雙層套管式全回轉(zhuǎn)工藝在超長(zhǎng)鉆孔灌注樁中的應(yīng)用

吳蘭旗 農(nóng)其

摘要：結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，詳細(xì)闡述雙套管全回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝技術(shù)在有深厚回填土、多層溶洞發(fā)育的喀斯特地貌地質(zhì)條件下的超深、大直徑嵌巖樁施工中的運(yùn)用。該技術(shù)攻克了單層全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工工藝無(wú)法克服的單套管側(cè)面受超大填土壓力及超大摩擦阻力，，造成鉆進(jìn)效率低、難以穿越硬質(zhì)巖層和難以拔出套管的難題，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。成果可供相關(guān)工程參考。

關(guān)鍵詞：雙層套管;全回轉(zhuǎn)鉆機(jī);超深樁;復(fù)雜地貌;施工技術(shù)

中圖分類號(hào)：TU757? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

全回轉(zhuǎn)全套管鉆機(jī)是一種可以驅(qū)動(dòng)套管做360度°回轉(zhuǎn)的全套管施工設(shè)備，套管壓入和挖掘同時(shí)進(jìn)行，具有新型、高效、環(huán)保的鉆進(jìn)技術(shù)[1]，近年來(lái)在城市地鐵、深基坑圍護(hù)咬合樁、廢樁（地下障礙）的清理、機(jī)場(chǎng)、高鐵、道橋、城建樁施工、水庫(kù)水壩加固等項(xiàng)目中得到廣泛的應(yīng)用。[2]

全回轉(zhuǎn)全套管的應(yīng)用需根據(jù)地質(zhì)條件進(jìn)行選擇，基于在實(shí)際工程施工中因施工深度加大、套管自重增加、套管外壁巖土摩擦阻力增大，造成鉆進(jìn)效率低下、鉆深受限及澆灌后無(wú)法提拔套管等問(wèn)題，急需更大型全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)或改善施工工藝，然而國(guó)內(nèi)目前存在大型全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)數(shù)量較少，資源調(diào)用困難，調(diào)配成本高，套管制作要求硬度、厚度要求加大等問(wèn)題。積極探索如何提高全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)在復(fù)雜地層對(duì)超長(zhǎng)超深施工時(shí)的施工效率和成樁質(zhì)量，充分發(fā)揮其新型、高效、環(huán)保的鉆進(jìn)特點(diǎn)，對(duì)于擴(kuò)大全回轉(zhuǎn)的應(yīng)用范圍，為復(fù)雜地層超深樁的施工技術(shù)選型提供新的選擇，使鉆孔灌注樁在深厚回填土、多層溶洞發(fā)育的喀斯特地貌地質(zhì)中煥發(fā)出更強(qiáng)大的市場(chǎng)生命力具有重要意義。

2 工程概況

2.1 項(xiàng)目概況

某工程位于貴陽(yáng)龍洞堡國(guó)際機(jī)場(chǎng)，項(xiàng)目于2018年9月正式開工建設(shè)。項(xiàng)目分為地上四層、地下一層，建筑高度37.08 米，建筑面積16.7 萬(wàn)平方米m2。樓內(nèi)新設(shè)普通值機(jī)柜66個(gè)、自動(dòng)值機(jī)柜24個(gè)，新設(shè)國(guó)內(nèi)出港安檢通道30條，總商業(yè)面積為1.4 m2萬(wàn)平方米，原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)采用深度80 m以內(nèi)，樁徑2.22.6m～2.22.6 m內(nèi)的旋挖灌注樁。

2.2 水文地質(zhì)條件

現(xiàn)場(chǎng)鉆探揭露顯示從上到下主要為三層，分別為第四系全新統(tǒng)填土層（Q4ml）、第四系全新統(tǒng)洞穴層、三疊系下統(tǒng)大冶組（T1d）。

①填土層素填土，主要由紅黏土、碎石塊組成，少量建筑砼塊，鉆探揭露厚度為2～64.2 m，平均厚度27.65 m，到目前為止一直在回填，為新近回填土，自然拋填，未進(jìn)行夯實(shí)。

②洞穴層溶洞，主要由紅黏土、溶蝕碎屑、碎石組成，黏性土呈軟塑至可塑狀態(tài)，個(gè)別孔洞為空洞，鉆探揭露溶洞高度為0.6～7.7 m，平均高度為2.4 m。

