旋挖樁技術發展演變及其在巖溶區域的應用探討

徐麗麗 韋捷 陽利君

摘要：巖溶地貌在廣西的分布較廣，給樁基施工帶來了很大的挑戰。文章結合廣西桂林市多個巖溶發育場地的旋挖樁施工實例，通過對“旋挖樁”研究文獻的分析，對旋挖樁的起步、興起、研究階段及在巖溶地區的應用研究進行了總結，探討巖溶地區旋挖樁的應用價值，為旋挖樁的發展應用提供參考。

關鍵詞：旋挖樁;巖溶;溶洞

文獻標識碼：U443.15-A-22-070-5

0 引言

巖溶地貌在廣西的分布較廣，其內部溶洞大小不一、深淺不一，基巖表面起伏大，給樁基施工帶來了很大的挑戰。本文對旋挖樁的起步、興起、研究階段及在巖溶地區的應用研究進行了梳理，結合廣西桂林市多個巖溶發育場地的旋挖樁施工實例，分析研究旋挖樁在巖溶區域的應用價值，為旋挖樁應用提供參考。

1 旋挖樁研究文獻綜述

為了了解旋挖樁這一工程技術的研究進展，通過中國知網（CNKI）進行檢索，最早關于旋挖樁的論文是1996年發表在《建筑機械》上闡述旋挖樁機研制工作的。隨著我國經濟的騰飛和基礎建設的蓬勃開展，旋挖樁技術也得到了越來越廣泛的應用，從1996年至2020年間，知網上關于旋挖樁的論文檢索共1 844條結果，包括碩博士論文、期刊、會議論文等。通過對期刊發表時間進行分析發現，2000年以前的相關研究較少，如圖1所示，而在2000年后，國內研究逐漸增多，并在2016年達到峰值。通過對文獻的進一步分析發現，針對旋挖樁施工和檢測進行研究的機構主要是從事基礎施工和勘察的企業，以及專業的研究機構如中國地質科學院勘探技術研究所等，另外就是例如三一重機這樣的機械制造企業，針對旋挖樁機鉆進方面進行了研究。研究內容更多集中在施工質量、荷載受力上，出現了成孔質量、護筒、樁基、荷載傳遞等高頻關鍵詞，研究主題較廣。

1.1 研究階段

（1）研究起步階段：1990—2000年，旋挖樁機從國外引進到自主研制成功

《建筑機械》1996年08期刊登了鐵道部武漢工程機械研究所彭文的關于國內研制旋挖樁機的文章[1]，標志著我國的地基處理設備和工藝進入了旋挖樁機時代，該所研制的ZKW-150型旋挖樁機于1997年10月在武漢通過了部級鑒定。同一時期，張煒等針對旋挖樁豎向承載力特性在西安地區黃土地基上進行了試驗研究，得出了黃土地基中旋挖成孔灌注樁其樁土咬合作用較強，屬摩擦型樁，極限側阻力高[2]。這一時期的研究文獻很少，僅停留在旋挖樁機的報道和樁基施工的適用性上。

