人工挖孔桩作为一种传统的成桩施工工艺,因其工艺和机具简单、施工方便、质量可控等优点被广泛应用;当人工挖孔桩施工遇到硬岩情况,如岩面起伏大或桩开挖不深即见岩面时,一般采用爆破方式处理。爆破主要分为明爆和静爆2种,明爆产生较大振动,当施工场地临近地铁、重要建(构)筑物或在城市中心区时,禁止采用明爆作业,此时一般改用孔内静爆施工。静爆是利用药剂发生水化反应产生的体积膨胀将岩石胀裂、破碎,这种方法需有临空作业面条件,具有钻孔速度慢、作业环境差、劳动强度高、药效易受天气影响等缺点。

　　 本文结合具体的工程实施案例,对大直径人工挖孔桩硬岩“水磨钻断面取芯+静爆破岩”联合施工工艺进行详细阐述。

　　 博今商务广场B107-0009地块位于深圳市福田区车公庙片区,场地南侧为滨河大道,北侧和东侧分别为泰然八路和泰然七路,东南侧穿过地铁9号线隧道,周边管线复杂,施工安全要求高(见图1)。项目总用地面积13 787.76m²,总建筑面积约22万m²,拟建2栋超高层塔楼,其中A座55层、建筑高度249.9m,B座40层、建筑高度189.55m,地下室为5层。

　　 根据勘察报告显示,场地工程地质情况自上而下为:新近堆积人工填土层、全新统海陆交互沉积层、上更新统冲洪积层、第四系残积层,下伏基岩为燕山期早白垩世粗粒花岗岩。

　　 场地水位埋深介于4.0～5.2m,高程介于-0.440～0.750m,平均高程为0.170m。场地年水位变幅为1.0～2.0m。

　　 项目桩基础设计为1.0,1.2,1.4,2.2,2.4,2.6,2.8m 7种桩径,共计173根,要求进入微风化花岗岩层≥1.5m。施工过程中根据现场实际情况,参建各方单位协商将其中2.2,2.4,2.6,2.8m大直径桩基共14根改用人工挖孔桩,开挖至基坑底部位置再进行施工。

　　 根据桩基础的设计情况,项目部拟采用人工风镐开挖岩层,遇风镐施工存在一定困难时,采取爆破作业。但由于场地周边管线多、环境复杂、桩底入岩深,对于人工挖孔桩,采用“水磨钻断面取芯+静爆破岩”联合施工工艺克服了不利影响。博今商务广场B107-0009地块基础工程于2014年6月6日开工,2015年10月15日顺利完工。

　　 本技术工艺原理主要表现为2部分:(1)采用水磨钻技术,以设计桩径圆周为圆心进行全断面咬合取芯,使桩孔内硬岩完全脱离岩体形成岩块,制造临空面;(2)采用岩石静爆技术,对桩孔内硬岩柱采取钻机钻凿静爆孔,灌装静爆药剂,6～10h药剂发生水化反应将孔内硬岩柱胀裂,再利用孔口卷扬机将岩块取出,如图2所示。

　　 1)桩底硬岩水磨钻咬合取芯形成临空面

　　 以人工挖孔桩为例,护壁支模宽度220mm、高度900mm,挖孔遇岩时采用水磨钻技术对桩端岩石全断面咬合取芯,为后续静爆作业形成完整的临空面。

　　 水磨钻钻筒直径160mm,岩层每层钻进700mm为1节,钻孔咬合50mm,以设计桩径圆周为圆心进行全断面取芯,制造临空面,便于减少后续静爆钻孔数量和静爆药剂的使用量,更易于出渣。

　　 桩底水磨钻布孔如图3所示。

　　 2)桩孔中部岩柱静爆破碎

　　 水磨钻全断面咬合取芯后,根据桩径大小和岩层岩性确定钻孔数量和间距后对桩孔内硬质岩柱钻凿静爆孔,在孔内灌装静爆药剂后,利用药剂水化反应将桩孔底部环状岩柱胀裂。

　　 静爆孔采用手持式凿岩机施工,钻进孔深约70cm,孔间距30～50cm。待完成岩柱静爆孔后,在孔中填入静爆药剂。由于预先沿桩端圆周全断面咬合取芯,为静爆施工提供了良好的应力释放空间,静爆药剂经过6～10h充分膨胀反应后将孔内硬岩柱完全胀裂,随后利用孔口卷扬提升架将破裂岩石逐块取出。

　　 静爆孔布置如图4所示。

　　 大直径人工挖孔桩硬岩“水磨钻断面取芯+静爆破岩”联合施工工艺流程如图5所示。

　　 1)施工准备(1)施工前对场地地质条件、作业环境、工程量、周边环境布局、工期要求、气候条件以及硬岩破碎需了解的硬岩性质、节理、走向及地下水情况等进行详细调查分析;(2)根据现场施工条件组织清理平整场地,测定桩孔位置,同时根据工期要求配备足够的机械设备和作业人员;(3)检查水磨钻性能和状态,水磨钻电动机功率5.5kW,钻筒直径160mm,整机质量80kg(见图6)。

