我國全套管灌注樁研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

劉春曉

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 北京102600）

高速鐵路、公路、城市軌道交通以及高層建筑等大都采用鋼筋混凝土灌注樁作為基礎(chǔ)，我國目前樁孔的施工總量約占世界的一半［1］。隨著建筑物規(guī)模逐漸加大，對灌注樁的要求也越來越高。鉆孔灌注樁施工產(chǎn)生的噪聲和震動較小，能夠建造比預(yù)制樁直徑大的樁，且能適應(yīng)各種地基。但是地質(zhì)條件復(fù)雜地段進(jìn)行灌注樁施工時，泥漿護(hù)壁作用效果不好容易導(dǎo)致塌孔、擴孔，混凝土充盈系數(shù)低。為此常采用全套管灌注樁施工設(shè)備，不僅加快了施工速度，且無泥漿污染，能較好地護(hù)壁，使施工質(zhì)量得到有效的保證。目前全套管灌注樁在國內(nèi)外樁基工程中得到了廣泛的應(yīng)用。有關(guān)全套管灌注樁機設(shè)備在國內(nèi)外的發(fā)展已有學(xué)者做了研究［2］，此處不再贅述。本文主要偏重于目前常規(guī)全套管灌注樁機械設(shè)備組成要件、施工技術(shù)及應(yīng)用研究現(xiàn)狀和存在的問題及措施，并對今后發(fā)展提出建議，以期為今后全套管灌注樁的應(yīng)用發(fā)展提供借鑒。

1 國內(nèi)常規(guī)設(shè)備研究現(xiàn)狀

隨著自主研發(fā)的進(jìn)步，國內(nèi)于1955年研制出第一代全套管鉆機——搖動式全套管鉆機，并于2011年成功研制出第二代全套管鉆機——全回轉(zhuǎn)全套管鉆機［2］，以及后來的QHZ-2000 全回轉(zhuǎn)套管鉆機［3］等的研究，填補了國內(nèi)自主研發(fā)同類鉆機的空白。目前關(guān)于設(shè)備集中在以下幾個研究重點：

1.1 套管鉆進(jìn)設(shè)備

全套管鉆進(jìn)一般是指利用套管鉆機對孔內(nèi)套管施加扭矩和垂直荷載，套管鉆頭（套管靴）切削使套管柱在地層中鉆進(jìn)［3］。其運動狀態(tài)可以看作是沉管運動與回轉(zhuǎn)運動的復(fù)合［4］。邊轉(zhuǎn)動邊壓拔套管可以顯著降低套管壓拔的阻力。

根據(jù)套管回轉(zhuǎn)驅(qū)動方式的不同，分為搖動式全套管鉆機和液壓全回轉(zhuǎn)全套管鉆機。搖動式是利用搖動液壓缸由油缸驅(qū)動套管，繞其中心以一定角度往復(fù)轉(zhuǎn)動，但是扭矩小，效率較低。隨著MZ系列搖動式全套管鉆機的生產(chǎn)，國內(nèi)已經(jīng)具備批量生產(chǎn)搖動式全套管鉆機的能力，其售價僅是國外同類產(chǎn)品的40%左右［2］。全回轉(zhuǎn)式套管由油馬達(dá)驅(qū)動單方向連續(xù)回轉(zhuǎn)，扭矩大、效率高。2001 年，我國自行設(shè)計制造了第一臺大口徑全套管沖抓施工設(shè)備［5］，實現(xiàn)了在松散、卵礫石層等復(fù)雜條件下的灌注樁施工，且無沖洗液、無污染、符合環(huán)保要求，填補了我國在該技術(shù)領(lǐng)域的一項空白。但是整套設(shè)備比較龐大，且投資較大，在國內(nèi)推廣受到一定的制約。

套管垂直加載的方式有靜壓和動壓（沖擊、低頻振動、高頻振動）［3］2種。動壓會提高鉆進(jìn)效率，但振動會造成砂土液化，因此在含水細(xì)砂層需要慎重使用。

1.2 套管力學(xué)分析

宋志彬等人［4］建立了全套管鉆進(jìn)中套管柱的力學(xué)模型，計算出了套管的內(nèi)外摩阻力和管端阻力，并結(jié)合具體實例和有限元分析模型進(jìn)行了驗證，得出與套管靴連接的專用套管相比于套管上端更易破壞的結(jié)論。該研究填補了國內(nèi)外大口徑管柱力學(xué)研究的空白，對新型全套管設(shè)備和套管鉆具的研發(fā)具有指導(dǎo)意義。

1.3 套管連接裝置

套管可通過焊接連接，但是焊接通常無法回收套管，因此存在套管浪費和費用較高的問題?；诖耍紤]套管的回收再利用，便于拆卸的連接方式有專用的切口定位插板式［5］、平鍵定位鎖銷式、內(nèi)六角螺栓連接［6］及雌雄接頭連接+螺栓固定［2］等。

