旋挖钻进穿越深部溶洞成桩精度控制

贺 春 梅

(武汉地质勘察基础工程有限公司，湖北 武汉 430000)

岩溶地区成孔向来都是比较困难的，以往的人工挖孔及冲击成孔效率低、安全隐患大、成本高、污染大。根据类似工程的施工经验，在溶洞高大于5.0 m的岩溶地层中，通过改进钻具和调整对溶洞的穿越方式，采用钢套管跟进配合旋挖钻进施工方法，施工效率较高，施工成本较小。但当遇到斜岩面时，旋挖钻进和钢套管下置的垂直度控制是桩基施工中成桩精度控制的关键环节。

1 工程概况

武汉某小区项目，由七幢高层及超高层(32层～54层)组成。我公司承接该工程1号楼、2号楼、3号楼及地下室桩基施工任务。场区内的地质情况大致为杂填土、淤泥质黏土、粉砂质黏土、粉细砂、基岩等。基岩为灰岩地层也是本工程的持力层，该场区岩溶较发育，见洞率较高，溶洞高度较高，地质条件较复杂，具体详见表1。

表1 溶洞分布情况表

2 施工工艺的选择

针对2号楼揭露的溶洞情况，见洞率高，且溶洞高度绝大部分超过5 m，最大高度达到了7.9 m，项目部采用钢套管跟进配合旋挖钻进施工方法，该方法不仅适应于干钻法施工而且也适应于泥浆循环钻进施工，采用该方法的目的是防止坍塌跨孔、埋钻，防止冲击半边岩卡钻且消耗大量造壁片石，防止灌注时，可能再次压裂围岩及人造孔壁，造成混凝土漏失等。

3 准备工作

3.1 依据超前钻资料分析岩性及溶洞状态

根据岩土工程勘察报告、超前钻资料以及设计要求显示，该场区基岩为石灰岩，设计定为持力层，桩基础设计要求桩端进入完整的中风化石灰岩不少于50 cm。现场技术人员对该区域地层特点进行分析和讨论，岩溶强烈发育、中等发育、弱发育、微弱发育4种情况均存在，而且分布不均匀，属典型岩溶地区特征，同时溶洞内伴有充填物呈流塑～软塑状，并且溶洞皆为半充填状态，特别是2号楼溶洞高度大，施工难度大。

3.2 设备选择

本项目由于溶洞深，石灰岩的硬度比较大，拟选择大扭矩、大功率的旋挖设备，配备机锁钻杆，钻头选用筒式截齿嵌岩取芯钻头，筒式截齿取芯钻头雏形为筒式截齿钻头，在其内部加入内置横向卡齿条可卡取岩芯，同时兼备开斗取芯的功能，便于取芯和清理钻头，如图1所示。

通过图1可以清楚看到钻齿数量、角度、内部构造等。筒式截齿取芯钻头钻进特性：由主钻杆传递压力和扭矩至钻头，并由钻头边缘均布相应数量角度的截齿进行环切孔底岩面，使其形成柱状岩芯，同时由钻头内部卡齿侵入并卡取筒内岩芯，在钻机加大扭矩情况下将其拧断破碎，以达到嵌岩取芯目的。该钻头在环切岩石和取芯过程中岩石受力表现为内部卡齿侵入岩芯后对其进行外部静压、拖动剪切作用(在钻进过程中首先采用点浮动加压方式待钻头环切嵌入岩芯后继而采用点加压方式)。现场取芯结果情况见图2。

3.3 测量定位

1)接收建设方提交的红线图及有关基准点，按要求复测后，报监理单位(建设单位)签证认可。

2)做好控制点的保护工作。

3)将基准点引入施工场地内，设置若干控制点，控制点应埋在不受施工影响的地方，并建立场内测量控制网，编制测量成果图，并报监理单位审核。

4)测量偏差应控制在5 mm以内，桩位偏差不得大于10 mm。室内±0.000引测至现场。

5)保证每根桩测量放点、护筒埋设居中、钻头中心对正三道测量工序的准确性。

4 内外钢套管、筒制作及下置

4.1 钢套管、筒制作

内外钢套管、筒应保证为同心圆，外钢套筒的内径为D=d+400 mm(d为设计桩径)，壁厚δ=12 mm，长度为2.0 m～3.0 m；内钢套管的内径D′=d+200 mm(d为设计桩径)，采用壁厚δ=12 mm～18 mm的钢板，每节长度为4.5 m～7.5 m。内外套管、筒均采用在厂家用机械集中卷制加工制作，制作好后再运至施工现场。

