橋梁樁基強(qiáng)巖溶發(fā)育全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工方法

黃建喜，鐘林東

(1.廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001；2.南寧市筑路技術(shù)與筑路材料工程技術(shù)研究中心，廣西 南寧 530001)

0 引言

全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)是一種可以驅(qū)動(dòng)套管做360°回轉(zhuǎn)的全套管施工設(shè)備，是日本在20世紀(jì)80年代中期在搖動(dòng)式搓管機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)的新型施工設(shè)備[1]。全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)作業(yè)時(shí)，通過(guò)回轉(zhuǎn)裝置給鋼套管施加扭矩，從而帶動(dòng)鋼套管邊回轉(zhuǎn)邊壓入地下，同時(shí)利用沖抓斗、沖擊錘挖掘取土或旋挖鉆取土，直至套管下到樁端持力層為止[2]。在整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程中，鋼套管起到護(hù)壁作用，能有效避免施工過(guò)程中出現(xiàn)塌孔等安全隱患。

目前，全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)在橋梁鉆孔灌樁施工的應(yīng)用方面研究不多，特別是針對(duì)巖溶強(qiáng)發(fā)育地區(qū)大樁徑鉆孔灌樁的應(yīng)用研究成果極少。因此，以全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工工藝為核心，對(duì)巖溶地區(qū)大直徑鉆孔灌注樁施工工藝原理、施工方法進(jìn)行研究，能為后續(xù)同類型工程建設(shè)起到關(guān)鍵指導(dǎo)作用，具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

本文結(jié)合培森柳江特大橋象州岸P2主墩樁基施工，總結(jié)了巖溶強(qiáng)發(fā)育地區(qū)樁基礎(chǔ)全套管全回轉(zhuǎn)施工工藝技術(shù)，并在其主墩樁基的施工中取得了顯著效果。

1 工程概況

培森柳江特大橋，橋長(zhǎng)2 538.5 m，主橋橋型為(145+280+145) m預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋。培森柳江特大橋主墩樁位區(qū)覆蓋層總厚度為5～12 m，基巖巖溶高度發(fā)育，溶洞處在6～41 m不同深度位置，呈多層分布且大小不等，如下頁(yè)圖1所示。6～30 m淺層溶洞發(fā)育多為填充型溶洞，充填有黏土、松散狀礫砂、卵石、細(xì)砂和黏性土一種或幾種混合物，該部分溶洞具有埋深淺、裂隙發(fā)育、溶洞頂部巖層厚度小、分布層數(shù)多且大多相互連通的特點(diǎn)。30 m深度以下的深層溶洞發(fā)育多為體積較大的無(wú)填充空溶洞。根據(jù)逐樁地質(zhì)勘察柱狀圖統(tǒng)計(jì)，象州岸15#主墩24根樁基共遇到大小溶洞105個(gè)，平均每根樁遇到溶洞4.4個(gè)，多數(shù)樁基溶洞數(shù)量為5～7個(gè)，樁基施工難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。

圖1 工程地質(zhì)柱狀圖

2 工程難點(diǎn)及施工工藝比選

通過(guò)實(shí)地考察及對(duì)地勘資料的分析研究，對(duì)本項(xiàng)目的施工難點(diǎn)主要總結(jié)有以下三方面：

(1)項(xiàng)目地處巖溶強(qiáng)發(fā)育地區(qū)，地質(zhì)條件十分復(fù)雜，若樁基成孔設(shè)備及工藝選取不當(dāng)，則容易發(fā)生塌孔、卡錘、卡鉆、孔口地面塌陷及清孔不徹底等安全或質(zhì)量事故。

(2)淺層溶洞頂部巖層由于裂隙發(fā)育，在鉆進(jìn)施工時(shí)，受施工擾動(dòng)后溶洞頂部巖層崩塌，進(jìn)而引發(fā)地面塌陷，危及施工人員及設(shè)備的安全。

(3)培森柳江特大橋是全線關(guān)鍵控制工程，合同工期內(nèi)正常安排施工工期非常緊張。且主墩樁基進(jìn)度又是整座特大橋進(jìn)度控制的關(guān)鍵，時(shí)間緊、任務(wù)重。

