嵌巖樁樁端超前鉆進注漿系統及其施工技術

周嘉林

（北京市地質工程公司，北京 100143）

0 引言

樁基工程設計中經常出現要求樁端進入中風化、微風化甚至新鮮巖體設定深度的情況，而受鉆進能力限制，實際施工過程中，鉆機施工至目標巖層界面時，鉆進效率急劇下降，個別情況還會出現無法鉆至設計深度的現象，致使施工進度減慢、施工造價增加，甚至因基礎樁未能施工到設計深度而產生樁體承載力無法達到設計要求的現象。不僅制約了基礎樁設計的發展，也嚴重制約了巖土施工企業在類似嵌巖樁工程投標及施工過程中的主動性。

樁端超前鉆進注漿系統及其施工方法是一種基礎樁施工領域中解決嵌巖樁樁端入巖困難的一種備選技術。常規嵌巖樁實施由于受到設備鉆進能力限制會影響施工進度、成本高且可控性差，成樁質量不能得到有效地保障。因此，本文描述的一種樁端超前鉆進注漿系統及其施工技術，是可以解決以上問題又能實現承載力相當于入巖水平的樁端處理的系統，可為今后嵌巖樁設計、施工提供一定的選擇空間，豐富了設計、施工方法。

1 嵌巖樁設計施工與問題

1.1 嵌巖樁設計、施工現狀

對于民用建筑工程，嵌巖樁單樁承載力極限值主要通過靜載荷試驗結合《建筑樁基技術規范》（JGJ94-2008）、《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011） 計算進行確定。從公式（1）可知，嵌巖樁極限承載力主要由土層段側阻和嵌巖段綜合端阻提供，在樁徑及樁端巖層確定的情況下，嵌巖段綜合端阻只與端阻綜合系數有關，而樁端綜合系數又與嵌巖深徑比有關，見表1。

式中：Quk、Qrk為分別為土的總極限側阻力標準值、嵌巖段總極限阻力標準值；Qsik為樁周第i層土的極限側阻力標準值；Li、Ap為樁周土層段長度及樁端面積；Frk為巖石飽和單軸抗壓強度標準值；為樁嵌巖段側阻和端阻綜合系數。

表1 嵌巖段側阻和端阻綜合系數Tab.1 Comprehensive coef fi cient of shaft and tip resistance of socketed pile in rock

在樁體參數確定的情況下，影響嵌巖樁嵌巖段承載力的因素主要由嵌巖深徑比及樁端巖層強度決定。在工程場區選定的情況下，嵌巖深徑比是決定嵌巖段承載力的決定因素。從規范表5.3.9可以看出，對于硬質巖，嵌巖深徑比達到4.0后，再增加嵌巖樁入巖深度對于提高單樁承載力效果便不再明顯。

式中：Ra為單樁承載力特征值；qpa為樁端巖石承載力特征值；ψr為折減系數，根據巖體完整程度及結構面的間距、寬度、產狀和組合，由地區經驗確定；frk為巖石飽和單軸抗壓強度標準值。

從公式（2）可知，嵌巖樁單樁承載力特征值取決于巖層飽和單軸抗壓強度frk、樁截面積Ap和折減系數 。折減系數 根據樁端巖層的完整程度及結構面的間距、寬度、產狀的組合，由地區經驗確定（史佩棟，2015）。

對于嵌巖樁的施工，國內目前主要采用大扭矩旋挖鉆機入巖成樁、沖擊鉆機沖擊成樁或小扭矩旋挖鉆機與沖擊鉆機接力成樁方法，近幾年又出現了風動潛孔錘反循環鉆進技術。雖然成樁方法日趨多樣，但每種成樁方法都或多或少存在各自的弊端，影響其在實際施工過程中的使用。

1.2 存在的問題與不足

對于樁端入巖基礎樁工程，當巖體硬度較大時，解決大直徑樁入巖問題往往采用大扭矩旋挖鉆機成樁、沖擊鉆機成樁、小扭矩鉆機與沖擊鉆機或風動潛孔錘反循環鉆進接力成樁的方法，以上各種方法都具有相應的不足之處。

大扭矩旋挖鉆機入巖成樁：旋挖鉆進成樁已是成熟工法，但由于大扭矩旋挖鉆機造價高昂，市場保有率低，對于體量較大的工程，常出現因無法組織足夠數量的鉆機進行施工而影響施工進度的情況。

沖擊鉆機沖擊成樁及小扭矩鉆機與沖擊鉆機接力成樁：沖擊成樁就是通過沖擊鉆機將帶刃的沖擊錘提升到一定高度，通過沖擊錘沖擊震碎及切削孔底巖層實現鉆進。該工藝沖擊成樁效率低下，所排泥漿容易造成污染。