（2）研究發展階段：2000—2010年，旋挖樁機逐步得到推廣

隨著國內經濟發展日新月異，大型基礎建設項目不斷開展，旋挖樁機的應用也越來越廣泛，這一時期，涌現了大量關于旋挖樁的研究文獻，研究視角也不斷變寬，開始對旋挖樁基施工工藝、成孔質量進行研究。劉偉的《旋挖鉆機的發展及應用》介紹了旋挖鉆機國內外的發展歷程，闡述了旋挖樁在國內得到大量推廣的幾個契機，并提出國內發展旋挖樁機應思考的幾個問題[3]。周紅軍的《旋挖鉆進技術適用性的初步研究》通過大量工程實例及現場實踐，對比旋挖鉆與正反循環鉆在施工效率、施工質量、適用范圍、施工成本上各自的優缺點，并根據孔深、孔徑、地層、場地給出各自的適用性[4]。隨著更多大型項目的開展，旋挖樁在各不同地質條件下的應用實例不斷涌現，如郭玉文的《旋挖鉆機在北京城市鐵路高架橋樁基施工中的應用》、李亮等的《旋挖成孔工藝在黔東某電廠樁基工程中的實踐》、呂軍斗等的《旋挖鉆機在無水砂卵石地層圍護樁施工中的應用》、劉瑞臣等的《旋挖鉆進工藝在青藏鐵路施工中的應用》等一批文獻，研究了旋挖樁在軟土地基、黃土地基、凍土層、厚砂層、厚雜填土層、強滲透性地層、粉砂層、海相沉積層中的應用實例[5-8]。另外，隨著旋挖樁在工程項目中的應用，有成功案例，也時有事故發生，如橋梁樁孔卡鉆等。人們在實踐中對旋挖樁的認識逐步提升，學者的研究也從單個案例研究擴展到總結旋挖樁施工工法上。于好善的《中國樁工施工工法的里程碑——旋挖鉆機施工法》總結了旋挖鉆機的施工工藝，對鉆頭的分類和選用進行了歸類[9]，而其他學者如李林等的《旋挖鉆機施工鉆孔灌注樁的工藝研究》則是闡述了旋挖鉆機在泰州大橋樁基施工中的施工工藝[10]。王曦等則對旋挖鉆機在施工中常見問題進行研究分析并給出防治措施[11]，指導同類樁基施工。其他學者也紛紛對旋挖樁施工工藝、質量控制等進行了探討和分析，為旋挖樁在我國的應用推廣提供了有益的借鑒。

（3）研究高潮階段：2010年至今，旋挖樁機不但在橋梁、鐵路等大型工程中應用，在小型工民建工程中也逐步推廣，各地紛紛涌現以旋挖樁為主業務的小型工程公司

在奧運場館、青藏鐵路的工程建設中，旋挖鉆機的優越性逐漸顯現，在“十一五”“十二五”期間，大量公共設施的建設為旋挖鉆機帶來了前所未有的機遇，國內知名企業不但生產大型旋挖鉆機，適用于工民建的小型旋挖鉆機也被開發，并取得很好的業績。這一時期，相關的研究呈激增狀態，在知網搜索，2010年至今，關于旋挖樁的結果有1 435條。李成芳等的《旋挖成孔灌注樁在松散高填方地基中的應用》[11]，趙偉等的《旋挖灌注樁在（深圳）沿海地區復雜地層中應用實例》[13]，楊勇文等的《旋挖鉆孔成樁施工技術在地鐵上蓋建筑樁基工程中的應用》[14]等都昭示著旋挖樁不論是在普通地基條件還是復雜地基條件，都有著很好的適應能力，是一種可以處理復雜地質條件的非常好的樁型。而旋挖樁在道路橋梁、市政橋梁、大直徑超深入巖、堅硬巖石地層、砂卵石地層、巖溶地質、大粒徑漂石地層、松散液化土層等的施工質量控制研究，則將旋挖樁的施工技術研究推上更高的臺階。同時旋挖樁的承載機理及沉降分析，樁底沉渣的影響研究，化學聚合物泥漿、優質泥漿的應用研究，旋挖樁的不同工藝、工法研究等，都為旋挖樁的技術進步起到了推動作用。在這一時期，也產生了很多研究成果如：湖北省地礦建設工程院的《新型基礎工程施工工藝研究》關于嵌巖及超深旋挖樁施工工藝研究;肇慶市建筑工程有限公司的《旋挖沖孔設備組合成孔灌注樁施工技術》;中冶建工集團有限公司的《旋挖樁沉渣防止及清理施工關鍵技術》等一批有關旋挖樁施工關鍵技術研究成果得到應用和推廣。

綜上所述，雖然旋挖樁的成本相較其他樁型仍然較高，但隨著技術的進步，旋挖樁的技術優勢明顯，其處理不同復雜地基的能力有目共睹。廣西地處我國南方，屬于典型的喀斯特地貌，部分場地巖溶發育，給道路、橋梁及高層建筑的地基處理帶來了挑戰，研究旋挖樁在巖溶地區的應用價值有助于更好地推廣旋挖樁在廣西的應用，助力廣西的經濟建設。

