橋梁樁基強巖溶發育全套管全回轉鉆機施工方法

黃建喜，鐘林東

(1.廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001；2.南寧市筑路技術與筑路材料工程技術研究中心，廣西 南寧 530001)

0 引言

全套管全回轉鉆機是一種可以驅動套管做360°回轉的全套管施工設備，是日本在20世紀80年代中期在搖動式搓管機的基礎上開發的新型施工設備[1]。全套管全回轉鉆機作業時，通過回轉裝置給鋼套管施加扭矩，從而帶動鋼套管邊回轉邊壓入地下，同時利用沖抓斗、沖擊錘挖掘取土或旋挖鉆取土，直至套管下到樁端持力層為止[2]。在整個鉆進過程中，鋼套管起到護壁作用，能有效避免施工過程中出現塌孔等安全隱患。

目前，全套管全回轉鉆機在橋梁鉆孔灌樁施工的應用方面研究不多，特別是針對巖溶強發育地區大樁徑鉆孔灌樁的應用研究成果極少。因此，以全回轉鉆機施工工藝為核心，對巖溶地區大直徑鉆孔灌注樁施工工藝原理、施工方法進行研究，能為后續同類型工程建設起到關鍵指導作用，具有重要現實意義。

本文結合培森柳江特大橋象州岸P2主墩樁基施工，總結了巖溶強發育地區樁基礎全套管全回轉施工工藝技術，并在其主墩樁基的施工中取得了顯著效果。

1 工程概況

培森柳江特大橋，橋長2 538.5 m，主橋橋型為(145+280+145) m預應力混凝土矮塔斜拉橋。培森柳江特大橋主墩樁位區覆蓋層總厚度為5～12 m，基巖巖溶高度發育，溶洞處在6～41 m不同深度位置，呈多層分布且大小不等，如下頁圖1所示。6～30 m淺層溶洞發育多為填充型溶洞，充填有黏土、松散狀礫砂、卵石、細砂和黏性土一種或幾種混合物，該部分溶洞具有埋深淺、裂隙發育、溶洞頂部巖層厚度小、分布層數多且大多相互連通的特點。30 m深度以下的深層溶洞發育多為體積較大的無填充空溶洞。根據逐樁地質勘察柱狀圖統計，象州岸15#主墩24根樁基共遇到大小溶洞105個，平均每根樁遇到溶洞4.4個，多數樁基溶洞數量為5～7個，樁基施工難度大，安全風險高。

圖1 工程地質柱狀圖

2 工程難點及施工工藝比選

通過實地考察及對地勘資料的分析研究，對本項目的施工難點主要總結有以下三方面：

(1)項目地處巖溶強發育地區，地質條件十分復雜，若樁基成孔設備及工藝選取不當，則容易發生塌孔、卡錘、卡鉆、孔口地面塌陷及清孔不徹底等安全或質量事故。

(2)淺層溶洞頂部巖層由于裂隙發育，在鉆進施工時，受施工擾動后溶洞頂部巖層崩塌，進而引發地面塌陷，危及施工人員及設備的安全。

(3)培森柳江特大橋是全線關鍵控制工程，合同工期內正常安排施工工期非常緊張。且主墩樁基進度又是整座特大橋進度控制的關鍵，時間緊、任務重。

結合上述問題，為保證樁基施工的質量與安全，項目技術人員對不同樁基成孔工藝進行了對比分析(如表1所示)。通過工藝比選，確定使用全套管全回轉施工工藝。

表1 樁基成孔工藝比選分析表

3 全套管全回轉鉆機施工工藝

3.1 施工工藝流程(圖2)

圖2 施工工藝流程圖

3.2 施工關鍵技術

3.2.1 基礎加固

由于全回轉鉆機自重較大，因此在進行套管下壓及拔除時對地基產生很大作用力，對樁位地基承載力要求高。為避免施工過程出現孔口下沉影響進度，樁基施工前需按照全回轉鉆機底座尺寸，將樁周20 m2范圍采用質地堅硬的石渣換填50 cm，整平后采用壓路機壓實，并鋪墊2 cm厚鋼板進行。保證全套管全回轉鉆機在施工時施工場地不會產生塌陷，鉆機不會傾斜。