　　 2)水磨钻机就位(1)入岩取芯作业前先使用风镐将局部不平整的孔底岩石破除,清除石渣,保证孔底平面高差在±50mm;(2)将水磨钻机吊放至孔底后,搭设上部支撑架,固定顶紧钻机位置,准备打开电源通水钻进。水磨钻孔底架设固定如图7所示。

　　 3)桩端全断面钻孔取芯(1)钻进过程中,通过手动调位器控制钻进深度和钻筒对岩面的压力,钻入过程可按顺时针或逆时针方向进行;(2)钻筒底部距离岩面1cm左右时,左手转动刹车螺栓锁住钻机,右手紧握操作杆,轻轻松动刹车螺栓,操作杆下放,钻筒缓慢接触切割岩面;向下钻进完成,往上摇操作杆,锁牢刹车螺栓,插上固定插销,转动并用榔头敲击钻筒,使钻筒内硬岩钻芯掉落,取芯后移机至下一位置继续进行如上操作;(3)水磨钻以跳钻方式钻进,有利于钻机均匀钻进、受力平均。

　　 4)中部岩柱钻凿静爆孔(1)对桩孔中部岩芯钻凿一定数量呈环绕状布置的静爆孔,钻孔直径和深度与破碎效果有直接关系,过小不利于药剂充分发挥效力,过大孔口难以堵塞。根据本技术应用的硬质岩体的岩性(中～微风化花岗岩,硬度40～80MPa),推荐使用直径40mm钻头;(2)由于桩底空间有限,静爆孔采用简易手持钢钎钻凿,钻孔时采用相邻孔跳钻方式钻入,深度一般比设计孔深大10cm,间距一般为30～50cm;(3)静爆孔钻凿完成后,逐孔进行清理,防止孔内堆积沉渣。

　　 5)静爆孔内药剂反应静爆药剂是含有铝、镁、钙、铁、氧、硅、磷、钛等元素的无机盐粉末破碎剂,加入适量水调制成流动状浆体后直接装入静爆孔中,使其发生水化反应,产生巨大膨胀压力(可达30～50MPa)从而将岩石胀裂破碎,为非易燃、易爆危险品,使用安全,爆破无振动、无噪声、无烟尘、无毒气、无飞石等公害,操作简便,易于掌握。破碎剂型号的选择以应用较多的SCA为例,如表1所示。静态破碎剂爆破每孔用药量可按公式(1)计算。

　　 式中:Q为每孔的破碎剂质量(kg);R为钻孔半径(m);L为钻孔深度(m);K为1m³SCA浆体中的SCA含量(kg/m³),由表2取用。

　　 6)孔底破碎岩块清理硬岩解裂后,利用孔口卷扬机将碎裂岩石逐块取出,为后续施工提供场地。

　　 1)破岩速度快,劳动强度低由于岩石的强度较高,采用人工破除劳动强度大、施工效率低,使用水磨钻对桩孔内硬岩全断面咬合钻孔取芯,先引圆周孔制造临空面,再采用静爆工艺可使工期大幅缩短,同时在药力发挥作用期间,施工人员可进行休整,劳动强度大大降低。

　　 2)成孔质量有保证水磨钻按设计桩径预先钻孔,使环状预裂面外边规整,避免了硬岩爆破后桩周边岩层不规则需采用人工二次清理的问题,成孔质量更有保证。

　　 3)施工成本相对较低与完全采用静爆破除的方法相比,本技术静爆药剂用量少、钻孔量少,水磨钻的综合费用也低于全部采用静爆破岩的费用,效率更高,施工成本相对更低。

　　 4)机械简单,便于管理,安全可靠水磨钻取芯采用小型工程水磨钻机,静爆采用手持式凿岩机,机具均体积小、自重小、操作简单,工人易于掌握,安全可靠,现场管理方便。

　　 5)无振动,无污染,噪声小整个施工过程中不产生振动影响,施工噪声小于传统明爆工艺,风钻钻孔量和凿岩量大大减少,粉尘和机械噪声大大降低,对周边环境产生的污染小,避免了周边复杂环境对现场管理造成的影响。

　　 通过多个项目中人工挖孔桩施工证明,“水磨钻断面取芯+静爆破岩”联合施工技术无论在施工效率、施工管理,还是施工成本、现场文明环保措施等方面都突显出较大的优越性,解决了桩基础成孔过程中遇大断面、深厚硬岩难以破碎的问题,申报获得“挖孔桩硬岩段联合施工结构”实用新型专利一项,形成独特的施工新技术,得到设计单位、监理单位和业主的一致好评,取得显著的社会效益。

　　 大直径人工挖孔桩硬岩“水磨钻断面取芯+静爆破岩”联合施工技术通过使用水磨钻进行桩端全断面咬合钻孔取芯结合硬岩静爆破裂的组合工艺对孔底岩石分层钻进,在实际工程应用中取得显著成效,具有操作简便、质量有保证、安全可控等优点,使其易于技术推广,是一种施工工艺上的突破和创新。