淺談一種沖孔長樁孔底勘探輔助裝置及其施工技術

王海濤

（中鐵十六局集團第一工程有限公司，北京 101300）

在橋梁樁基施工中，常因為施工地質情況與地質勘探報告不符，比如巖溶發育、土層缺失、土分層厚度差異等，需及時通知監理和設計單位，并對樁基進行補勘。通常，樁基補勘采用常規的巖心取芯鉆探設備，要求較低時在樁位附近進行鉆探取芯，這樣得到的鉆探芯樣精確度不高；在樁位上補勘時，多采用片石、黏土對所成孔樁基進行回填，然后進行鉆探取芯，但是鉆孔周期長，增加了費用，還易污染環境。本文針對臺溪板大橋南平臺4#樁90.3m沖孔樁基補勘難題，創新性采用直接下套管成功鉆探取芯10m的技術措施，避免了常規方法的弊端。

1 工程地質概況

南三龍鐵路臺溪板大橋橋址區位于福建省三明市三元區臺江村附近，橋址范圍為巖溶地區，地質情況復雜。橋址區灰巖，巖溶發育，南平臺附近有串珠狀溶洞，南平臺小里程背離橋址方向存在廢棄礦山采空區，開采時間距今較久，采空面積不明。由于巖面起伏以及巖溶在空間發育的復雜及不確定性，本次設計對各鉆孔樁樁長及樁底標高均為暫定數據。由于巖溶極其發育，勘探只是樁基局部位置，勘探結果不能完全表明樁基巖溶區段地層，樁基施工過程出現與勘探結果較大出入，樁基施工終孔前，需要在樁基孔中進一步地質補勘核驗。

2 施工方案設計

4#樁前期53m采用全套管全回旋法施工，后期采用沖擊鉆施工，初步成孔至設計標高，但現場采集渣樣與前期勘探結果不符，故繼續沖孔查看，突遇溶洞下降12.7m，此時成孔已為90.3m，需要進行地質補勘探明樁底地質情況。考慮到取芯精確度，在原成樁孔底直接取芯。采用鋼管套管和橫向支撐，并利用原有鋼護筒提供橫向支撐能力（固定套管移動，避免鉆孔樁基套管產生故障），將90m鉆桿直接下放到孔底進行鉆探取芯。鋼套管通過螺紋扣相連，每隔24m（即4節套管）在套管相接處設置橫向圓形支撐，并通過吊車下放至孔底，通過鉆探設備重力加載裝置將鋼管柱穿過沉淀層接觸巖石面，然后在鋼管柱內逐節下放鉆桿至孔底，緩慢開始加轉速進行取芯。圖1為取芯鉆機示意圖。

圖1 取芯鉆機整體布置

3 論證方案可行性

通過直徑190mm、壁厚4mm鋼管柱輔以橫向圓形支撐，依靠前期53m跟進的鋼護筒提供的橫向限制位移，確保鉆桿在強大扭矩加載時產生的橫向位移得到有效限制，從而進行鉆探工作。鉆桿的運動過程包括兩個：一個是自身垂直向的穩定，另一個是自身的扭轉。將過程簡化可知，只要保證鉆桿自身垂直方向穩定不發生彎曲，即可保證鉆桿和鋼套管盡可能少接觸。

鉆桿長度達90m時，為使鉆桿穩定，最大豎向加壓力（臨界力）Fcr如式（1）計算：

式中，E—直徑42mm鋼管彈性模量，E=2.06×1011Pa；

I—圓環形鉆桿對圓心的慣性矩，I=1.176×10-7m4；

L—鉆桿長度，L=90m。

經計算，Fcr=29.5N，幾乎就是不加壓的狀態。將90m長鉆桿近似看作直徑42m、壁厚6.5mm的焊接鋼管，查表可得，此種鋼管為3.064kg/m，總重275.76kg，自重2757.6N，即90m鉆桿在垂直情況下靠自重都會產生彎曲。使用過程中，必須依靠傳動軸提力克服其自重，使其不發生彎曲。

取芯過程中的鉆桿可以看作兩端鉸支的壓桿，利用壓桿失穩時撓曲線的精確微分方程得到撓曲線中點撓度δ與軸向壓力F之間的近似關系[1]，通過計算可知，保證鉆機F約30N，即提力2727.6N時，鉆桿應力應變均符合要求。鉆桿豎向保持穩定，不會發生橫向彎曲，即使發生小限度橫向彎曲，其單向應力也足以被鋼套管支撐。

4 方案執行

4.1 鋼套筒加工

單根長5.6m（視現場材料情況，長度不受限），壁厚4mm，直徑190mm，一端設8cm外置螺紋，另一端設8cm內置螺紋，這樣可以通過螺紋旋緊相接。90.3m的樁長需要16根鋼管柱。

鋼管樁與鉆探設備銜接端頭，直徑190mm，壁厚4mm，長30cm，一端內置8cm螺紋與鋼管柱連接，另一端設置焊接鉆桿與鉆探設備接頭。吊車通過起吊此端頭吊動鋼管樁，進行鋼管樁拼接，并通過此裝置連接鉆探設備，靠重力加載裝置使鋼管柱緊壓巖石面。

4.2 橫向圓形支撐加工

在相鄰兩根鋼管樁螺紋扣相接處，設置直徑約1.5m（與成樁孔直徑相差很小）、鋼筋型號φ22mm的鋼筋圈。鋼筋圈四等分處焊接鋼筋，與上一節鋼管柱焊接成型。每隔24m設置一圈。

4.3 鉆探取芯設備

常規鉆探設備GXY-1型巖心取芯機，鉆桿直徑42mm，桿長4.6m，采用直徑110mm和127mm的長度2m取芯鉆頭。取芯10m中的前4m采用直徑127cm的取芯鉆頭鉆取，后6m采用直徑110cm的取芯鉆頭在直徑127cm孔中進行鉆取，以保證鉆巖過程中鉆桿的穩定性。

5 整理分析方案執行過程中有關問題

芯樣收集情況完好，取芯效果較理想，可以充分說明地質情況，見圖2。

圖2 取芯芯樣

節約工期：此技術施工完成總計4d，下套管2d，鉆孔取芯1d，取套管1d。而常規運輸回填片石黏土并重新鉆取大約10d，節約了6d時間。

經濟效益（以三明地區機具材料計）：常規回填方法，20m3后八輪運距3km一次150元，一車黏土20m3大約300元，填滿樁基需要160m3，鉆探費用每天3000元，總計約21600元。鋼管樁套管法鋼管回收利用以及8t吊車3天費用2400元，費用可節省19200元。

環保效益：較之片石黏土回填方法，沒有造成泥漿二次排放，對環境污染小。

6 結語

通過本文介紹的沖孔長樁基下鋼套管補勘法，成功取得10m巖心芯樣，證明此方法的合理性，并取得了較好的經濟效益、社會效益和環保效益。但是也存在一些不足，比如，若沒有溶洞跟進鋼護筒為鋼套管提供橫向支撐力，鉆桿的橫向位移會使鋼套管發生傾斜甚至破壞，可以進一步優化鋼套管輔助裝置，增加其自身的穩定性，使操作更簡單、效益更明顯。