全回轉(zhuǎn)全套管鉆孔施工技術(shù)在房建樁基工程中的應(yīng)用

蘇 巖 韓慶忠 周尚憲 王 琪 王 姍

1.廣州市重點(diǎn)公共建設(shè)項(xiàng)目管理中心 廣東 廣州 510006；

2.中建四局第一建筑工程有限公司 廣東 廣州 510800

隨著粵港澳大灣區(qū)的建設(shè)發(fā)展，處于復(fù)雜軟弱地層喀斯特強(qiáng)發(fā)育地區(qū)的房屋建設(shè)項(xiàng)目日益增多，而在該類地質(zhì)條件下，傳統(tǒng)沖孔灌注樁的成樁質(zhì)量一直都難以保證。

在樁基工程施工中，當(dāng)設(shè)計(jì)樁長超過30 m，遇到串珠溶洞、溶溝、石芽或特殊性巖土（如人工填土、軟土和殘積土）等復(fù)雜軟弱地質(zhì)時(shí)，采用常規(guī)的泥漿循環(huán)護(hù)壁回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)成孔、旋挖鉆進(jìn)成孔、沖擊成孔等施工方式將受到限制，容易產(chǎn)生坍孔、頸縮、卡鉆、偏孔以及混凝土充盈系數(shù)高等問題，同時(shí)也存在護(hù)壁用的泥漿污染環(huán)境，外運(yùn)增加施工成本等一系列環(huán)境和成本問題。另外，上述成孔方式還存在成孔質(zhì)量差及垂直度不易控制等缺點(diǎn)，尤其是成孔產(chǎn)生的振動(dòng)，對周邊敏感建筑物造成的影響也極為顯著。近年來出現(xiàn)的全回轉(zhuǎn)全套管配合旋挖鉆進(jìn)或配合履帶吊沖抓鉆進(jìn)技術(shù)，可有效進(jìn)行地下清障或成樁施工，尤其是在套管超前工況下，更適用于建筑周邊環(huán)境及地質(zhì)條件復(fù)雜的場合，被廣泛應(yīng)用于市政、橋梁等基礎(chǔ)施工中[1-6]。

鑒于上述分析，本文將全回轉(zhuǎn)全套管鉆孔施工技術(shù)創(chuàng)新性地應(yīng)用于房建的樁基基礎(chǔ)施工中，并對其原有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，采用全回轉(zhuǎn)全套管配合履帶吊沖抓鉆進(jìn)技術(shù)，應(yīng)用全鋼套管進(jìn)行超前支護(hù)，在滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)提升樁基礎(chǔ)成樁質(zhì)量，降低施工成本，縮短施工工期。該技術(shù)有效解決了房建樁基礎(chǔ)工程中傳統(tǒng)沖孔灌注樁在復(fù)雜軟弱地層條件下施工所產(chǎn)生的問題，具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 技術(shù)原理、特點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)

1.1 技術(shù)原理

復(fù)雜軟弱地層條件下全回轉(zhuǎn)全套管鉆孔施工技術(shù)的原理是：利用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的動(dòng)力設(shè)備夾緊套管進(jìn)行360 °回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，在壓入力和扭矩的共同作用下將套管壓入土層深部，首節(jié)套管帶合金刀頭，在鉆進(jìn)的同時(shí)切割硬質(zhì)土層或障礙物，配合履帶吊和沖抓斗將套管中的巖土取出。遇到大的漂石或孤石時(shí)可用十字沖錘將其砸碎再取出。套管鉆至設(shè)計(jì)標(biāo)高位置后，即可進(jìn)行后續(xù)成樁作業(yè)。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

1）利用全套管超前支護(hù)代替泥漿循環(huán)護(hù)壁和護(hù)筒，保證孔壁不坍塌、孔徑和垂直度滿足設(shè)計(jì)要求，降低混凝土充盈系數(shù)，同時(shí)免去傳統(tǒng)工藝中的泥漿制作與外運(yùn)等費(fèi)用，降低了施工成本、節(jié)約環(huán)保。

