全套管鉆孔樁成套技術(shù)及其在復(fù)雜地層環(huán)境中的應(yīng)用

(中鐵十八局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，天津 300222)

建筑工程樁基施工中，鉆孔灌注樁是非常重要的樁型，它對(duì)推動(dòng)工程建設(shè)順利進(jìn)行，確保建筑工程質(zhì)量和效益具有重要意義。然而，在軟土地層、回填土地層、砂卵石地層、巖層等復(fù)雜地層環(huán)境中，采用傳統(tǒng)成樁施工方法難以確保工程質(zhì)量，可能導(dǎo)致塌孔、流砂、涌泥、縮頸、斷樁等問題發(fā)生，甚至不能成孔[1]。最終影響現(xiàn)場(chǎng)施工安全，增加施工成本，降低工程質(zhì)量和效益。為彌補(bǔ)這些不足，預(yù)防質(zhì)量問題發(fā)生，保證鉆孔灌注樁施工效果，中冶建筑研究總院有限公司、北京建工集團(tuán)有限責(zé)任公司等聯(lián)合研發(fā)并在復(fù)雜地層環(huán)境施工中推廣應(yīng)用全套管鉆孔樁成套技術(shù)，并取得比較明顯效果。

1 全套管鉆孔樁成套技術(shù)的組成

全套管鉆孔成套技術(shù)就其種類來看，主要包括搖動(dòng)式和全回轉(zhuǎn)兩種主要設(shè)備形式。

1.1 搖動(dòng)式全套管鉆機(jī)組成

搖動(dòng)式全套管鉆機(jī)組成包括磨樁機(jī)、鋼套管、錘式抓斗、液壓工作站等(如圖1所示)，最大施工樁徑可達(dá)2.0m。由于搖動(dòng)式全套管鉆機(jī)屬于附著式設(shè)備，為保證鉆孔灌注樁施工順利進(jìn)行，提高施工安全性與可靠性，設(shè)備運(yùn)行中還需配備履帶式吊車。

1.2 全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)組成

全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)是搖動(dòng)式全套管鉆機(jī)的升級(jí)版，是在搖動(dòng)式全套管鉆機(jī)的基礎(chǔ)上研制并改造而來，其最大成孔直徑可達(dá)3.2m。作為一種新型鉆機(jī)，全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)要由動(dòng)力站、工作裝置、輔助鉆具組成。動(dòng)力站為外置設(shè)備；工作裝置包括楔塊、頂層支架、夾緊油缸、過渡架、配重、反力架、走臺(tái)護(hù)欄、走臺(tái)、減速機(jī)、立柱、傳動(dòng)箱、反力叉、底座(如圖2所示)；輔助鉆具包括套管、抓斗、抓爪等。在動(dòng)力和控制方式上，它采用全液壓動(dòng)力和傳動(dòng)、機(jī)電液聯(lián)合控制于一體方式，有利于便利工程施工，方便現(xiàn)場(chǎng)操作，進(jìn)而讓鉆孔灌注樁施工取得更好效果。

圖1 搖動(dòng)式全套管鉆機(jī)組成示意

圖2 全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)組成示意

2 全套管鉆孔樁成套技術(shù)的類型

經(jīng)過多年技術(shù)研發(fā)和工程實(shí)踐，全套管鉆孔樁成套技術(shù)得到不斷改進(jìn)和完善。并且工藝流程得到進(jìn)一步優(yōu)化，施工設(shè)備性能不斷改進(jìn)，新材料也逐漸得到推廣應(yīng)用。同時(shí)針對(duì)該技術(shù)在復(fù)雜地層環(huán)境施工中遇到的疑難點(diǎn)，還有針對(duì)性的提出解決方案，目前已形成全套管灌注樁、全套管咬合樁、全套管嵌巖樁三種施工技術(shù)類型。

2.1 全套管灌注樁施工技術(shù)

