探桩位的选取
地质资料显示,基岩面起伏较大,软弱夹层多,根据文献[1]的规定:对于端承桩和嵌岩桩,当相邻两个勘探点揭露出的层面坡度>10%时,应根据具体工程条件适当加密勘探点;复杂地质条件下的柱下单桩基础应按桩列线布置勘探点,并宜每桩设一勘探点;嵌岩桩钻孔应深入持力岩层≥3~5倍桩径。文献[2]对嵌岩桩,应钻入预计嵌岩面以下3D~5D,并穿过溶洞、破碎带,到达稳定地层。
为此,根据设计桩位情况,选取每个墩柱的对角桩、站房双柱承台先施工桩作为勘探点,使点位分布较均匀,保证钻探资料有较广泛的参考意义。扣除详勘资料中已有的钻孔,共选取了36个勘探点,探孔深度参考详勘资料,在保证设计嵌岩深度的前提下,继续向下钻进≥5D。
2.2 钻探设备的选择
选择广东探矿厂生产的GY-1A型油压回转地质钻机,配备91mm单管金刚石钻具,以便能够进行岩芯钻探并进行取样。为加快施工进度,两台钻机同步进行施工。
2.3 超前钻探的实施
勘探点选定后,为减少对桩基施工的影响,各探孔钻探顺序依据桩基施工顺序进行。为保证钻探能够正确反映实际的地质状况,给桩基成孔提供可靠的参考依据,超前钻探实施过程中注意做到以下几点:
1)勘探点定位要准确,全部位于桩位中心,孔口高程也要进行测量,以便桩基施工时对照参考,同时与详勘资料比较,为相邻桩位提供参考。
2)根据设计要求,桩端以下3D为完整的岩层,钻探过程中及时检查岩样与进尺情况,保证闭孔时的总孔深和入岩长度,以利于冲孔桩施工时作为终孔的重要参考资料。
3)为准确判断下部各土层分层厚度,钻进深度和岩土分层深度的量测精度,应≥±5cm;严格控制非连续取芯钻进的进尺,使分层精度符合要求。
4)为保证岩(土)样的采集率,采取短进尺的方式,约1m左右提取一次岩(土)样,岩芯钻探的岩芯采取率,对完整和较完整岩体确保不低于80%,较破碎和破碎岩体≥65%。
5)根据现场钻探进尺情况,提前请专业地质监理到现场确定后闭孔、移机。
2.4 钻探资料的记录及使用
为使资料记录真实及时,安排专人负责按钻进回次逐段填写,以免事后追记产生错误。钻探现场岩(土)样的判断采用肉眼鉴别和手触方法。岩土芯样用专门制作的木盒保存,各地层岩性按照由上到下的顺序贴好标签并用塑料袋封存,标签上注明钻孔标号、岩性、分层厚度、层顶高程,简略的描述等。岩(土)样保存时间至工程验收完毕为止,同时拍摄岩芯、土芯彩照纳入勘察资料。钻探结果采用钻孔野外柱状图表示,按照实际勘察结果编列成册。
2.5 现场实际工程地质评价
通过现场超前钻探,结合详勘地质资料,评价本施工场区为:明塘发育,淤泥层和砂层分布较广,厚度较大,浅部岩体风化强烈,风化程度很不均匀,场区断裂构造较为发育,风化深浅受断裂构造影响较明显,局部地段中风化岩面局部陡变,其中风化残积砂质黏性土层部分地段较发育,强风化岩中夹中风化岩块、球形风化等。
本施工场地属于岩土工程条件复杂地段,含有软土、砂层、多分布透镜体等,对桩成孔存在如下的影响:
1)软土 软土强度低,易流变,钻(冲)孔桩施工时易产生缩颈或坍塌问题。
2)砂土 基坑内砂层呈厚层状连续分布,密实度差,振动易产生液化,稳定性差,钻(冲)孔桩施工时易发生塌孔。
3)软弱夹层 土层分布较为复杂,多分布透镜体,岩层面风化程度参差不齐,成孔过程中要注重掌握土层与地下岩层状态。
5)岩面起伏 中风化岩面局部陡变,强风化岩中夹中风化岩块、球形风化等不利因素较多,需注意控制桩孔垂直度。
3 成孔过程的质量控制和检测
3·1 成孔质量的控制
成孔过程中,几乎所有钻孔都要穿过软土、砂土、软弱夹层等,入岩时,岩层面起伏、岩性等也不同,如控制得不好,则可能会发生塌孔、缩颈、桩孔偏斜及桩端达不到设计持力层要求等,因此,在成孔过程中,根据地质资料特别是超前钻探资料对不同土层的高程、土层情况进行对比,根据不同地质条件和土层,随时调整泥浆的相对密度及冲程,在成孔质量控制方面做好下述几项工作。
1)软土及淤泥质土
淤泥质等软弱土层中成孔,成孔速度过快会造成桩孔不规则。淤泥层较薄时,可向孔内投入大量黏土和20cm以下的碎石,并采用1m左右小冲程反复冲击,使黏土和碎石挤入孔壁,以增加孔壁稳定性;当淤泥层较厚时,采用钢护筒支护孔壁,先压入钢护筒后冲孔,以防止坍孔和缩孔。泥浆相对密度控制在1.35~1.50之间,利用向孔内投入黏土或加入清水来调整泥浆的相对密度。
在软弱土层中成孔容易出现缩颈,成孔时,应加大泵量,在成孔一段时间内,孔壁形成泥皮,则孔壁不会渗水,亦不会引起膨胀。另外,在灌注混凝土或下钢筋笼前,可采用上下反复扫孔的办法,以达到设计的桩孔径。
2)黏土或粉质黏土
在砂质或粉质黏土中成孔,小冲程1~2m,泵入清水或稀泥浆,经常清除钻头上的泥块。泥浆相对密度控制在1.3~1.4之间,对黏土层、亚黏土层泥浆相对密度宜控制在1.2~1.3之间。有地下水时,应密切注意是否夹有不透水层。当下层的承压地下水的水头比下层的地下水位高时,必须能保持足够的泥水压力。
3)砂及砂土层
对于砂、砂砾等土层,若成孔速度过快,会产生桩的径向摆动,而发生孔壁坍塌现象。在砂质土中成孔,一般采用小冲程1~2m,泥浆相对密度控制在1.3~1.4之间,穿过地下水时,必须使护筒内保持1.0~1.5m的水头高度,特别是地下水有压力时,还要能保持足够的泥水压力。
在砂层或粉质黏土层发生坍孔时,可用碎石(小砾石)夹黏土回填到坍孔位置以上,并提高泥浆浓度或改善泥浆性能,加高孔内水位重新冲孔,属深层坍孔时, 可用在坍孔位置灌注低标号水下混凝土加固孔壁的方法处理。