結(jié)合上述問(wèn)題，為保證樁基施工的質(zhì)量與安全，項(xiàng)目技術(shù)人員對(duì)不同樁基成孔工藝進(jìn)行了對(duì)比分析(如表1所示)。通過(guò)工藝比選，確定使用全套管全回轉(zhuǎn)施工工藝。

表1 樁基成孔工藝比選分析表

3 全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工工藝

3.1 施工工藝流程(圖2)

圖2 施工工藝流程圖

3.2 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 基礎(chǔ)加固

由于全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)自重較大，因此在進(jìn)行套管下壓及拔除時(shí)對(duì)地基產(chǎn)生很大作用力，對(duì)樁位地基承載力要求高。為避免施工過(guò)程出現(xiàn)孔口下沉影響進(jìn)度，樁基施工前需按照全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)底座尺寸，將樁周20 m2范圍采用質(zhì)地堅(jiān)硬的石渣換填50 cm，整平后采用壓路機(jī)壓實(shí)，并鋪墊2 cm厚鋼板進(jìn)行。保證全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)在施工時(shí)施工場(chǎng)地不會(huì)產(chǎn)生塌陷，鉆機(jī)不會(huì)傾斜。

3.2.2 鉆機(jī)就位

樁中心放樣完畢后，采用振動(dòng)錘將直徑2.7 m、壁厚1.6 cm的外鋼護(hù)筒打入3～5 m深，防止在灌注完成后拔出底節(jié)套管時(shí)頂部的覆蓋層坍塌，侵入樁基混凝土，影響樁基質(zhì)量，損壞檢測(cè)管。在外護(hù)筒打入到指定深度后，采用120 t履帶吊配合鉆機(jī)就位，并在兩個(gè)方向設(shè)置吊錘時(shí)復(fù)核套管垂直度。

3.2.3 覆蓋層鉆進(jìn)施工

鉆機(jī)對(duì)中樁位，采用120 t履帶吊安放第一節(jié)帶刀頭的底節(jié)管。安放就緒后，驅(qū)動(dòng)全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)下壓套管，實(shí)現(xiàn)套管快速鉆入地層。第一節(jié)套管壓入土層后及時(shí)進(jìn)行套管接長(zhǎng)，套管采用螺栓連接，接長(zhǎng)作業(yè)在全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)平臺(tái)進(jìn)行。

第一節(jié)套管鉆入地層后，利用吊機(jī)沿套管內(nèi)壁釋放沖抓斗至孔底實(shí)現(xiàn)沖抓取土。根據(jù)地勘報(bào)告，覆蓋層主要為卵漂石層，此部分地層施工時(shí)套管需超前鉆進(jìn)，沖抓斗跟進(jìn)取土，遇到孤石或薄巖層抓斗無(wú)法取土?xí)r，則采用十字沖錘擊碎再用抓斗取渣。

3.2.4 巖溶發(fā)育地層鉆進(jìn)

當(dāng)鉆進(jìn)至巖溶發(fā)育地層時(shí)，需認(rèn)真核對(duì)地勘資料，溶洞頂巖層厚度較小或裂隙較發(fā)育時(shí)，可直接采用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)套管的同時(shí)下壓套管，利用底節(jié)套管刀具切削巖層實(shí)現(xiàn)套管跟進(jìn)；也可采用十字沖錘擊穿溶洞頂部破碎巖層，沖抓斗取渣，再啟動(dòng)全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)下壓套管的方法跟進(jìn)。當(dāng)溶洞與溶洞間巖層較完整或厚度較大，十字沖錘配合沖抓斗無(wú)法施工，全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)直接驅(qū)動(dòng)下壓套管切削巖層效率較低時(shí)可改用旋挖鉆機(jī)直接鉆進(jìn)取芯，超前進(jìn)尺，當(dāng)超前進(jìn)尺長(zhǎng)度達(dá)到2～3 m后，再開動(dòng)全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)進(jìn)行壓套管跟進(jìn)，如此循序漸進(jìn)將套管跟進(jìn)至完整基巖。當(dāng)遇到體積較大的空溶洞時(shí)，為了保證樁基混凝土的灌注質(zhì)量，需先灌注水下低標(biāo)號(hào)混凝土并對(duì)空溶洞進(jìn)行充填，待回填混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%后再繼續(xù)鉆進(jìn)，保證成孔質(zhì)量。