2）采用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)沖孔機(jī)沖擊錘，一般情況下鉆進(jìn)速度可達(dá)14 m/h，復(fù)雜軟弱地層及喀斯特強(qiáng)發(fā)育區(qū)域可達(dá)7 m/d，成孔效率顯著提升，較傳統(tǒng)方式縮短2/3的施工工期。

3）在套管鉆入地層的同時(shí)，利用吊機(jī)沿套管內(nèi)壁釋放沖抓斗至孔底實(shí)現(xiàn)沖抓取土，免去了傳統(tǒng)工藝中的泥漿循環(huán)清孔等工序，加快了施工進(jìn)程，施工全程綠色、環(huán)保。

1.3 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

1）制作簡易測環(huán)，有效控制樁身垂直度。根據(jù)“重錘”原理，創(chuàng)新制作簡易測環(huán)對成孔過程中的孔內(nèi)垂直度進(jìn)行檢查，測環(huán)為直徑與設(shè)計(jì)樁徑相同的鋼筋環(huán)，測環(huán)內(nèi)部配置十字加勁內(nèi)支撐，直徑不小于16 mm，保證測環(huán)不發(fā)生變形（圖1、圖2）。工作原理是根據(jù)相似三角形幾何關(guān)系近似求得鉆孔的垂直度偏差。

圖1 測環(huán)制作大樣一

圖2 測環(huán)制作大樣二

2）混凝土灌注后拔管防擴(kuò)散。釆用在套管外壁標(biāo)識(shí)刻度線的方法，控制套管起拔速度，保證2～4 m的套管埋深，更具實(shí)用性、高效性。

3）鋼筋籠底焊接薄鋼板增加抗浮力。在鋼筋籠底焊接一塊比鋼筋籠直徑略小的厚8 mm薄鋼板增加其抗浮力，薄鋼板截面面積大約是樁截面面積的1/2，鋼板下滿焊與樁縱筋直徑相同的十字鋼筋，鋼板距離籠底約為250 mm，鋼板與各縱筋之間點(diǎn)焊飽滿。

2 工藝實(shí)施要點(diǎn)

2.1 施工準(zhǔn)備

1）全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工要有足夠的場地，以便堆放物資材料和機(jī)械設(shè)備。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工作業(yè)面大概需要 50 m2范圍的場地，場地內(nèi)的雜物須清除。此外，全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)作業(yè)處的場地必須堅(jiān)實(shí)，需要在鉆機(jī)下墊鋼板，以免作業(yè)過程中產(chǎn)生沉降，影響作業(yè)質(zhì)量。

2）富含串珠溶洞、溶溝、石芽以及陡降巖的喀斯特強(qiáng)發(fā)育區(qū)域采用袖閥管灌注水泥漿進(jìn)行預(yù)處理，以免混凝土灌注過程中產(chǎn)生“大肚樁”現(xiàn)象。

2.2 樁位定點(diǎn)

根據(jù)已有設(shè)計(jì)資料計(jì)算出樁位坐標(biāo)，然后采用全站儀定出樁位進(jìn)行樁中心放樣，沿樁中心拉十字線至1.5 m以外并做好標(biāo)記。

2.3 全回轉(zhuǎn)主機(jī)就位

待樁基定位后，吊放全回轉(zhuǎn)底盤，底盤中心要和樁中心點(diǎn)重合。再吊放主機(jī)，將其安裝在底盤上，最后安裝反力叉套管。鉆機(jī)就位對中時(shí)，保證套管與樁中心偏差小于50 mm。

2.4 吊放安裝鋼套管

在套管底部安裝全新刀頭，施工前對套管順直度進(jìn)行檢查和校正。將首節(jié)套管垂直放入鉆機(jī)，進(jìn)行回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。套管之間采用銷孔連接，銷孔連接處采用黃油麻布封堵，避免泥沙影響成孔質(zhì)量。

2.5 測量調(diào)整垂直度

全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)就位后，進(jìn)行回旋鉆進(jìn)。保證下壓過程中套管露出地面1.2～1.5 m，利用經(jīng)緯儀或線錘定時(shí)（0.5 h）測量外露部分垂直度；在成孔過程中，利用測環(huán)進(jìn)行檢查，保證套管垂直度偏差小于0.3%。

