復(fù)雜巖溶鉆孔灌注樁全套管全回轉(zhuǎn)快速施工技術(shù)

劉濟華

摘? 要：巖溶發(fā)育地層鉆孔灌注樁施工，通常采用沖擊鉆拋填黏土、片石或沖擊鉆沖孔，鋼護筒跟進法進行施工，此類方法施工周期長、沖孔過程中易發(fā)生塌孔、埋鉆、漏漿等情況，拋填黏土、片石成孔后灌樁過程也易發(fā)生護壁再次被沖開發(fā)生斷樁等質(zhì)量事故。濰萊高鐵大白村特大橋59#墩巖溶樁基長度大、溶洞強烈發(fā)育，且工期異常緊張，常規(guī)沖擊鉆施工方法不能滿足工期要求。根據(jù)逐樁地質(zhì)勘探成果及多方討論，采用全套管全回轉(zhuǎn)鉆機施工，極大保證了成樁質(zhì)量及施工進度。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜巖溶;鉆孔灌注樁;全套管全回轉(zhuǎn)

中圖分類號：U445.55+1 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）23-0161-03

Abstract： In the construction of bored cast-in-place pile in Karst formation， impact drilling is usually used to fill clay， sheet stone or impact drilling， and steel protecting tube follow-up method is used for construction. This kind of method has a long construction period and is prone to collapse， burying drilling， slurry leakage and so on. It is also easy to break the pile and other quality accidents when the retaining wall is washed away again in the process of filling clay and forming holes with slate and stone， and the grouting pile is also easy to occur in the process of filling clay and forming holes. The Karst Pile Foundation of #59 Pier of Weifang-Laixi High Speed Railway Dabaicun Bridge is long， the cave is strongly developed， and the construction period is extremely tense， so the conventional impact drilling construction method cannot meet the requirements of the construction period. According to the results of pile-by-pile geological exploration and in-depth discussion， the construction of full casing full rotary drilling rig is adopted， which greatly ensures the pile quality and construction progress.

Keywords： complex karst; bored cast-in-place pile; full casing full rotation

1 工程概況

濰萊高鐵大白村特大橋位于平度云山鎮(zhèn)，屬剝蝕丘陵地區(qū)，全長5.7km，上部結(jié)構(gòu)為24m和32m簡支箱梁，下部結(jié)構(gòu)為圓端形實體橋墩，基礎(chǔ)類型為鉆孔灌注樁（？椎1m）、擴大基礎(chǔ)及挖井基礎(chǔ)。該橋梁勘探揭示硬質(zhì)大理巖較為發(fā)育，經(jīng)侵入、構(gòu)造地質(zhì)及地下水等綜合作用，地層結(jié)構(gòu)及構(gòu)造發(fā)生較大變化，大理巖及侵入巖斜長角閃巖接觸關(guān)系復(fù)雜多變，大理巖巖溶發(fā)育，地層軟硬不均程度大。

勘探過程中發(fā)現(xiàn)該橋56#～59#墩巖溶強烈發(fā)育，尤其是59#墩最為發(fā)育。逐樁補勘揭示該墩大理巖與斜長角閃巖、長石石英巖接觸關(guān)系復(fù)雜，大理巖巖溶強烈發(fā)育且溶洞呈串珠狀，橫向也顯示強連通性，鉆探揭露洞高0.2～6.1m，溶洞無充填為主，局部半充填～全充填，填充物有大理巖風(fēng)化碎塊、黏性土及粗砂[1]。該墩巖石風(fēng)化程度差異大且軟硬不均，大理巖巖溶發(fā)育，地質(zhì)條件復(fù)雜（圖1）。設(shè)計采用8根樁徑1.0m，樁長75.5m鉆孔灌注樁，孔深約79m，屬超長巖溶樁基，施工難度大、質(zhì)量控制困難。

2 施工過程分析

巖溶地層鉆孔灌注樁通常采用沖擊鉆不斷沖擊成孔，但因溶洞存在導(dǎo)致泥漿常漏失嚴(yán)重，需反復(fù)回填黏土、片石筑壁。該墩上部第四系松散堆積物較厚，為流沙及粉質(zhì)黏土互層，流沙厚度分布范圍約3.3～6.1m及10.8～17.4m，上部流沙層需采用不小于7m的長護筒，防止采用沖擊鉆沖擊時發(fā)生孔口坍塌、擴徑、埋鉆等事故，長護筒施工過程垂直度控制也較為困難。下部流沙層深度較大，普通護筒難以達到該深度，存在較大施工風(fēng)險。