③三疊系下統(tǒng)大冶組（T1d），強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r分布地段零星，鉆探揭露厚度為1.0～3.1 m，平均厚度為4.63 m，局部夾白云質(zhì)灰?guī)r，中厚層狀構(gòu)造，膠結(jié)程度一般，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。中等風(fēng)化灰?guī)r局部夾礫屑灰?guī)r及白云巖，中厚層狀構(gòu)造，膠結(jié)程度較好，節(jié)理裂隙發(fā)育較少，質(zhì)硬，巖芯完整，呈長(zhǎng)柱狀，巖體完整性指數(shù)為0.35～0.5，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

2.3 設(shè)計(jì)情況

本工程地基持力層為中風(fēng)化灰?guī)r，地基承載力特征值fa=3 500 kPa。樁極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值q=500 kPa，，樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值q=15 000 kPa，，f=26 000 kPa。樁為嵌巖樁，，樁基礎(chǔ)應(yīng)穿透下伏基巖中的溶洞、裂隙，要求樁端全截面嵌入完整巖層內(nèi)且放置在穩(wěn)定的持力層上，持力層厚度應(yīng)滿足3倍樁徑且不小5 m，無(wú)軟弱夾層、斷裂帶、洞隙分布。

采用水下混凝土施工方法澆灌，樁身混凝土應(yīng)滿足《建筑樁基技術(shù)規(guī)程范》（JGJ 94-2008）表3.5.2中的要求。項(xiàng)目采用全套管管內(nèi)取土成孔工藝時(shí)，混凝土均應(yīng)為自密實(shí)混凝土，混凝土必須具備良好的和易性;膠凝材料用量不應(yīng)少于360 kg/m3。含砂率宜為40%～50%，宜選中粗砂。粗骨料粒徑應(yīng)小于40 mm，不得大于鋼筋間最小盡凈距的1/3。

孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度，灌注混凝土之前，孔底500 mm以內(nèi)的泥漿相對(duì)密度應(yīng)小于1.25，含砂率不得大于8%，黏度不得大于28 s。

3 雙層套管式施工工藝原理

貴州省貴陽(yáng)龍洞堡國(guó)際機(jī)場(chǎng)某工程樁基礎(chǔ)項(xiàng)目在使用單層全套管全回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工時(shí)遇到因樁深加大，管壁受摩擦阻力增大，造成鉆進(jìn)效率低下，澆灌拔套管時(shí)因內(nèi)外壁同時(shí)受摩擦阻力而很難拔管，造成樁身混凝土離析的問(wèn)題，為此項(xiàng)目在施工過(guò)程中研發(fā)了雙層套管式全回轉(zhuǎn)超長(zhǎng)樁的施工技術(shù)，并利用該項(xiàng)目的樁基進(jìn)行施工任務(wù)。

其工作原理為利用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)先將外套管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)鉆進(jìn)，使用旋挖鉆機(jī)在外套管內(nèi)取巖土，外套管鉆進(jìn)深度根據(jù)外套管自重、管壁受摩擦阻力和全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)功率大小而定;其受力達(dá)到全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的最大負(fù)荷時(shí)可停止外套管鉆進(jìn)，該項(xiàng)目外套管外徑為2.6 m，鉆進(jìn)深度在為50～70 m不等;然后全回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)利用外套管形成的內(nèi)腔將內(nèi)套管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)鉆進(jìn)并用旋挖鉆機(jī)取巖土，內(nèi)套管外徑一般小于外套管內(nèi)壁徑，該項(xiàng)目的內(nèi)套管徑為2.2 m，，通過(guò)內(nèi)套管可直接鉆進(jìn)至樁基設(shè)計(jì)深度要求。

該工藝主要是利用了將長(zhǎng)段工作對(duì)象進(jìn)行分段受力的方式，使全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)在適用的額定功率工況下進(jìn)行負(fù)荷運(yùn)用，使每個(gè)單段施工都能充分運(yùn)用其設(shè)備達(dá)到鉆進(jìn)效果，最后對(duì)單段效果進(jìn)行合并，得到整體效果的原理。充分利用使鉆機(jī)有限的扭矩、拉拔力集中作用于上段或下段套管，達(dá)到全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)可施工深度成倍增加的目的。（如圖1、圖2所示。）

4 施工控制要點(diǎn)

雙套管施工工藝流程主要為：鉆機(jī)就位→外套管鉆進(jìn)→內(nèi)套管鉆進(jìn)→安置鋼筋籠→安置灌注導(dǎo)管、料斗、料斗塞→澆灌內(nèi)套管砼→提拔內(nèi)套管→澆灌外套管砼→提拔外套管→移走鉆機(jī)、成品保護(hù)（如圖3所示）。