1.4 套管夾緊機構(gòu)

普遍采用的有楔形套管夾緊機構(gòu)［6］，如圖1所示。楔形塊的夾緊力隨著套管的壓拔力增加而增大。

圖1 楔形套管夾緊機構(gòu)Fig.1 Wedge-shaped Casing Clamping Mechanism

1.5 取土裝置

常規(guī)取土裝置為配套履帶式吊車的沖抓（沖抓斗、沖擊鉆頭、潛孔錘等）取土和配套旋挖鉆機（短螺旋、長螺旋、筒鉆、擴底鉆頭、旋挖斗等）的旋挖取土［5］。沖抓斗適用于土、卵礫石層和中風(fēng)化以下巖層的沖抓作業(yè)；沖擊鉆頭一般為“十”字形，用于卵礫石層和堅硬巖層的沖鑿，國內(nèi)應(yīng)用較廣?；剞D(zhuǎn)機鉆進(jìn)適用于各種地層，特別是在不適合抓取的地下水豐富的砂層，具有較高的鉆掘效率，在國外應(yīng)用較廣。

2 全套管施工工藝優(yōu)勢及技術(shù)創(chuàng)新

2.1 工藝優(yōu)勢

目前全套管施工工藝具有以下顯著優(yōu)勢［7-8］：

⑴環(huán)保、安全。

⑵鋼套管成樁，相比于泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁，避免了樁身混凝土和地基土之間殘留泥皮，既避免了樁身和地基土之間軟弱夾層的出現(xiàn)對樁承載力的影響，充分發(fā)揮樁土間的相互作用，提高樁基承載力。

⑶力學(xué)鉆進(jìn)對樁周地基土的影響小，保持了地基土的原狀結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮樁基側(cè)摩阻力。因此適用地層廣。

⑷承載力高。成樁工藝不同會導(dǎo)致樁基的承載機理和工作性狀有明顯差異?？妆跅l件是影響樁基承載性能和荷載傳遞規(guī)律的主要因素之一［9］。陳枝東等人［10］通過現(xiàn)場試驗，得出全套管全回轉(zhuǎn)鉆孔灌注樁的極限承載力是泥漿護(hù)壁鉆孔樁的1.25 倍，樁頂沉降比泥漿護(hù)壁鉆孔樁減小了36%的結(jié)論。

2.2 技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新

2.2.1 全套管擴底灌注樁施工工藝

李陳［11］提出全套管旋挖擴大頭灌注樁施工工藝，并應(yīng)用在了砂卵石層施工中。該工藝是待套管及掏土工作進(jìn)入符合設(shè)計要求的地層之后，將擴大鉆頭連接在旋挖主動鉆桿上放下孔內(nèi)進(jìn)行擴大頭施工。

柳建國等人［12］開發(fā)了大直徑全套管夯擴底灌注樁技術(shù)，在全套管灌注樁成孔至持力層后，于管底填入擴底填料，分層夯實，擠密樁端一定范圍的土層，并用混凝土填料形成擴大端頭，從而提高樁端持力層的承載力，并進(jìn)行了試樁試驗，經(jīng)驗證，大大提高了樁承載力，減少了樁數(shù)，節(jié)約了投資。

2.2.2 全套管清障施工工藝

包括全套管清除深埋的鋼管和鋼樁、全回轉(zhuǎn)套管沖抓清除鉆孔灌注樁、全套管護(hù)壁拔除舊樁、全套管多撐靴清除鉆孔灌注樁等［8］?；驹碇饕捎猛馓坠軐⒄系K物與周圍土體隔離開，然后采用沖錘、抓斗、水流噴射、多撐靴破碎器等方法沖鑿、強力破碎障礙物和土體，或者用吊機直接取出。朱衛(wèi)杰等人［13］、王建營［14］采用全回轉(zhuǎn)鉆機作為清障設(shè)備，對遺留深層障礙物樁進(jìn)行切割清理施工后，得到結(jié)論，認(rèn)為全回轉(zhuǎn)鉆機在清障工程中具有很好的應(yīng)用性。

2.2.3 連續(xù)墻施工

除了常規(guī)樁的施工，全套管全回轉(zhuǎn)鉆機應(yīng)用于全套管咬合樁，尤其地下連續(xù)墻的施工中應(yīng)用較廣泛，提高了咬合樁的止水效果［15］。

2.2.4 應(yīng)用于臨近工程

⑴臨近既有高鐵

根據(jù)最新《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程：TB 10182-2017》［16］，對于受下穿工程影響的高速鐵路橋梁墩臺頂位移限值如表1所示。

