淺談復雜地質下旋挖鉆全護筒成孔技術的應用

于海洋

(中鐵二十三局集團有限公司北京國際建設工程分公司, 四川成都 611130)

旋挖鉆全護筒跟進成孔工藝是利用旋挖鉆機在全護筒跟進的情況下進行各類樁基礎成孔施工的技術。旋挖鉆全護筒跟進成孔工藝主要適用于幾種地質：一是地下水豐富、堆積地質、流沙等不良地質情況下的樁基礎工程；二是安全環保要求高，成樁質量標準高，傳統沖擊鉆泥漿護壁成孔施工成樁難、施工場地周邊有正在運營的道路等條件下的樁基礎工程[1]。

1 工程實例

1.1 工程概況

南北走廊公路項目位于格魯吉亞北部山區，是該國南北方向連接俄羅斯與阿塞拜疆的唯一交通通道。項目B2橋臨近既有運營公路，全長435.2 m，縱坡4.0%，橫坡5.5%，橋面寬度18.2 m，曲線半徑400 m，其跨徑布置為(53.1+70.2+93.3+135.4+83.2) m，是一座小半徑曲線大跨度懸臂澆筑連續梁橋，該橋共有樁基90根，合計2 111 m，最大樁長28 m。其中，P2墩樁基14根，單根樁長26 m。

1.2 地質水文及周邊環境情況

B2橋所在位置地質條件復雜，主要為修筑既有公路時路基開挖的廢棄土石方堆積而成，地質松軟、地下水豐富、地下土石分布不均勻且間隙大、滲透性強，且該橋位置緊鄰既有運營公路，該公路為格魯吉亞國家級南北方向主干道，車流量大且大多為重載貨車，現場施工不能中斷交通，嚴重影響樁基礎的正常施工。

1.3 前期沖擊鉆成孔施工情況

前期樁基施工選擇沖擊鉆成孔泥漿循環護壁施工方案，由于對地質條件認識不足，沖擊成孔施工方案推進艱難，主要表現在4個方面：

(1)地下涌水、泥漿流失嚴重。采用沖擊鉆工藝成孔時，在沖孔至11 m左右時發生孔內涌水現象，涌水迅速稀釋泥漿，致使泥漿不能有效護壁，部分泥漿漏失無法形成正常循環，樁基沖孔不能正常組織作業[2]。

(2)成孔時間長、安全風險大。一般26 m左右的樁基正常情況下10天左右即可完成沖孔，但現場實際上需要18天才能終孔，因不良地質原因，孔內出現掉鉆、卡鉆、空洞等事故常有發生，事故處理時間長、費用大，這也進一步導致成孔時間長，反反復復，惡性循環。

(3)混凝土材料超耗嚴重、綜合成本高。地下孤石多、空隙大，混凝土灌注過程中泥漿無法有效護壁導致混凝土超耗嚴重，成本費用高。

(4)施工質量難以控制。沖擊成孔過程中因采用泥漿護壁的工藝，孔底碎渣沉積、清孔效果不佳，可能影響樁身質量。

1.4 施工方案的優化

通過前期施工揭示，沖擊鉆成孔施工工藝很難保證成樁效果，結合工程地質條件復雜、境外項目環境保護的苛刻要求，考慮到施工工期、施工質量、施工投入以及境外項目市場資源有限等因素，經綜合比選采用旋挖鉆全護筒跟進成孔工藝，該工藝具有工效高、投入少、環保好等特點，能有效克服泥漿護壁面臨的塌孔、涌水、流砂等不利地質條件下的成孔難問題[3]。

1.5 旋挖鉆全護筒跟進成孔技術

1.5.1 工藝原理

旋挖鉆的工作原理是鉆機動力頭驅動鉆桿帶動鉆頭旋轉，并施加壓力破碎和鉆取地層，鉆頭容器取滿土后提取鉆桿和鉆頭至地面卸土，連接鋼護筒，然后再下鉆頭鉆取地層，不斷循環作業直至成孔[4]。

1.5.2 工藝流程

主要工藝流程為：施工準備—測量放樣—埋設鋼護筒—鉆機移位—循環鉆進—安裝護筒系統—清孔處理—吊裝鋼筋籠—二次清孔—安放導管—灌注水下混凝土—拔出導管及護筒—清理場地。

(1)施工準備。技術方面，完成施工圖紙設計、施工方案選擇及施工班組技術交底；現場方面，施工所需勞務、設備及材料就位、施工場地無干擾。

(2)測量放樣。使用TS09全站儀確定樁基位置，并在樁位中心做好標記。

(3)埋設鋼護筒。護筒材料選用外徑1 500 mm，壁厚30 mm的鋼制護筒，單節長度1.5～5.0 m不等，護筒偏差控制在50 mm以內。

(4)鉆機移位。護筒埋設后，現場人員移動鉆機到達鉆孔作業平臺，當鉆桿在相對零位前后5°范圍內時，通常手動調整，保證鉆桿中軸線、護筒中心點、樁基中心點“三點一線”，確保鉆孔的垂直度[5]。