4.1 鉆機(jī)就位

在每個(gè)樁位定出十字控制樁后，鋪設(shè)20 mm厚的鋼墊板，避免施工過(guò)程中設(shè)備出現(xiàn)不均勻沉降，用吊車將全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置吊到樁點(diǎn)位置定位好，并對(duì)全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)進(jìn)行安裝調(diào)試待用，對(duì)樁位進(jìn)行復(fù)核，確保鉆機(jī)中心點(diǎn)誤差在10 mm內(nèi);土石方修整旋挖鉆機(jī)工作平臺(tái)或制作專用的鋼工作平臺(tái)，平臺(tái)要結(jié)合旋挖與全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)高差修整，高度一般為1～1.5 m，要夯實(shí)平整以確保旋挖鉆機(jī)施工過(guò)程中的安全、平穩(wěn)。

4.2 外套管鉆進(jìn)

鉆進(jìn)作業(yè)前，對(duì)鉆機(jī)中心采用定位器對(duì)準(zhǔn)樁位，外套管中心定位誤差不大于50 mm。在施工過(guò)程中，每節(jié)外套管的安裝時(shí)都要進(jìn)行垂直度測(cè)量，并通過(guò)鉆機(jī)本身的三向垂直控制系統(tǒng)反復(fù)檢查鉆進(jìn)的垂直度，確保外套管垂直度≤不大于1%樁長(zhǎng);在外套管鉆進(jìn)的同時(shí)用旋挖鉆機(jī)鉆取套管內(nèi)部的巖土以達(dá)到成孔的目的，套管底端工作面與旋挖鉆頭工作面相差要控制在2 m以內(nèi)，以保證套管鉆進(jìn)和鉆取巖土的工作效率。外套管準(zhǔn)備鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)外套管端底標(biāo)高時(shí)，要提前選擇合適長(zhǎng)度最后一節(jié)外套管配節(jié)（一般有2 m、3 m、4 m不同規(guī)格）進(jìn)行連接以保證外套管在停止鉆進(jìn)時(shí)在鉆機(jī)夾緊裝置的最低作業(yè)位置，如未到達(dá)最低位置，原則可選擇適當(dāng)再鉆進(jìn)一定深度來(lái)使其頂端定位。

4.3 內(nèi)套管鉆進(jìn)

將外套管底部用旋挖鉆機(jī)清理平，確保外套管自身穩(wěn)定且內(nèi)部巖土面平整。將外套管夾具松開，調(diào)整全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)行程并更換上內(nèi)套管驅(qū)動(dòng)夾具，利用吊車和內(nèi)驅(qū)動(dòng)夾具的反復(fù)配合工作逐節(jié)將內(nèi)套管下放到外套管底部工作面，通過(guò)全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)垂直控制系統(tǒng)反復(fù)檢查內(nèi)套管垂直度≤不大于1%樁長(zhǎng)并邊回轉(zhuǎn)邊緩慢壓入巖土，待內(nèi)套管底端完全嵌入巖土后方可正常鉆進(jìn)，直至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高，完成成孔施工。成孔后，按樁基成孔質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表1）進(jìn)行驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后方能進(jìn)入下道工序。

4.4 混凝土灌注

本項(xiàng)目采用超緩凝自密實(shí)水下不擴(kuò)散混凝土，要求混凝土初凝時(shí)間大于等于整樁灌注所需時(shí)間，以保證在混凝土灌注期間混凝土處于初凝前狀態(tài)?；炷猎O(shè)計(jì)坍落度宜為140～180 mm，混凝土應(yīng)具有良好的和易性、流動(dòng)性。灌注過(guò)程嚴(yán)格按照水下樁基混凝土澆灌規(guī)范要求進(jìn)行導(dǎo)管泌水性試驗(yàn)和提升速度，混凝土導(dǎo)管底口距離孔底0.3～0.5 m，并位于內(nèi)套管中央。項(xiàng)目選用5 m3料斗并利用兩臺(tái)泵車同時(shí)補(bǔ)料以保證初斗料能間斷澆灌直至導(dǎo)管底部埋入混凝土面以下1 m以上。