表1 墩臺頂位移限值Tab.1 Limit Value of Top Displacement of Pier and Abutment

可知高速鐵路對線路基礎(chǔ)沉降要求極為嚴(yán)格。經(jīng)王飛球等人［17］驗證，由于鋼套管的護(hù)壁作用，全套管灌注樁相比于常規(guī)樁基工程的施工方法，非常適用于臨近既有高鐵線的樁基施工。

⑵臨近地鐵隧道

由于地鐵隧道對變形的要求較高，根據(jù)莊妍等人［18］對全套管灌注樁應(yīng)用于臨近地鐵隧道的暗橋樁基工程中的研究，得出臨近地鐵隧道的樁基工程如果采用全套管灌注樁施工，對地鐵隧道的影響滿足預(yù)警值的要求的結(jié)論。

3 存在問題及現(xiàn)有解決辦法

3.1 套管拔出問題

成孔深度增加時，由于套管和土體之間摩擦力的增加，起拔套管會存在較大困難。套管無法拔出會造成較大的經(jīng)濟(jì)損失［19］。

超長套管拔出技術(shù)：文獻(xiàn)［19］通過針對不同的地層條件調(diào)整套管鉆進(jìn)和取土方式，控制好垂直度，控制混凝土凝固時間，以免造成埋管或樁身擴徑等施工技術(shù)，實現(xiàn)了長度達(dá)63 m的超長全回轉(zhuǎn)全套管灌注樁套管的拔管。

3.2 水文地質(zhì)條件對施工的影響

地下水存在時，在含有砂層的地基，采用全套管全回轉(zhuǎn)鉆機施工，套管的搖動會引發(fā)管涌等現(xiàn)象。

在松軟地基，套管的回轉(zhuǎn)以及搖動還會造成土體固結(jié)，使套筒的旋進(jìn)和上拔受阻，尤其在鉆機回轉(zhuǎn)和搖動停止時，外部土體的固結(jié)會造成再啟動困難。

在現(xiàn)有技術(shù)中，并沒有很好的可以解決地下水及軟土地層中全套管全回轉(zhuǎn)鉆機施工困難的措施。

3.3 鉆進(jìn)困難和效率低的問題

當(dāng)采用傳統(tǒng)的鉆機鉆孔存在困難時，借助高壓氣體作為動力源驅(qū)動潛孔錘內(nèi)的活塞做高頻往復(fù)運動，使鉆頭獲得沖擊力驅(qū)動鉆桿回轉(zhuǎn)驅(qū)動，具有較高的施工效率。針對地形較復(fù)雜的丘陵地區(qū)應(yīng)用了該技術(shù)，獲得了較好的效果［20］。

為了提高套管尤其在硬巖地區(qū)的鉆進(jìn)速度，現(xiàn)階段主要有以下幾種改進(jìn)方式：

⑴全套管噴射工法

雙壁套管內(nèi)部預(yù)埋高壓水管，在套管靴底部形成高壓水射流，以提高套管鉆進(jìn)效率。

⑵套管孔底驅(qū)動裝置

通過大通孔風(fēng)動潛孔錘超前勘巖鉆進(jìn)［3，21］，即利用高壓空氣驅(qū)動潛孔錘內(nèi)的活塞高頻往復(fù)運動，與此同時將該運動所產(chǎn)生的動能傳遞到鉆頭上，使鉆頭獲得一定的沖擊功，再通過鉆桿和鉆頭的回轉(zhuǎn)驅(qū)動，將巖石破碎，利用沖擊器排出的壓縮空氣，對鉆頭進(jìn)行冷卻，并將破碎后的巖石顆粒排出孔外。此方式需要配備大風(fēng)量的空壓機，價格昂貴，是以后的研發(fā)方向。

3.4 對空間要求高的問題

全套管全回轉(zhuǎn)鉆機施工需要大型施工機械輔助，套管普遍采用上部下放（見圖2），對場地的上部空間要求比較高，當(dāng)空間受限時，使用也會受到限制。

圖2 套管上部下放［12］Fig.2 Lower the Casing from the Top

解決方法為采用低凈空全套管灌注樁施工技術(shù)。在桐涇路北延工程中，盾構(gòu)隧道下穿既有滬寧城際鐵路段，為了減輕盾構(gòu)隧道下穿對既有橋樁位移的影響，經(jīng)專家討論決定，采用樁徑1 m、樁長30 m 的隔離樁（見圖3）。但是留給隔離樁施工設(shè)備安全施工的凈空高度只有4 m。而常規(guī)全套管灌注樁機施工作業(yè)無法滿足4 m 以下低凈空條件的施工。針對該問題，毛忠良等人［22］研制出一種能夠解決低凈空條件下全套管灌注樁施工的低凈空全套管灌注樁機［23］，與之匹配的螺旋取土器［24］（見圖4a）和筒式取土器［25］（見圖4b），實現(xiàn)了低凈空條件下的取土。針對研發(fā)設(shè)備在項目中的適用性進(jìn)行了數(shù)值模擬和試樁試驗，所研發(fā)樁機及其配套的施工技術(shù)可以實現(xiàn)桐涇路北延隧道工程3.6 m 極限高度下隔離灌注樁的施工（見圖5），為全套管灌注樁機的創(chuàng)新開拓了思路。

