大直徑灌注樁深長護筒多功能鉆機接駁埋設(shè)技術(shù)

李 凱

(深圳市工勘巖土集團有限公司， 廣東 深圳 518000)

在深厚松散填土、淤泥質(zhì)土、粗砂等地層中進行灌注樁施工時，容易發(fā)生縮頸、塌孔等問題[1-3]，而成孔質(zhì)量是保證灌注樁施工質(zhì)量的關(guān)鍵[4]，此時需要采用下入深長護筒穿過不良地層和透水層，使護筒底端進入有效隔水層以達到護壁效果[5]，同時，護筒埋設(shè)質(zhì)量對灌注樁的位置和垂直度具有關(guān)鍵影響[6]。而正確選擇護筒長度并埋設(shè)護筒,維持旋挖鉆進過程中護筒穩(wěn)定,是順利完成成孔、灌注混凝土工作的基礎(chǔ)[7]。

對于嵌巖灌注樁，中國石油天然氣管道局在國內(nèi)首創(chuàng)雙模管+鉆孔嵌巖灌注樁護筒埋設(shè)施工工藝,解決了長久以來大厚度塘渣層灌注樁施工難題[8]；對于水中傾斜裸巖上的樁基, 章孝建[9]提出預(yù)先對傾斜巖面進行處理平整,再行下放鋼護筒并對其進行水下封底固定,此方法能有效地解決了超大直徑的樁基成孔過程中的孔內(nèi)水頭差；對于流沙地層的樁基，雷波[10]提出通過結(jié)合現(xiàn)場工序的組織分析,將鋼護筒作為永久防護使用,留在地基不予拔出,確保了樁基質(zhì)量；對于大型河流中砂卵石地質(zhì)條件下的動水樁基礎(chǔ)施工,張文志[11]總結(jié)了動水砂卵石地質(zhì)鋼護筒埋設(shè)施工技術(shù)。

而對于軟土地基灌注樁施工的護筒埋設(shè)，目前常采用旋挖鉆機配合埋設(shè)[12-13]，一般采用旋挖鉆機預(yù)成孔后再吊放護筒，或采用旋挖鉆機通過接駁器與護筒連接直接下放護筒，阻力較大的可采用大型振動錘將護筒沉入。采用旋挖鉆機預(yù)成孔安放護筒時，在上部松散填土、粉砂、中粗砂段孔口處鉆進時易塌孔(圖1)；采用旋挖鉆機通過接駁器安放護筒，由于深長護筒下放過程中阻力大，旋挖鉆機受扭矩限制的影響，僅適用護筒直徑1 200 mm及以下的護筒埋設(shè)，對于大直徑深長護筒往往無法下放至指定深度，采用接駁器安放護筒(圖2)；而采用振動錘沉放護筒時(圖3)，劇烈的激振力對周邊建(構(gòu))筑將產(chǎn)生強烈的振動，容易引起擾民甚至造成安全威脅。

圖1 旋挖鉆機預(yù)成孔

圖3 振動錘下放護筒

針對大直徑長護筒下放過程中旋挖預(yù)成孔易塌孔、回轉(zhuǎn)安放護筒能力弱、振動錘沉放護筒振動干擾大等問題，經(jīng)過現(xiàn)場試驗、優(yōu)化，總結(jié)出一種針對軟土地基灌注樁施工，以采用多動能鉆機為核心的新型護筒埋設(shè)方法，解決了上述技術(shù)難題，取得了良好效果。

1 工程概況

1.1 工程位置及規(guī)模

羅湖區(qū)翠竹街道木頭龍小區(qū)更新單元項目位于深圳市羅湖區(qū)翠竹街道愛國路與華麗路交會處，占地面積約6.4萬m2，總建筑面積約69萬m2，擬建13棟高層、超高層塔樓。

