旋挖鉆+鋼套筒技術在鄰近既有建筑物溶洞樁中的應用

包珍

摘 要：在我國南方地區，巖溶地貌非常容易發育。大量工程實踐表明，溶洞樁基礎采用沖擊鉆成孔工藝，會產生振動，并誘發地面塌陷等地質災害。特別是既有建筑物附近進行樁基礎施工，會造成附近建筑物傾斜、坍塌等，導致巨大的經濟損失，危及生命及財產安全。工具式鋼套管護壁+旋挖鉆孔技術、液壓拔管機拔管、靜力擠擴混合料等成套技術能克服松散土層、溶洞地段不良地質，有效減少施工振動和地面塌陷，保證附近既有建筑物的安全和施工安全，減少鄰近建筑物的處理或拆遷費用，降低經濟損失，實現快速、安全、無振動和低成本的既有建筑物附近的嵌巖樁基礎施工，其產生了較大的經濟效益和社會效益，體現了廣泛的應用價值。

關鍵詞：溶洞樁;既有建筑;旋挖機;鋼套筒

中圖分類號：TU758.11文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）35-0086-06

Abstract： In southern China， Karst landforms are very easy to develop. A large number of engineering practices have shown that the use of percussion drilling for the Karst cave pile foundation will generate vibration and induce geological disasters such as ground collapse. In particular， the pile foundation construction near the existing buildings will cause the buildings nearby to incline and collapse， resulting in huge economic losses and endangering life and property safety. Tool-type steel casing wall protection + rotary drilling technology， hydraulic pipe drawing machine drawing， static extrusion mixture and other complete sets of technologies can overcome the unfavorable geology of loose soil layers and Karst caves， effectively reduce construction vibration and ground collapse， ensure the safety and construction safety of existing buildings nearby， reduce the cost of treatment or demolition of adjacent buildings， reduce economic losses， and realize fast， safe， vibration-free and low-cost rock-socketed pile foundation construction near existing buildings， which has produced greater economic and social benefits， and embodies a wide range of application values.

Keywords： Karst cave pile;existing buildings;rotary excavator;steel sleeve

廣東省廣（州）清（遠）高速公路改擴建工程路線為南北走向，與老路一致。沿線經過白云區的石井鎮、江高鎮，花都區的新華鎮、獅嶺鎮，清遠市的龍塘鎮。改擴建工程采取“兩側直接拼接為主，局部分離”的擴建方式。

新華高架特大橋位于廣清高速花都區新華鎮境內，長度為1 807 m。從0#橋臺至06#橋墩，共有432根樁基，其中樁徑[Φ]1.1 m的有404根，樁徑[Φ]1.2 m的有28根，設計樁長為14.5～59.0m，平均樁長為29.1 m，其采用嵌巖樁基礎[1-2]。新華高架特大橋采用在既有橋梁兩側直接加寬9 m的方式，拼接模式采用上部結構連接、下部結構獨立的方式。新舊橋樁基之間最近距離為4 m（中到中），橋兩側居民普通房屋、廠房、高檔小區等密集，如圖1所示。

1 地質情況

橋址區屬廣花盆地北部沖擊平原地貌區，地面高程為6～9 m。地層巖性主要為第四系填土、坡殘積粉質黏土、中粗砂和砂卵礫石層，下伏基巖為下石炭統測水組炭質灰巖、炭質頁巖、砂巖、泥質粉砂巖和石墩子組灰巖。橋址區覆蓋層厚度為14.5～61.4 m，覆蓋層以砂層、黏土層間隔出現。

根據區域地質資料，結合現場地質調繪結果，路線所經區在區域構造上位于華南新華夏構造體系北部偏東，有兩條斷層通過新華高架特大橋橋址區域。K24+485～K24+495為第一條斷層，斷層產狀為119°∠87°，該斷層影響范圍為K24+370～K24+570，與線路呈32°斜交。K24+919～K24+923為第二條斷層，斷層產狀為180°∠83°，該斷層影響范圍為K24+800～K25+030，與線路呈88°直交。

