新建鐵路巖溶地區(qū)預鉆成孔施工技術

李 斌，午向陽，羅 卿，趙 靚，朱浩波

(1.中國水電四局有限公司，西寧 810006;2.中國水電集團，北京 100048)

目前鐵路工程中鉆孔樁施工一般采用旋挖鉆、正反循環(huán)鉆、沖擊鉆等方法成孔，在地層較硬的情況下多采用沖擊鉆成孔。沖擊鉆作為克服硬巖的重要方法，也有其局限性，該施工方法只有在地基承載力 <1 000 kPa時，施工效率才較為理想;當?shù)鼗休d力 >1 000 kPa時，成孔的效率則大幅度降低，且隨著巖石強度的提高，施工效率隨之下降，特別是在巖溶發(fā)育的情況下，除了巖質(zhì)較硬的問題外，由于斜巖面的大量存在，往往是造成鉆孔偏斜、卡鉆甚至掉鉆，對鉆孔樁施工的工效、成本和安全均有不利影響。

某新建鐵路大汶河特大橋線路經(jīng)過魯中南低山丘陵及丘間平原，約70%為鉆孔群樁基礎。鉆孔樁基范圍內(nèi)的地層為黏土、粉質(zhì)黏土、泥巖、頁巖、石灰?guī)r，部分樁基底部為花崗巖，地基承載力達到1 500 kPa，巖層傾角15°～45°;石灰?guī)r中溶洞、裂隙發(fā)育，72%的鉆孔樁基地層存在溶洞。在復雜的地質(zhì)條件下，采用傳統(tǒng)的鉆孔樁施工工藝施工效率低下，其中1根樁基施工周期達到16個月，部分墩臺的施工工期無法保證。本文根據(jù)硬質(zhì)斜巖特點，提出了預鉆法施工思路，研究了預鉆法施工工藝和關鍵參數(shù)，并通過實踐驗證了效果。

1 預鉆法的提出

1.1 面對的問題

橋梁樁基成孔效率低主要有三個方面的原因:

1)巖石強度高致使巖石抗沖擊能力強，鉆頭磨損嚴重;

2)鉆孔過程中遇到斜巖時，鉆頭自然下落后向低強度方向側(cè)傾斜，容易造成鉆孔偏斜;

3)遇到溶洞時，由于漿液流失嚴重，容易造成塌孔、埋鉆頭、掉鉆頭或卡鉆。

鉆孔樁常見的偏孔問題如圖1所示。

圖1 偏孔示意圖

如何能夠在上述三種不利的地質(zhì)條件下，提高沖擊鉆的施工效率，是樁基施工中面臨的一個重要問題。

1.2 預鉆法思路與原理

沖擊鉆施工是由鉆機把鉆頭提起至一定高度后自由下落，將鉆頭產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化破壞巖石的沖擊力，從而達到破碎巖石的目的。該施工方法，地基承載力越低施工效率越高。如果能夠在沖擊鉆施工前降低樁位的地基承載力，就可以大幅度地提高沖擊鉆的成孔效率。

鉆孔樁預鉆是利用潛孔鉆進受地質(zhì)條件限制小，以及沖擊鉆在巖體中鉆孔速度快的特點，于沖擊鉆施工前采用潛孔鉆機在樁位進行鉆孔，將巖石打成“蜂窩煤狀”以達到破壞樁位巖體整體性或破壞斜巖面的目的，然后再利用沖擊鉆對破碎的巖石進行沖擊鉆孔施工，從而大幅度提高了沖擊鉆機成樁的施工效率。

2 預鉆法施工工藝

預鉆法施工是在現(xiàn)有的鉆孔樁施工工藝中加入了潛孔鉆機鉆孔施工工序。

潛孔鉆機是以壓縮空氣為動力，將壓縮空氣動力轉(zhuǎn)換成機械力以破碎巖石的一種機械，鉆機上裝有沖擊器和鉆頭，工作過程中沖擊器的活塞不斷沖擊尾部，鉆頭上的合金齒不斷沖擊巖石，同時減速器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩使鉆具 轉(zhuǎn)動，推進氣缸產(chǎn)生的軸向力送進鉆具進行鉆孔。鉆機由支承機構、減速器、氣動馬達、推進氣缸、沖出器、油霧器及氣動控制閥等部份組成。

2.1 施工工藝流程

樁基預鉆施工工藝流程為:施工場地清理→潛孔鉆機鉆孔施工→沖擊鉆機鉆孔→成孔驗收。

2.2 施工控制要點

1)鉆機就位前清除施工范圍內(nèi)的腐殖土、碎石，并將作業(yè)平臺夯實。

2)潛孔鉆機開孔時先以較小沖擊功、推進力及低轉(zhuǎn)速鉆進，以便于鉆頭定位，待鉆頭鉆進10 cm左右時，再以全風門沖擊，并適當加大推進力，提高轉(zhuǎn)速，進行正常的鑿巖工作。

3)潛孔鉆鉆孔過程中嚴禁反轉(zhuǎn)，以免鉆桿脫落，造成安全事故或者預鉆孔報廢。

4)加接新鉆桿時，需用高壓風對鉆桿內(nèi)部進行清理，防止砂土混入沖擊器內(nèi)，損壞設備，影響預鉆效率。

5)當潛孔鉆機穿越溶洞時需采用小沖程、低轉(zhuǎn)速的鉆孔方法鉆進，以防止由于巖石特性突變而引起的預鉆孔偏斜。

6)當斜巖面傾斜角度大，潛孔鉆機造孔困難時，可向孔內(nèi)回填部分片石至斜巖面頂部，再進行預鉆孔施工。

7)鉆孔過程中采用吊線錘的方法定時檢查鉆桿的傾斜度，每根鉆桿檢查1～2次，確保鉆桿垂直鉆進。

8)鉆孔過程中要準確測量孔深，一般每鉆進10 m或換鉆具時必須量一次鉆桿，以核實孔深。

9)鉆機在鉆孔過程中如需短暫中止鉆孔工作時，需向鉆桿內(nèi)送入少量的壓縮空氣，以避免泥沙浸入沖擊器內(nèi)部，若在較長時間內(nèi)停止工作時，需將沖擊器提到距孔底1～2 m處再停機，以免造成沖擊器堵塞。

