巖溶地區旋挖灌注樁高效成樁工藝研究

吉世林

(中鐵十一局集團第三工程有限公司)

巖溶地區地下水作用明顯，地質構造復雜，廣泛存在于我國西南地區，其成因是可溶性巖石和地下水相互作用，形成溶溝、溶洞等。[1]鉆孔灌注樁可適用于各種地質條件，因此在巖溶地區，為保證建筑物的安全，通常選用此樁型。在巖溶一般發育的地區，旋挖樁通?？梢匀〉幂^好的成樁效果；然而在極發育地區，通常存在溶槽、溶溝、基巖內部溶蝕裂隙、基巖面起伏較大、溶洞充填物力學性能差等不良地質，造成成樁效率低的問題。[2]為了解決這些問題，本文提出了旋挖灌注樁高效成樁工藝，并進行實際應用。

1 工程概況及存在的問題

1.1 工程概況

本工程位于云南省某地區，建筑層高為99m，建筑面積約為20m2，基礎采用旋挖灌注樁，端承樁，樁徑為800mm，樁長10～55m。

地層分布依次為（由上而下）：人工填土、圓礫、土洞（局部）、強風化灰巖、中風化灰巖、溶洞。①巖溶裂隙極度發育，洞頂埋深6.0～50.1m，見洞隙率大于77%；洞低深度6.9～62.1m，單個溶洞垂高0.2～17.9m，揭露洞徑最大值為22.0m。②巖溶發育性狀包括：鷹嘴巖、石筍、溶洞、石芽、溶槽、溶溝等。③溶洞充填物主要為流塑狀黏性土，部分為角礫、圓礫、塑狀態黏性土等。④巖土交界面起伏大，基巖面呈彎曲狀或傾斜狀。

1.2 存在的問題

本工程旋挖灌注樁施工過程中，受地質條件影響，施工過程中存在溶洞充填物坍孔、土巖交界面坍孔、偏斜、卡鉆、混凝土流失、充盈系數較大、沉渣過厚及斷樁等問題。為了解決上述問題，本文提出以下解決措施：①優化旋挖鉆機施工參數控制鉆進；②采用雙護筒防止土巖交界面坍孔；③采用鉆孔注漿填充對溶洞進行預處理。

2 優化旋挖鉆機施工參數防止偏斜、卡鉆

2.1 鉆頭適應性分析

根據巖石力學特性可知，其抗壓強度遠大于抗拉及抗剪強度，因此在鉆進過程中，選擇將壓力轉化為剪切力的鉆頭。由文獻[3]可知，選擇截齒作為刀具，截齒轉動過程中，可對巖石造成擠壓和切削，鉆進效率高。在斜巖面，截齒壓力傳導至巖石接觸面時，截齒能夠形成有效吃巖深度，創造鉆頭全斷面吃巖的條件，從而減少偏斜、卡鉆的情況。

2.2 鉆進參數分析

旋挖鉆機的鉆進參數主要包括轉速、給盡力、鉆進速度等，為適應不同地層，須根據實際情況進行優化。其中給進力由旋挖鉆機直測參數轉化計算求出，鉆進速度為單位時間內鉆進深度。給盡力計算公式為：[4]

F=G+(P-P1)A1-P2A2⑴

式中：G為鉆頭和最后一節鉆桿的自重，N；P為輔泵壓力，MPa；P1為液壓泵傳遞至液壓缸的壓力損失，MPa；A1為液壓缸的大腔面積，mm2；P2為液壓缸的回油背壓，MPa；A2為液壓缸的小腔面積mm2。

2.2.1松軟地層鉆進參數

松軟地層包括粉質黏土層和地表人工填土，由于地下水位淺且豐富，鉆頭采用雙底盤旋挖鉆斗，其直徑為750～780mm，切削齒選用鏟型齒。旋挖鉆回轉扭矩大，加壓能力強，在松軟土層鉆進時，應設定事宜的回轉速度和鉆進壓力。人工填土層鉆進時，鉆進速度1-3m/min，轉速15～20r/min，給進力20～50KN；粉質黏土層鉆進時，鉆進速度0.8～1.5m/min，轉速12～15r/min，給進力25～85KN。

2.2.2圓礫地層鉆進參數

由于圓礫層較厚，在鉆進過程中，易出現塌孔，因此可采取以下措施：①配制泥漿，提高孔壁穩定性。②增大旋挖鉆斗底盤開口面積，保證較大直徑的礫石進入鉆斗。③采用直徑大、齒形長的截齒作為切削齒，增強抗沖擊性。④鉆進速度0.5～0.7m/min，轉速7～12r/min，給進力50～100KN。

2.2.3巖層鉆進參數

在斜巖層位置采用低轉速，高鉆進壓力，鉆進速度0.1～0.2m/min，轉速5～8r/min，給進力100～120KN。如果巖石硬度大或傾角較大，可進一步提高給進力，待破碎斜巖后，再提高鉆進速度。

2.3 提鉆參數分析

提鉆速度是孔壁穩定的重要影響因素，鉆孔灌注樁鉆頭提升過程中，泥漿會造成一定的壓力損失并產生抽吸力，影響孔壁的穩定性。如果鉆孔深度較大，提鉆過快將剝蝕充填黏土及誘發圓（角）礫充填物的垮塌。因此，在本工程中，應嚴格控制提鉆速度。文獻[5]對提鉆速度進行定量研究，并提出最佳提鉆速度計算公式，帶入本工程的實際參數，計算得出提鉆速度不大大于0.34m/s。