3.2.5 完整基巖地層鉆進(jìn)

當(dāng)套管跟進(jìn)穿過(guò)最底層溶洞進(jìn)入完整基巖后，套管可不用繼續(xù)跟進(jìn)至設(shè)計(jì)孔底。此時(shí)可將全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)調(diào)開，改用旋挖鉆機(jī)直接鉆進(jìn)取芯至設(shè)計(jì)孔底。

3.2.6 清孔

全回轉(zhuǎn)工藝所使用鋼套管嵌入完整基巖面至少1 m，樁孔與樁周完全隔離，孔內(nèi)只有旋挖鉆切削巖體的石塊及石屑。粒徑較大的石塊采用旋挖鉆的平底掏渣斗進(jìn)行清理，細(xì)小的石屑與孔內(nèi)水混在一起變成漿液，平底掏渣斗無(wú)法清理則采用氣舉反循環(huán)抽漿法將漿液輸送至泥漿凈化裝置進(jìn)行清孔。

4 巖溶處理措施

根據(jù)設(shè)計(jì)地質(zhì)勘察報(bào)告，象州岸主墩樁基位屬于巖溶高度發(fā)育地段，在樁基施工過(guò)程中勢(shì)必會(huì)遇到溶洞。在鉆進(jìn)施工過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)施工管理人員需詳細(xì)記錄溶洞的頂?shù)讟?biāo)高，根據(jù)漏漿情況判斷空溶洞大小，并比對(duì)設(shè)計(jì)地勘資料，每根樁都建立獨(dú)立完整準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，為溶洞處置及混凝土灌注提供數(shù)據(jù)，并制定相應(yīng)措施。采用全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工的樁基大部分溶洞為填充型溶洞，只有個(gè)別樁基分布有空溶洞，而空溶洞的處置直接影響樁基混凝土的灌注質(zhì)量。項(xiàng)目對(duì)于上述存在空溶洞的樁基制定以下有針對(duì)性的處置措施：

(1)對(duì)于高度<8 m的空溶洞采用回填片石及黏土的方式進(jìn)行填充加固。

(2)對(duì)于高度<8 m的含填充物溶洞采用注入水泥漿的方式進(jìn)行加固。

(3)對(duì)于高度>8 m的空溶洞，為保證樁基混凝土灌注質(zhì)量，需提前對(duì)空溶洞進(jìn)行無(wú)擴(kuò)散水下混凝土灌注填充，這是最直接有效的方法。當(dāng)鉆進(jìn)至空溶洞底部之后，將套管拔起至空溶洞頂部以上至少3 m(如鉆機(jī)頂部套管外露過(guò)長(zhǎng)影響混凝土灌注需先拆掉一節(jié)套管)，形成一定的混凝土柱壓力，讓空溶洞得到充分的填充。回填混凝土采用低標(biāo)號(hào)泵送混凝土，灌注工藝與樁基水下混凝土相同。每次溶洞回填混凝土灌注，試驗(yàn)室均要取樣做試件，現(xiàn)場(chǎng)要根據(jù)試件強(qiáng)度確定再次鉆進(jìn)時(shí)間，避免出現(xiàn)回填混凝土強(qiáng)度不足鉆進(jìn)破壞的情況，影響回填效果。