橋位段巖溶發育強烈，發育較多溶洞、溶隙，局部規模較大，洞中大部分由水或泥砂填充。另外，還發育較多豎向裂隙，有隱伏溶洞、多層或串珠狀溶洞存在。溶洞和土洞的大小、規模不一，形態各異，分布雜亂。受K24+500、K24+930附近存在的兩處斷層影響，周邊地段巖溶極發育。巖溶強烈發育的主要是K23+020～K24+500段、K24+800～K25+060段。橋址區地表水主要為溝流水。地下水主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水及巖溶水，含水量豐富，局部具有承壓性。基巖裂隙水主要賦存于灰巖中，水量較豐富。巖溶水主要賦存于灰巖巖溶發育部位，基巖在鉆探工程中存在溶洞的鉆孔及部分基巖裂隙較發育的孔，鉆至溶洞及裂隙處出現微弱～嚴重漏水現象，說明溶洞或裂隙及溶隙間有一定的連通性，且存在較大的儲水空間，其水量豐富。水文地質條件及巖土結構十分有利于地面塌陷的形成，存在地面塌陷的可能，危及舊橋、道路、周圍建筑物安全。

2 周圍建筑物情況

2.1 既有橋梁情況

原廣清高速公路既有橋梁寬度為2×12.0 m，分左右兩幅。本橋是在廣清高速公路既有橋梁兩側進行的加寬，每側加寬9 m。拼接模式采用上部結構連接、下部結構獨立的方式。新舊橋樁基之間最近距離為4 m（中到中）。目前，既有橋梁正在采用貝雷梁進行加固處理[3-4]。

老橋施工期間，由于巖溶因素，基礎型式調整為擴大基礎或摩擦樁、群樁[5-7]。老橋在后期施工時把大部分路段的樁基改為擴大基礎，局部承載力不夠的加大了管樁，采用擴大基礎的有232處，占基礎總數的54%，主要分布于6～18墩、38～55墩、63～85墩，而采用樁基的僅有42%，其他采用群樁、扁擔樁、鋼管樁、T形樁占總數的4%。而擴大基礎持力層為沙層，對地基沉降異常敏感。

2.2 周圍建筑物情況

新華高架橋沿線有資政大夫祠古建筑群，它是廣州市目前發現的建筑規模最大的祠堂，對研究清代的民間祠堂建筑有重要價值，占地面積為1 8000 m2，主體建筑面積超過6 000 m2，是省級文物重點保護單位，也是廣清高速公路改擴建工程中最重要的建筑物。老橋施工時，曾多次出現院內地面塌陷、房屋圍墻開裂等現象。

新華高架橋跨花都區地方道路迎賓大道，周邊民房、廠房等建筑物非常密集，最近的民、廠房離新建的橋梁只有2～3 m的距離，局部廠房因前期施工影響已出現開裂。新華高架橋附近有高壓線、高壓塔、變壓器和通信發射塔等重要的電力、通信設施。兩橋中間的107國道車流量很大，每到上下班高峰期、節假日等常有塞車現象發生，路面也有局部地基變形，出現沉降開裂破損。

3 關鍵技術應用

3.1 鋼套筒應用

3.1.1 鋼套筒設計。旋挖鉆成孔跟進的鋼護筒采用可重復使用的工具式鋼套筒，如圖2所示。

套筒壁厚為40 mm，雙壁設計，采用Q345鋼板卷制，連接處為實心鋼板，采用鑄鋼熱軋處理，套筒內徑大于樁徑5～10 cm，比如，當樁徑為110 cm時，套筒內徑為119cm，外徑為127 cm。標準鋼套筒每根長度為3 m，非標準套筒長度為2.5、2.0或1.5 m;套筒靴直徑為0.4 m。套筒靴上配有一圈切削齒，用于貫入堅硬地層、混凝土及其他障礙物。