全套管灌注樁施工技術(shù)用鋼套管護(hù)壁，鉆進(jìn)與成孔同步施工，鉆孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高后清孔，并放置鋼筋籠，灌注水下混凝土，預(yù)防縮頸、斷樁等問題發(fā)生。施工中用鋼套管護(hù)壁，而不再使用傳統(tǒng)的泥漿護(hù)壁，有利于提高樁的承載力，減小對(duì)樁側(cè)土的影響。該技術(shù)還可以在塊石填海、建筑垃圾回填、高含量大粒徑卵石層等復(fù)雜地層環(huán)境中成孔，避免管涌、流砂等問題發(fā)生，提高成孔垂直精度，成孔垂直傾斜角通常在1/300以內(nèi)[2]?？傊?，全套管灌注樁施工技術(shù)實(shí)用性強(qiáng)，有利于提高施工效率，保證成樁質(zhì)量，節(jié)約樁基工程建設(shè)成本。

2.2 全套管咬合樁施工技術(shù)

咬合樁是指護(hù)坡樁之間有一定搭接寬度，并形成相互咬合的排樁結(jié)構(gòu)，其工藝流程如圖3所示。全套管咬合樁施工采用超緩凝混凝土，緩凝時(shí)間大于60h，既確保A樁早期混凝土有較長(zhǎng)緩凝時(shí)間，又保證混凝土后期強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。在A樁混凝土初凝前對(duì)其進(jìn)行軟切割，有利于確保全套管鉆機(jī)切割混凝土的功能，促進(jìn)施工效率提升。由于A樁混凝土初凝時(shí)間較長(zhǎng)，因而在初凝前A樁與B樁就相互咬合，并形成連續(xù)的、整體的止水帷幕。此外，施工中還在B樁放置鋼筋籠，使之成為基坑支護(hù)止水結(jié)構(gòu)，既能發(fā)揮擋土作用，又能發(fā)揮止水效應(yīng)[3]。最終有利于保證鉆孔灌注樁施工效果，提高項(xiàng)目工程效益，也為鉆孔灌注樁施工開辟新路徑。

圖3 全套管咬合樁施工工藝流程

2.3 全套管嵌巖樁施工技術(shù)

傳統(tǒng)鉆孔嵌巖灌注樁施工常用沖擊成孔、牙輪鉆、泥漿護(hù)壁等方式，雖然這些方法能完成施工任務(wù)，但它存在的不足也十分明顯。例如，入巖成孔難度大，工期長(zhǎng)，不利于確保施工效率。再加上樁身垂直度控制難度大，容易塌孔，施工鉆具易被損毀，施工現(xiàn)場(chǎng)大量廢棄泥漿產(chǎn)生，處理難度大。而全套管嵌巖樁能有效彌補(bǔ)這些不足，巖層成孔采用套管護(hù)壁，避免塌孔、漏漿、縮頸、斷樁。此外，全套管嵌巖樁施工技術(shù)在入巖成孔時(shí)，常用潛孔錘或旋挖鉆，有利于加快施工速度，提高嵌巖樁施工效率[4]。

3 全套管鉆孔樁成套技術(shù)在復(fù)雜地層環(huán)境中的應(yīng)用及效果

經(jīng)過近二十年的創(chuàng)新發(fā)展，再加上施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，目前已形成全套管灌注樁、全套管咬合樁、全套管嵌巖樁施工技術(shù)。這些技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，不僅推動(dòng)鉆孔灌注樁施工創(chuàng)新發(fā)展，還確保鉆孔施工安全可靠，有利于促進(jìn)工程建設(shè)質(zhì)量和效益提升。

3.1 在軟土地層中的應(yīng)用及效果

軟土地層含水量大，承載力小，壓縮性高，甚至呈流塑狀。采用傳統(tǒng)工藝在軟土地層中進(jìn)行鉆孔樁施工，很容易出現(xiàn)塌孔、滑移、縮頸、斷樁等問題，難以保證工程質(zhì)量和效益。

