超大溶洞區(qū)域全回轉(zhuǎn)雙套管與旋挖組合成樁技術(shù)應(yīng)用研究

【摘要】文章探討了全回轉(zhuǎn)雙套管與旋挖組合施工的關(guān)鍵技術(shù)和方法，著重分析了在巖溶強(qiáng)發(fā)育地區(qū)樁基施工的復(fù)雜性與挑戰(zhàn)，并詳細(xì)介紹了全回轉(zhuǎn)雙套管與旋挖的結(jié)合使用。文中以武漢某項目施工勘察、巖溶處理、樁基工程項目為案例，探討了樁基施工時的技術(shù)難點和地質(zhì)條件的環(huán)境挑戰(zhàn)，并采用新技術(shù)解決了項目難點。

【關(guān)鍵詞】樁基礎(chǔ)；巖溶強(qiáng)發(fā)育；全回轉(zhuǎn)；雙套管；旋挖

【中圖分類號】TU753.3 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）11-0117-04

0 引言

對于巖溶地區(qū)特別是溶洞強(qiáng)發(fā)育地區(qū)的特殊巖土層的超長灌注樁樁基（一般60 m以上，下同）施工，國內(nèi)通常采用沖孔樁成樁或旋挖樁成孔[1]。當(dāng)采用人造泥漿護(hù)壁時，成孔過程中經(jīng)常出現(xiàn)孔壁坍塌、斜樁、掉鉆、卡鉆等孔內(nèi)事故，造成施工工期長及工程質(zhì)量隱患，由于護(hù)壁措施不到位，巖溶地區(qū)鉆孔灌注樁的充盈系數(shù)也無法控制，施工成本大幅增加。另外巖溶地區(qū)地下水豐富，流動性較大，采用一般的護(hù)壁方法很難達(dá)到效果。

針對超大溶洞地區(qū)樁基施工存在的問題，項目部除了利用超前鉆鉆孔進(jìn)行溶洞雙液注漿、沖擊鉆沖孔施工遇到溶洞時拋填片石等常規(guī)的溶洞處理方式外，還對全回轉(zhuǎn)雙套管與旋挖組合施工技術(shù)進(jìn)行研究。對于入土深度大于85 m的樁采用全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)下放50 mm厚的鋼套管護(hù)壁，此鋼套管下至溶洞頂面，再邊鉆孔邊下放30 mm厚的鋼套管作為永久性鋼套管護(hù)壁一直到樁底。這樣既解決了沖孔過程中出現(xiàn)了塌孔的問題，也解決了斜樁、卡鉆、混凝土超方等問題，同時還解決了超長樁全回轉(zhuǎn)扭矩達(dá)不到的問題。研究結(jié)果表明，采用與旋挖樁機(jī)相結(jié)合的方式，可以達(dá)到質(zhì)量好、施工快、成本低的效果。

1 工程實例

1.1 工程概況

武漢某項目四期7號樓施工勘察、巖溶處理、樁基工程采用φ1 000 mm鉆孔灌注樁，樁身混凝土強(qiáng)度等級C40，樁型為端承樁，基樁樁端持力層為（6-2）中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、（7）灰?guī)r，要求樁端全斷面進(jìn)入持力層深度不小于2 m，設(shè)計有效樁長約33～87 m，其中最深樁入土深度102 m。單樁承載力特征值7 000 kN。施工勘察鉆孔共222個，其中揭露溶洞孔數(shù)為102個，洞高0.4～33.2 m，見洞率為45.9%，線巖溶率為48.5%。溶洞充填物為流塑、軟塑黏性土夾砂礫，底部夾灰?guī)r碎塊，多為全充填，部分為半充填或無充填。擬建7號樓場地巖溶發(fā)育程度等級為強(qiáng)發(fā)育。

1.2 項目需要解決的問題

1.2.1 傳統(tǒng)的護(hù)壁形式不再適用

在現(xiàn)代巖土工程領(lǐng)域，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和施工環(huán)境的日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的護(hù)壁形式如泥漿護(hù)壁已逐漸顯現(xiàn)出局限性，不再適用于所有地質(zhì)條件。特別是在斜巖面處理及垂直度控制方面，傳統(tǒng)的沖孔樁機(jī)及旋挖鉆機(jī)由于其機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，已難以滿足高精度、高穩(wěn)定性的施工要求。