1.2 巖溶地區旋挖樁研究內容

我國幅員遼闊，巖溶地貌分布廣，因此圍繞巖溶地貌下旋挖樁的應用研究眾多，學者們或圍繞旋挖成孔中溶洞的處理方法，或圍繞巖溶地區旋挖樁施工操作要點，或圍繞旋挖樁施工常見問題進行探討，研究焦點主要集中在以下幾個方面：

1.2.1 旋挖成孔過程中遇溶洞的處理方法

場地地基的喀斯特地貌特征主要包括地表存在溶溝、喀斯特漏斗、土洞、溶蝕洼地，地下有溶洞與地下河、暗湖等。工程界對于樁基施工中遇溶洞的處理方式主要包括以下幾種：對<3 m的一般溶洞，利用高效率的旋挖樁正常鉆進即可，因其有優質泥漿護壁，比較少坍塌，即使坍塌，待抽出后次日重復鉆進即可，這得益于旋挖樁的施工速度快，效率高;對于>3 m、<8 m的較大溶洞，可在穿透溶洞頂板后，采取灌注強度等級低的混凝土，待混凝土初凝后繼續重復鉆進即可，遇溶洞頂板較難鉆進時，有學者提到可換成沖擊樁;對于>8 m的大溶洞以及連通溶洞，也可采用混凝土灌注，相鄰溶洞同時封堵，此時成本稍高，有學者建議采用鋼護筒全程跟進。不論采取哪種處理方式，在工程實踐中均取得比較好的效果。如包長泰的《旋挖鉆孔樁施工過程中的溶洞處理》中就以南寧申龍新能源汽車生產項目的樁基施工為例，研究不同的溶洞處理方法[15]，而湯偉等的《巖溶地區串珠洞樁基礎處理方法探討》則對一有著串珠洞的工程采用在規范要求的樁端影響范圍內灌注C30微膨脹水泥漿的處理方法，收到了很好的效果[16]。

1.2.2 巖溶地區旋挖樁泥漿制備與施工工藝探討

喀斯特地貌中部分溶洞過大，或填充物松散而導致旋挖樁施工中易出現塌孔情況，無法成孔，此時好的泥漿護壁工藝顯得尤為重要。對此，賓善標研究了“水泥漿-硅酸鈉”雙液注漿的工藝原理及材料制備[16]，劉城等研究了不同配比的泥漿性能[18]。

1.2.3 巖溶地區旋挖成孔施工技術探討

這類文獻主要側重研究巖溶地區旋挖成孔施工工藝的要點和常見問題，通過巖溶地區具體項目實施的經驗總結，歸納出旋挖樁在巖溶地區的施工要點。王迎軍的《灰巖溶地質旋挖樁施工技術研究》一文，通過改造鉆機概括和總結了在巖溶地區旋挖樁的鉆孔成孔要點[19]。王家全等的《巖溶地質旋挖灌注樁成孔工藝及其基樁質量控制研究》一文，揭示了旋挖控制工藝是影響巖溶地區旋挖灌注樁成樁質量的主要因素[20]。

綜上所述，學者們對于在巖溶地區采取旋挖樁施工工藝是很有信心的，但因為巖溶地區地下溶洞情況各異，成孔工藝對樁基質量影響頗深，因此研究主要偏重施工工藝上，但因為造價高，工程實踐案例不夠多，還需要進一步補充提升，以期提高巖溶地區旋挖樁的適應性，提高效率，降低造價。

2 旋挖樁在巖溶地區應用分析

2.1 巖溶地區地質條件分析

根據桂林市多個巖溶場地地勘資料發現其具備的共同特點是：在碳酸鹽巖溶發育強烈區，淺層地下溶洞及溶蝕裂隙強烈發育，局部地段巖溶發育呈串珠狀，例如某工程勘測在一個垂直地層上，多至4個溶洞，少則2個，部分溶洞相隔了6.3 m的較完整灰巖巖層。巖溶地區地下水位較高，一般位于巖土界面以上，且豐富活躍。溶洞內充填有軟土、砂及黏性土，也有部分充填卵礫石，基巖面埋深較淺，有資料顯示勘查揭露的巖石抗壓強度標準值可達58.18 MPa，屬較堅硬巖石，根據施工經驗，鉆巖施工過程中將對設備、部件及油耗造成較大損耗。