而在全套管鉆孔樁成套技術(shù)支持下，采用鋼套管護(hù)壁、超前護(hù)孔、先灌注混凝土后拔套管等措施，能有效預(yù)防塌孔、管涌、縮頸、斷樁等問題發(fā)生。與泥漿護(hù)壁方式相比，鋼套管護(hù)壁能明顯減小對(duì)樁側(cè)摩阻力影響，可提高樁側(cè)摩阻力10%左右，有利于預(yù)防斷樁等問題發(fā)生。同時(shí)在咬合樁施工中，利用全套管鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)鋼套管旋轉(zhuǎn)，能防止鉆孔灌注樁偏移或傾斜，保證成樁垂直度，讓灌注樁緊緊咬合，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)止水效果[5]。

3.2 在回填土地層中的應(yīng)用及效果

回填土的土層松散，壓縮性高，孔隙率高，再加上沒有分層碾壓和夯實(shí)，難以保證回填土密實(shí)度。傳統(tǒng)施工方法不能很好滿足回填土地層成孔需要，容易發(fā)生松動(dòng)、位移、滑落等問題，甚至還有可能導(dǎo)致無法成孔現(xiàn)象發(fā)生。此外，泥漿護(hù)壁滲漏嚴(yán)重，容易塌孔，難以確保成樁質(zhì)量。

而利用全套管鉆孔樁成套技術(shù)施工，通過鋼套管護(hù)壁能解決回填土地層孔壁坍塌、塊石掉落問題。使用沖擊錘與沖抓取土器配合成孔，并利用鋼套管護(hù)孔，有利于順利穿越石塊或建筑垃圾，避免塌孔現(xiàn)象發(fā)生[6]，提高成樁效率和成樁質(zhì)量。

3.3 在砂卵石地層中的應(yīng)用及效果

砂卵石地層通常由泥沙沖擊而成，土層卵石含量高，卵石粒徑大，密實(shí)度高，并且土層中存在膠結(jié)層。從而使傳統(tǒng)施工工藝成孔難度非常大，容易出現(xiàn)跳鉆、埋鉆等問題，降低施工效率，甚至延誤工期，難以確保工程效益。

而全套管鉆孔樁成套技術(shù)能有效解決上述問題。用沖擊錘擊碎大粒徑卵石或膠結(jié)層，將部分卵石擠壓至樁孔外側(cè)，并用鋼套管護(hù)壁，用沖抓取土器取出孔內(nèi)渣土。從而順利完成成孔施工任務(wù)，預(yù)防跳鉆、埋鉆等問題發(fā)生[7]，有利于保證成孔施工效率。

3.4 在巖層中的應(yīng)用及效果

巖層強(qiáng)度高，部分巖面傾斜度大，傳統(tǒng)工藝會(huì)出現(xiàn)入巖困難，樁身垂直度控制難度大、施工周期長(zhǎng)等問題。

而使用全套管鉆孔樁成套技術(shù)開展施工，并配合旋挖樁、潛孔錘、沖抓取土器等的應(yīng)用，能確保入巖成孔順利進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)成孔垂直度的有效控制。并且還有利于節(jié)約成孔施工成本，確保施工效益。

4 結(jié)束語

經(jīng)過多年探索與創(chuàng)新，全套管鉆孔樁成套技術(shù)也在不斷完善，并適用于復(fù)雜地層環(huán)境施工。該技術(shù)在北京、上海、浙江、河北等工程施工中得到推廣和應(yīng)用，并取得明顯效果，形成良好的示范作用。然而，該技術(shù)涉及機(jī)械工程、巖土工程、材料工程等眾多學(xué)科。盡管目前該技術(shù)已取得較明顯的效果，但面對(duì)復(fù)雜地層環(huán)境和市場(chǎng)日益變化的需求和挑戰(zhàn)，今后仍需加大科研力度，總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，不斷完善施工技術(shù)，使其在工程建設(shè)中發(fā)揮更大效益。

參考文獻(xiàn)：

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[7] 沈保漢,楊 松.全套管灌注樁、咬合樁、嵌巖樁成套技術(shù)及裝備研發(fā)與應(yīng)用[R].北京:中冶建筑研究總院有限公司,2015.