全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)在巖溶地區(qū)大直徑超長樁施工中的應(yīng)用

于 芳 黃 新

1. 深圳市市政工程總公司 廣東 深圳 518109；2. 深圳市專業(yè)基礎(chǔ)工程有限公司 廣東 深圳 518000

1 應(yīng)用工程概況

榮百尚宜春項(xiàng)目商業(yè)樁基工程1標(biāo)段位于江西省宜春市中山中路南側(cè)、二符路西側(cè)，本標(biāo)段場(chǎng)地內(nèi)的商業(yè)部分工程樁55根，其中φ1.5 m的工程樁共計(jì)15根，φ1.2 m的工程樁共計(jì)40根，最大樁長達(dá)65 m，平均樁長約50 m。本場(chǎng)地內(nèi)溶洞發(fā)育，采用沖孔或是旋挖成孔難度極大，先后有十余家樁基施工單位進(jìn)場(chǎng)施工，但均未能成孔而退場(chǎng)。

我公司采用全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)與旋挖鉆機(jī)配合進(jìn)行巖溶地超深樁施工，針對(duì)大直徑入巖樁，進(jìn)場(chǎng)2臺(tái)DTR2005H型全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)、1臺(tái)DTR1505H型全套管鉆機(jī)和2臺(tái)SRX1050型旋挖鉆機(jī)，采用“全套管全回轉(zhuǎn)與旋挖鉆在巖溶地區(qū)大直徑超長樁聯(lián)合施工技術(shù)”，通過配置來弗沖擊錘提高刻巖效率，以及采取長套管護(hù)壁等措施，在合同工期內(nèi)圓滿地完成了施工任務(wù)。

2 全套管全回轉(zhuǎn)與旋挖鉆

2.1 工作原理

全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)是一種新型鉆機(jī)，具有全液壓動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)制，可以進(jìn)行機(jī)電液聯(lián)合控制并實(shí)現(xiàn)套管的360°回轉(zhuǎn)。它在壓入套管的同時(shí)可以進(jìn)行良好的控制，具有新型、高效、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。具體施工原理為：利用全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)，使鋼套管與土層間的摩阻力大大減小，邊加轉(zhuǎn)邊壓入，同時(shí)利用沖抓斗、沖擊錘挖掘取土或旋挖取土，直至套管下到樁端持力層為止。挖掘完畢后，立即測(cè)量孔深，確認(rèn)持力層，滿足要求后進(jìn)行清孔，安裝鋼筋籠，最后澆灌混凝土成樁完成（圖1）[1-4]。

圖1 全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)工作原理

本項(xiàng)目由于存在有串珠狀的溶洞，如只采用旋挖鉆機(jī)成孔，則成孔過程中易發(fā)生坍孔、卡鉆、埋鉆、斜巖等事故，成樁質(zhì)量較差，有些地層甚至不能成樁；如只采用全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔，剛在入巖時(shí)，速度會(huì)比旋挖慢，另外在水下沖抓速度也會(huì)比旋挖掏土慢。所以采用2種工藝相結(jié)合的方式，利用全回轉(zhuǎn)套管護(hù)壁、垂直度好、不發(fā)生斜樁、不會(huì)有孔內(nèi)事故的特點(diǎn)，結(jié)合旋挖入巖掏土速度快的優(yōu)勢(shì)，充分發(fā)揮了2種施工工藝的長處，在巖溶地質(zhì)中施工鉆孔灌注樁取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

1）垂直度高：采用全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的垂直精度可以保持在0.1%以下。

2）無坍孔：采用全套管跟管鉆進(jìn)，由抓斗或旋挖取土的方式來替代泥漿護(hù)壁工藝的傳統(tǒng)鉆進(jìn)方法，從而避免該工序中出現(xiàn)坍孔現(xiàn)象。

3）入巖效率高：軟巖可以直接用抓斗抓取，硬巖層用旋挖鉆機(jī)入巖速度很快。對(duì)于φ1.5 m樁基，當(dāng)巖石的強(qiáng)度為35 MPa時(shí)，鉆機(jī)每3 h可掘進(jìn)1 m。

4）孤石、舊基礎(chǔ)等堅(jiān)硬塊體可被穿透：本場(chǎng)地內(nèi)的孤石較多，單一采用旋挖鉆機(jī)或是其他沖孔鉆機(jī)，在孤石地層施工中容易發(fā)生偏樁、斜樁等事故，而全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)可粉碎并穿過孤石和舊基礎(chǔ)等堅(jiān)硬塊體，極大地減少了成樁過程中的地質(zhì)障礙問題。