鋼套筒的接長采用陰陽隼頭搭接，陰陽隼頭鋼板厚為2 cm，陽頭上設定位隼。鋼套筒陰陽隼頭采用12個高強螺栓對稱固定。

3.1.2 鋼套筒下沉技術。具體來說，鋼套筒施工分為第一節鋼套筒下沉和第二節鋼套筒下沉。

3.1.2.1 第一節鋼套筒下沉。旋挖鉆機的副卷揚機將第一節護筒吊至預引鉆孔內;人工協助將旋挖鉆機動力頭上的護筒連接器套在第一節護筒上，使連接器下端的定位槽卡在第一節護筒上端的定位鍵上;安裝護筒連接器與第一節護筒之間的連接螺栓;邊旋轉邊靜壓地將護筒沉入地基，直至護筒上端距地面40 cm左右;拆卸護筒連接器與第一節護筒的螺栓。

3.1.2.2 第二節鋼套筒下沉。副卷揚機將第二節護筒吊起，人工協助將第二節護筒套在第一節護筒上，使第二節護筒的定位槽卡在第一節護筒上端的定位鍵上;安裝第一節護筒與第二節護筒之間的連接螺栓（見圖3）;人工協助將旋挖鉆機動力頭上的護筒連接器套在第一節護筒上，使連接器下端的定位槽卡在第二節護筒上端的定位鍵上;安裝套筒連接器與第二節護筒之間的連接螺栓;螺栓連接后，應測量鋼護筒下放垂直度，確保樁基礎垂直度合理;掏土鉆進過程中，要利用鉆機表盤垂直度控制儀，隨時檢驗樁基礎垂直度是否在規定值之內。邊旋轉邊靜壓地將護筒沉入地基，直至護筒上端距地面40 cm左右;利用風炮卸除連接套筒連接器與第二節護筒的螺栓。

3.1.2.3 按照以上步驟繼續沉放護筒。下沉護筒阻力較大時，利用旋挖鉆具在護筒內旋挖成孔。根據不同地質條件，選擇不同的轉盤轉速和進尺進行控制。在砂層中或進入強風化層后，應選擇低擋慢速。當挖至地下水位以下時，向護筒內灌注泥漿，以平衡護筒外水壓力。旋挖鉆成孔接近護筒底端時，繼續下沉護筒。護筒下沉與成孔循環進行，直至距離溶洞頂板巖面1～2 m。

3.1.2.4 旋挖鉆進成孔與工具式鋼護筒底標高位置關系有兩種表現形式。若覆蓋層土層自穩性差、易塌孔、摩阻力較小（如淤泥質土層、粗砂層等），則采用先預跟進鋼套筒、再旋挖掏土跟進的施工方式，如圖4所示。若覆蓋層土層自穩性較好、摩阻力較大（如粉質黏土層、粉細砂層等），則采用先旋挖鉆進、再護筒跟進的施工方式，如圖4所示。

3.1.3 鋼套筒上拔技術。自動夾緊式拔管機采用四塊夾緊面半徑和鎖口管半徑相同的夾緊塊將鎖口管夾緊，靠加緊面之間的摩擦力將鎖口管拔起。整個加緊裝置由4件夾緊塊組成。工作時加緊力（由夾緊油缸提供）作用，使夾緊塊將鎖口管緊緊抱住。頂升油缸的作用力作用于夾緊塊上，夾緊塊與鎖口管之間的靜摩擦力使夾緊塊與鎖口管之間不發生滑移現象。當油缸向上頂升夾緊塊時，這便實現了對鎖口管的起拔。

與普通拔管機相比，自動夾緊式拔管機使用和操作都非常簡單，整個工作過程有6步：夾緊鎖口管;根據頂升工作液壓油壓力和要求速度向上頂升鎖口管;在任意的頂升高度都可松開夾緊塊下降頂升油缸，重新夾緊頂升，一般來說，達到油缸行程后下降頂升油缸重新頂升;當頂起的鎖口管高度比較高時，要用吊車吊住鎖口管的頂端，以防鎖口管倒向一側，損壞墻體;當一節鎖口管全部頂起時，拆除兩節鎖口管之間的連接銷軸，并用吊車將上節的鎖口管吊走;當墻槽內最頂部的混凝土也達到要求的初凝強度，并且拔管機向上頂升時的工作液壓油壓力很低，吊車足以吊起時，將所有的鎖口管吊起。鋼套筒頂升實物圖如圖5所示。