風動潛孔錘反循環鉆進接力成樁：通過大直徑潛孔錘巨大的沖擊能量實現了對硬質巖的高效鉆進，解決了大直徑樁在硬質巖層鉆孔困難的問題（趙大軍，2012），但鉆進過程中需要配備大功率、高風量空壓機、形成泥漿循環系統，因此鉆進成本及環境污染增加，目前在華北區域還鮮見采用。

2 系統組成及技術

2.1 原理及系統的組成

樁端超前鉆孔注漿技術，適用于嵌巖樁入巖困難時，樁端施工至相對較為軟弱巖層后，通過采用成樁后在樁端鉆進一定深度的超前注漿孔，形成注漿通道，然后沿著注漿通道向樁端巖層裂隙內壓入水泥漿等可固結巖層裂隙的化學漿液，使樁端巖層形成一個整體，并與基礎樁有效結合，提高施工效率的同時，實現提高單樁承載力的目的。因只在樁端以下巖層鉆進小直徑鉆孔，其對樁端巖層做功較小，能耗損失小，相應降低了施工成本。超前鉆孔注漿是在基礎樁成樁后鉆進，不僅對基礎樁的施工不產生任何影響，還有利于施工過程中形成流水作業，相對普通嵌巖樁施工進度更快（圖1）。

圖1 樁端超前鉆進注漿系統剖面示意圖Fig.1 Sketch map of drilling and grouting at the bottom of the socketed pile

超前鉆進注漿系統主要包括：綁扎在基礎樁鋼筋籠上的超前鉆進注漿管、地質鉆機、高壓注漿泵、地質鉆機的鉆桿經綁扎在基礎樁鋼筋籠上的超前注漿鋼管下放至樁端與巖層接觸并在強度較高巖層鉆進形成的超前注漿孔。超前鉆進注漿管可采用普通焊管或無縫鋼管等，內徑為30～150mm，與擬采用的超前鉆進地質鉆機鉆具匹配為準；管口上端套絲，絲扣間距與注漿閥匹配。根據基礎樁直徑的不同，可布設2～3根超前鉆進注漿管。超前鉆進注漿管在注漿前不僅可以作為聲測管使用，而且可算入工程樁配筋，不單獨增加造價，在施工時下入容易，避免了沿樁身鉆孔的無效工作，而且便于注漿作業。

2.2 工藝流程

嵌巖樁鉆孔至目標巖層界面后，樁孔內下入綁扎有超前注漿管的鋼筋籠，然后澆筑混凝土成樁，待樁身混凝土終凝后，將地質鉆機鉆桿沿超前注漿管下入至樁端，啟動地質鉆機在樁端鉆進巖層，施工超前注漿孔，終孔向超前注漿管內壓入高壓水，通過高壓水沖洗基礎樁樁端巖層裂隙，最后用高壓水泥漿或混合漿液注漿。具體施工工序如下：①基礎樁施工至目標巖層；②下入綁扎有超前鉆進注漿鋼管（端口柔性密封）的鋼筋籠后澆筑混凝土；③樁身混凝土終凝后，地質鉆機（含錨固鉆機、潛孔錘鉆機、背包鉆機等）鉆桿沿著超前注漿管下入基礎樁樁端進行樁端鉆進造孔（一般鉆進深度3～5m，約3～4倍基礎樁直徑）；④超前注漿管管口接高壓水，沖洗、擴張基礎樁樁端巖層裂隙；⑤超前注漿管管口接高壓水泥漿或混合漿液進行壓力注漿；⑥樁端超前鉆進注漿的注漿量或注漿壓力達到設計要求，終止注漿（圖2）。

實施案例提供的樁端超前鉆進注漿系統，構成簡單、結構合理，將目前較為成熟的巖層注漿技術與基礎樁樁端注漿工藝相結合，通過采用樁端超前鉆進，在鉆孔內高壓注漿，通過充填、固結樁端巖層的裂隙，使樁端與樁端巖層成為一個整體，充分發揮巖層固有承載力，來實現在樁端不充分入巖的情況下，起到樁端入巖的效果，在提高施工效率、控制施工造價的同時，提高基礎樁承載力。

3 施工參數的確定

3.1超前注漿孔深度及直徑的確定

依據上述文獻，對于硬質巖，嵌巖深徑比達到4.0后，再增加嵌巖樁入巖深度對于提高單樁承載力效果便不再明顯,因此，一般超前鉆進注漿孔深度宜為3～5m，約3～4倍基礎樁直徑。超前鉆進注漿孔內徑宜為30～150mm，可根據基礎樁的直徑進行調整。