10)遇到溶洞時及時向孔內(nèi)補充清水或泥漿，保持孔內(nèi)水頭，防止塌孔。

11)沖擊鉆施工過程中采用適當?shù)钠骶呒皶r檢查孔的中心位置、孔徑、孔深、傾斜度和孔內(nèi)沉淀層厚度，當技術指標超過允許偏差時，要認真研究，并針對性采取處理措施。

3 預鉆法施工關鍵技術

3.1 鉆孔形式及參數(shù)

在巖石特性相同的條件下，孔徑越大對巖石整體結構破壞越強，但是鉆孔效率降低;鉆孔直徑越小，雖然鉆孔效率高，但是對巖石整體結構破壞較小，增加預鉆孔的數(shù)量，而增加施工成本。如何讓鉆孔直徑和鉆孔數(shù)量成反比的情況下，達到最優(yōu)的施工效果，是預鉆孔設計的關鍵。

預鉆孔均勻分布于鉆孔樁內(nèi)且每個孔分擔的面積大致相等是預鉆孔布置的基本原則，鉆孔樁面積S1與預鉆孔面積S2的比值是預鉆孔設計的重要參數(shù)。

下面列舉鉆孔直徑為140 mm及220 mm兩種情況下預鉆孔布置情況加以說明。

預鉆孔直徑為140 mm時，鉆孔樁內(nèi)共布置5個孔，具體布孔形式如圖2所示，該布孔形式S1與S2的比值為6.9。

圖2 φ140 mm預鉆孔布孔圖(單位:mm)

預鉆孔直徑為220 mm時，鉆孔樁內(nèi)共布置3個孔，布孔形式如圖3，該布孔形式 S1與 S2的比值為10.2。

經(jīng)過工程實踐，S1與 S2的比值控制在6～11之間，可以取得理想的預鉆效果。

施工過程中如果穿越溶洞遇到斜巖或者地基存在斜巖面時，除了可以按照上述原則進行預鉆孔設計外，也可以根據(jù)斜巖面的大小、走向采取局部預鉆。局部預鉆孔的設計遵循淺孔、密孔的原則，以破壞現(xiàn)有的斜巖面為準。

圖3 φ220 mm預鉆孔布孔圖(單位:mm)

預鉆孔的長度設計根據(jù)預鉆位置的地質(zhì)結構、溶洞及斜巖面的位置而定，一般以穿越溶洞或者斜巖面1 m為宜，且不能大于鉆孔樁的設計長度，以確保基底巖石的完整性。

3.2 施工機械選擇

預鉆施工主要針對于接觸樁，該類樁一般都位于巖石內(nèi)。施工機械的選擇要考慮鉆機在相應巖石內(nèi)的成孔速度及深度。同時能夠在泥漿環(huán)境中作業(yè)，也是選擇鉆機的標準之一。

SL400型潛孔鉆機是一種高效、多功能履帶式鉆機，可在各種地層上采用泥漿、泡沫和壓縮空氣潛孔鉆進，鉆孔直徑110 mm到254 mm，孔深可達213 m。該鉆機的參數(shù)及性能見表1。

由表1可以看出，SL400型鉆機可以滿足各種工況下的預鉆施工。

表1 鉆機性能參數(shù)表

4 效果分析

4.1 工效分析

在大汶河特大橋鉆樁施工中，對比分析了4個典型墩臺對預鉆前和預鉆后的工效。

大汶河特大橋 158#、170#、247#、248#橋墩基礎均為鉆孔樁基礎，樁基根數(shù)為8～12根，樁徑為1.0 m，樁基位于1 500 kPa的石灰?guī)r中。具體工效對比見表2。根據(jù)表2中的對比數(shù)據(jù)，在巖石地質(zhì)情況相似的條件下，采用預鉆法施工后樁基施工效率最高可提高5.2倍，斜巖處理的片石回填量減少至預鉆前的20%～30%左右。

表2 預鉆與否工效對比

4.2 質(zhì)量控制效果

由于斜巖面在預鉆時在中間形成的鉆孔，相當于為沖擊鉆提供了一導向孔，使沖擊鉆造孔時偏孔幾率減小，經(jīng)過鉆孔過程中的質(zhì)量檢測，斜巖糾偏率降低了75% ～85%，使沖擊鉆的成孔質(zhì)量得到了進一步的保證。

5 結語

1)預鉆施工很好地解決了地基承載力高、巖溶及斜巖地區(qū)沖擊鉆成孔效率低的問題，提高了鉆孔樁的施工效率。

2)預鉆施工提前破壞了樁位存在的斜巖面，鉆孔樁的糾偏率明顯降低，樁基施工質(zhì)量得到了保證。

3)預鉆施工中增加了潛孔鉆機造孔，潛孔鉆造孔增加的施工成本，與樁基施工效率提高所降低的施工成本如何在施工過程中得到最優(yōu)組合，需要做進一步研究的問題。

［1］鄭偉鋒，蔣鵬，王明羿，等.南廣客運專線某巖溶區(qū)段橋基鉆探的關鍵技術［J］.鐵道建筑，2009(6):19-21.

［2］顧曉魯，錢鴻縉，劉惠珊，等.地基與基礎［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.