圖3 下穿滬寧城際加固橫斷面設(shè)計Fig.3 Reinforced Cross Section Design under the Shanghai Nanjing intercity

圖4 取土器施工現(xiàn)場Fig.4 Construction Site of Soil Sampler

圖5 施工現(xiàn)場Fig.5 Construction Site

3.5 垂直度控制難的問題

3.5.1 垂直度出現(xiàn)偏差的原因及后果

目前現(xiàn)有文獻(xiàn)中對于全套管全回轉(zhuǎn)鉆機施工過程中，垂直度產(chǎn)生偏差原因的機理解釋比較模糊，只有對原理解釋清除，才能針對性地采取對策。

如果套管垂直度偏差過大，會引起土體與套管的摩擦力增大，導(dǎo)致套管拔出困難，從而損失套管。同時，套管的垂直度直接影響到成樁質(zhì)量，進(jìn)而影響工程安全，需要引起高度重視。

經(jīng)過一系列的現(xiàn)場觀察，認(rèn)為套管垂直度的控制包括3 個階段：①套管初期放入設(shè)備上時套管的垂直度控制；②全套管全回轉(zhuǎn)鉆機夾緊套管時通過調(diào)節(jié)卡瓦加持對套管垂直度的控制；③套管鉆進(jìn)過程中如果受力不均勻，產(chǎn)生的反力作用在套管上，最終反應(yīng)在設(shè)備上，導(dǎo)致裝置整體傾斜，對套管的垂直度產(chǎn)生影響。應(yīng)從這3 個方面對套管垂直度進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)整，以保證套管垂直度。

3.5.2 垂直度控制方法

目前有以下垂直度控制方法：

⑴保證鋼套管超前下沉，沖抓頭取土?xí)r，套管內(nèi)有一定高度的土柱，從而確保垂直度［16］（見圖6）。

圖6 一般土層中挖掘進(jìn)度控制［16］Fig.6 Progress Control of Excavation in General Soil Layer

⑵通過經(jīng)緯儀或者全站儀控制上部套管的垂直度（見圖7）。

⑶其他措施：通過鉛錘定樁心，以此檢驗套管垂直度，如圖8 所示；趙建立等人［26］提出了一種快速監(jiān)測樁施工垂直度的簡易裝置（見圖9）。

可知，這些現(xiàn)有的措施并不能從根本上解決套管垂直度的問題，也沒有實現(xiàn)動態(tài)的實時監(jiān)控。全套管全回轉(zhuǎn)鉆機施工過程中套管垂直度的控制仍有許多工作要做。

圖7 現(xiàn)場經(jīng)緯儀監(jiān)測垂直度Fig.7 Monitoring Verticality by Theodolite

圖8 現(xiàn)場鉛錘定樁心Fig.8 Lead Hammer to Fix the Core of the Pile

圖9 垂直度控制裝置［26］Fig.9 Verticality Control Device

4 發(fā)展建議

全套管全回轉(zhuǎn)鉆機的發(fā)展具有很好的前景。目前施工遇到的工況類型繁多，遇到的挑戰(zhàn)也大，需要對現(xiàn)有的機械進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，以適應(yīng)各種各樣的條件，同時提出配套的施工工法，推廣全套管灌注樁的應(yīng)用，提高我國灌注樁的成樁質(zhì)量。

5 結(jié)論

本文對目前全套管灌注樁機械設(shè)備組成要件現(xiàn)狀進(jìn)行了簡要介紹，總結(jié)了施工技術(shù)上的優(yōu)勢和現(xiàn)有的技術(shù)創(chuàng)新，同時對工程應(yīng)用中存在的問題和已有的措施進(jìn)行總結(jié)，并提出了發(fā)展建議。可知目前全套管灌注樁無論從設(shè)備上還是施工技術(shù)上都有了較大改進(jìn)，且在工程中得到了很好的推廣。但是由于全套管灌注樁機施工對空間要求較高，在地下水豐富和軟土地段的施工還存在限制，施工過程中垂直度的控制問題也沒有得到很好的解決。隨著施工環(huán)境的復(fù)雜化和多樣化，非常有必要及時對設(shè)備進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，并對工藝進(jìn)行改進(jìn)，以適應(yīng)越來越復(fù)雜的施工環(huán)境。