1.2.2 溶洞中易卡鉆掉鉆及孔內(nèi)事故頻發(fā)

針對溶洞地質(zhì)條件下的施工難題，如卡鉆、掉鉆及孔內(nèi)事故頻發(fā)等問題，業(yè)界正積極探索更為高效、安全的施工方案。例如，采用先進(jìn)的探測技術(shù)預(yù)先探明溶洞分布，結(jié)合智能化鉆進(jìn)控制系統(tǒng)，以減少或避免施工中的意外事故。

1.2.3 地下水為承壓水的地層中的鉆孔施工方法受限

在地下水為承壓水的地層中進(jìn)行鉆孔施工，更是對施工技術(shù)和設(shè)備提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的施工方法往往難以有效應(yīng)對承壓水帶來的涌水、流砂等問題，因此，研發(fā)新型止水材料和施工工藝，提高鉆孔施工的穩(wěn)定性和安全性，已成為行業(yè)發(fā)展的重點。

1.2.4 對于設(shè)備性能方面要求更高

對于孤石地層的處理以及設(shè)備的入巖能力、最大施工深度等方面，也亟須技術(shù)的革新與提升。通過引入高強(qiáng)度、高韌性的鉆頭材料，優(yōu)化鉆進(jìn)工藝參數(shù)，以及提升設(shè)備的整體性能，可以顯著增強(qiáng)設(shè)備在復(fù)雜地質(zhì)條件下的適應(yīng)性和施工效率。

1.3 樁基施工方案比選

根據(jù)目前行業(yè)的施工技術(shù)，項目部對旋挖鉆、沖擊鉆、全回轉(zhuǎn)三種工藝進(jìn)行了全方位的比較見表1。

通過比較，只有全回轉(zhuǎn)工藝能有效解決工程需要解決的問題。但對于入土深度大于80 m樁，全回轉(zhuǎn)由于扭矩有限，也很難完成成樁。為此，項目部探討利用內(nèi)外雙套管技術(shù)減小摩阻力來解決這一問題。

2 全回轉(zhuǎn)雙套管與旋挖組合成樁工藝原理

2.1 全套管護(hù)壁成孔

全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)可以驅(qū)動套管做360°回轉(zhuǎn)，是集全液壓動力和傳動、機(jī)電液聯(lián)合控制于一體的新型鉆機(jī)。壓入套管和鉆進(jìn)同時進(jìn)行，具有新型、高效、環(huán)保的特點。利用全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)，鋼套管與土層間的摩阻力大大減小，邊加轉(zhuǎn)邊壓入，同時利用沖抓斗、沖擊錘挖掘取土或旋挖取土，且成孔過程中始終保持套管底超出開挖面，套管既鉆進(jìn)壓入土層，同時又起到全程護(hù)壁的作用，有效阻隔了鉆孔過程中多層溶洞的影響，直至套管下到樁端持力層為止。挖掘完畢后，立即測量孔深確認(rèn)持力層，滿足要求后進(jìn)行清孔，安裝鋼筋籠，最后澆灌混凝土，成樁完成。

2.2 全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)與旋挖組合鉆進(jìn)

全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)屬于貝諾特工法鉆機(jī)的一種。貝諾特工法的實質(zhì)是沖抓斗跟套管鉆進(jìn)，采用沖抓斗取土對于超長樁成孔效率較低[2]。本工藝采用旋挖鉆機(jī)配合全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)取土成孔，充分發(fā)揮旋挖鉆機(jī)成孔速度快、地層適用性強(qiáng)的優(yōu)勢[3]。

由于全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)作業(yè)平臺較高，為解決旋挖鉆機(jī)和平臺工作面的高差問題，項目部采用搭建旋挖基座土體平臺，通過在旋挖與全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)之間焊接一塊高度為2 m的鋼板擋板來抵抗旋挖基座土體平臺的傾覆力，也可直接焊接一種新型的鋼結(jié)構(gòu)裝配式平臺，以供重復(fù)使用。相較于裝配式平臺，因本項目采用全回轉(zhuǎn)旋挖組合成樁施工的樁數(shù)僅7根，采用搭建基座土體平臺的方法更簡單易行且節(jié)省成本[4]。

