新建鐵路巖溶地區預鉆成孔施工技術

李 斌，午向陽，羅 卿，趙 靚，朱浩波

(1.中國水電四局有限公司，西寧 810006;2.中國水電集團，北京 100048)

目前鐵路工程中鉆孔樁施工一般采用旋挖鉆、正反循環鉆、沖擊鉆等方法成孔，在地層較硬的情況下多采用沖擊鉆成孔。沖擊鉆作為克服硬巖的重要方法，也有其局限性，該施工方法只有在地基承載力 <1 000 kPa時，施工效率才較為理想;當地基承載力 >1 000 kPa時，成孔的效率則大幅度降低，且隨著巖石強度的提高，施工效率隨之下降，特別是在巖溶發育的情況下，除了巖質較硬的問題外，由于斜巖面的大量存在，往往是造成鉆孔偏斜、卡鉆甚至掉鉆，對鉆孔樁施工的工效、成本和安全均有不利影響。

某新建鐵路大汶河特大橋線路經過魯中南低山丘陵及丘間平原，約70%為鉆孔群樁基礎。鉆孔樁基范圍內的地層為黏土、粉質黏土、泥巖、頁巖、石灰巖，部分樁基底部為花崗巖，地基承載力達到1 500 kPa，巖層傾角15°～45°;石灰巖中溶洞、裂隙發育，72%的鉆孔樁基地層存在溶洞。在復雜的地質條件下，采用傳統的鉆孔樁施工工藝施工效率低下，其中1根樁基施工周期達到16個月，部分墩臺的施工工期無法保證。本文根據硬質斜巖特點，提出了預鉆法施工思路，研究了預鉆法施工工藝和關鍵參數，并通過實踐驗證了效果。

1 預鉆法的提出

1.1 面對的問題

橋梁樁基成孔效率低主要有三個方面的原因:

1)巖石強度高致使巖石抗沖擊能力強，鉆頭磨損嚴重;

2)鉆孔過程中遇到斜巖時，鉆頭自然下落后向低強度方向側傾斜，容易造成鉆孔偏斜;

3)遇到溶洞時，由于漿液流失嚴重，容易造成塌孔、埋鉆頭、掉鉆頭或卡鉆。

鉆孔樁常見的偏孔問題如圖1所示。

圖1 偏孔示意圖

如何能夠在上述三種不利的地質條件下，提高沖擊鉆的施工效率，是樁基施工中面臨的一個重要問題。

1.2 預鉆法思路與原理

沖擊鉆施工是由鉆機把鉆頭提起至一定高度后自由下落，將鉆頭產生的動能轉化破壞巖石的沖擊力，從而達到破碎巖石的目的。該施工方法，地基承載力越低施工效率越高。如果能夠在沖擊鉆施工前降低樁位的地基承載力，就可以大幅度地提高沖擊鉆的成孔效率。

鉆孔樁預鉆是利用潛孔鉆進受地質條件限制小，以及沖擊鉆在巖體中鉆孔速度快的特點，于沖擊鉆施工前采用潛孔鉆機在樁位進行鉆孔，將巖石打成“蜂窩煤狀”以達到破壞樁位巖體整體性或破壞斜巖面的目的，然后再利用沖擊鉆對破碎的巖石進行沖擊鉆孔施工，從而大幅度提高了沖擊鉆機成樁的施工效率。

2 預鉆法施工工藝

預鉆法施工是在現有的鉆孔樁施工工藝中加入了潛孔鉆機鉆孔施工工序。

潛孔鉆機是以壓縮空氣為動力，將壓縮空氣動力轉換成機械力以破碎巖石的一種機械，鉆機上裝有沖擊器和鉆頭，工作過程中沖擊器的活塞不斷沖擊尾部，鉆頭上的合金齒不斷沖擊巖石，同時減速器產生的轉動力矩使鉆具 轉動，推進氣缸產生的軸向力送進鉆具進行鉆孔。鉆機由支承機構、減速器、氣動馬達、推進氣缸、沖出器、油霧器及氣動控制閥等部份組成。

2.1 施工工藝流程

樁基預鉆施工工藝流程為:施工場地清理→潛孔鉆機鉆孔施工→沖擊鉆機鉆孔→成孔驗收。

2.2 施工控制要點

1)鉆機就位前清除施工范圍內的腐殖土、碎石，并將作業平臺夯實。

2)潛孔鉆機開孔時先以較小沖擊功、推進力及低轉速鉆進，以便于鉆頭定位，待鉆頭鉆進10 cm左右時，再以全風門沖擊，并適當加大推進力，提高轉速，進行正常的鑿巖工作。

3)潛孔鉆鉆孔過程中嚴禁反轉，以免鉆桿脫落，造成安全事故或者預鉆孔報廢。

4)加接新鉆桿時，需用高壓風對鉆桿內部進行清理，防止砂土混入沖擊器內，損壞設備，影響預鉆效率。

5)當潛孔鉆機穿越溶洞時需采用小沖程、低轉速的鉆孔方法鉆進，以防止由于巖石特性突變而引起的預鉆孔偏斜。

6)當斜巖面傾斜角度大，潛孔鉆機造孔困難時，可向孔內回填部分片石至斜巖面頂部，再進行預鉆孔施工。

7)鉆孔過程中采用吊線錘的方法定時檢查鉆桿的傾斜度，每根鉆桿檢查1～2次，確保鉆桿垂直鉆進。

8)鉆孔過程中要準確測量孔深，一般每鉆進10 m或換鉆具時必須量一次鉆桿，以核實孔深。

9)鉆機在鉆孔過程中如需短暫中止鉆孔工作時，需向鉆桿內送入少量的壓縮空氣，以避免泥沙浸入沖擊器內部，若在較長時間內停止工作時，需將沖擊器提到距孔底1～2 m處再停機，以免造成沖擊器堵塞。

