全套筒全回轉鉆機在鄰近地鐵的溶洞發育地區樁基施工中的應用

胡 棟 陳 偉 李 榮 唐國順

中建五局第三建設有限公司 湖南 長沙 410004

1 工程概況

貴陽恒大新世界項目2E地塊1標段工程，總建筑面積140 000 m2，含6棟高層，其中10#樓基礎為117根端承灌注樁，樁長26.62～74.10 m不等，其中機械樁型號為1.2、1.5 m及1.8 m等。

2 特殊地質及外部情況

經地質勘察，場區位于黔北臺隆遵義斷拱貴陽復雜構造變形區，場地附近無斷層通過，溶洞成串狀發育。10#樓地址情況復雜，中間巖層頂板下溶洞處于豎向與橫向強發育狀態，基本橫向溶洞全貫通，豎向溶洞深度最大，其中的ZK10-86#樁處至少存在2個溶洞，其中一個溶洞縱向發育至少10 m。場區與貴陽市軌道交通2號線一期土標項目工程相鄰，最近處僅有10 m，曾有樁在澆筑時因混凝土經溶洞流至地鐵涵道底板，導致涵道底板起拱800～1 000 mm[1-2]。

3 普通工藝分析

3.1 普通套筒旋挖

3.1.1 遇巖層套筒不能跟進

普通套筒旋挖機械受抱管器液壓泵動力限制（即套筒旋挖的套筒不具有扭矩力，不具備自主旋進能力），鋼套筒遇巖層就無法跟進，當巖層下部存在溶洞時，巖層下部開挖實際只是無套筒的普通旋挖，當掏空部分溶洞填充物時，易造成填充物向孔位擠壓，導致樁孔底部坍孔嚴重。

3.1.2 遇孤石易偏孔

普通套筒旋挖機械受抱管器液壓泵動力限制，不能自主旋轉挖進，只能往下擠壓壓進土層。當抱管器在下壓套筒的過程中遇到孤石時，套筒極易出現不均勻受力，導致偏位。

3.1.3 遇大溶洞垮塌易偏孔

當溶洞較大、橫向及豎向處于強發育狀態時，普通套筒旋挖勢必會掏出較多的溶洞填充物，若溶洞填充物具有一定的黏性，則掏出的孔位會讓周邊溶洞物形成較大的勢能，易發生溶洞塌陷，溶洞越大越深，造成垮塌的可能性越大，垮塌帶來的能量越大，垮塌的填充物對溶洞區域懸空的套筒形成側向擠壓，同樣易造成套筒跟進過程中偏心受力，導致樁基偏位。

3.2 泥漿護壁工藝

采用泥漿護壁進行樁施工的過程中，因溶洞橫向及豎向強發育，護壁泥漿經溶洞流動，涌入鄰近的地鐵施工項目。采用泥漿護壁，一方面加速了溶洞填充物的液化，使得原豎向及橫向串狀發育的溶洞變成了通道，導致樁基混凝土在澆筑過程中混凝土流失嚴重。因反壓混凝土通過溶洞流失至地鐵隧道的護壁處，擠壓護壁及底板，導致隧道墻壁多處出現裂縫變形，拱部出現沉降，影響隧道施工安全。

3.3 普通工藝問題

采用泥漿護壁的各種樁工藝及普通套筒旋挖工藝，均不能有效地處理鄰近地鐵溶洞強發育的特殊情況，開挖成孔效率低，常出現坍孔塌陷，普通的毛石回填方法不見成效。大多數樁工藝通過反壓進行溶洞處理，當溶洞較多、較大時，反壓的次數就會越多，現場反復施工會弱化土質條件，導致表面土層淤泥化，極易出現大面積的塌陷，增加了機械施工的安全風險。

4 全套筒全回轉鉆機施工工藝

如前文所述，因鄰近地鐵，采用泥漿護壁的各種樁工藝均不能保障泥漿的流失和混凝土的流失對地鐵的影響；干作業成孔的樁工藝也必須解決混凝土澆筑時的流失問題。為解決巖層下溶洞垮塌問題，就必須使用能夠旋進巖層的套筒。

全套筒全回轉鉆機是能驅動鋼套管進行360°回轉，并將鋼套筒壓入和拔出的施工機械。該新型機械有護壁驅動器、鋼套管，配有專用鉆頭實現對巖層的破碎并使鋼套筒跟進巖層，結合旋挖機聯合進行抓取土施工。

結合該項目的鄰近地鐵溶洞強發育的特點，采用全套筒全回轉鉆機施工，埋設一次性鋼套筒，鋼套筒不拔出，以解決混凝土澆筑過程中混凝土流失影響地鐵的問題。

4.1 工藝流程

樁基施工場區泥漿外運，塊石換填，場地平整→樁位放線定位→安放路基板→360°全回轉鉆機就位→下第1節外壁鋼套筒→回轉鉆進→旋挖機就位，旋挖機（沖抓斗）跟進掏渣取土→接外壁鋼套筒，回轉鉆進→重復旋挖取土、接外壁鋼套筒、鉆進至設計樁底標高→清孔→安置鋼筋籠→下導管→澆灌樁身混凝土至樁頂→振搗樁頭→清理樁頭浮漿、校正鋼筋籠→搭設承臺鋼筋綁扎、就位的施工架子→承臺鋼筋綁扎→塔吊預埋件、防雷→隱蔽驗收→承臺基礎混凝土（混凝土試塊制作）→混凝土養護→基礎驗收

