花岗岩桩基施工及基坑支护工程技术控制探讨

朱明鑫

中煤湖北地质勘察基础工程有限公司 湖北 武汉 430000

本文将广州增城荔湖街项目中花岗岩地层基础支护方法的分析研究与桩基和基坑支护设计相结合，并且延伸到周边的复杂环境中。在分析硬质花岗岩的下层和上层中，上层土坑采用钻孔桩与内支撑结构，下层岩腔采用锚杆支撑系统、减振孔与冲击阻尼孔体系。这是一种新型地基，结合了吊桩、内支撑和减振孔，适用于软质花岗岩顶层和硬质花岗岩底层，使对周围建筑物应下降到最低，事实已经证明，对于居民来说，是非常友好的。

1 花岗岩桩基施工要点

1.1 孔口防护、钻机就位

大直径的工程桩基，制作很复杂，尤其是直径1800mm的，要考虑到坚硬岩石的特性，可以采用坚硬岩石建造的桩基，比如国产三一SR360滚花机（扭矩360kN·m，功率300kW，设备最大成孔直径Φ2500mm，最大成孔深度100m/65m，桩机重量120t）和德国 Bauer BG36（旋挖钻机扭矩365kN·m，动力403kW，最大直径Φ2500mm，最大成孔深度80m，桩机重量114t）作为主要的施工设备。当自载旋挖钻机的承载能力达到100t时，土层上部开口处会产生额外的水平压力。如果这个洞发生坍塌，就会使钻机受到损害。在钻孔过程中，应采取预防措施，尽量减少钻机对腔壁稳定性的负面影响。

1.2 孔口埋设护筒

根据地质调查报告，孔的开口部位主要以泥沙为主，由极软砂至硬砂质粉砂和中等密度的松散粉砂组成。护筒用到的钢板厚度为20mm，柜体每节长度为3m，通过多节焊接搭接的方法均匀穿过松散的土层，最长为9m。护筒利用钢壳的稳定性进行钻孔。通过在保护管位置前面画一个十字准线来确定堆栈中心的位置。如果有些许偏差可以进行微调，然后用它与1800mm的齿钻斗对准桩一起调整堆放位置。可以先钻一个 6m 深的孔，然后用振动锤敲入钢制保护筒。为安全起见，地板上方有一根1米长的保护软管，用于固定安装。定位后，补充并压实壳口周围钻孔的土样。这些孔被焊接到带有保护网的水平挡板上，可以有效防止管道沉降[1]。

1.3 泥浆配制

项目中用到的大直径硬石屋面采用高分子聚合物改性化学粘土，其中添加了墙面防腐剂、上清液、稳定剂等多种添加剂，使得改良后的粘土可以满足建筑需求。浆料有效性的主要指标是密度、粘度、含砂量和CN达标。将清水倒入土盆中，利用循环泵进行作业，药粉可以从泵出口均匀喷出。重量比通常在 0.01% 和 0.1% 之间，具体取决于具体的土层。如果粘度超过 28 Pa·s，可以直接加水稀释。如果粘度小于30Pa，则需要增加搅拌时间后补充化学粉末。在存在几层沙子的情况下，需要不断地添加土壤并在钻井过程中保持钻井液的水平。在洞底钻一个洞后，暂停15-30分钟（时间由洞的深度决定），并用平沙桶清理地板。混凝土浇筑过程中返回的粘土粘度在处理前要重新测量，以供具体参考。

1.4 土层段钻进

根据研究报告，钻井方法是根据井的地质特征选择的。在对土层进行钻孔时，要尽可能缩短钻孔时间，及时钻孔，保证水头的压力。

1.5 岩层段钻进

1.5.1 碎岩方法

工程桩基的承载层为中风化石层，石层非常坚硬。为了克服坚硬地层中的大部分钻井阻力，采用了倾斜空腔间隙的设计方案。用最大直径为1.8m的钻孔为例子，先选用1000mm的小号圆锥滚子钻进行钻孔，将芯子拉到尽可能远的地方，形成一个完全自由的表面，然后更换滚子用1500mm、1800mm分级扩张孔洞。