圖2 樁端超前鉆進注漿施工流程圖Fig.2 Construction fl ow chart of drilling and grouting at the bottom of the socketed pile

3.2 注漿材料的選擇

注漿材料主要選用水泥漿，其主要特點是結石力學強度高，耐久性好且無毒，成本較低。但因普通水泥漿液容易離析和沉淀，穩定性較差且硬化時伴有體積收縮，因此可摻入速凝劑、緩凝劑、膨脹劑、流動劑、防析水劑等不同的附加劑改善水泥漿液的性質。

3.3 注漿參數的確定

注漿參數包括水灰比、終止注漿壓力、注漿量、注漿時間等參數，注漿作業開始前，應進行試驗性注漿，不斷優化并最終確定注漿參數。

（1）注漿壓力的確定

注漿壓力應根據前期沖洗、擴張巖層裂隙的注水壓力結合相鄰注漿導管返漿情況確定，為確保漿液在巖層裂隙間的擴張及填充效果，最小注漿壓力不宜小于3MPa。漿液的擴散能力與注漿壓力的大小有關，在保證漿液能夠注入的前提下，宜采用相對較低的注漿速率，注漿流量不宜超過75L/min。

（2）注漿量的確定

最小注漿量可根據式（3）估算。

式中：R為擴散半徑，h為超前注漿段深度，μ為樁端巖層裂隙率，β為有效填充系數，γ為樁端巖層裂隙填充率。

注漿過程中，如出現水泥漿液從該樁其他注漿孔大量返出的現象時，可暫停注漿，采用間歇補漿的方式進行注漿，直至最小注漿量達到預估注漿量。

（3）注漿時間的確定

注漿作業應在樁身混凝土終凝后進行，宜于成樁兩天后開始。當樁身超前注漿管兼作聲測管使用時，應先完成聲波測試后再行注漿。

4 應用實例

柬埔寨金邊某基礎樁項目，設計樁端穿透全風化砂巖，嵌入下伏強度較高中風化砂巖，樁端區域巖、土層埋深及特性見表2。

表2 項目第BH-5#鉆孔樁端區域地層描述Tab.2 Project section of BH-5# borehole end regional stratigraphic description

計算項目基礎樁抗壓承載力特征值時忽略樁側土層側摩阻力，只計入樁端位于巖層內的側摩阻及端阻；抗拔承載力計算時，考慮樁側土層提供的側阻?；驹O計參數：混凝土抗壓強度35MPa，樁端砂巖承載力特征值5.5MPa，巖層段側摩阻標準值350kPa，巖層段抗拔側摩阻標準值200kPa（表3）。

表3 基礎樁設計參數Tab.3 design parameters of foundation piles

試樁施工階段，鉆進至中風化以下巖層后，受到鉆機鉆進能力限制，個別樁孔無法鉆進至目標深度，采用樁端超前鉆進注漿工藝施工后，經檢測承載能力能夠滿足設計要求（圖3）。

圖3 現場注漿Fig.3 Site grouting

現場超前鉆進注漿鉆孔由KLM803套管鉆機鉆進完成，樁端鉆孔深度5m，鉆孔直徑100mm。超前注漿孔施工前已在樁身鋼筋籠上綁扎有與鋼筋籠等長的內徑100mm鋼管，作為鉆進通道，避免了在樁身鉆孔。需注意的是，樁孔內下入鋼筋籠前，應將注漿鋼管采用泡沫塞封底并用膠帶進行二次密封，防止灌注樁身混凝土時混凝土漿液進入管道。

5 結論

樁端超前鉆進注漿系統，結構簡單，設計合理，將較為成熟的巖層注漿技術與基礎樁樁端注漿工藝相結合，采用樁端超前鉆進，在鉆孔內高壓注漿，通過充填、固結樁端巖層的裂隙，使樁端與樁端巖層成為一個整體，充分發揮巖層固有承載力，實現了在樁端不充分入巖的情況下，達到樁端入巖的效果，在提高施工效率、控制施工造價的同時，提高基礎樁承載力，非常具有推廣意義。目前，限于應用實例較少，超前鉆進注漿系統的施工參數還有待根據大量的實際應用數據反饋進一步完善，通過大量的極限荷載對比試驗，統計出采用樁端超前鉆進注漿技術的微嵌巖樁與相同場地條件下常規嵌巖樁極限承載力的對比參數，總結出根據樁端巖石抗壓承載力標準值與巖層完整程度及超前注漿參數估算基礎樁承載力的經驗公式，便于該工藝的推廣使用。