淺談一種沖孔長樁孔底勘探輔助裝置及其施工技術(shù)

王海濤

（中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司，北京 101300）

在橋梁樁基施工中，常因?yàn)槭┕さ刭|(zhì)情況與地質(zhì)勘探報(bào)告不符，比如巖溶發(fā)育、土層缺失、土分層厚度差異等，需及時(shí)通知監(jiān)理和設(shè)計(jì)單位，并對(duì)樁基進(jìn)行補(bǔ)勘。通常，樁基補(bǔ)勘采用常規(guī)的巖心取芯鉆探設(shè)備，要求較低時(shí)在樁位附近進(jìn)行鉆探取芯，這樣得到的鉆探芯樣精確度不高；在樁位上補(bǔ)勘時(shí)，多采用片石、黏土對(duì)所成孔樁基進(jìn)行回填，然后進(jìn)行鉆探取芯，但是鉆孔周期長，增加了費(fèi)用，還易污染環(huán)境。本文針對(duì)臺(tái)溪板大橋南平臺(tái)4#樁90.3m沖孔樁基補(bǔ)勘難題，創(chuàng)新性采用直接下套管成功鉆探取芯10m的技術(shù)措施，避免了常規(guī)方法的弊端。

1 工程地質(zhì)概況

南三龍鐵路臺(tái)溪板大橋橋址區(qū)位于福建省三明市三元區(qū)臺(tái)江村附近，橋址范圍為巖溶地區(qū)，地質(zhì)情況復(fù)雜。橋址區(qū)灰?guī)r，巖溶發(fā)育，南平臺(tái)附近有串珠狀溶洞，南平臺(tái)小里程背離橋址方向存在廢棄礦山采空區(qū)，開采時(shí)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(fā)育的復(fù)雜及不確定性，本次設(shè)計(jì)對(duì)各鉆孔樁樁長及樁底標(biāo)高均為暫定數(shù)據(jù)。由于巖溶極其發(fā)育，勘探只是樁基局部位置，勘探結(jié)果不能完全表明樁基巖溶區(qū)段地層，樁基施工過程出現(xiàn)與勘探結(jié)果較大出入，樁基施工終孔前，需要在樁基孔中進(jìn)一步地質(zhì)補(bǔ)勘核驗(yàn)。

2 施工方案設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)標(biāo)高，但現(xiàn)場(chǎng)采集渣樣與前期勘探結(jié)果不符，故繼續(xù)沖孔查看，突遇溶洞下降12.7m，此時(shí)成孔已為90.3m，需要進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)勘探明樁底地質(zhì)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(hù)筒提供橫向支撐能力（固定套管移動(dòng)，避免鉆孔樁基套管產(chǎn)生故障），將90m鉆桿直接下放到孔底進(jìn)行鉆探取芯。鋼套管通過螺紋扣相連，每隔24m（即4節(jié)套管）在套管相接處設(shè)置橫向圓形支撐，并通過吊車下放至孔底，通過鉆探設(shè)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(nèi)逐節(jié)下放鉆桿至孔底，緩慢開始加轉(zhuǎn)速進(jìn)行取芯。圖1為取芯鉆機(jī)示意圖。

圖1 取芯鉆機(jī)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(jìn)的鋼護(hù)筒提供的橫向限制位移，確保鉆桿在強(qiáng)大扭矩加載時(shí)產(chǎn)生的橫向位移得到有效限制，從而進(jìn)行鉆探工作。鉆桿的運(yùn)動(dòng)過程包括兩個(gè)：一個(gè)是自身垂直向的穩(wěn)定，另一個(gè)是自身的扭轉(zhuǎn)。將過程簡(jiǎn)化可知，只要保證鉆桿自身垂直方向穩(wěn)定不發(fā)生彎曲，即可保證鉆桿和鋼套管盡可能少接觸。

鉆桿長度達(dá)90m時(shí)，為使鉆桿穩(wěn)定，最大豎向加壓力（臨界力）Fcr如式（1）計(jì)算：

式中，E—直徑42mm鋼管彈性模量，E=2.06×1011Pa；

I—圓環(huán)形鉆桿對(duì)圓心的慣性矩，I=1.176×10-7m4；

L—鉆桿長度，L=90m。

經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)cr=29.5N，幾乎就是不加壓的狀態(tài)。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(huì)產(chǎn)生彎曲。使用過程中，必須依靠傳動(dòng)軸提力克服其自重，使其不發(fā)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(wěn)時(shí)撓曲線的精確微分方程得到撓曲線中點(diǎn)撓度δ與軸向壓力F之間的近似關(guān)系[1]，通過計(jì)算可知，保證鉆機(jī)F約30N，即提力2727.6N時(shí)，鉆桿應(yīng)力應(yīng)變均符合要求。鉆桿豎向保持穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生橫向彎曲，即使發(fā)生小限度橫向彎曲，其單向應(yīng)力也足以被鋼套管支撐。

4 方案執(zhí)行

4.1 鋼套筒加工

單根長5.6m（視現(xiàn)場(chǎng)材料情況，長度不受限），壁厚4mm，直徑190mm，一端設(shè)8cm外置螺紋，另一端設(shè)8cm內(nèi)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(shè)備銜接端頭，直徑190mm，壁厚4mm，長30cm，一端內(nèi)置8cm螺紋與鋼管柱連接，另一端設(shè)置焊接鉆桿與鉆探設(shè)備接頭。吊車通過起吊此端頭吊動(dòng)鋼管樁，進(jìn)行鋼管樁拼接，并通過此裝置連接鉆探設(shè)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(shè)置直徑約1.5m（與成樁孔直徑相差很小）、鋼筋型號(hào)φ22mm的鋼筋圈。鋼筋圈四等分處焊接鋼筋，與上一節(jié)鋼管柱焊接成型。每隔24m設(shè)置一圈。

4.3 鉆探取芯設(shè)備

常規(guī)鉆探設(shè)備GXY-1型巖心取芯機(jī)，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(jìn)行鉆取，以保證鉆巖過程中鉆桿的穩(wěn)定性。

5 整理分析方案執(zhí)行過程中有關(guān)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(zhì)情況，見圖2。

圖2 取芯芯樣

節(jié)約工期：此技術(shù)施工完成總計(jì)4d，下套管2d，鉆孔取芯1d，取套管1d。而常規(guī)運(yùn)輸回填片石黏土并重新鉆取大約10d，節(jié)約了6d時(shí)間。

經(jīng)濟(jì)效益（以三明地區(qū)機(jī)具材料計(jì)）：常規(guī)回填方法，20m3后八輪運(yùn)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(fèi)用每天3000元，總計(jì)約21600元。鋼管樁套管法鋼管回收利用以及8t吊車3天費(fèi)用2400元，費(fèi)用可節(jié)省19200元。

環(huán)保效益：較之片石黏土回填方法，沒有造成泥漿二次排放，對(duì)環(huán)境污染小。

6 結(jié)語

通過本文介紹的沖孔長樁基下鋼套管補(bǔ)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(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)保效益。但是也存在一些不足，比如，若沒有溶洞跟進(jìn)鋼護(hù)筒為鋼套管提供橫向支撐力，鉆桿的橫向位移會(huì)使鋼套管發(fā)生傾斜甚至破壞，可以進(jìn)一步優(yōu)化鋼套管輔助裝置，增加其自身的穩(wěn)定性，使操作更簡(jiǎn)單、效益更明顯。