兩次成樁法在高承壓水地層中的應用研究

楊宗維

（深圳市隧道工程有限公司 深圳 518034）

0 引言

深圳地區地質水文條件復雜，地層軟硬不均，基巖裂隙發育，而地下水位又高，所以高承壓裂隙水在深圳地區較為常見。由于高承壓水的存在，施工旋挖鉆孔灌注樁時遇到的涌水、塌孔、縮頸等技術難題。目前，對高承壓裂隙水的研究多集中在地下工程中的盾構施工［1-3］、基坑支護中的地連墻施工［4-5］以及基坑降水方面［6-7］高承壓裂隙水地層工程建設中，另一種主要支護方式——鉆孔灌注樁施工的研究較少，工程中有采用全套管鉆機在類似地層中施工的案例，但全套管鉆機施工存在的拔管難、工效低等難題一直未得到良好解決［8］。黃舜濤等人［9］為解決高承壓地層鉆孔灌注樁施工質量問題，提出了預埋管敞開式樁端壓力注漿法，但該方法主要解決因樁底沉渣造成的樁身承載力不足問題，而樁身施工缺陷等問題解決效果不夠理想。因此，探究在高承壓水地層條件下，如何快速高效高質量地進行鉆孔灌注樁施工，保證工程質量，不但是深圳地區，也已經成為整個基礎建設行業亟待研究的課題之一。

1 工程問題提出

深圳市某搶險項目，經過場地清挖處理后，留有松散的堆積體和回填的城市棄土約300 萬m3，為了保證滑坡殘體的穩定性、預防泥石流等次生災害，需對災害體進行綜合整治。整治措施擬定為在滑口處修建擋土壩，以防止殘留土體發生二次滑動，造成次生災害。擋土壩采用抗滑樁+土壩方案，分上下兩級兩個平臺。打設?1 200 mm抗滑樁341根，樁基布置如圖1所示。擋土壩壩體西側在工程勘察過程中發現基巖裂隙水，場地內的基巖裂隙水受地下潛水和地表徑流補水影響，地面水頭高度達12 m、日涌水量達100 m3?？紤]到工程性質，為統籌成樁質量、工期及經濟等方面因素，需研發針對性強的鉆孔灌注樁新型施工技術。

圖1 抗滑樁樁位Fig.1 Location of Anti Slip Pile

2 新型施工方法研究

2.1 現有施工方法概覽

樁基在鉆孔過程中遇到承壓水地層時一般分為3種情況［10］：

⑴承壓水水頭高度高出地面高程；

⑵承壓水水頭高度高于地面且上部地層有強透水層；

⑶承壓水水頭高度低于地面，但高于地下水位線且上部有強透水層。

上述幾種情況都極易在承壓水的作用下形成過水通道，使樁身周圍或樁心嚴重離析、冒水，導致承壓水層上部樁體嚴重受損。

針對上述幾種情況，目前國內外常用的解決方法主要分為兩類［10］：①平衡水頭壓力；②降水井泄壓。其中，平衡水頭壓力在實際操作中可分為泥漿平衡法和填筑圍堰法。泥漿平衡法的原理是通過提高泥漿相對密度，使孔內泥漿形成的壓力大于承壓水壓力，使泥漿抑制承壓水頭，并有一定的安全距離，確保鉆孔順利進行；填筑圍堰法則是通過填筑圍堰使樁孔位置提升超過承壓水水頭高度從而達到平衡水頭的目的。降水井泄壓是通過在施工現場四周鉆探并設置若干大口徑降水井進行抽水降低地下水位，控制承壓水頭，兩者對比降水井泄壓法可根據地下水水量大小布置井位間距，適用于地下水位較高、水量較大的情況，但其工程量較大，且在場地高差較大區域不宜展開施工。

由于該項目遇到的承壓水頭高，涌水量大，且場地高差極大，考慮到施工難度、工期及成本等因素，傳統的平衡水頭壓力和降水井泄壓施工方法在工程實際中難以使用。

2.2 新型施工方法研究

徐長節等人［11］為解決杭州某基坑項目的涌水，設計了基底灌漿加固法，取得良好效果，但是對于高承壓水條件下的深基坑工程，基底注漿作用有限［12］。參考既有的研究經驗，為解決水泥漿在高承壓水地層中強度不足的弱點，將水泥漿變更為強度更強的混凝土，基于此，經多次試驗研究，創新性提出兩次成樁法進行壩體樁基施工，樁基布置示意如圖2 所示。完美解決高承壓水地層裂隙水對工程樁質量的影響。

圖2 鉆孔灌注樁擴大樁徑示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Expanding the Diameter of Bored Pile （mm）

⑴初次成樁。在設計樁位處采用擴徑（較設計樁徑）灌注低標號混凝土（C20）的方法實施初次鉆孔，主要起兩方面作用：①抑制基巖裂隙水承壓水頭，混凝土漿液在自重作用下滲入到基巖裂隙，固結后起到止水帷幕的作用，消除或降低水頭壓力的同時，周邊土體強度得到增強；②較原樁徑增加的低標號混凝土形成薄壁混凝土外殼，在二次鉆孔過程中，與被混凝土漿液加固的土體形成雙重護壁作用，從而避免在二次成孔時，承壓裂隙水突破護壁造成涌水等對樁孔產生的負面影響。

⑵二次成樁。實際工程樁維持原設計樁徑，保留的薄壁混凝土外殼在周邊加固體的基礎上，起到進一步穩固周邊土體的作用，以保證鉆孔過程中不出現塌孔，解決灌注樁施工過程中的縮徑和樁身夾渣等問題，從而保證成樁質量。