4.5 提拔內(nèi)外套管

套管提拔要根據(jù)超前鉆報(bào)告資料確定最底層溶洞所處深度，當(dāng)灌注混凝土面達(dá)到該深度時(shí)，可開始緩慢拔取內(nèi)套管，并實(shí)時(shí)測(cè)量混凝土液面，先不提升導(dǎo)管以保證導(dǎo)管底部在溶洞底部2 m以下，當(dāng)混凝土面穩(wěn)定上升時(shí)再緩慢提升導(dǎo)管且保證導(dǎo)管底部在混凝土面下3～6 m內(nèi)，防止溶洞突然排水沖擊混凝土造成混凝土離析或斷樁。當(dāng)混凝土面到達(dá)外套管面時(shí)，可將內(nèi)套管全部拔出，更換夾具開始邊灌注混凝土邊拔出外套管，在整個(gè)灌注過(guò)程中要上下200～300 mm小幅抽插灌注導(dǎo)管防止導(dǎo)管堵塞管以保證施工連續(xù)性，從而保證施工質(zhì)量。[3]

5 質(zhì)量控制

外內(nèi)套管鉆進(jìn)時(shí)要時(shí)刻檢測(cè)套管的垂直度，特別是巖溶區(qū)域富含斜巖、半邊巖、孤石等地層，容易出現(xiàn)套管偏移，若出現(xiàn)垂直度不符合要求，需分析原因，考慮是否回填，同時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，進(jìn)行二次鉆進(jìn)。

結(jié)合實(shí)際鉆進(jìn)的地質(zhì)情況和全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的負(fù)荷情況及時(shí)調(diào)整外內(nèi)套管的鉆進(jìn)深度，當(dāng)發(fā)現(xiàn)外套管在終鉆時(shí)負(fù)荷過(guò)小或未到終鉆時(shí)負(fù)荷過(guò)大無(wú)法鉆進(jìn)時(shí)，要及時(shí)匯報(bào)組織分析，及時(shí)調(diào)整外內(nèi)套管的施工深度參數(shù)，必要時(shí)申請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)變更，以保證正常鉆進(jìn)或拔出套管，確保樁身質(zhì)量。

選擇合理混凝土添加劑配比，結(jié)合“澆灌-拔套管-提導(dǎo)管-再澆灌”的施工順序特點(diǎn)，需要混凝土在灌注過(guò)程中保持混凝土足夠的流動(dòng)性，且具有較好的不擴(kuò)散和自密實(shí)性[4]。項(xiàng)目充分利用考慮其超長(zhǎng)初凝時(shí)間和超深水下環(huán)境等條件，要同商砼廠家進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)配，選擇最優(yōu)的超緩凝自密實(shí)水下不擴(kuò)散混凝土的配比和供料方案，保證澆灌過(guò)程的連續(xù)性和澆灌質(zhì)量。

拔套管過(guò)程中要注意洞溶的分析情況，當(dāng)出現(xiàn)混凝土面下降嚴(yán)重時(shí)要停止拔套管要，分析下降原因及采取措施，避免因混凝土流失造成的斷樁。[5]

6 結(jié)語(yǔ)

該工藝已成功運(yùn)用于貴陽(yáng)龍洞堡國(guó)際機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建工程T3航站樓項(xiàng)目工程樁項(xiàng)目，通過(guò)雙層套管式全回轉(zhuǎn)施工工藝的運(yùn)用，該項(xiàng)目樁基質(zhì)量檢測(cè)承載力符合設(shè)計(jì)要求，合格率達(dá)100%，利用分段式的合理受力驅(qū)動(dòng)模式，充分挖掘全回轉(zhuǎn)的現(xiàn)有鉆進(jìn)優(yōu)勢(shì)，從而大幅提高施工效率，保證了項(xiàng)目的質(zhì)量和工期，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，值得推廣。

（責(zé)任編輯：武多多）

參考文獻(xiàn)：

[1]吳吉，何洪普，趙德軍，趙貽強(qiáng)，樊文波等.全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)與旋挖鉆機(jī)在超厚回填復(fù)雜地層的聯(lián)合應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2020（01）：16-18.

[2]于芳，黃新.全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)在巖溶地區(qū)大直徑超長(zhǎng)樁施工中的應(yīng)用[J].建筑施工，2018（10）：1688-1690.

[3]周學(xué)民，王興康，趙建立.復(fù)雜地質(zhì)及周邊環(huán)境超長(zhǎng)全回轉(zhuǎn)全套管灌注樁施工技術(shù)[J].施工技術(shù)，2017（08）：28-31.

[4]唐兵.TDR全回轉(zhuǎn)工藝在成都地鐵施工中的應(yīng)用[J].工程建設(shè)，2017（07）：55-57.

[5]建筑樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范：JGJ 94-—2008[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.