(5)循環鉆進。鉆孔過程中，施工人員首先把鉆斗著地，將鉆頭的原始位置記錄下來，根據地質情況選用不同的鉆頭，并根據地質的變化，及時調整鉆斗的升降速度。鉆進取土后，主卷揚機不斷提升，到達地面后打開底門，倒出渣土，再次把鉆頭放入孔內鉆進，不斷重復上述操作。

(6)安裝護筒系統。首節護筒底部裝有呈環狀排列的切割齒可使鋼制護筒快速旋轉進入地下土體，連接第二節護筒，每節護筒連接前使用水準儀驗證護筒的垂直度，確保符合設計要求[6]。

(7)清孔處理。在達到設計圖紙要求樁底標高后，對樁孔進行深度檢測，在滿足設計要求深度條件下，用旋挖鉆機自帶清孔鉆進行清孔，主要清除鉆進過程中回落、沉淀在孔底的廢渣。

(8)吊裝鋼筋籠。采用25 t起重機起吊鋼筋籠入孔，吊點應設置在頂部加強筋位置，下放過程中應保證鋼筋籠的穩定性，避免與孔壁發生碰撞。

(9)安放導管。每節導管進行編號，導管下放時記錄好下放順序以及每根導管長度，以便施工人員更好地控制混凝土灌注過程中的埋管深度。下置導管時應防止碰撞鋼筋籠，待導管連接完畢后將漏斗與導管連接密實且需進行水密性試驗。

(10)灌注水下混凝土。按照規范要求拌制水下混凝土，塌落度為180～220 mm，灌注過程中及時拆卸導管，保持導管埋置深度在2～4 m范圍內，且不得超出6 m。首批灌注混凝土方量應滿足埋深(不小于1 m)和填充導管底部的需要，所需混凝土方量依據JTG/T F50—2011《公路橋涵施工技術規范》[7-8]中首灌公式(1)進行計算：

V=πD2(H1+H2)/4+πd2h1/4

(1)

式中:H1為樁孔底部至導管底部之間的距離；H2為導管首次埋置深度，m；h1為樁孔內混凝土達到埋置深度H2時，導管內混凝土平衡外部壓力所需的高度，m；D為樁孔直徑，m；d為導管內徑，m；V為灌注首批混凝土數量，m3。混凝土的灌注采用傳統的導管提拔法進行，灌注過程中應經常上下提動料斗和導管，以便管內混凝土順利入孔。同時，縮短灌注時長，在混凝土初凝時間前全部完成。

(11)拔出導管及護筒。灌注完成后及時拆除護筒系統。為方便護筒的拆卸，操作人員對拔出的護筒外表面進行清洗。

1.5.3 主要設備參數

樁長26 m，直徑φ1.5 m，需全護筒跟進施工(鋼護筒連接后最大重量為38 t)，這在格魯吉亞市場中對旋挖鉆施工是一項挑戰。經多方市場調研，在格魯吉亞市場樁基礎全護筒跟進施工并不常見且能達到施工條件的設備僅有2臺，為德國寶峨BG40旋挖鉆，該設備整體性能好、運行功率高、液壓系統可靠度高、機械性能好[9]。該設備與格魯吉亞市場現有的一般旋挖鉆主要參數對比如表1所示。

表1 主要設備參數對比

2 2種施工效果對比分析

2.1 費用對比

B2橋P2墩樁基為直徑1.5 m的鉆孔樁，根據項目所在地市場情況測算，沖擊鉆成孔綜合施工成本為1 567元/m(含沖擊鉆設備采購及運輸至境外項目費用)，旋挖鉆全護筒跟進成孔綜合施工成本為915元/m。旋挖鉆成孔每1 m可節約成本652元。B2橋共有2 111m樁基，初步測算可節約成本138萬元；全項目共有7 546 m樁基，據此測算，可節約成本492萬元。

2.2 進度對比

就開始鉆進到灌樁結束所用時間而言，以B2橋P2墩樁基為例，單根樁長26 m，采用旋挖鉆全護筒跟進施工工藝從開鉆至灌樁結束共計需要1.5天，沖擊鉆施工從開鉆至灌樁結束共計需要18天。上述比較可以看出，旋挖鉆全護筒跟進施工工藝可大幅降低鉆孔灌注樁的施工時間，可以更加高效地完成復雜地質條件地區的樁基施工。

2.3 質量對比

旋挖鉆全護筒跟進成孔施工過程中，樁身在全護筒的保護下樁位偏差及垂直度均能較好地滿足規范要求，從而有效地保證了樁身質量，避免了軟弱及地下水豐富地質下的傳統泥漿護壁無效的現象，后續樁檢合格率得到了有效保障。

3 結束語

旋挖鉆全護筒跟進工藝在作業方面具有成孔速度快、成孔質量高、作業時間短、投入成本低等優勢，在格魯吉亞南北走廊公路項目B2橋樁基施工中的應用有效地避免了復雜地質水文條件帶來的困擾，如：塌孔、混凝土材料超耗、泥漿無法有效護壁等，加快了施工進度，提高了成孔效率。對其他同類復雜地質條件下的樁基成孔施工具有一定的借鑒意義。