2.6 鋼套管鉆進(jìn)取土至設(shè)計(jì)標(biāo)高

壓入第1節(jié)套管，深度2.5～3.0 m，然后用抓斗從套管內(nèi)取土，一邊取土，一邊繼續(xù)下壓套管，始終保持套管底口超前開挖面2 m以上。第1節(jié)套管壓入土中后（地面上留1.5～2.0 m，以便于接管），檢測垂直度，如不合格則進(jìn)行糾偏，合格則安裝第2節(jié)套管繼續(xù)下壓取土，如此重復(fù)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)孔底。沖抓頭是主要的套管內(nèi)部沖挖裝置，依靠吊機(jī)的大小吊鉤配合來完成沖挖作業(yè)。作業(yè)時(shí)沖抓斗沿套管內(nèi)壁自由落下，下落速度快、沖擊力強(qiáng)，硬質(zhì)地層也可以沖挖。沖抓斗抓出的土質(zhì)由挖機(jī)配合堆放，并及時(shí)由土方車外運(yùn)，保證現(xiàn)場文明施工。

2.7 驗(yàn)孔確認(rèn)

當(dāng)孔深達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)申請勘察、設(shè)計(jì)及監(jiān)理驗(yàn)收，填寫驗(yàn)收牌并拍照留底。

2.8 清理沉渣，檢查孔深

當(dāng)孔深度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，及時(shí)清孔并檢查沉渣厚度。若厚度大于20 cm，則繼續(xù)清孔直至符合要求，可將抓斗輕輕放至孔底將沉渣清完。確定孔深后，及時(shí)向監(jiān)理工程師報(bào)驗(yàn)，檢測孔的沉渣和深度（利用鋼套管標(biāo)高和測繩計(jì)算樁孔的沉渣和深度，鋼套管標(biāo)高與測繩長度之差為沉渣厚度，注意經(jīng)常進(jìn)行測繩標(biāo)定檢查）。樁成孔期間，利用施工間歇時(shí)間，進(jìn)行土石方外運(yùn)，避免土石方堆在現(xiàn)場影響后續(xù)施工。

2.9 制作、吊放鋼筋籠

制作鋼筋籠之前應(yīng)首先清除鋼筋表面污垢和銹蝕，當(dāng)鋼筋籠長度大于8 m時(shí)，需要分節(jié)制作安裝，根據(jù)設(shè)計(jì)樁長以及鋼筋搭接長度下料。為防止水下混凝土灌注過程中產(chǎn)生鋼筋籠上浮現(xiàn)象，在鋼筋籠底焊接一塊比鋼筋籠直徑略小的厚8 mm薄鋼板增加其抗浮力（圖3）。

圖3 鋼筋籠截面示意

鋼筋籠利用履帶吊整籠吊裝，采用三點(diǎn)起吊法。首先采用大鉤將鋼筋籠平行吊起，平移至樁孔處，然后利用小鉤和大鉤配合將鋼筋籠慢慢豎起至垂直，之后將鋼筋籠一次性放入孔中。鋼筋籠吊放至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，調(diào)整鋼筋籠周圍鋼筋定位環(huán)，保證鋼筋籠軸線與樁孔中心線重合，并確保主鋼筋的凈保護(hù)層滿足設(shè)計(jì)要求。

2.10 安放導(dǎo)管，澆筑混凝土

由于依托項(xiàng)目地下水位較高，為防止發(fā)生管涌問題，下壓過程中保證鋼套管超前支護(hù)2～4 m，在套管內(nèi)補(bǔ)水平衡套管內(nèi)外水壓力，防止管涌現(xiàn)象（圖4）。

澆筑時(shí)采用導(dǎo)管法，其首批灌入的混凝土必須經(jīng)計(jì)算確定，一方面是使?jié)踩氲幕炷辆哂幸欢ǖ臎_擊量，將導(dǎo)管內(nèi)的泥漿或水排出；另一方面是保證導(dǎo)管埋入混凝土的深度不小于0.8 m。