3.1.4 鋼套筒上拔力計算。套管摩阻力計算公式為：

式中，[F摩]為套管外壁摩阻力;[ξ]為側壓力系數，取0.3;[μ]為摩擦系數，鋼與土綜合取0.32;[S]為套管入土部分外壁的總面積;[P]為土體作用于套管某一深度[h]外壁上的水平壓力;[h]為套管入土總深度。

套管上拔力計算公式為：

式中，[F拔]為套筒上拔力;[F摩]為套筒摩擦力;[G]為套筒自重。

套筒回轉扭矩計算公式為：

式中，[M]為套筒回轉扭矩;[D]為套筒直徑。

3.2 人造護壁技術

3.2.1 鋼套筒刃腳護壁。溶洞頂板頂面因溶蝕往往不平整，因巖面傾斜，鋼套筒到巖面后，部分端口無法與巖面完整接觸，導致管端出現流砂、流泥，嚴重影響鋼套筒的支護效果，影響施工安全，因此在管端進行封堵，人工造就護壁。

3.2.1.1 材料。刃腳處斜巖面護壁材料由黃泥（需要提高強度時，還要填碎石）、水泥、水玻璃組成，水玻璃∶水泥∶黃泥∶碎石的比例可參照1∶10∶90∶120。

3.2.1.2 拋填。樁基旋挖至離巖面1～2 m時停止下挖，并向樁孔內依次拋填黃泥、碎石、水泥，可采用挖掘機拋填。水玻璃裝在封口的塑料袋中，采用人工拋填。水泥采用牛皮紙包裝。

鋼套筒下沉至巖面后，及時拋填材料，拋填高度為護筒刃腳以上1～2 m。孔內拋填造壁實物圖如圖6所示。

3.2.1.3 攪拌。旋挖機鉆頭更換為螺旋鉆頭，用螺旋鉆頭在孔內攪拌拋填物形成膠結型混合料。鉆頭先下鉆至護筒刃腳下1 m左右慢鉆，同時并攪20～30轉，鉆桿不停地上提下鉆和左右擺動。

3.2.1.4 擠擴。攪拌完成后，旋挖機更換地雷型鉆頭，反復多次靜力擠壓混合料，迫使混合料往外側擠擴，至拋填料基本與護筒刃腳持平，如圖7所示。

擠擴完成后，停止作業2～3 h，待孔底下混合料和孔壁有一定強度后，再繼續下挖，若過程中出現孔內液面下降，則需要重復上述過程，重新處理刃腳斜巖，直至孔內液面不再出現變化。繼續下護筒和成孔至溶洞頂板巖面，護筒露出地面的高度應大于1 m，以便于拔管。鋼套筒刃腳筒狀護壁結構如圖8所示。

3.2.2 溶洞內護壁。與護筒刃腳處理類似，溶洞護壁采用拋填、攪拌、靜力擠擴形成。溶洞內人工護壁結構如圖9所示。

溶洞內充填物比較柔軟時，直接向樁孔內分批依次拋填黃泥（需要提高強度時，還要填碎石）、水泥、水玻璃，水玻璃∶水泥∶黃泥∶碎石的比例可參照1∶10∶90∶120。每批黃泥體積宜為2.4～4.0 m3，每拋一批后，采用螺旋鉆頭下鉆并攪20～30轉，鉆桿不停地上提下鉆和左右擺動，以利于側擠至孔外，再更換地雷型鉆頭反復靜力擠壓混合料。擠擴困難時，采用旋挖鉆成孔至拋填物底面，繼續按照上述方式進行拋填、攪拌、擠擴，如此循環直至溶洞底面。擠擴換填形成柱樁置換體，如圖10（a）所示。

