取芯機在特殊地理條件下樁基施工中的應用

摘要：針對滬昆客專貴州段大貓坡特大橋與既有公路、鐵路、石油管線及軍用光纜交叉跨越，受場地狹小及與公路、鐵路、石油管線及軍纜管理單位協調難度大等因素影響施工進度，因而采取了施工用具簡單、受場地限制影響較小的混凝土取芯機進行鉆孔樁樁基施工。

關鍵詞：取芯機 特殊地理條件 樁基 應用

1 工程概況

滬昆客專貴州段作為滬昆客運專線的一段，是我國《綜合交通網中長期發展規劃》中“五縱五橫”綜合運輸大通道——滬昆通道的西段，是我國鐵路網主骨架中的橫向通道之一，是長三角、珠三角等沿海經濟發達地區向西南內陸地區進行經濟輻射的主要軸線。由中鐵十四局集團公司施工的大貓坡特大橋全長1314m，分別跨越西南石油管道和軍用光纜（32+48+32）m、省道S102（28+48+33）m和既有滬昆鐵路（40+64+40）m，由于連續梁采用懸臂澆筑，施工周期長，加之其集中處于跨越公路、鐵路、軍纜和高壓線上跨等特殊地理位置，受外部因素制約較大，因此大貓坡特大橋成為控制工期的重點工程。

由于大貓坡特大橋特殊的地理位置，為確保施工工期、加快施工進度且保證對既有公路、鐵路、石油管道及軍纜的安全，對跨越石油管道處的4#、5#墩、臨近公路的6#、7#、8#、9#、10#以及臨近鐵路的11#、12#、13#、14#墩樁基（直徑1.25m和1.5m），均采用取芯機成孔的施工方法。

2 地質水文情況

貴州是典型的喀斯特地貌地區，橋址處地表巖溶主要為溶洞、溶溝溶槽及溶蝕小孔，部分溶洞全充填，部分溶洞無充填；部分樁位地表表層分布有軟土和膨脹土，厚度30cm～100cm。橋址處主要出露碳酸鹽灰巖。

橋位處地下水位因本橋溶洞、溶溝溶槽及溶蝕小孔的存在，受當地降雨影響較大，旱季水位較低，雨季水位迅速上漲，因此采用取芯成孔施工工藝的樁基礎，均安排在當地雨季到來前完成。

3 施工方案的選取

由于大貓坡特大橋部分樁基受到與公路、鐵路、石油管線、軍纜以及電力管理部門簽訂施工安全協議或遷改時間的不確定影響，為加快線下工程施工進度，保證既有公路、鐵路、石油管線、軍纜及電力線的安全，綜合考慮后，對不宜采用常規鉆孔機械進行施工的樁基礎，均采用了混凝土取芯機進行成孔的施工工藝。

4 取芯機成孔工作原理

巖石具有抗壓強度高、抗拉、抗剪強度低的特性。取芯機取芯正是利用了巖石的抗拉、抗剪強度低的特性，通過施加外力使“芯樣”斷裂，從而達到取芯成孔的目的。

而采用取芯機施工樁基就是要把完整的巖石逐步分解，形成易于破碎、方便從孔中提取出的小塊“芯樣”，進而形成孔洞，達到設計要求的孔徑，形成樁基礎。

現場進行鉆孔取芯施工時一般采用直徑150mm的鉆頭，按照設計的樁孔直徑首先在樁基外緣部分鉆取深度為60cm的“芯樣”，使樁孔圓周外邊緣形成臨空面，然后對中間剩余部分利用風鉆打孔（孔深一般超出邊緣孔深的10cm～20cm），分割成易于破壞、易于搬運的小塊“芯樣”，之后通過在風槍孔處插入楔型鋼件，通過對楔塊施加沖擊外力使楔塊下移，芯樣頂部受到向芯樣圓心方向的“撐”力，因巖石抗拉、抗剪強度低，從而使芯樣發生斷裂。

5 施工工藝過程

取芯機成孔工序如下圖：

5.1 施工準備

①場地準備：首先對施工場地進行平整，對覆土較淺的位置，將表土清除；對地表不平整的巖石表面，為保證取芯機安放就位，將表層巖石鑿除平整或使用混凝土找平。

②機具準備：根據墩位處樁基數量及施工進度要求，合理安排擬上場施工機具數量，并根據擬開孔數量及開孔部位規劃出碴通道，以便同時施工時彼此間減少施工干擾。

施工機具主要包括取芯機、小型儲水裝置、污水泵、提升機、空氣壓縮機、風槍、風鎬等。

5.2 樁孔定位測量

由測量人員根據設計孔位坐標，定出樁孔中心位置并測量出現有地面高程，施工人員開孔前將樁位護樁引至孔口護壁混凝土或孔外，設置護樁，同時加以保護，以備鉆進過程中孔位及孔徑的校核；施工人員以測量的樁基中心為加圓心，以大于設計樁基半徑5cm為圓劃出鉆孔邊線。