場地位于深圳市羅湖區(qū)翠竹片區(qū)，所在位置擬建場地原始地貌單元為沖洪積地貌。后經(jīng)回填平整，修建成木頭龍住宅小區(qū)，原地貌已不復(fù)存在，現(xiàn)狀地形較平坦。場地內(nèi)地層0～12 m范圍內(nèi)廣泛分布有素填土、雜填土、泥炭質(zhì)黏土、含砂黏土、粉砂、含黏性土中粗砂、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土。

本項目工程樁均采用旋挖灌注樁，成孔時孔壁易坍塌，需采用深長護筒在孔位護壁。其中，逆作區(qū)工程樁中有59根樁直徑為2 800 mm，需埋設(shè)長17 m、直徑3 000 mm的大直徑深長護筒。

1.2 現(xiàn)場施工情況

項目開始時采用“旋挖鉆機引孔+振動錘”方法下護筒，施工過程對周圍地層振動很大，引起了周邊小區(qū)居民的投訴。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況以及對以往施工經(jīng)驗的總結(jié)，通過不斷摸索改進，采用本技術(shù)埋設(shè)護筒，不但可以將大直徑深長護筒高效準(zhǔn)確地安放到位，且下放過程噪聲低，對周圍地層影響小，形成了可靠、成熟的施工工藝方法，獲得了設(shè)計單位、監(jiān)理單位、業(yè)主的一致好評。

2 工藝原理

工藝原理主要包括3個部分：①鉆機動力頭與護筒接駁；②長護筒管靴回轉(zhuǎn)切削；③多功能鉆機驅(qū)動大直徑長護筒鉆進。

2.1 鉆機動力頭與護筒接駁

采用特制接駁器將鉆機動力頭與長護筒進行連接，具體通過一對公、母接駁接頭來實現(xiàn)，接頭結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示(以設(shè)計樁徑2 800 mm、對應(yīng)直徑3 000 mm的護筒為例)。

圖4 母接頭凹槽結(jié)構(gòu)

圖5 公接頭凸出結(jié)構(gòu)

為確保護筒受力均衡，在母接頭內(nèi)壁環(huán)向均勻設(shè)有4個“L”形接駁凹槽，在公接頭外壁相應(yīng)位置處設(shè)有4個凸出卡扣。連接時調(diào)整母接頭位置，使公接頭外壁的卡扣插入母接頭內(nèi)壁的凹槽內(nèi)，然后母接頭旋轉(zhuǎn)，卡扣便卡在凹槽內(nèi)，接頭完成連接，其連接原理如圖6所示。另外，兩種接頭外側(cè)加工有外環(huán)，用于傳遞軸向壓力。

圖6 公母接頭連接原理

特制接駁器將鉆機動力頭與長護筒相連，特制接駁器兩端均采用上述接駁接頭結(jié)構(gòu)的原理進行連接。為此，在護筒頂端設(shè)置4個公接頭凸出卡扣，鉆機動力頭加工有母接頭接駁凹槽，而特制接駁器上端具有尺寸與鉆機動力頭相匹配的公接頭結(jié)構(gòu)，下端加工有與護筒外徑相匹配的母接頭結(jié)構(gòu)，特制接駁器如圖7所示。

圖7 特制接駁器

通過上述接駁接頭結(jié)構(gòu)連接原理，采用特制接駁器將鉆機動力頭、護筒連為一體。首先，鉆機動力頭下放與接駁器連接，在動力頭部母接頭凹槽中的空隙部分用條形銷子卡住，并用螺栓固定，動力頭與接駁器連接原理如圖8所示。

圖8 鉆機動力頭與接駁器連接

鉆機動力頭與接駁器連接后，將其移至待連接護筒處，將接駁器下方母接頭凹槽與護筒頂端凸起卡扣對準(zhǔn)后套入并旋轉(zhuǎn)，此時鉆機與護筒通過接駁器連接完成，連接原理如圖9所示。下放護筒時，保持護筒順時針旋轉(zhuǎn)，待護筒安放到位，將鉆機動力頭反轉(zhuǎn)上提，此時接駁器與護筒之間分離，而接駁器與鉆機動力頭之間由于銷子阻擋避免脫開。