3.2.2 鉆機就位

樁中心放樣完畢后，采用振動錘將直徑2.7 m、壁厚1.6 cm的外鋼護筒打入3～5 m深，防止在灌注完成后拔出底節套管時頂部的覆蓋層坍塌，侵入樁基混凝土，影響樁基質量，損壞檢測管。在外護筒打入到指定深度后，采用120 t履帶吊配合鉆機就位，并在兩個方向設置吊錘時復核套管垂直度。

3.2.3 覆蓋層鉆進施工

鉆機對中樁位，采用120 t履帶吊安放第一節帶刀頭的底節管。安放就緒后，驅動全回轉鉆機下壓套管，實現套管快速鉆入地層。第一節套管壓入土層后及時進行套管接長，套管采用螺栓連接，接長作業在全回轉鉆機平臺進行。

第一節套管鉆入地層后，利用吊機沿套管內壁釋放沖抓斗至孔底實現沖抓取土。根據地勘報告，覆蓋層主要為卵漂石層，此部分地層施工時套管需超前鉆進，沖抓斗跟進取土，遇到孤石或薄巖層抓斗無法取土時，則采用十字沖錘擊碎再用抓斗取渣。

3.2.4 巖溶發育地層鉆進

當鉆進至巖溶發育地層時，需認真核對地勘資料，溶洞頂巖層厚度較小或裂隙較發育時，可直接采用全回轉鉆機驅動套管的同時下壓套管，利用底節套管刀具切削巖層實現套管跟進；也可采用十字沖錘擊穿溶洞頂部破碎巖層，沖抓斗取渣，再啟動全回轉鉆機下壓套管的方法跟進。當溶洞與溶洞間巖層較完整或厚度較大，十字沖錘配合沖抓斗無法施工，全回轉鉆機直接驅動下壓套管切削巖層效率較低時可改用旋挖鉆機直接鉆進取芯，超前進尺，當超前進尺長度達到2～3 m后，再開動全回轉鉆機進行壓套管跟進，如此循序漸進將套管跟進至完整基巖。當遇到體積較大的空溶洞時，為了保證樁基混凝土的灌注質量，需先灌注水下低標號混凝土并對空溶洞進行充填，待回填混凝土強度達到70%后再繼續鉆進，保證成孔質量。

3.2.5 完整基巖地層鉆進

當套管跟進穿過最底層溶洞進入完整基巖后，套管可不用繼續跟進至設計孔底。此時可將全回轉鉆機調開，改用旋挖鉆機直接鉆進取芯至設計孔底。

3.2.6 清孔

全回轉工藝所使用鋼套管嵌入完整基巖面至少1 m，樁孔與樁周完全隔離，孔內只有旋挖鉆切削巖體的石塊及石屑。粒徑較大的石塊采用旋挖鉆的平底掏渣斗進行清理，細小的石屑與孔內水混在一起變成漿液，平底掏渣斗無法清理則采用氣舉反循環抽漿法將漿液輸送至泥漿凈化裝置進行清孔。

4 巖溶處理措施

根據設計地質勘察報告，象州岸主墩樁基位屬于巖溶高度發育地段，在樁基施工過程中勢必會遇到溶洞。在鉆進施工過程中，現場施工管理人員需詳細記錄溶洞的頂底標高，根據漏漿情況判斷空溶洞大小，并比對設計地勘資料，每根樁都建立獨立完整準確的地質資料，為溶洞處置及混凝土灌注提供數據，并制定相應措施。采用全套管全回轉鉆機施工的樁基大部分溶洞為填充型溶洞，只有個別樁基分布有空溶洞，而空溶洞的處置直接影響樁基混凝土的灌注質量。項目對于上述存在空溶洞的樁基制定以下有針對性的處置措施：