5）充盈系數(shù)小：全套管跟進(jìn)提供的護(hù)壁作用可以有效地控制樁基的充盈系數(shù)。另外，全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔時(shí)對(duì)周邊土層擾動(dòng)很小，其充盈系數(shù)也會(huì)很小。

6）操作安全可靠：在掘進(jìn)過程中，工作人員的操作可以在機(jī)械駕駛室內(nèi)完成，從而極大地減少了安全隱患。

7）環(huán)保效果好：全回轉(zhuǎn)采用全套管跟進(jìn)，無須泥漿護(hù)壁，減少了對(duì)環(huán)境的污染。全回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)鉆機(jī)產(chǎn)生的噪聲較小，做到了環(huán)保施工。

3 全套管全回轉(zhuǎn)與旋挖鉆的施工要點(diǎn)

3.1 平整場(chǎng)地及硬化

為了使全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工順利進(jìn)行，要在施工范圍對(duì)場(chǎng)地用機(jī)械進(jìn)行平整，并完成200 m2以上的套管堆場(chǎng)。本工程采用了鋼筋混凝土硬化面層，硬化時(shí)留出樁位不硬化，留出的空位比樁徑大約20 cm。由于全套管機(jī)械的起拔力較大，故硬化的鋼筋混凝土厚度不小于20 cm。樁孔中抽出積水時(shí)在四周設(shè)排水溝和集水井等，經(jīng)過沉淀且符合要求后即排入下水管道。

3.2 施放樁位

樁位須采用經(jīng)過定期檢驗(yàn)的全站儀進(jìn)行施放，測(cè)量精度須滿足相應(yīng)建筑施工規(guī)范要求。根據(jù)施工網(wǎng)格定控制線來定樁位，再按照樁位圖給全部樁編號(hào)，然后放樁位設(shè)樣樁。施工前應(yīng)該復(fù)核現(xiàn)場(chǎng)軸線，同時(shí)樁基施工不應(yīng)該影響到軸線控制點(diǎn)。最后，樁位必須再復(fù)核一次，不能有錯(cuò)。

3.3 鉆機(jī)就位對(duì)中

DTR系列全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)需要采用吊裝對(duì)中，應(yīng)確保全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的轉(zhuǎn)盤中心與樁中心點(diǎn)重合。做法是：根據(jù)已施放的中心點(diǎn)，按設(shè)計(jì)樁徑用白灰畫出樁邊線；在路基板吊至樁位上之后要保持路基板內(nèi)孔框住樁邊線；全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)開動(dòng)到位之前需保證測(cè)量員就位并核實(shí)結(jié)果沒有偏差，觀察后如無偏差則可將旋挖機(jī)施工平臺(tái)安設(shè)在全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)旁的合適位置。

3.4 安置套管

對(duì)機(jī)器進(jìn)行水平調(diào)平，從而使4個(gè)支腳油缸受力均勻，為了在掘進(jìn)時(shí)隨時(shí)進(jìn)行觀察與糾偏，將兩夾角為90°的吊繩安置于距離鉆機(jī)十多米處；在放入7.5 m刀頭節(jié)套管的過程中需要使主、副夾具保持完全打開，吊放過程中避免與主機(jī)機(jī)體產(chǎn)生接觸；使套管頭與地面有150 mm的距離并將套管夾緊，隨時(shí)用測(cè)錘或經(jīng)緯儀監(jiān)測(cè)并觀察水平情況，必要時(shí)可進(jìn)行微量調(diào)整；借助鉆機(jī)上的楔形夾緊裝置夾緊套管，并使套管保持1/200以上的垂直精度。

3.5 校核鉆孔垂直度

為保證鉆孔垂直度和施工中能隨時(shí)修正套管角度，鉆機(jī)需設(shè)有垂直度裝置。必須豎直地埋入第1、2節(jié)套管，因?yàn)樗鼪Q定了樁孔垂直精度。細(xì)心壓入第1組套管以保持精度，并用2組測(cè)錘或2臺(tái)經(jīng)緯儀從2個(gè)正交方向校正第1組套管安裝好后的垂直度，邊校正、邊回轉(zhuǎn)套管、邊壓入，不斷校核垂直度。本項(xiàng)目在4 m行程中都要求觀測(cè)垂直度一次，偏差超過1/200就要進(jìn)行垂直度的重新校核（圖2）。