圖9 鉆機動力頭與護筒連接原理

2.2 長護筒管靴回轉(zhuǎn)切削

護筒根據(jù)不同樁位所需長度進行工廠訂制，一體化成型。護筒頂端加工有凸出卡扣，用于連接上部接駁器凹槽；護筒底端鉆頭處設(shè)有鋼制管靴，管靴端部裝有合金切削刀頭(圖10)，其強度高、硬度大，能夠在回轉(zhuǎn)下放過程中跟隨鉆機動力頭旋轉(zhuǎn)，對地層進行強力切削；同時，護筒在鉆機液壓作用下完成鉆進安放。

圖10 護筒底管靴及合金切削刀頭

圖11 SHX型多功能鉆機

2.3 多功能鉆機驅(qū)動大直徑長護筒鉆進

選擇SHX型多功能鉆機進行大直徑長護筒的安放施工，鉆機如圖11所示。SHX型多功能鉆機采用液壓回轉(zhuǎn)鉆進，其最大輸出扭矩可達520 kN·m，成孔最大直徑可達3 000 mm，有效解決了普通旋挖鉆機下放大直徑深長護筒時扭矩不足的困難。多功能鉆機回轉(zhuǎn)下放護筒時，通過接駁器凹槽與護筒頂端的凸出卡扣配合來傳遞扭矩，通過接駁器與護筒的外環(huán)來傳遞軸向壓力，使護筒邊切削土層邊向下鉆進，待護筒下放至預(yù)定深度后，將接駁器反轉(zhuǎn)上提，使護筒頂端的凸出卡扣脫離接駁器凹槽，則接駁器與護筒分離，護筒留在樁孔護壁。待鉆孔及混凝土樁灌注結(jié)束后，利用鉆機采用同樣方式連接護筒后將其拔出。

3 工藝流程

大直徑灌注樁深長護筒多功能鉆機接駁埋設(shè)工藝流程如圖12所示。

圖12 施工工藝流程

4 主要操作要點

操作工序及要點介紹以對應(yīng)樁徑2 800 mm的直徑3 000 mm、長17 m的大直徑深長護筒為例。

4.1 平整場地、測放樁位

1)多功能鉆機占用場地較大，施工前將所涉及的場地區(qū)域進行平整、壓實，進行硬底化施工。

2)依據(jù)設(shè)計圖紙的樁位進行測量放線，使用全站儀測定樁位，樁位中心點處用紅漆做出三角標(biāo)志，如圖13所示。

圖13 測放樁位

4.2 旋挖鉆機引孔

1)選擇三一SR425型旋挖鉆機和外徑為3 000 mm的鉆頭，旋挖鉆機就位后精心調(diào)平，以保證護筒下放的垂直度。

2)對孔位時采用十字交叉法對中孔位，對中后鉆機不得移位，鉆臂不得隨意改變角度。

3)旋挖引孔深度根據(jù)現(xiàn)場土質(zhì)條件，以控制鉆孔不發(fā)生塌孔為標(biāo)準(zhǔn)，一般引孔深度4～8 m。旋挖鉆機引孔如圖14所示。

圖14 旋挖鉆機引孔

4.3 吊放長護筒

1)特制長護筒由工廠預(yù)制，由拖板車運至施工現(xiàn)場，如圖15所示。

2)采用履帶吊將護筒豎直吊至已進行引孔的樁孔位置，緩慢下放護筒至引孔深度，保持護筒穩(wěn)定不偏斜，吊放護筒如圖16所示。

圖15 運送特制長護筒至施工現(xiàn)場

圖16 吊放長護筒

4.4 多功能鉆機安裝及就位

1)選用SHX型多功能鉆機安放護筒，鉆機為液壓驅(qū)動控制、恒功率變量、大扭矩輸出鉆進，具備高穩(wěn)定性的底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計，適應(yīng)能力強。其主要參數(shù)見表1。