前期采用該墩位布置兩臺沖擊鉆施工，由于形成溶洞的原巖弱風(fēng)化大理巖（W2，σ0=1500kPa）硬度較大，導(dǎo)致鉆頭進尺速度極為緩慢。該區(qū)域地層風(fēng)化界限起伏較大，強風(fēng)化斜長角閃巖（W3，σ0=500kPa）與大理巖硬度及風(fēng)化程度差距較大，大理巖、斜長角閃巖及溶洞之間接觸關(guān)系復(fù)雜，地層非均質(zhì)性強，鉆孔過程多次發(fā)生偏孔、斜孔等事故，反復(fù)回填黏土、片石及C20混凝土校正樁孔垂直度。

勘探揭示溶洞分布具有水平方向強連通性及豎向串珠狀特征，單洞洞高基本在2m以上，鉆孔過程附近農(nóng)用水井存在被泥漿污染現(xiàn)象，直接驗證了溶洞水平方向極為發(fā)育的特征。由于該溶洞特點，每穿過一層溶洞需反復(fù)回填片石及黏土十幾次甚至幾十次，首樁歷時2個多月成孔，施工周期長，投入人力、物力及機械等資源較多成本大，現(xiàn)場常備大量黏土、片石等材料，同時備用較大泥漿池，不利于現(xiàn)場安全文明施工?；炷凉嘧⑦^程中為防止斷樁需加大導(dǎo)管埋深及控制混凝土灌注速率不能太快，既要防止混凝土側(cè)壓力擠破護壁混凝土液面下降導(dǎo)致斷樁，又要避免因埋深過大導(dǎo)管無法正常拔出，混凝土中導(dǎo)管的深入長度控制困難[2，3]。

采用沖擊鉆施工方法，周期長，成孔及混凝土灌注安全質(zhì)量風(fēng)險大。由于該墩位于簡支梁首架方向，施工工期異常緊張，采用沖擊鉆拋填黏土、片石已不能滿足工期要求，需對施工方法進行優(yōu)化。采用鋼護筒跟進法能有效解決溶洞因漏漿引起的塌孔、埋鉆及混凝土灌注中護壁被沖破導(dǎo)致斷樁等施工質(zhì)量事故，但同樣面臨施工工期長，不能滿足工期要求等因素。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)成果及多方討論、論證，采用全套管全回轉(zhuǎn)鉆機施工能有效解決巖溶樁基技術(shù)層面及工期壓力等多方面問題。

3 全套管全回轉(zhuǎn)鉆機施工

3.1 鉆機優(yōu)缺點分析

（1）由于不需要泥漿護壁，因此不存在泥漿制備、使用及使用后傾倒等污染環(huán)境情況，不需要回填片石、黏土，同時無沖擊鉆施工噪音大、振動大等缺點，極大有利于文明、環(huán)保施工[4]。

（2）鉆機瞬間增強系統(tǒng)，使遇到障礙物，擊穿溶洞頂壁時可瞬間加大扭矩，可有效避免卡鉆、埋鉆等事故發(fā)生。垂直控制系統(tǒng)可有效控制鉆進過程中套管垂直度，能及時發(fā)現(xiàn)問題并糾偏，提高了工效。

（3）成孔后清孔較簡單、易達標(biāo)，無采用泥漿護壁后孔內(nèi)沉渣厚度及泥漿比重難降低等問題?；炷凉嘧r，由于在套管內(nèi)進行，解決了混凝土在溶洞部位擴散流失的風(fēng)險，杜絕了因此原因造成的斷樁事故，提高了成樁質(zhì)量。

（4）套管不同于普通鋼護筒，由于鉆進深度大，要求護筒能夠承受較大扭矩，各節(jié)護筒間需緊密連接，刀頭及套管本身均為合金制成（圖2、圖3），但經(jīng)濟成本較大。

（5）由于機械自重及鉆進過程中強大扭

矩產(chǎn)生的反力，對地基承載力具有較高的要求，較軟地面應(yīng)碾壓密實，并在鉆機安放部位鋪設(shè)鋼板，防止鉆孔過程中鉆機失穩(wěn)、主機移位。

3.2 施工過程

全套管全回轉(zhuǎn)鉆機安裝完畢經(jīng)檢查后，進行底端帶合金刀頭的首節(jié)套管安放，套管安放垂直度經(jīng)測量復(fù)測后鉆機套管驅(qū)動器為套管提供強大扭矩及下壓力，開始鉆進。套管下壓鉆進過程中為減小套管摩擦力及不必要的扭矩增大，需不斷從套管內(nèi)取土、取巖。通常采用機械抓斗，但除樁基上部10m外其余均為硬質(zhì)巖，機械抓斗施工效率較低，因此采用旋挖鉆機配合取土、取巖施工，施工機械化程度高、硬質(zhì)巖中鉆進速度快、成孔速率明顯高于機械抓斗[5]。旋挖鉆機與全套管全回轉(zhuǎn)鉆機組合施工成樁，可提高整體進度。