2.11 拔出導(dǎo)管及鋼套管

隨混凝土面上升適時(shí)拔高套管和導(dǎo)管，逐步拆除套管和導(dǎo)管。根據(jù)導(dǎo)管埋深情況，每次拆除1～2節(jié)導(dǎo)管，導(dǎo)管拆除后應(yīng)立即沖洗干凈，以便下次使用。套管提升時(shí)，參考試樁數(shù)據(jù)，澆筑過程中控制套管起拔速度為0.45 m3/min。在套管外壁標(biāo)識(shí)刻度線，定時(shí)（10 min）將套管外壁刻度線數(shù)據(jù)與管內(nèi)液面復(fù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，慢慢上拔并左右搖晃，使混凝土能流入套管所占空間，同時(shí)注意觀察鋼筋籠有無上浮，套管埋深應(yīng)控制在2～4 m。

為保證設(shè)計(jì)樁頂混凝土質(zhì)量，混凝土灌注至樁頂標(biāo)高以上0.5 m。因套管上拔后樁孔存在一定程度的擴(kuò)孔，最后1節(jié)套管上拔前應(yīng)測定當(dāng)前混凝土面標(biāo)高，對所需混凝土進(jìn)行估量，確保滿足樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高和超灌要求。完全拔出套管和導(dǎo)管后，樁頂混凝土不良部分要鑿掉，保證設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的樁體不受損傷，并不留松散層。

2.12 樁基檢測

混凝土灌注施工完成后，待樁身達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度100%且不小于15 MPa時(shí)，按規(guī)范對基樁進(jìn)行低應(yīng)變、聲波透射和鉆芯等樁身完整性檢測。

3 效益分析

3.1 社會(huì)效益

應(yīng)用該技術(shù)的社會(huì)效益如下：施工過程噪聲低、振動(dòng)小、環(huán)保效果好；鉆機(jī)為自行式，便于移動(dòng)轉(zhuǎn)場，適合城區(qū)施工；最快施工速度可達(dá)14 m/h，能夠極大地縮短施工工期；超前支護(hù)保證成孔質(zhì)量可控，得到業(yè)主和社會(huì)各界的一致好評(píng)，為公司贏得了市場；為房建工程在復(fù)雜軟土地層條件下的鉆孔施工提供了可靠的經(jīng)驗(yàn)參考。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

以樁長超過30 m的灌注樁為例，在工期、人工、材料、機(jī)械等方面，將該技術(shù)與初期在此區(qū)域采用的傳統(tǒng)施工方式進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較。傳統(tǒng)方法施工的一般工期為12 d，個(gè)別樁甚至超過2個(gè)月；采用本技術(shù)在復(fù)雜軟弱地層條件下施工的一般工期為3.5 d，且施工過程中不會(huì)遇到坍孔，不會(huì)受到斜巖的影響，無需回填片石糾偏。

總體而言，造價(jià)節(jié)省效果較為顯著，總節(jié)省費(fèi)用構(gòu)成如下：項(xiàng)目采用包清工方式，傳統(tǒng)施工工藝為750元/m3，全回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工為2 000元/m3，相同工效下設(shè)備配比為4∶1，全回轉(zhuǎn)節(jié)省1 000元/m3；另外，傳統(tǒng)施工需要回填片石，全回轉(zhuǎn)施工不需要回填，樁溶洞平均長9 m，每根樁節(jié)省4 800元；全回轉(zhuǎn)混凝土充盈系數(shù)低，以1.5 m樁徑、30 m長工程樁施工計(jì)算，節(jié)約混凝土費(fèi)用11 133元。

4 結(jié)語

全回轉(zhuǎn)全套管鉆孔施工技術(shù)在房建樁基工程中的應(yīng)用，有效解決了傳統(tǒng)沖孔灌注樁在復(fù)雜軟弱地層條件下施工所產(chǎn)生的坍孔、頸縮、卡鉆等問題，能夠有效提升成樁質(zhì)量、縮短施工工期、節(jié)約施工成本，在滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，也為復(fù)雜軟弱地層條件下的樁基礎(chǔ)施工提供了借鑒。