2)多功能鉆機主要包括液壓動力系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、提升系統(tǒng)等。

4.5 多功能鉆機與接駁器連接

1)鉆機動力頭與特制接駁器通過卡扣與卡槽連接，在卡槽空隙插入銷子并用螺栓固定。鉆機動力頭與接駁器連接如圖17所示。

圖17 鉆機與特制接駁器連接

2)將已連接接駁器的鉆機利用樁機行走機構(gòu)移動至鉆孔(護筒位置)附近。

4.6 多功能鉆機通過接駁器與長護筒連接

1)調(diào)整多功能鉆機動力頭位置，使接駁器凹槽對準(zhǔn)護筒端部連接環(huán)上的凸出卡扣，接駁器凹槽如圖18所示。

圖18 接駁器凹槽

2)緩慢下放接駁器，使護筒頂端的凸出卡扣卡入接駁器凹槽內(nèi)，旋轉(zhuǎn)鉆機動力頭，實現(xiàn)二者的連接。已連接完成并準(zhǔn)備下放的多功能鉆機與長護筒如圖19所示。

圖19 多功能鉆機與長護筒連接

4.7 多功能鉆機液壓回轉(zhuǎn)護筒切削鉆進至預(yù)定深度

1)利用多功能鉆機的液壓裝置提供動力旋轉(zhuǎn)下壓護筒，使長護筒回轉(zhuǎn)鉆進至預(yù)定深度，過程中采用全站儀實時觀測護筒下放深度。下放長護筒現(xiàn)場如圖20所示。

圖20 長護筒回轉(zhuǎn)鉆進

2)護筒鉆進時讓鉆機縱向步履輕輕接觸地面，保持鉆機穩(wěn)固，定期用高精度測斜儀觀察護筒垂直度并隨時糾偏。

4.8 多功能鉆機與長護筒分離并移位

1)長護筒下放至預(yù)定深度后，反方向旋轉(zhuǎn)鉆機動力頭，上提接駁器使鉆機與護筒分離。

2)接駁器與護筒未完全分離時緩慢上提，確定二者分離后再加速，防止因上提過程中接駁器晃動護筒造成偏斜。護筒下放完成后鉆機與護筒分離如圖21所示。

圖21 鉆機與護筒分離

3)將多功能鉆機移至下一待安放護筒孔位處。

4.9 旋挖鉆機就位、鉆進成孔

1)護筒安放完成后，暫時移開多功能鉆機，將旋挖鉆機移至孔口。

2)利用旋挖鉆機在護筒內(nèi)旋挖成孔至設(shè)計深度，旋挖鉆機鉆進成孔如圖22所示。

圖22 旋挖鉆機鉆進成孔

4.10 孔口灌注成樁

1)安放鋼筋籠和灌注導(dǎo)管，如圖23所示。

圖23 安放鋼筋籠和灌注導(dǎo)管

2)進行二次清孔后灌注混凝土成樁，如圖24所示。

圖24 二次清孔、灌注樁身混凝土

4.11 多功能鉆機就位、起拔護筒

1)待灌注樁施作完成后起拔護筒，鉆機仍通過接駁器連接護筒，旋轉(zhuǎn)方向與下放護筒時相同，控制鉆機動力頭提升，將護筒起拔出孔，起拔護筒如圖25所示。

2)起拔護筒過程控制上拔速度，時刻觀察護筒垂直度，防止護筒偏斜影響灌注樁質(zhì)量。

圖25 起拔護筒

5 分析與討論

5.1 效益分析

本技術(shù)在實際工程項目施工的應(yīng)用中，相比于旋挖鉆機預(yù)成孔后下放長護筒的施工工藝，具有精確度高、節(jié)約成本、效率提升、綠色文明等方面的優(yōu)勢，縮短了工期，得到了設(shè)計單位、監(jiān)理單位以及業(yè)主的一致肯定與好評，取得了顯著的社會效益。