1.5.2 加强牙轮焊接控制

旋挖钻采的原理是用高压将钻头压入岩石中，在作用力很强的的头部启动扭矩，对岩石进行切割和破坏。由于压缩载荷和扭矩的共同作用，在钻头接触地面时会产生巨大的剪切力。而且正确型号的工具可以有效减少按压石材时的阻力。有一个原则是使用球面工具方便切碎坚硬的石头，因此该项目就可以选择钢合金球面滚子。由于硬岩钻进时间较长，不仅机械磨损大，而且会直接造成碎石钻头的磨损。旋挖钻机的岩石渗透率受许多因素影响。钻头的有效载荷与钻头的设置密切相关。施工人员必须为钻孔焊缝制作专用设备和夹具，还要考虑焊缝的位置和角度，以减少或消除钻孔过程中的局部损坏 。

1.5.3 选定优质牙轮

项目中使用的新型锥体具有更厚的轴承系统。很大的厚度允许优化和改进密封的结构。新型牙轮可以提供高温和快速良好的轴承密封。轴承用完油脂后，可快速补充腔内润滑脂，保证持续润滑，提高轴承的使用寿命。

1.5.4 孔底沉渣清理

有几种方法可以清理井底的沉积物。在大直径桩基的施工中，传统上使用的是正向和反向循环的粘土砂分离器，因为孔内含有大量土壤。正循环冲洗需要1天左右才能清除大口径孔口下的泥沙，工作效率低。使用反向循环至少需要4小时。如果随着时间的推移没有及时供应混凝土，正循环和反向循环冲洗也达不到想要的效果，使得残渣就需要再次清除[2]。

1.5.5 钢筋笼制安、导管安放、混凝土浇筑

使用直径为300mm的圆角浇注混凝土。在浇注之前，确定要使用的管道的长度和容量。凹槽长度适中，依次铺设在孔洞入口前，确保底部距离孔底30-50cm。计算排水沟的深度和所需的初始混凝土坡度，并在现场检查混凝土标签使之合格后，将适量的膨胀蛭石放入导管口，确保混凝土没有落到下面。同时两辆装满混凝土的车进行灌注，使通道底部埋入混凝土1m，混凝土溢流高度应高于烟囱设计高度50cm，并在铸造过程中登记。

2 花岗岩基坑支护关键技术

本项目研发解决问题的主要技术是在花岗岩层钻孔时避免软顶软底硬度对开挖造成不稳定，减少对周围建筑物因振动而造成的影响。该项目使用内部支撑与阻挡担架，创新喷锚工艺与减振孔效果更好。

2.1 地层概述

直接参与钻孔开挖的土层：普通路堤1-2，砂土10-1，剩余砾石土11-2，完全风化花岗岩17-1，零星耐候花岗岩17-2，17-3。强风化碎屑花岗岩，中风化花岗岩17-4，微风化花岗岩17-5。

福建泥炭地基常受土层深厚、土体自稳能力差、环境恶劣、桩锚（内支）、高刚度支护体系等因素的影响。因此，“环形吊索（墙）与内支撑/锚索”的紧固方式成为了深坑的理想替代方案。为了支持其设计方案，桩身必须包裹在中度风化的花岗岩中。考虑到现有的技术和设备，以及基坑支护工程的施工时间和成本，支桩埋入岩层的深度有限，部分堆栈悬浮在空中，即所谓的“悬浮堆栈”。由于“悬吊”岩面深度不小于站台基沟，不能使用传统的计算模型，拖曳特性也与现有结构模型不同。参考与国内外研究情况类似的工程实例，将此类双石地基的设计分为两部分。第一部分是钻孔和固定的石头部分;第二部分是石材基础表面的开挖和下一块石材的支撑设计。基坑设计和初始支护计算的主要方法是采用普遍接受的弹性阻力法，选择“吊索堆”的切面作为主腔体的支撑结构。在基沟凿岩的第二部分，可在桩岩面下方安装岩架，以固定桩脚，固定“椽桩”桩脚。在施工工艺等因素的影响下，可能会损坏替换石材的路肩，导致桩基失去支撑。因此，必须在桩进入剪切面前主动施加外力。在正常情况下，脚锁式仪表使用的锚索或内部钢管支架。止动支架的锚索和钢管内支架的抗拉强度应大于水平压力和地压。根据支架的不同，锚固支架下锚索的张力将是最重要的控制因素[3]。