（1）全套管全回轉(zhuǎn)鉆機楔形夾緊裝置緊固套管后驅(qū)動器工作，首節(jié)套管單向轉(zhuǎn)動的同時下壓。綜合考慮作業(yè)面情況及樁基底部巖石硬度，采用360旋挖鉆機，旋挖鉆機取土與套管旋轉(zhuǎn)下壓同時進行，不需要反復(fù)移動全回轉(zhuǎn)鉆機，有足夠工作面供旋挖鉆機取土（巖），極大提高了工作效率。

（2）為防止管涌等現(xiàn)象發(fā)生，需要始終保持套管底超前于開挖面，逐樁補勘揭示溶洞高0.2～6.1m，根據(jù)補勘地質(zhì)柱狀圖，不斷調(diào)整套管超前深度。上部粉質(zhì)黏土層、砂層，始終保持套管刀頭超前于取土（巖）面的不小于2.5m。下部溶洞段，始終保持套管底超前于溶洞底部下2.5m[6]。同時為有效保證施工功效及經(jīng)濟性，減小套管底部合金刀頭的磨損，可在下部無溶洞大理巖及斜長角閃巖段先采用旋挖鉆機施工，再下壓套管。套管鉆進，旋挖取土（巖）不斷循環(huán)，直至完成施工作業(yè)。

（3）套管連接均采用套管兩端高強螺栓及卡槽，可有效保證套管荷載傳遞，為方便套管連接，每節(jié)套管下壓入土、入巖后，機械頂面要預(yù)留0.5～1.0m，套管連接后繼續(xù)取土、下壓套管，如此反復(fù)循環(huán)直至設(shè)計樁底標(biāo)高。

（4）套管的垂直度控制是一項重要工作，設(shè)備自身具備調(diào)平檢測儀器，同時采用雙向懸掛吊繩隨時檢查，發(fā)現(xiàn)偏差及時糾偏調(diào)整，如符合要求則安裝下一節(jié)套管繼續(xù)下壓取土，如此循環(huán)[7]。

（5）鉆孔時確保動力站散熱正常，時刻記錄鉆進過程中不同地層中液壓表扭矩數(shù)據(jù)，有變化時須時刻上下拉提搖松套管降低摩擦力，以防套管及鉆頭損耗。

4 施工控制要點

4.1 套管垂直度控制

樁基成孔垂直度是一項重要指標(biāo)，為控制好鉆進過程中樁的垂直度，必須控制好以下幾個方面的工作。

（1）套管檢查

套管順直是成孔垂直度良好的前提，因此套管安放下壓前應(yīng)進行順直度檢查及校正。在單套管順直度檢查基礎(chǔ)上把將要使用的套管在平地上連接起來，合格后進行編號，嚴(yán)格按照編號順序依次下壓套管，可從根本上有效控制樁基垂直度。

（2）過程監(jiān)測

首先要進行樁位準(zhǔn)確放樣，同時保證鉆機中心同樁中心重合，鉆進過程中由于具有較強的的反力，要確保鉆機底部地基承載力滿足并有防止鉆機移位的措施，對其孔口定位誤差嚴(yán)格控制。套管鉆進及下壓過程中，利用鉆機液壓垂直裝置，隨時糾正套管的角度，同時利用方向相互垂直的線錘人工復(fù)測。套管垂直度檢測應(yīng)貫穿整個施工過程，隨時檢查，糾偏，才能保證樁基垂直度。

4.2 套管糾偏

套管鉆進成孔過程中若垂直度出現(xiàn)較大偏差，應(yīng)及時進行偏差糾正、調(diào)整，較小偏差主要是利用鉆機自身糾偏能力，即可達到糾偏的目的。如若偏差過大，鉆機不足以糾正，應(yīng)填埋后重新檢測套管垂直度，符合要求后重新鉆進。

5 結(jié)束語

通過對濰萊高鐵大白村特大橋復(fù)雜巖溶區(qū)鉆孔灌注樁施工技術(shù)研究，對比幾種鉆孔灌注樁施工方法，找到該巖溶樁基適合的施工方法，有效解決了超長樁基溶洞段漏漿、塌孔、埋鉆等成孔困難問題，避免了灌注混凝土過程中容易出現(xiàn)的斷樁、混凝土離析等影響樁基質(zhì)量的事故發(fā)生。相比其他施工方法，雖經(jīng)濟成本投入相對較大，但是施工效率高，能有效克服工期緊張壓力，降低了施工及工期風(fēng)險，對同類工程具有一定的借鑒作用。

參考文獻：

[1]王廣群，姜曉杰.高速鐵路復(fù)雜巖溶環(huán)境下超長鉆孔樁施工技術(shù)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（5）：135-136.

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