2.3 內(nèi)外雙套管，減小摩阻力

項目最深樁的入土深度超過100 m，考慮到全回轉(zhuǎn)的扭矩極限，為了實現(xiàn)樁身全長護(hù)壁，保證成孔過程中避免溶洞地層的不良影響，研究采用內(nèi)長外短兩層鋼套管。首先，使用1.5 m夾具下沉50 mm厚外套管至溶洞頂標(biāo)高處旋挖取土，然后更換1.2 m夾具吊放30 mm厚內(nèi)套管至外套管底部，再邊用旋挖取土邊下沉內(nèi)套管，直至下沉至設(shè)計樁底標(biāo)高，為防止內(nèi)外套管間因沒有土體環(huán)壓導(dǎo)致內(nèi)套管傾斜，成孔后在內(nèi)外套管間采用中粗砂回填。由此，溶洞頂標(biāo)高以上部分不受土體摩阻力影響，減輕了全回轉(zhuǎn)內(nèi)套管扭轉(zhuǎn)下沉?xí)r的摩阻力。內(nèi)套管永久保留，與混凝土樁身融為一體，加強(qiáng)了樁身對超大溶洞內(nèi)部流塑土體的抗傾覆作用[5]。由于內(nèi)外套管間減小了土體摩阻力，解決了全回轉(zhuǎn)對于入土深度大于80 m超深樁扭矩不夠的問題。

3 施工工藝流程

超大溶洞區(qū)域全回轉(zhuǎn)雙套管與旋挖組合成樁施工工序流程，如圖1所示。

在超大溶洞區(qū)域的樁基施工中，采用全回轉(zhuǎn)雙套管與旋挖組合成樁技術(shù)，能夠有效應(yīng)對復(fù)雜地質(zhì)條件，確保施工質(zhì)量與安全。該技術(shù)的施工工序流程包括：首先進(jìn)行施工準(zhǔn)備，確保施工方案、設(shè)備和現(xiàn)場布置就緒；隨后進(jìn)行測量放線，精確確定樁基位置；旋挖鉆機(jī)和全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)就位，調(diào)整至穩(wěn)定且垂直度符合要求；旋挖取土為套管壓入創(chuàng)造條件；壓入1.5 m和1.02 m長的鋼套管，并進(jìn)行垂直度和孔深檢測；吊放鋼筋籠并進(jìn)行孔口焊接固定；下放導(dǎo)管灌注混凝土，確?；炷临|(zhì)量；樁頂檢測和驗收確認(rèn)樁基質(zhì)量；拔出導(dǎo)管和護(hù)筒，回填上部50 m；最后移機(jī)至下一樁位，重復(fù)流程[6]。

4 操作要點

4.1 全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)就位

在進(jìn)行施工場地的準(zhǔn)備工作時，首先需要對場地進(jìn)行精確的平整處理，平整工作需確保地面堅實、均勻，以滿足這些設(shè)備對承壓及行走的高要求，從而保障施工的安全與效率。其次，將進(jìn)入樁位放樣階段，在此過程中，需對樁位進(jìn)行精準(zhǔn)定位，并設(shè)立十字導(dǎo)向控制線，以確保后續(xù)施工的精確性。再次，將吊放全回轉(zhuǎn)基座，使其中心點與樁位完美重合，這一步驟完成后，將進(jìn)行旋挖作業(yè)平臺的鋼制擋土鋼板的焊接制作，以提供穩(wěn)固的支撐和防護(hù)。最后，將吊放全回轉(zhuǎn)主機(jī)。主機(jī)就位后，將進(jìn)行細(xì)致的調(diào)平工作，確保主機(jī)處于絕對水平狀態(tài)[7]。