2.2 设计工况研究分析

工程情况与基坑支护结构的工作情况有关，在上层开挖使支护结构达到设计强度后开挖下一层结构。基础工程计算应根据设计情况单独计算，取最大值作为设计参数。

根据现场地质条件、基沟深度和环境，围栏施工将采用Φ1000@1200钻（冲）孔灌注桩+Φ800@1200二重管止水帷幕。对于窗帘 1-4 通道内支架 与 锚索垂直安装。底沟采用喷混凝土与防尘孔。

2.3 土层开挖阶段施工法

在将基础沟槽从地面挖出到锚线的位置后，支撑结构继续作为桩模式发挥作用。此时，基础桩刺入基岩的深度对开挖的应力和变形有显着影响。但是，从研究报告中可以发现，正常和部分风化的岩石在岩石的轴上具有非常高的抗压强度。通过对不同埋深、安全性、经济性和现有技术的计算和比较，保证施工过程中开挖的桩能够穿透2.5m的中型岩石。

随着基础空腔从止动锚索位置移动到桩身最高位置，基坑内的土体被钻孔，土体的被动压力消失，形成“环”式吊索。该结构可以使用内部支撑承受主沟外的主动土压力。由于桩底无惰性土压力，采用联锁锚索防止惰性土压力。

2.4 “吊脚桩”基坑的稳定性验算

基本稳定性分析的核心内容包括全局稳定性、反生成稳定性、综合稳定性和流动稳定性。但二元岩土基坑很特别。壁炉的下部衬有中度风化的花岗岩。花岗岩具有较高的石材强度和较高的石材弹性模量。此外，该类主河道地下水主要由岩缝组成，含水量较低。如上所述，整体稳定性分析、反举稳定性分析和双岩槽流动稳定性分析并不重要，只需要研究整体稳定性。埋地“悬桩”稳定性分析是对围绕转折点的旋转距离平衡的一般分析，是对“悬桩”埋地部分横向稳定性的评价分析。根据选择的各种支点，“悬索桥堆”的横向稳定性分析可分为围绕支点的地下稳定性分析和围绕作业点的地下稳定性分析[4]。

2.5 岩层爆破阶段施工法

本项目开挖受限于周边建筑的影响，部分地区有高石地基，在有限的开发区域内造成各种复杂情况。因此，此阶段需要进行垂直钻孔。

垂直钻孔的难易程度取决于要保证吊骨堆下岩石的完整性。通过研究报告对岩体的分析，现阶段要采用螺栓与钢筋混凝土面支护来提高岩体的整体稳定性，保证吊腿质量的垂直力。

同时，设计了减震孔法，以减少振动波，使主基坑的爆炸在尽可能减少对居民和周围行人的影响下进行。

基础索锚索下的地质部分主要由中度未蚀花岗岩组成。开挖容易受到周边恶劣环境影响，有时要在有限的施工区域内完成各种复杂的施工任务。因此，现阶段只能使用垂直钻孔。垂直钻孔的难易程度取决于保证吊骨堆下岩石的完整性。研究报告分析了岩体的完整性，现阶段采用螺栓与钢筋混凝土面支护来提高岩体的整体稳定性，保证吊腿质量的垂直力。同时，车站需要设置阻尼孔，以减少振动，以便在减少对附近居民、行人影响的条件下，轻松进行主基坑爆破。阻尼孔的减振原理是利用阻尼孔形成的隔离区。由于它在爆炸时吸收和消散大量的爆炸振动能量，从而充分实现了绝缘区后面区域的振动，以及振荡爆发的频率。在特定要求的框架内，将爆炸过程中对环境的影响降到最低，保证了爆炸时的安全。