經成樁后的第三方樁基質量檢驗，兩次成樁法施工的鉆孔灌注樁完美達到工程要求。

根據地質勘察情況查明基巖裂隙所處地層深度h1和承壓水水頭高度h2（地面為基準面），如圖3所示。根據伯努利方程［13］，為平衡高承壓水水頭，在鉆孔中灌注的低標號混凝土（C20）比重γs應滿足公式：

圖3 基巖裂隙水示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Bedrock Fissure Water

γsh1≥ηsγw（h1+h2） ⑴

其中：γs為C20 混凝土的重度，取2.4×104N/m3；γw為水的重度，取1.0×104N/m3；ηs為安全系數，取1.1。

當傳統泥漿比重達到1.4 仍不能抑制承壓水頭時，則需采用填筑平臺增加土圍堰或者采用灌注低標號混凝土的方式抑制水頭壓力，以確保灌注樁成樁質量。理論上，通過調濃泥漿比重可以平衡0.4h1深度的高承壓裂隙水，即通過泥漿無法抑制裂隙位于25 m深度且承壓水頭超過10 m的高承壓水。這種情況下，需要通過比重更大的水泥砂漿或低標號混凝土抑制承壓水頭。

通過理論分析發現，不必將整個鉆孔灌滿低標號（C20）混凝土，只需灌至距離裂隙h3的高度。這將大大節省低標號混凝土的用量，同時滿足抑制水頭的功能。此時，為平衡裂隙中高承壓水頭，公式可轉換成：

其中：γm為泥漿的重度，取1.1×104N/m3。

若繼續加大低標號混凝土（C20）的灌注高度h3至h1，即將低標號混凝土灌滿整個擴大的鉆孔時，可進一步增大混凝土在基巖裂隙處的壓強，使得混凝土漿液滲透得更遠，從而在裂隙深部封堵來水通道，進一步提高止水帷幕效果，也可在一定程度上增加基巖完整性，一定程度上提高基巖工程性能。

3 兩次承樁法工程實施

3.1 勘察裂隙位置及承壓水頭

充分利用鉆孔巖芯比對和物探手段查明基巖裂隙的位置、埋深、分布范圍、發育情況，以及地下水補給、徑流、排泄條件；在灌注樁的基樁位置進行地質勘察，主要勘察內容為提前獲悉測壓水位面深度、承壓裂隙水層深度以及承壓含水層頂界面到測壓水位面的垂直距離即承壓水水頭高度。

3.2 初次擴徑成樁

根據工程樁設計樁位進行施工放樣，且進行樁位二次復核后，進行初次擴徑成樁。擴徑樁體采用低標號素混凝土（C20），混凝土澆筑后需保證其凝結時間不少于1 d，且在擴徑樁混凝土強度大于5 MPa 小于10 MPa時進行二次成樁，此時施工工效最高且成樁質量優異。當兩次成樁法運用于北方地區時，冬季施工溫度在5℃以下時，初次擴孔成樁可根據當地實際情況，適當延長混凝土凝結時間。

3.3 二次成樁

當擴徑樁強度達到施工要求后實施二次成樁。在擴徑樁上測量放線并進行樁位二次復核，做好中心點標記，二次成樁要求混凝土超灌0.8～1.0 m。二次成樁施工應避免初次成樁后長時間放置而未進行二次成樁施工，以防初次成樁的樁基強度過高，造成二次成樁困難。二次成樁后，根據《建筑基樁檢測技術規范：JGJ 106—2014》中鉆芯法規定，樁基齡期達到28 d后，對樁基質量進行取芯檢測鉆芯取樣檢測結果如圖4所示，經樁基鉆芯取樣檢測，采用兩次成樁法施工的工程樁均為Ⅰ類樁，表明兩次成樁法在高承壓裂隙水地層施工擁有良好效果。

圖4 工程樁芯樣Fig.4 Sample of Engineering Pile Core

3.4 施工效益分析

從經濟效益及工期兩方面經綜合對比分析。

⑴采用兩次成樁法施工技術，相比常規的平衡水頭法，增加了初次成孔費用，但減少平臺填筑及土方轉運費用，總計節約成本約12.6萬元。

⑵初次成孔工期與填筑平衡水頭壓力的土臺，以及降水井施工、降水所耗工時相比，可節省工期14 d。

⑶兩次成樁法無需平臺填筑及土方轉運，減少了相應的措施費用，同時也極大程度地減少了機械在高臺上施工所帶來的工程風險。

4 結語

⑴兩次成樁法，初次擴徑成樁采用C20 號混凝土，混凝土澆筑1 d后，強度大于5 MPa小于10 MPa時進行二次成樁，施工工效最高且成樁質量優異。

⑵兩次成樁法可更好地抑制承壓水頭，同時，混凝土漿液滲入周邊土體形成的漿液加固體結合擴徑部分構成雙重護壁，可進一步保證成樁質量。

⑶兩次成樁法不需要特殊樁基設備，采用傳統樁基設備即可實現在高承壓裂隙水地層的快速高效高質量成樁施工。

⑷兩次成樁法成樁后經樁基檢測，均為Ⅰ類樁，表明兩次成樁法在高承壓裂隙水地層施工中擁有優秀效果。

⑸與平衡水頭法相比，兩次成樁法無需平臺填筑及土方轉運，簡化施工操作程序，減少人工、消耗性周轉材料和施工機械的投入，減少了相應的措施費用，實現節能減排的同時，也極大程度地降低了機械在高臺施工所帶來的工程風險，提高施工安全性。