4.2 内外钢套管、筒下置

4.2.1外钢套筒水平位置控制

1)以桩中心为基准点，采用旋挖钻机埋设外套筒。

2)根据地层情况设计外钢套筒高度，并保证埋设后筒口高出地面100 mm～200 mm，本项目外钢套高度为2.0 m～3.0 m。准确测放桩中心位置，使外钢套筒中心与桩中心偏差不大于20 mm。

3)采用水平尺及吊锤检查外钢套筒的水平度及垂直度，达到要求后，回填密实并固定外钢套筒。

4.2.2内钢套管的下置

外钢套筒下置后，采用比设计桩径大200 mm的钻具进行成孔钻进，缓慢钻进至溶洞顶板上约1 m处，提钻停止钻进，采用起吊设备辅助振动锤的方式，将内钢套管分节对接并下置至溶洞顶板处。

1)下置过程中通过外部专门支架和预埋外钢套筒之间的卡具控制，保证内钢套管顶面的平面位置居中，并用经纬仪辅助控制垂直度，如图3所示。

2)下置过程中应防止因振动锤偏心而致内钢套管偏斜。

3)内钢套管连接过程中，应采用水平尺、测量仪器监测水平度、垂直度，使水平度、垂直度符合要求。

4)内钢套管下置溶洞顶板后，启动旋挖钻机，进尺1 m左右，再用上述方法下沉内钢套管，直至钻穿溶洞顶板。

5)穿越溶洞体阶段，视溶洞的充填情况，可采用一次穿越或分段穿越。

6)按上述方法，直至内钢套管进入溶洞底板1 m，旋挖钻进到达设计桩底标高。

7)上述每个循环过程中，严格控制好内钢套管的垂直度、同心度，如图4所示，使其满足规范及设计要求。

5 溶洞穿越

成孔钻进接近溶洞顶板时要减小钻压，慢速旋转缓慢刻取溶洞顶板岩石，以防加压过猛，钻穿顶板后发生掉钻事故；同时还要时刻观测钻杆垂直度，以防顶板钻孔倾斜。

开孔前根据单孔超前钻资料显示的溶洞顶板埋深和溶洞高度，选用配有导向结构的斗齿钻具开孔，以保证钻孔直径及垂直度满足设计要求。加压尽可能采用底部配重加压，以保证钻头的垂直性。

1)在钻进至溶洞顶板0.5 m时开始减慢钻进速度并换上特制筒式截齿取芯钻头，筒钻高度2 m以上，并加强导向和扶正作用，同时采用浮点加压方式进行碾磨钻进。

2)根据钻机浮点加压方式碾磨揭穿溶洞顶板后停止加压，关闭浮动，使用主卷扬吊着钻杆进行钻进，并在洞口进行试探式钻进，保证钻头契合度。

6 钢筋笼的吊装

1)为保证钢筋笼安装时不剐蹭内钢套管，且钢筋笼居中，在每隔2 m截面上安装四个主筋保护块。

2)钢筋笼吊装之前，应对内钢套管的垂直度进行检测，确保钢筋笼安装及桩身垂直度满足设计要求。

3)钢筋笼吊装时，确保钢筋笼中心与内钢套管中心重合。

7 成果检验

施工完毕后检测部门对20%的桩进行了抽芯验证，通过现场芯样及检测结果验证，处于溶洞区段的桩桩身混凝土均比较完好，只有个别桩局部存在轻微缺陷，小应变检测比例为100%，Ⅰ类桩比例在90%以上，Ⅱ类桩小于10%，无Ⅲ类、Ⅳ类桩。竣工验收结果显示，所有桩的桩位偏差均在±5 cm以内，桩身垂直度偏差在1%以内。

8 结语

岩溶地区桩基施工由于其受岩溶地层复杂的地质条件限制，施工中在工艺上还存在着很多问题。为适应新的市场趋势，抓住新的发展机遇，有必要在工程实践中，因地制宜，根据项目的具体地质特点，完善相关的施工工艺，制定与之适用的控制成桩精度的方法，从而提高工程的施工质量。