4.2 外套管鉆進(jìn)至溶洞頂標(biāo)高

在進(jìn)行深基礎(chǔ)施工的過程中，首先需要將首節(jié)50 mm厚、直徑1.5 m的外套管精準(zhǔn)地置入全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)內(nèi)，通過仔細(xì)調(diào)整，確保套管中心與樁中心完美對齊。其次，利用定位油缸對外套管進(jìn)行夾緊固定，并通過旋轉(zhuǎn)下沉的方式，使其逐漸深入地下。再次，采用旋挖鉆機(jī)配合作業(yè)，從外套管內(nèi)進(jìn)行取土，要堅持邊取土邊旋轉(zhuǎn)下沉外套管的原則，以確保施工的連續(xù)性和效率，隨著外套管的不斷下沉，當(dāng)其頂部接近鉆機(jī)夾具以上約50 cm時，適時停止下沉。然后，進(jìn)行下一節(jié)外套管的吊裝工作，新吊裝的外套管將與上一節(jié)外套管通過螺栓進(jìn)行緊密對接，確保接縫的牢固性和密封性。對接完成后，繼續(xù)按照既定方案，通過旋轉(zhuǎn)下沉的方式，將外套管延伸至溶洞頂標(biāo)高。同時，還要根據(jù)實際地質(zhì)情況，靈活調(diào)整施工方案，以應(yīng)對可能出現(xiàn)的各種復(fù)雜情況，確保工程的順利進(jìn)行[8]。

4.3 內(nèi)套管穿過溶洞至設(shè)計樁底標(biāo)高

在進(jìn)行地質(zhì)復(fù)雜區(qū)域的樁基施工時，首先外套管鉆進(jìn)至溶洞頂標(biāo)高后，全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)需更換為1.2 m夾具，以適應(yīng)后續(xù)作業(yè)的需求。然后，焊接內(nèi)套管管靴成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。焊接過程中需嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，確保管靴的牢固性和密封性。其次，利用履帶吊進(jìn)行吊裝作業(yè)，將第一節(jié)帶有管靴的30 mm厚、直徑1.2 m的內(nèi)套管精準(zhǔn)下放至外套管內(nèi)。在下放過程中，每下放一節(jié)內(nèi)套管，都必須進(jìn)行垂直度監(jiān)測，以確保套管中心與樁中心的高度重合，從而保證樁基的垂直度和整體穩(wěn)定性。當(dāng)內(nèi)套管下放至已成孔的孔深度后，全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)開始旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，繼續(xù)下沉內(nèi)套管。最后，旋挖鉆機(jī)從套管內(nèi)取土，以維持孔內(nèi)的土體平衡。這一過程需反復(fù)進(jìn)行，直至內(nèi)套管成功穿過溶洞，下沉至設(shè)計樁底標(biāo)高。

4.4 起拔外套管

在成樁作業(yè)完成后，全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)需進(jìn)行一系列精細(xì)的操作以確保樁體的穩(wěn)固與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)。首先，鉆機(jī)將1.2 m夾具更換為1.5 m夾具，這一步驟旨在提升起拔外套管的效率與穩(wěn)定性。通過增大夾具尺寸，能夠更好地適應(yīng)外套管的直徑，從而在起拔過程中減少摩擦阻力，確保操作的順暢進(jìn)行。其次，對內(nèi)套管孔口進(jìn)行密閉覆蓋處理，這一措施主要是為防止孔口在后續(xù)作業(yè)中受到污染或異物侵入，同時也能有效避免孔口周邊土體的松動或塌陷。通過密閉覆蓋，為后續(xù)的起拔外套管及回填作業(yè)創(chuàng)造了清潔、安全的作業(yè)環(huán)境，在起拔外套管的過程中，采取邊起拔邊回填中粗砂的策略。一方面，通過及時回填中粗砂，能夠迅速填充樁成型后外壁與土體之間的間隙，從而增強(qiáng)樁體的側(cè)向支撐力，提升其整體穩(wěn)定性；另一方面，回填作業(yè)還能有效控制土體的回彈量，減少因起拔外套管而引起的周邊土體變形，確保施工區(qū)域的地層穩(wěn)定。

4.5 最終成孔

在完成起拔外套管并回填中粗砂的工序后，首先需將全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)進(jìn)行吊裝，并精準(zhǔn)移至下一個預(yù)定的樁位。在全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)順利移開之后，旋挖鉆機(jī)將就位。然后，將采用專業(yè)的清底鉆頭進(jìn)行清底作業(yè)，以確保成孔的質(zhì)量和精度。這一環(huán)節(jié)對于去除孔底可能存在的松散土層、碎石等雜質(zhì)至關(guān)重要，能夠有效提升樁基的承載力和穩(wěn)定性。當(dāng)孔深達(dá)到設(shè)計標(biāo)高時，將對孔位、孔深、孔徑、孔底沉渣以及垂直度等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格自檢。在確保各項指標(biāo)均符合設(shè)計要求和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)后，通知勘察、設(shè)計、監(jiān)理、甲方等各參建單位共同參與驗收工作。