3 雙鋼護筒處理土巖交界面坍孔施工技術

由于本工程下伏基巖面為彎曲狀或傾斜狀，地下水豐富，基巖上覆圓礫層松散，富水性強，承載力低，密實度差，難以控制溶洞內充填物和圓礫的坍塌。因此采用傳統泥漿護壁或鋼護筒難以滿足要求，在施工過程中都可能出現坍孔和縮頸。由于溶槽、溶溝極度發育，旋挖灌注樁施工時易發生樁身填充不密實、混凝土流失等問題，造成充盈系數過大，嚴重時出現斷樁、樁身空洞等問題，嚴重影響施工進度及質量。為了解決上述問題，采用雙護筒鉆孔灌注樁施工技術，該技術護筒可循環重復利用。

雙護筒鉆孔灌注樁施工技術原理如下：①將外護筒打入粉質黏土層1～2m，然后采用護壁保水頭進行成孔施工，鉆進至外護筒底部。②精確定位內護筒中心，使之與樁孔中心重合，將內護筒從外護筒內下埋設至穩固土層。護筒施工過程如圖1所示，具體實施過程如下：

圖1 雙護筒沉入過程

⑴泥漿制備和樁位放樣。泥漿制備材料選用膨潤土、纖維素、純堿。樁位放樣作業按照從整體到局部的原則，按照設計圖紙，對樁孔中心測量定位，完成后埋設四角護樁進行保護。

⑵護筒制作與埋設。根據現場實際情況，外護筒長度選定為4m，壁厚6mm，內護筒壁厚10mm。樁位放樣完成后，旋挖鉆機鉆進約2m，然后埋設外護筒。埋設過程中應注意檢查期垂直度及中心坐標。埋設完成后，為防止土體坍塌或漏漿，采用粘土對護筒底部進行回填夯實。

⑶鉆孔施工。樁基中心線、回旋盤中心線、鉆機導桿中心線要保持在同一直線。鉆進遵循“先慢后快”，過程中隨時檢查鉆孔垂直度，偏差不大于1%。深度達到6m 時，采用振動下沉法放內護筒，下沉至較完整的基巖上，過程中對觀測護筒垂直度。

⑷清孔排渣。成孔后，檢測樁孔的孔徑、垂直度、孔壁、孔深及樁底沉渣厚度，確保垂直度不大于1%，孔深、孔徑不小于設計值。[6]確認后，立即清孔：鉆至預定孔深后，轉速設定為10r/min 進行空轉清土。清孔完成后，再次檢測孔深。

⑸吊放鋼筋籠及安裝導管。鋼筋籠在鋼筋加工廠進行分節加工，運至施工現場分節焊接入孔。下放時要避免碰壞孔壁，達標高后對孔口進行固定。采用直徑為300mm 的鋼管作為導管，導管的最終深度與孔底距離保持在40cm。混凝土初凝時，拆除豎向固定裝置，防止影響混凝土收縮。

⑹灌注混凝土及回收護筒。

為確保沉渣厚度滿足規范要求，灌注前進行二次清孔，完成后立即開始灌注。灌注過程中注意導管的埋深和上升高度，導管埋入混凝土的深度為2～3m。導管上提速度不宜過快，且應保證連續澆筑。灌注面超過內護筒底面1.5m 后，邊灌注邊拔出內護筒，直至全部拔出。拔出后應立即沖洗，以便重復利用。

4 鉆孔注漿填充預處理溶洞施工技術

4.1 工藝流程

溶洞填充物力學性能差是造成坍孔的主要原因，因此提高填充物的力學性能，可以顯著改善坍孔現象。考慮到現場實際需求和經濟效益，以渣土作為主要材料制作注漿液。工藝步驟如下：①注漿孔采用“一樁一孔”的勘察孔；②采用孔內成像技術對勘察孔進行觀測、檢查，判斷實際溶巖情況；③注漿并進行養護；④旋挖鉆機鉆進施工；⑤采用孔內成像技術觀察注漿效果，如滿足要求則進行灌注，如果不滿足則在孔內注漿。

4.2 注漿液制備

以渣土、固化劑、自來水為原料按比例制備注漿液，7d抗壓強度達到0.4MPa。材料配比如下：

⑴溶洞及裂隙張開度＞300mm 的裂隙，固化劑：渣土：自來水為0.15:1:1.0～1.5，渣土粒徑＜10mm；

⑵裂隙張開度為100～300mm 的裂隙，固化劑:渣土:自來水為0.12:1:1.0～1.5，渣土粒徑不大于5mm；

⑶裂隙張開度＜100mm 的裂隙，固化劑:渣土:自來水為0.10:1:1.2～1.5，渣土粒徑不大于2mm。

5 結論

⑴通過對地質情況、工程情況的分析，結合過往的施工經驗，提出旋挖灌注樁施工過程中存在的問題及解決的措施；

⑵通過對鉆頭適應性分析及相關計算，得出不同地層的最佳鉆進參數，通過調整給盡力、轉速和鉆進速度，防止卡鉆、偏斜、坍孔；

⑶提出雙護筒鉆孔灌注樁施工技術防止土巖交界面坍孔；

⑷提出鉆孔注漿填充預處理溶洞施工技術，根據不同的裂隙張開度制備相適應的注漿液。