2.2 巖溶地區應用旋挖樁優勢分析

針對巖溶地區特殊地質條件，鉆孔灌注樁有如下難點：

（1）溶洞側壁巖石抗壓強度高，鉆進困難，若控制不好，易導致卡鉆、偏斜、跳鉆等問題。

（2）溶洞大小不一，有成串珠狀的溶洞，且溶洞內充填軟塑、流塑或卵石層，孔壁易塌陷，不易成孔。

（3）對于尺寸較大的露天溶洞，當溶洞表面周邊分布的巖石為破碎帶巖層時，承載力較差，而鉆機重量大，存在危險。

旋挖鉆孔在普通地質條件下的優勢如下：施工速度快、鉆進精度高、操作方便、易于管理，噪音小、利用自然泥漿護壁、環保、垂直度易控制，移機方便等，同時能適量嵌入微、中風化較硬質或硬質巖石，應用越來越廣泛。而針對巖溶區地質情況，旋挖樁可以通過如下措施解決：

（1）通過超前鉆資料，提前判斷溶洞位置，在鉆進溶洞前，距離溶洞頂板50 cm處，調整轉盤轉速為13～40 v/min，采用研磨慢速鉆進，而旋挖鉆機由電腦高精度控制，垂直度易掌握。

（2）對于穿越溶洞，則視溶洞大小，對≤2 m的單層溶洞，采用定位護筒即可解決易偏斜問題，而對于>2 m且貫通范圍較大的樁，可采用鋼套筒全程跟進，邊鉆孔邊接高鋼護筒，鋼護筒同時解決充填的流塑、卵石護壁問題，防止護壁坍塌，且鋼護筒可循環使用，節約造價。

（3）對于尺寸較大的露天溶洞，首先采用阻止地表水和地下水活動的方法[21]，然后采用回填低標號混凝土處理，使其提高強度，滿足機器進場要求。

3 實施效果

通過選擇不同改良后的旋挖鉆頭，經過多個工程檢驗，依據如圖2所示的旋挖成孔工藝流程，在巖溶地質發育地區成孔順利，溶洞處理采用低標號混凝土回填，待第二天終凝后再成孔，效果良好，每根樁的成孔時間平均為1～1.5 d不等，對比沖擊鉆成孔樁及人工挖孔樁，其成孔時間大幅縮短，減少了工期，同時在管理上節約了人力成本，提高了整體效益。

施工過程中，主要采取的措施有：

（1）在旋挖鉆進前，仔細研究超前鉆資料，對即將進行的旋挖鉆孔，提前預判地質情況，選擇適宜的鉆頭。

（2）鉆進中，根據鉆渣及時調整鉆速，派專人守護，檢查水頭高度，防止漏漿、塌孔，根據溶洞大小及充填土質，選擇相應護筒。

（3）鉆成后，提鉆時，要緩慢垂直。在實施中，偶爾誤碰溶腔壁造成孔壁部分塌陷，經過下鉆清理、補漿，可很好地解決問題。經過嚴格控制水下混凝土澆筑質量，樁身完整度好，垂直度高，經檢測樁身質量完成度達到Ⅰ類樁的比例高達95%。

4 結語

旋挖灌注樁因其高效、環保等優點特別適合在巖溶地區成樁，但巖溶地區的復雜地質條件，也給旋挖樁帶來了一定挑戰，堅硬的巖石導致鉆進困難，過大的溶腔導致鉆桿偏斜，充填的軟塑、流塑導致埋鉆，充填的卵石導致孔壁塌陷等，雖然前人對這一方面的研究頗多，但并沒有形成相應指導施工的規范，各施工單位依然憑經驗操作，沒有真正發揮旋挖鉆的優勢，給項目帶來了一定的遺憾。通過將研究成果匯集，編制成可指導在巖溶地區進行旋挖施工的規范，將會為巖溶地區旋挖樁施工項目順利、高效實施打下良好基礎。

參考文獻

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收稿日期：2021-03-22

基金項目：2021年度廣西高校中青年教師科研能力提升項目“垃圾焚燒飛灰在軟土路基處理中的應用研究”（編號：2021KY1133）

作者簡介：

徐麗麗（1984—），碩士，講師，工程師，主要從事土木工程教育教學及基礎工程研究工作。