圖2 DTR全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工系統(tǒng)

3.6 土層及巖層鉆進(jìn)

鉆機(jī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)需觀察并記錄的參數(shù)包括扭矩、壓力及垂直度。在旋挖鉆機(jī)到達(dá)作業(yè)平臺(tái)之后，可進(jìn)行鉆機(jī)鉆頭置入鋼護(hù)筒的相關(guān)作業(yè)，鉆進(jìn)過程中，需要保持旋挖鉆機(jī)鉆桿與鋼護(hù)筒中心軸處于同一軸線，確保樁有足夠的垂直度，從而使鉆機(jī)鉆頭與鋼護(hù)筒不會(huì)因碰撞而導(dǎo)致磨損。取土與回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)同步進(jìn)行，單次鉆進(jìn)距離為1～3 m，在采用抓斗取土的過程中需確保套管處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)且不產(chǎn)生下壓。取土后進(jìn)行取土深度的測(cè)量，管的底部保留兩倍直徑的土。鉆機(jī)平臺(tái)上未鉆進(jìn)的套管還剩1 m時(shí)，對(duì)取土深度進(jìn)行測(cè)量，完成套管接口處理后方可進(jìn)行下一根套管的連接。為使拆裝更方便，管口除銹、涂油脂、加保鮮膜等工序需要額外注意。連接套管后繼續(xù)鉆進(jìn)。在對(duì)長度為6 m的套管進(jìn)行吊裝、連接時(shí)，要使保養(yǎng)過的螺栓對(duì)稱緊固同時(shí)進(jìn)行，并且使加力過程保持均勻。作業(yè)時(shí)遇有不均勻地層或卵石層時(shí)，應(yīng)采用蠕動(dòng)式作業(yè)，要多回轉(zhuǎn)少壓入，緩慢穿過。當(dāng)鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)深度后，可用旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)進(jìn)行修孔，從而使孔的垂直度處于設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。下一步清孔進(jìn)行前需確保上部鋼護(hù)筒與旋挖段的樁孔基本處于同一豎直線上。

當(dāng)套管進(jìn)入巖層后，可以用沖錘在套管內(nèi)進(jìn)行巖石破碎，后用旋挖掏土將石渣取出。也可以單獨(dú)用旋挖掏巖，但是用沖錘及旋挖配合掏土，效率要高出50%以上。

3.7 第1次清理樁孔

鉆孔鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，減慢旋挖鉆機(jī)速度，用雙底撈渣鉆頭將孔底懸浮的沉渣掏出。處理孔底使其平整以及無污泥、松渣等軟土層，孔內(nèi)沉渣厚度小于3 cm，同時(shí)樁嵌入巖層的深度大于3倍的樁徑并達(dá)到設(shè)計(jì)要求。第1次清孔完成后及時(shí)向駐地監(jiān)理工程師報(bào)檢。

3.8 安放、對(duì)接鋼筋籠

鋼套管的內(nèi)徑以比鋼筋籠的外徑大10～20 cm為宜。鋼筋籠的吊裝可采用三點(diǎn)或四點(diǎn)吊裝法，用此法鋼筋籠不易產(chǎn)生彎曲、變形，也能保證順直度。當(dāng)樁長度比較大時(shí)，鋼筋籠應(yīng)當(dāng)分節(jié)制作、安裝，采用焊接連接。鋼筋籠的主筋要均勻分布，扎絲內(nèi)收，防止在灌注樁身混凝土后，上提套管時(shí)帶動(dòng)鋼筋籠向上浮動(dòng)。