4.2 工藝要點

4.2.1 施工準備

根據設計圖紙結合地質勘察報告和超前鉆資料，對現場地質、水文情況進行研究，對工程地質進行土壤可鉆性分析及入巖可鉆性分析，做好樁孔編號及溶洞分布統計、標識。

4.2.2 測量放樣

對建設單位提供的規劃測量坐標控制點進行復核，經復核無誤后，進行場內二級控制點布設。根據二級控制點布設各樓棟內三級控制點。再依據三級控制點（設置在各樓棟的主軸線上），按照從整體到局部的原則，進行樁位的坐標放樣，樁位按樁機規劃好的行走路線及樁孔施工先后順序進行依次放樣。

4.2.3 移機對位

定好樁位后將路基板吊到樁位上，復查樁位無偏差后，全回轉鉆機就位，吊車一側吊裝反力架，并用履帶式吊機抵住。

根據施工所需壓力，扭矩不同的鉆機兩側可以加放小于20 t的配重，防止套筒旋進過程中產生的反作用力使機械挪位。

4.2.4 調整水平及垂直度

1）調整機器水平并保證4個支腳油缸均勻受力，鉆進時在距鉆機十多米處安置兩夾角90°吊繩進行觀察，隨時糾偏。

2）在主、副夾具完全打開的情況下放入刀頭節套管7.5 m，吊放過程中不要與主機機體碰撞。

3）保證套管刀頭與地面有150 mm的距離夾緊套管，同時觀察水平情況，可做微量調整，并隨時監測。

4.2.5 鉆進取土

1）在鉆機回轉鉆進的同時觀察扭矩、壓力及垂直度的情況，并做記錄。當鉆進至全回轉鉆機平臺上端留有1～2 m外壁鋼套筒時，吊裝旋挖鉆機作業平臺，用旋挖鉆機取土作業（圖1）。

2）測量取土深度，當外壁鋼套筒內留有1～2 m土未取時，停止取土，處理外壁鋼套筒接口，準備接下一節外壁鋼套筒。套筒口要進行除銹，涂抹油脂，并加一層保鮮膜，便于拆裝。

3）吊裝標準節外壁鋼套筒及套管進行連接，保養過的連接螺栓要對稱均勻加力并緊固（圖2）。

圖1 鉆進取土現場

圖2 鋼套筒連接現場

4）連接原裝外壁鋼套筒后繼續鉆進，鉆進后用旋挖鉆機取土作業，循環以上的操作過程。

4.2.6 外壁鋼套筒安置

鋼套筒安置時頂標高同設計樁頂標高，以上放置可周轉的厚5 cm孔口外壁鋼護筒，孔口鋼護筒高出場地標高300～1 000 mm，以防止孔口周邊土體塌陷、掉渣等。

4.2.7 鋼套筒連接

鋼護筒連接時，在連接銷連接的基礎上，使用附加焊接片進行焊接加強。每節長度均為3 m，厚度均為50 mm，底筒靴部位厚度50 mm，采用安裝日本刀齒的方式進行跟進（圖3）。

圖3 筒靴示意

套筒標準節（圖4）常規長度為3、6 m，輔以1、2、4 m的規格進行調整。套筒標準節的上下兩端焊有連接環，連接環上設有定位銷和錨環并通過連接銷（圖5）進行連接[3-4]。

圖4 標準套筒節大樣

圖5 連接銷大樣

4.2.8 管涌控制

隨時觀察孔內地下水和穿越砂層的動態，按少取土多壓進的原則操作，做到套管超前，充分發揮鉆機強大扭矩及壓入力的鉆孔性能特點。依據套管的最大切割下壓能力，做到套管始終超前，抓土在后，抓土面離套管底的最小距離應保持在2倍樁直徑以上，使孔內留足一定厚度的反壓土層，防止管涌的產生。往孔內灌水，直到相當于承壓水頭的高度后再鉆進。

5 工藝對比

因全套筒全回轉鉆機的套筒配有專用鉆頭結合傳動裝置，能實現360°的轉向，在遇到孤石的情況下，一般套筒旋挖在下壓套管時，因不均勻受力會導致套筒偏向，導致樁孔偏位，而全套筒全回轉能切開孤石，通過套管可強制導向防止偏孔，確保樁位不受孤石影響（圖6）。

普通工藝采用泥漿護壁靜壓工藝施工，當鉆進至無填充且容積較大的溶洞或貫穿發育的溶洞時，泥漿會瞬間流失，從而使樁上部失去泥漿壓強及護壁，在土質松散時就會造成坍孔，同時沒有孔壁導向時容易造成偏孔。而全套筒全回轉鉆機配備套筒能強制導向，有效防止坍孔偏孔（圖7）。

圖6 全套筒全回轉穿透孤石

圖7 全套筒全回轉穿透溶洞

該項目溶洞串狀發育至地鐵施工位置，開挖及澆筑階段都不拔出套筒，避免了采用泥漿護壁時泥漿經溶洞流失至地鐵施工項目位置對地鐵施工造成影響，避免了混凝土澆筑時混凝土擠壓溶洞填充物進而對地鐵隧道的護壁造成擠壓。

6 結語

全套筒全回轉跟進不拔出的施工工藝，由于外壁鋼套筒能有效穿過溶洞、孤石、巖層，完全跟進至持力層巖層，開挖及澆筑過程都不拔出，樁孔與周邊土體完全隔絕。在成孔后吊裝鋼筋籠的過程中，鋼筋籠不會與周邊土體接觸，孔壁不會掉渣、溶洞不會坍孔至樁底，樁底沉渣較少，能有效成孔且有質量保證，能快速且有效地處理鄰地鐵溶洞強發育地質條件下的樁基施工。