溶洞內充填物比較密實時，直接采用旋挖鉆成孔泥漿護壁至溶洞底，然后分層向孔內拋填、攪拌、擠擴至溶洞頂面以上后，靜置2～3 h，然后旋挖鉆成孔至孔底。先挖后填式溶洞處理效果如圖10（b）所示。

溶洞內無填充物時，先向樁孔內填黏聚力、內摩擦角大的材料，至溶洞頂面以上，利用鉆具向周圍擠壓，在溶洞內形成一個圓臺，再利用旋挖鉆機在其中鉆孔，便可用上述優質材料形成牢固的孔壁，避免塌孔，如圖10（c）所示。

3.3 水下混凝土灌注

3.3.1 泥漿配制。通過試驗確定泥漿配合比，即水∶黏土∶膨潤土=1.00∶0.40∶0.08（質量比）;計算樁孔體積，按2倍樁孔體積計算泥漿池的大小;根據泥漿配合比，在泥漿池中加入水、黏土、膨潤土，用挖掘機攪拌至均勻。

泥漿相對密度、黏度、含砂率、膠體率和pH等指標的具體情況如表1所示。施工期間，人們要明確以下注意事項：泥漿配制前，在泥漿池底部和四周鋪設塑料布，防止泥漿滲漏;鉆孔過程中，每進尺5～10 m，測定泥漿各項技術指標，不滿足要求時及時調整，保持各項指標符合要求。

3.3.2 導管埋深技術。導管選用直徑為30 cm的大口徑導管，優先選用套絲接口，盡量避免使用法蘭接口導管;水下混凝土應選用和易性良好的優質配合比，并摻入適量緩凝劑延長混凝土初凝時間，坍落度控制在180～220 cm;灌注首批混凝土時，導管下口至孔底的距離為0.3～0.4 m，儲料斗首批混凝土儲量保證灌注后導管埋入混凝土中的深度不小于1.0 m。樁基灌注速率按10～15 m/h為宜;在灌注過程中，應控制孔內的水頭高度;對于導管的埋置深度來說，普通地質段控制在2～6 m，溶洞區域段控制在4～6 m，并隨時測探樁孔內混凝土面的位置，及時調整導管埋深;首批混凝土入孔后，應連續灌注，不得中斷。

4 效果分析

4.1 應用效果

4.1.1 工程質量情況。廣清高速公路新華高架橋臨近建筑物溶洞樁基礎套筒+旋挖機組合施工質量情況如下：新華高架橋0#臺～106#墩溶洞區樁基礎共有432根，經小應變、超聲波、抽芯等檢測未出現不合格樁，Ⅰ類樁比例為88.5%。

4.1.2 臨近建筑物情況。一是舊橋梁。經沉降觀測，原有橋梁最大沉降為-1 mm，滿足穩定性要求，可以保障運營安全。二是房屋。對于施工點附近的房屋，第三方鑒定結果為施工過程中未發生明顯的異常，表明施工安全。

4.2 經濟效益

采用旋挖鉆在臨近既有建筑物處施工，所需作業空間小，對兩側的建筑物影響也小，少對臨近既有建筑物進行征地拆遷，節約征地拆遷費849萬元;采用旋挖鉆施工技術，可節省常規溶洞樁基施工的一次鋼護筒投入，節約鋼護筒成本400萬元;采用旋挖鉆施工技術，半填充及無填充溶洞不需要進行預注漿，節約預注漿成本725萬元;采用旋挖鉆施工技術，在廣（州）清（遠）高速公路改擴建工程第四合同段的樁基施工中，施工進度比采用回旋鉆和沖擊鉆快90多天。

5 結語

在巖溶發育區及鄰近建筑物的“兩難”條件下，樁基礎施工采用旋挖機+鋼套筒跟進技術，確保無振動施工，減少對周邊地層的擾動，有效控制地面塌陷災害。同時，采用套管下沉及上拔技術、人造護壁技術等，通過鋼套筒重復利用，溶洞內造就強大護壁，切實保證附近既有建筑物的安全和施工安全，實現了快速、低成本、安全、優質和高效的樁基礎施工。總之，樁基采用旋挖鉆施工技術，應用前景良好。

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