3.9 安裝導(dǎo)管

樁孔檢驗(yàn)合格，吊裝鋼筋籠完畢后，安置導(dǎo)管，灌注混凝土。導(dǎo)管安置應(yīng)符合下列要求：

1）內(nèi)壁應(yīng)光滑、內(nèi)徑圓順，直徑為20～30 cm，每節(jié)長度宜為2.5 m。

2）不漏水，在完成水密承壓和接頭抗拉試驗(yàn)后才能使用導(dǎo)管，此處嚴(yán)禁使用氣壓。

3）導(dǎo)管與樁孔軸線偏差不宜超過孔深度的0.5%，且不超過10 cm。

4）導(dǎo)管采用螺旋絲扣型接頭時(shí)，必須有防松動(dòng)脫落的裝置；采用法蘭盤接頭時(shí)，宜加錐形活塞。

5）使用的隔水球應(yīng)制作細(xì)致，長度不大于200 mm。

3.10 第2次清孔

下放鋼筋籠后，將灌注導(dǎo)管置于孔底10 mm處。將風(fēng)管從灌注導(dǎo)管內(nèi)插入至導(dǎo)管2/3處，引出風(fēng)壓管的另一頭，并將其與空壓機(jī)組連接；保證泥漿一定的高度，在出渣口放接渣籃子。空壓機(jī)啟動(dòng)清孔后，等到接渣籃里沒有沉渣，測(cè)孔內(nèi)沉渣的厚度，滿足要求后測(cè)量泥漿相對(duì)密度，泥漿達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后，可停止清孔，準(zhǔn)備灌注混凝土。

3.11 灌注混凝土

懸掛隔水塞，并將其放在導(dǎo)管內(nèi)的水面之上。灌注首批混凝土后，剪斷懸掛隔水塞的鐵絲，使其和混凝土拌和物順導(dǎo)管而下，將管內(nèi)的水?dāng)D出來，隔水塞脫落留在孔底的混凝土中。灌注混凝土?xí)r控制第1次灌入量，導(dǎo)管埋入混凝土中的長度不小于0.8 m。灌注混凝土的過程中，保持混凝土面的上漲速度不小于2 m/h，并使導(dǎo)管始終有2～6 m在混凝土面以下。要使導(dǎo)管在中間位置，提升時(shí)不能使鋼筋骨架發(fā)生移動(dòng)，如果骨架有向上提升，則停止向上提升，降落導(dǎo)管，輕搖使其脫離鋼骨架。在距離樁孔端部5 m以內(nèi)可以不用提升導(dǎo)管，在最后灌注到設(shè)計(jì)高度后將導(dǎo)管一次性拔出。灌注混凝土必須超出樁頂0.5～0.6 m，這是為保證樁頂鑿掉浮漿后的強(qiáng)度。灌注完成拔出導(dǎo)管時(shí)要注意拔管及時(shí)，以及最后一次拔管速度放緩，防止孔內(nèi)泥漿進(jìn)入樁內(nèi)。在混凝土灌注時(shí)，要隨時(shí)測(cè)量澆筑的混凝土面的標(biāo)高，超灌高度需控制嚴(yán)格。水下灌注混凝土過程中，要安設(shè)污水泵，及時(shí)將水排出以防止泥漿漫出。灌注結(jié)束后，應(yīng)立即對(duì)每節(jié)套管螺絲連接和導(dǎo)管進(jìn)行清洗，以備進(jìn)行下一次灌注使用。

3.12 混凝土初凝前拔起套管

在混凝土初凝前拔起鋼護(hù)筒。起拔套管前，使套管在10°的平面范圍內(nèi)左右搓動(dòng)1 min左右，可以加速混凝土和套管壁的完全脫離。在混凝土進(jìn)入套管一節(jié)的長度時(shí)將套管拔起。當(dāng)遇到巖溶地層時(shí)，須在穿過溶洞的位置給鋼筋籠外側(cè)包裹一層塑料網(wǎng)或者鐵絲網(wǎng)，從而避免混凝土在鋼護(hù)筒拔起后流散到溶洞中。

4 結(jié)語

施工實(shí)踐表明，采用全套管全回轉(zhuǎn)與旋挖鉆聯(lián)合施工工藝，能較好地解決在巖溶地區(qū)泥漿護(hù)壁已經(jīng)不適用、斜巖面的處理及垂直度較難控制、溶洞中卡鉆掉鉆事故頻發(fā)等問題，節(jié)省了項(xiàng)目成本，達(dá)到了施工效率高、綜合成本低、現(xiàn)場(chǎng)管理簡便、施工安全的目標(biāo)。該項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)突出，簡便易行，是對(duì)灌注樁施工方法的突破、提升和創(chuàng)新，尤其是對(duì)巖溶地區(qū)大規(guī)模興建的建筑深基坑土石方工程來說，該工藝技術(shù)具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義及推廣價(jià)值，市場(chǎng)前景十分廣闊。