10)遇到溶洞時及時向孔內補充清水或泥漿，保持孔內水頭，防止塌孔。

11)沖擊鉆施工過程中采用適當的器具及時檢查孔的中心位置、孔徑、孔深、傾斜度和孔內沉淀層厚度，當技術指標超過允許偏差時，要認真研究，并針對性采取處理措施。

3 預鉆法施工關鍵技術

3.1 鉆孔形式及參數

在巖石特性相同的條件下，孔徑越大對巖石整體結構破壞越強，但是鉆孔效率降低;鉆孔直徑越小，雖然鉆孔效率高，但是對巖石整體結構破壞較小，增加預鉆孔的數量，而增加施工成本。如何讓鉆孔直徑和鉆孔數量成反比的情況下，達到最優的施工效果，是預鉆孔設計的關鍵。

預鉆孔均勻分布于鉆孔樁內且每個孔分擔的面積大致相等是預鉆孔布置的基本原則，鉆孔樁面積S1與預鉆孔面積S2的比值是預鉆孔設計的重要參數。

下面列舉鉆孔直徑為140 mm及220 mm兩種情況下預鉆孔布置情況加以說明。

預鉆孔直徑為140 mm時，鉆孔樁內共布置5個孔，具體布孔形式如圖2所示，該布孔形式S1與S2的比值為6.9。

圖2 φ140 mm預鉆孔布孔圖(單位:mm)

預鉆孔直徑為220 mm時，鉆孔樁內共布置3個孔，布孔形式如圖3，該布孔形式 S1與 S2的比值為10.2。

經過工程實踐，S1與 S2的比值控制在6～11之間，可以取得理想的預鉆效果。

施工過程中如果穿越溶洞遇到斜巖或者地基存在斜巖面時，除了可以按照上述原則進行預鉆孔設計外，也可以根據斜巖面的大小、走向采取局部預鉆。局部預鉆孔的設計遵循淺孔、密孔的原則，以破壞現有的斜巖面為準。

圖3 φ220 mm預鉆孔布孔圖(單位:mm)

預鉆孔的長度設計根據預鉆位置的地質結構、溶洞及斜巖面的位置而定，一般以穿越溶洞或者斜巖面1 m為宜，且不能大于鉆孔樁的設計長度，以確保基底巖石的完整性。

3.2 施工機械選擇

預鉆施工主要針對于接觸樁，該類樁一般都位于巖石內。施工機械的選擇要考慮鉆機在相應巖石內的成孔速度及深度。同時能夠在泥漿環境中作業，也是選擇鉆機的標準之一。

SL400型潛孔鉆機是一種高效、多功能履帶式鉆機，可在各種地層上采用泥漿、泡沫和壓縮空氣潛孔鉆進，鉆孔直徑110 mm到254 mm，孔深可達213 m。該鉆機的參數及性能見表1。

由表1可以看出，SL400型鉆機可以滿足各種工況下的預鉆施工。

表1 鉆機性能參數表

4 效果分析

4.1 工效分析

在大汶河特大橋鉆樁施工中，對比分析了4個典型墩臺對預鉆前和預鉆后的工效。

大汶河特大橋 158#、170#、247#、248#橋墩基礎均為鉆孔樁基礎，樁基根數為8～12根，樁徑為1.0 m，樁基位于1 500 kPa的石灰巖中。具體工效對比見表2。根據表2中的對比數據，在巖石地質情況相似的條件下，采用預鉆法施工后樁基施工效率最高可提高5.2倍，斜巖處理的片石回填量減少至預鉆前的20%～30%左右。

表2 預鉆與否工效對比

4.2 質量控制效果

由于斜巖面在預鉆時在中間形成的鉆孔，相當于為沖擊鉆提供了一導向孔，使沖擊鉆造孔時偏孔幾率減小，經過鉆孔過程中的質量檢測，斜巖糾偏率降低了75% ～85%，使沖擊鉆的成孔質量得到了進一步的保證。

5 結語

1)預鉆施工很好地解決了地基承載力高、巖溶及斜巖地區沖擊鉆成孔效率低的問題，提高了鉆孔樁的施工效率。

2)預鉆施工提前破壞了樁位存在的斜巖面，鉆孔樁的糾偏率明顯降低，樁基施工質量得到了保證。

3)預鉆施工中增加了潛孔鉆機造孔，潛孔鉆造孔增加的施工成本，與樁基施工效率提高所降低的施工成本如何在施工過程中得到最優組合，需要做進一步研究的問題。

［1］鄭偉鋒，蔣鵬，王明羿，等.南廣客運專線某巖溶區段橋基鉆探的關鍵技術［J］.鐵道建筑，2009(6):19-21.

［2］顧曉魯，錢鴻縉，劉惠珊，等.地基與基礎［M］.北京:中國建筑工業出版社，2003.