4.6 二次清孔

在進(jìn)行鋼筋籠和導(dǎo)管的安裝后，為了確保樁基施工的質(zhì)量，必須實施嚴(yán)格的二次清孔程序。在清孔方式的選擇上，采用效果顯著的氣舉反循環(huán)二次清孔技術(shù)。該技術(shù)利用空壓機(jī)141SCY-15B產(chǎn)生的高壓氣流，通過反循環(huán)的方式，將孔內(nèi)的泥漿和沉渣有效排出。這種清孔方式不僅效率高，而且能深入孔底，徹底清除難以觸及的沉渣，確?？變?nèi)清潔。在清孔過程中，需要向鋼套管內(nèi)持續(xù)注入清水，以逐步置換出原有的泥漿。這一置換過程將持續(xù)進(jìn)行，直到樁內(nèi)的泥漿全部被清水所替代，確?？變?nèi)無泥漿殘留。最后，為了實時監(jiān)控清孔的效果，在清孔過程中每隔一段時間收集水樣進(jìn)行檢測。通過分析水樣的清潔度，可以準(zhǔn)確判斷清孔是否達(dá)到干凈的標(biāo)準(zhǔn)，從而及時調(diào)整清孔策略，確保施工質(zhì)量。

4.7 灌注樁身混凝土

對于超深樁的施工，最后一步灌注混凝土的工序是整個過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在此階段，與商品混凝土攪拌站的緊密對接顯得尤為重要。需要提前規(guī)劃，確保供料時間的精準(zhǔn)安排，合理調(diào)配罐車數(shù)量，并對現(xiàn)場行走道路進(jìn)行周密布置，以保障灌注工作的順利進(jìn)行。在灌注過程中，必須嚴(yán)格遵守混凝土連續(xù)灌注的原則，確保相鄰兩車之間的間隔時間不超過30 min，以避免因時間間隔過長而導(dǎo)致的混凝土初凝現(xiàn)象，從而影響樁體的整體質(zhì)量和承載力。每車混凝土灌注完成后，應(yīng)及時采用測繩對混凝土面標(biāo)高進(jìn)行測量，并計算出充盈系數(shù)。通過充盈系數(shù)的分析，可以有效地判定是否存在異常情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常，要立即按照規(guī)范要求拔除導(dǎo)管，并將導(dǎo)管埋深嚴(yán)格控制在15～20 m的合理范圍內(nèi)，以確保樁體的穩(wěn)固性和安全性。灌注工序完成后，還需在兩個小時以內(nèi)繼續(xù)使用測繩對混凝土面進(jìn)行測量，密切觀察混凝土面標(biāo)高的下降情況。如若發(fā)現(xiàn)異常，必須迅速查找原因，并采取相應(yīng)的補救措施，以防止對樁體質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，確保整個工程的安全與穩(wěn)定。

5 結(jié)語

文中通過對超大溶洞區(qū)域全回轉(zhuǎn)雙套管與旋挖組合成樁技術(shù)的研究與應(yīng)用，解決了超大溶洞地區(qū)超深樁的施工難題。采用本工藝技術(shù)，垂直度高、無塌孔、入巖效率高、可穿過孤石與舊基礎(chǔ)等、充盈系數(shù)小、操作安全可靠、環(huán)保效果好，施工質(zhì)量遠(yuǎn)高于其他方法且工期短，工程造價也低于其他方法。為在巖溶強(qiáng)發(fā)育地區(qū)超深樁基施工找到了一種更為有效的施工方法。該工藝能較好地解決在巖溶地區(qū)泥漿護(hù)壁不適用、斜巖面的處理及垂直度難以控制、溶洞中的卡鉆掉鉆等事故頻發(fā)等問題，節(jié)省了項目成本，達(dá)到了施工效率高、綜合成本低、現(xiàn)場管理簡便的效果，提供了一種創(chuàng)新的施工工藝。

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