以深圳市羅湖區(qū)木頭龍小區(qū)更新項目為例，本項目采用本技術(shù)共完成了59根長17 m、直徑3 000 mm的大直徑深長護筒下放。

采用常規(guī)“旋挖鉆機預(yù)成孔+振動錘”的方式下大直徑深長護筒，除需用一臺旋挖鉆機外，還需投入兩臺振動錘、一臺履帶吊，使用費用按每臺振動錘14萬元/月、每臺履帶吊12萬元/月計算(含燃油、人工等)，每月施工費用為 14×2+12=40萬元。

采用本技術(shù)“旋挖鉆機引孔+多功能鉆機接駁安放”的方式，除了旋挖鉆機引孔以外，需投入一臺多功能鉆機，而履帶吊僅用于吊放護筒，無須專門配合安放，多動能鉆機使用費用及履帶吊臨時配合的綜合費用按42萬元/月計算(含燃油、人工等)。

綜合對比深長護筒的安放方法，下放大直徑深長護筒采用多功能鉆機接駁安放比振動錘方法的施工費用略高，但相比于振動錘下放護筒，采用本技術(shù)的經(jīng)濟效益體現(xiàn)在保證了護筒埋設(shè)的速度和精準(zhǔn)度的同時，有效減少了施工過程中對周圍地層的振動和噪聲污染，大大提高了現(xiàn)場綠色文明施工程度，保證了施工的順利進行，環(huán)境效益可觀。

5.2 討論

在松散地層施工鉆孔灌注樁時，由于淺層土體自重固結(jié)應(yīng)力小，其結(jié)構(gòu)性較差，在鉆孔初期孔壁土體常常會因側(cè)向約束不足而導(dǎo)致破壞、變形，發(fā)生縮頸、塌孔等問題，而由于地層內(nèi)縫隙發(fā)育，采用泥漿護壁易流失，這時就需要在用深長護筒穿過不良地層和透水層對孔壁進行保護，以便于完整樁孔的鉆進及后續(xù)混凝土灌注施工。

深圳市羅湖區(qū)木頭龍小區(qū)更新項目松散地層平均厚度15 m，最大樁徑達3 m。由于不良地層較深，采用旋挖鉆機直接引孔到位后孔壁往往直接塌孔，無法順利下入護筒；如果用旋挖鉆直接連接護筒旋挖埋設(shè)，鉆機動力不足，且沒有保證埋設(shè)垂直度的措施；而場地周邊建筑物、構(gòu)筑物及地下管線密布，也無法采用振動錘施工。

本技術(shù)采用的多功能鉆機扭矩大，可直接將直徑3 m、長度20 m的護筒在本項目地層中安放到位，且配備高精度測斜裝置實時監(jiān)測護筒垂直度，保證了護筒埋設(shè)效率和精度，適合在涉及不良地層灌注樁施工的項目中大力推廣。然而需注意的是，該多功能鉆機體積大，對場地條件要求較高，且前期需要組裝時間，因此在決定是否采用該技術(shù)施工時，需要結(jié)合項目情況對施工進度、任務(wù)搭接及質(zhì)量要去統(tǒng)籌考慮后決定。

6 結(jié)語

本技術(shù)在實際工程項目施工的應(yīng)用中，相比于旋挖鉆機預(yù)成孔后下放長護筒的施工工藝，具有精確度高、節(jié)約成本、效率提升、綠色文明等方面的優(yōu)勢，為松散地層大直徑灌注樁施工提供了一種高效安全、實用創(chuàng)新的護筒埋設(shè)技術(shù)，取得了顯著的社會效益。