(4)對(duì)于高度>8 m的含填充物溶洞，在進(jìn)行混凝土灌注前還可采用在空溶洞對(duì)應(yīng)位置處的鋼筋籠外套鋼護(hù)筒阻斷孔內(nèi)與溶洞的連通。采用此鋼護(hù)筒的原因是為防止混凝土外溢造成斷樁，并防止拔除套管時(shí)溶洞內(nèi)的填充物進(jìn)入樁基影響樁基質(zhì)量及碰撞聲測(cè)管導(dǎo)致其變形。根據(jù)實(shí)際鉆進(jìn)施工中記錄的空溶洞的標(biāo)高和深度在鋼筋籠的對(duì)應(yīng)位置外包鋼護(hù)筒。首先在鋼筋籠的螺旋筋上設(shè)置圓形墊塊，每道螺旋筋均勻設(shè)置16個(gè)圓形墊塊，每道間距為4 m。圓形墊塊的半徑為5 cm，保證外包鋼護(hù)筒后樁基的保護(hù)層厚度滿足設(shè)計(jì)要求。外鋼護(hù)筒壁厚為2 mm，可在鋼筋加工場(chǎng)提前卷制并安裝在鋼筋籠上。鋼護(hù)筒豎向包裹長(zhǎng)度需超過(guò)溶洞頂部及底部至少2 m，鋼護(hù)筒豎向搭接長(zhǎng)度≥0.3 m，在搭接位置處單獨(dú)設(shè)置圓形高強(qiáng)混凝土墊塊防止鋼護(hù)筒變形侵入樁孔。鋼護(hù)筒安裝完畢后在外側(cè)纏繞螺旋筋以固定鋼護(hù)筒，螺旋筋間距為0.2 m一道，鋼護(hù)筒接頭處加密為0.1 m一道，保證其在灌注時(shí)不會(huì)發(fā)生位移。具體布置如圖3、圖4所示。

圖3 鋼護(hù)筒平面圖

圖4 鋼護(hù)筒側(cè)面圖

5 施工效果評(píng)價(jià)

5.1 質(zhì)量控制效果

(1)全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)在巖溶發(fā)育地區(qū)施工，不需回填塊石，不用另外下套管，利用其自身良好的垂直度調(diào)節(jié)性能及鉆速、鉆壓與扭矩的自動(dòng)控制性能，可以順利地完成穿過(guò)溶洞的鉆進(jìn)任務(wù)，成樁直徑和挖掘深度大、速度快、垂直度有保證。

(2)在溶洞區(qū)域澆筑混凝土?xí)r在套管內(nèi)進(jìn)行，混凝土不易散失。同時(shí)，鉆機(jī)具有強(qiáng)大的起拔力，可以延時(shí)起拔，從而順利地完成溶洞中的灌注樁施工作業(yè)，成樁質(zhì)量有保證。

(3)全套管全回轉(zhuǎn)工藝使用套管成孔，孔壁不會(huì)坍落，避免了泥漿污染鋼筋和進(jìn)入混凝土的可能性，同時(shí)避免了樁身混凝土與土體間形成殘存泥漿隔離膜(泥皮)的弊病，清孔徹底，孔底殘?jiān)?，樁底承載力高。

5.2 其他控制效果

(1)安全控制效果：全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆進(jìn)施工時(shí)套管及時(shí)跟進(jìn)，避免了由塌孔導(dǎo)致的地面塌陷情況的發(fā)生，極大提升了樁基施工的安全性。

(2)環(huán)?？刂菩Ч喝坠苋剞D(zhuǎn)施工工藝，無(wú)須通過(guò)泥漿循環(huán)排除鉆渣，鉆渣從鉆斗可以直接裝車外運(yùn)，大幅度降低泥漿排渣對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的污染。

(3)經(jīng)濟(jì)控制效果：成孔擴(kuò)孔率小，與其他成孔方法比較，可以大大節(jié)約混凝土用量。此外，全套管全回轉(zhuǎn)工藝成樁直徑和挖掘深度大、速度快，能節(jié)約時(shí)間成本，降低間接費(fèi)用的支出。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本工程的實(shí)踐，對(duì)全套管全回轉(zhuǎn)施工工藝及技術(shù)有了一定的了解。對(duì)于巖溶強(qiáng)發(fā)育地區(qū)的樁基礎(chǔ)施工，采用全套管全回轉(zhuǎn)技術(shù)施工能避免反復(fù)處理樁孔帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，大幅提高成孔效率，縮短施工工期。該工藝具備在復(fù)雜巖溶地質(zhì)條件下安全高效的特點(diǎn)，能保證工程質(zhì)量、進(jìn)度和安全，對(duì)地質(zhì)復(fù)雜、工期緊張的工程，有較大的應(yīng)用前景。