(1)對于高度<8 m的空溶洞采用回填片石及黏土的方式進行填充加固。

(2)對于高度<8 m的含填充物溶洞采用注入水泥漿的方式進行加固。

(3)對于高度>8 m的空溶洞，為保證樁基混凝土灌注質量，需提前對空溶洞進行無擴散水下混凝土灌注填充，這是最直接有效的方法。當鉆進至空溶洞底部之后，將套管拔起至空溶洞頂部以上至少3 m(如鉆機頂部套管外露過長影響混凝土灌注需先拆掉一節套管)，形成一定的混凝土柱壓力，讓空溶洞得到充分的填充。回填混凝土采用低標號泵送混凝土，灌注工藝與樁基水下混凝土相同。每次溶洞回填混凝土灌注，試驗室均要取樣做試件，現場要根據試件強度確定再次鉆進時間，避免出現回填混凝土強度不足鉆進破壞的情況，影響回填效果。

(4)對于高度>8 m的含填充物溶洞，在進行混凝土灌注前還可采用在空溶洞對應位置處的鋼筋籠外套鋼護筒阻斷孔內與溶洞的連通。采用此鋼護筒的原因是為防止混凝土外溢造成斷樁，并防止拔除套管時溶洞內的填充物進入樁基影響樁基質量及碰撞聲測管導致其變形。根據實際鉆進施工中記錄的空溶洞的標高和深度在鋼筋籠的對應位置外包鋼護筒。首先在鋼筋籠的螺旋筋上設置圓形墊塊，每道螺旋筋均勻設置16個圓形墊塊，每道間距為4 m。圓形墊塊的半徑為5 cm，保證外包鋼護筒后樁基的保護層厚度滿足設計要求。外鋼護筒壁厚為2 mm，可在鋼筋加工場提前卷制并安裝在鋼筋籠上。鋼護筒豎向包裹長度需超過溶洞頂部及底部至少2 m，鋼護筒豎向搭接長度≥0.3 m，在搭接位置處單獨設置圓形高強混凝土墊塊防止鋼護筒變形侵入樁孔。鋼護筒安裝完畢后在外側纏繞螺旋筋以固定鋼護筒，螺旋筋間距為0.2 m一道，鋼護筒接頭處加密為0.1 m一道，保證其在灌注時不會發生位移。具體布置如圖3、圖4所示。

圖3 鋼護筒平面圖

圖4 鋼護筒側面圖

5 施工效果評價

5.1 質量控制效果

(1)全套管全回轉鉆機在巖溶發育地區施工，不需回填塊石，不用另外下套管，利用其自身良好的垂直度調節性能及鉆速、鉆壓與扭矩的自動控制性能，可以順利地完成穿過溶洞的鉆進任務，成樁直徑和挖掘深度大、速度快、垂直度有保證。

(2)在溶洞區域澆筑混凝土時在套管內進行，混凝土不易散失。同時，鉆機具有強大的起拔力，可以延時起拔，從而順利地完成溶洞中的灌注樁施工作業，成樁質量有保證。

(3)全套管全回轉工藝使用套管成孔，孔壁不會坍落，避免了泥漿污染鋼筋和進入混凝土的可能性，同時避免了樁身混凝土與土體間形成殘存泥漿隔離膜(泥皮)的弊病，清孔徹底，孔底殘渣少，樁底承載力高。

5.2 其他控制效果

(1)安全控制效果：全套管全回轉鉆機鉆進施工時套管及時跟進，避免了由塌孔導致的地面塌陷情況的發生，極大提升了樁基施工的安全性。

(2)環保控制效果：全套管全回轉施工工藝，無須通過泥漿循環排除鉆渣，鉆渣從鉆斗可以直接裝車外運，大幅度降低泥漿排渣對現場的污染。

(3)經濟控制效果：成孔擴孔率小，與其他成孔方法比較，可以大大節約混凝土用量。此外，全套管全回轉工藝成樁直徑和挖掘深度大、速度快，能節約時間成本，降低間接費用的支出。

6 結語

通過本工程的實踐，對全套管全回轉施工工藝及技術有了一定的了解。對于巖溶強發育地區的樁基礎施工，采用全套管全回轉技術施工能避免反復處理樁孔帶來的風險，大幅提高成孔效率，縮短施工工期。該工藝具備在復雜巖溶地質條件下安全高效的特點，能保證工程質量、進度和安全，對地質復雜、工期緊張的工程，有較大的應用前景。