5.3 取芯施工

①根據定位出的樁孔外邊緣線，安放施工機具并調試好后，將取芯機鉆頭外緣與劃出的樁徑外緣邊線緊貼，并將取芯機以底部支點為中心向樁位中心方向內傾約2°，使上層取芯后，芯樣底部形成一個大于開挖半徑的截面，以滿足下一層取芯施工時機具的就位和成孔樁徑的尺寸滿足設計要求。

②開孔前利用孔口支架對取芯機施以向下的壓力，進尺一定深度后無法利用孔口支架后，采用腳手架的底托和鋼管橫在孔中，將其橫向固定在孔中形成橫撐，將其作為施加壓力的裝置，以保證取芯機鉆進作業過程中所需外力。

③取芯施工時，每兩個孔邊緣應重疊2cm～3cm，并按順或逆時針方向依次鉆孔；同時，通過外接水泵不斷向機具供水，一方面可降低鉆頭溫度，另一方面將鉆進過程中產生的粉塵沖刷掉，保證鉆頭不糊鉆。

④在完成周邊芯樣及中間巖芯的分割工作后，使用撬棍或楔塊將芯樣斷裂取出，通過物料提升機將其運出孔外，清理完成并校核孔位及孔徑無誤后準備下一取芯層的施工。

⑤依以上順序循環往復作業，直至到達設計標高后，使用風鎬將基底清理平整，完成整個鉆孔作業過程。

6 施工技術比對分析

傳統的沖擊鉆機施工方法，是利用沖擊錘的沖擊作用，擠壓破碎巖土，利用制造的一定濃度的泥漿，用泥漿泵泵入樁孔底部，將破碎的巖土顆粒通過泥漿的流動帶出樁孔進入泥漿池并經沉淀池沉淀，通過不斷的沖擊和泥漿的循環往復作用最終形成樁孔。

但沖擊鉆機在施工中也有相當大的弱點。一是由于設備較大較重，進出場或設備轉場、移位等均需要吊車配合進行，且施工中受外部配套機械制約影響情況較多；二是設備所占空間較大，施工中需要設置泥漿池、沉淀池，這就要求施工現場應具備鉆機可進場施工的地形條件，且一個墩臺位處樁基不適宜多于2臺鉆機同時作業，工期時間較長；三是施工過程需要使用泥漿，鉆進過程中要持續造漿，用水量較大，對于缺水條件的現場尚應設置取水井或外運所需用水至工地，且在鉆孔過程和混凝土灌注過程中產生的大量泥漿需要清理或外運；四是沖擊鉆機電機功率較大，加上配套的泥漿泵、水泵等設備總功率約70KW，這就需要現場接入高壓電力線或配備大型發電機，以滿足多臺沖擊鉆機施工用電需要。

混凝土取芯機原是作為實驗檢測常用的取芯設備，其具有以下特點：一是其機體較小，重量輕（約60Kg），設備安裝、就近轉場和移位工作僅需2～3人即可完成；二是取芯機及其配套設備施工時占用空間較小，施工中相互影響較小，可在一個施工面安設多臺機具共同作業；三是取芯機在工作中用水量較小，施工用水極易解決，且施工中冷卻水與鉆孔過程中產生的巖石粉末形成“水泥漿”，使孔內不至于產生粉塵；四是取芯機功率一般僅為4KW左右，加上物料提升機、污水泵等其它設備，總功率不過8KW左右，施工用電也極易解決。

由于混凝土取芯機輕便小巧，不受樁徑大小限制，且施工中所需的各種資源要求相對較低，對施工周邊環境干擾小，特別是在遇有特殊地理環境下如臨近石油管道、臨近既有線受與相應管理單位施工協調時間影響較大以及施工區域狹小等無法采用常規鉆孔機械施工的鉆孔樁基礎，采用取芯機成孔可極大提高施工進度。

7 施工工藝改進與提高

對受振動影響較小的特殊環境條件下的樁基，為進一步加快取芯工作進度，從減少中間部位分割芯樣的風鉆鉆孔數量入手考慮，結合使用爆破手段，可極大提高成樁進度。采用楔塊分割破碎方法打孔數量受巖石本身風化程度影響，打孔數量也相差較大。一般巖層情況下，中間部分巖芯至少分割成6～8小塊，打孔數量20個左右，而采用爆破手段，僅需要在中間芯樣上打設1個孔（孔深度宜超出邊緣取芯部分孔深約20cm），放入約100g炸藥，即可使芯樣破裂。由于爆破用藥量小且其臨空面向著孔壁方向，因此爆破時僅有微小的振動，也不會產生飛石。

8 結束語

取芯機成孔工藝，目前在城市建設的樁基中應用較多，而對野外施工的工程應用較少。通過大貓坡特大橋特殊地理環境條件下樁基采用取芯機成孔方法的成功運用，為下一步遇到類似特殊地理條件施工的樁基礎提供了一定的技術參考。

參考文獻：

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作者簡介：

孫曉榮（1973-），男，遼寧昌圖人，畢業于石家莊鐵道學院，研究方向：橋梁工程。