生产过程性能可靠，灵活性和可用性好，有效控制资源投入，节约材料，降低安全风险，保证了安全。该方法施工性优良，解决了复杂花岗岩床层环境下支撑深部采石场的基础建设难题，具有质量可控、结构方便、灵活高效、成本效益、安全性、创造性等诸多优点。该项目仍处于研发阶段，其主要成果有：(1) 表土基坑为粗体与内支护结构，下部岩质基坑采用锚喷支护与减振孔的支护体系。(2) 在表土设计阶段，由于花岗岩强度适中，轻微风化，挖桩施工难度很大。默认堆栈插入深度不应太大。(3) 钻穿土层后，被动土压力在埋藏体下损失，形成“悬吊体”格局。此时，重物倾向于轻微上下移动，大部分移动发生在堆栈的底部。因此，联锁锚索在爆破阶段对锚桩的拉起有着非常重要的作用。 (4) 埋岩设计阶段应考虑爆炸对基础墙体、周围结构和管道末端岩石的影响。喷射混凝土垫层加强了采石场侧岩基的强度，三组减振孔提供超过一半的岩层可以在周围形成的减振效果[5]。

3 项目研发中的创新点

该项目的创新研发点是堵住地脚锚索和隔开减震孔。

(1)当基槽从锚索位置移动到桩基时，基坑内的土体被开挖，导致被动地压损失，形成“悬桩”。该结构可以使用内部支撑承受主沟外的主动土压力。由于桩底无惰性土压力，需要采用联锁锚索防止惰性土压力。

(2)在爆破设计阶段，采用带有减震孔的爆破系统设计，以减少振动。

阻尼孔的减振原理是利用阻尼孔形成大厅的隔离区。由于它在爆炸时吸收和消散大量的爆炸振动能量，从而充分实现了绝缘区后面区域的振动大大降低。在特定要求的框架内，将爆炸过程中对环境的影响降到最低，保证了爆炸的安全。

为保证方案设计方案的合理性，在基坑爆破钻孔前，需要准备现场试验安装减振孔，以减少其对周围的影响。

分析安装一系列阻尼孔时的爆炸振动率试验数据，阻尼率为8.78%-30.08%，平均值为19.92%。双排减振孔的减振率为16.71%-51.97%，平均减振率为38.28%。三对孔隔振效果最好，减振率为41.32%-69.23%，平均隔振率为56.83%，三排孔可减振。

4 结束语

通过对复杂条件上层和下层硬质花岗岩工程实例的研究，得出以下结论：1) 上部土坑采用粗桩与内部支撑结构，下部岩坑采用锚喷支护与减振孔。使其对周边社区和居民的影响降至最低。2) 上层土体设计阶段，挖桩施工难度大，中型微风化花岗岩强度高。微经可以有 1.5m 的大小。3) 在土壤钻孔结束时，当回填体下的惰性土壤压力消失时，会形成“吊索”模式。此时，重物倾向于轻微上下移动，大部分移动发生在堆栈的底部。因此，联锁锚索在爆破阶段对锚桩的拉动起着非常重要的作用。4) 埋岩层设计阶段应考虑爆炸对基础墙体、周围结构及管道边缘岩石的影响。 喷射混凝土支撑加强了采石场边石块的强度，三组减振孔可以提供一半以上的减振效果，从而进行周围石料的爆炸操作，以最大程度减少对周围环境和气候的影响。