旋挖桩技术发展演变及其在岩溶区域的应用探讨

徐丽丽 韦捷 阳利君

摘要：岩溶地貌在广西的分布较广，给桩基施工带来了很大的挑战。文章结合广西桂林市多个岩溶发育场地的旋挖桩施工实例，通过对“旋挖桩”研究文献的分析，对旋挖桩的起步、兴起、研究阶段及在岩溶地区的应用研究进行了总结，探讨岩溶地区旋挖桩的应用价值，为旋挖桩的发展应用提供参考。

关键词：旋挖桩;岩溶;溶洞

文献标识码：U443.15-A-22-070-5

0 引言

岩溶地貌在广西的分布较广，其内部溶洞大小不一、深浅不一，基岩表面起伏大，给桩基施工带来了很大的挑战。本文对旋挖桩的起步、兴起、研究阶段及在岩溶地区的应用研究进行了梳理，结合广西桂林市多个岩溶发育场地的旋挖桩施工实例，分析研究旋挖桩在岩溶区域的应用价值，为旋挖桩应用提供参考。

1 旋挖桩研究文献综述

为了了解旋挖桩这一工程技术的研究进展，通过中国知网（CNKI）进行检索，最早关于旋挖桩的论文是1996年发表在《建筑机械》上阐述旋挖桩机研制工作的。随着我国经济的腾飞和基础建设的蓬勃开展，旋挖桩技术也得到了越来越广泛的应用，从1996年至2020年间，知网上关于旋挖桩的论文检索共1 844条结果，包括硕博士论文、期刊、会议论文等。通过对期刊发表时间进行分析发现，2000年以前的相关研究较少，如图1所示，而在2000年后，国内研究逐渐增多，并在2016年达到峰值。通过对文献的进一步分析发现，针对旋挖桩施工和检测进行研究的机构主要是从事基础施工和勘察的企业，以及专业的研究机构如中国地质科学院勘探技术研究所等，另外就是例如三一重机这样的机械制造企业，针对旋挖桩机钻进方面进行了研究。研究内容更多集中在施工质量、荷载受力上，出现了成孔质量、护筒、桩基、荷载传递等高频关键词，研究主题较广。

1.1 研究阶段

（1）研究起步阶段：1990—2000年，旋挖桩机从国外引进到自主研制成功

《建筑机械》1996年08期刊登了铁道部武汉工程机械研究所彭文的关于国内研制旋挖桩机的文章[1]，标志着我国的地基处理设备和工艺进入了旋挖桩机时代，该所研制的ZKW-150型旋挖桩机于1997年10月在武汉通过了部级鉴定。同一时期，张炜等针对旋挖桩竖向承载力特性在西安地区黄土地基上进行了试验研究，得出了黄土地基中旋挖成孔灌注桩其桩土咬合作用较强，属摩擦型桩，极限侧阻力高[2]。这一时期的研究文献很少，仅停留在旋挖桩机的报道和桩基施工的适用性上。

（2）研究发展阶段：2000—2010年，旋挖桩机逐步得到推广

随着国内经济发展日新月异，大型基础建设项目不断开展，旋挖桩机的应用也越来越广泛，这一时期，涌现了大量关于旋挖桩的研究文献，研究视角也不断变宽，开始对旋挖桩基施工工艺、成孔质量进行研究。刘伟的《旋挖钻机的发展及应用》介绍了旋挖钻机国内外的发展历程，阐述了旋挖桩在国内得到大量推广的几个契机，并提出国内发展旋挖桩机应思考的几个问题[3]。周红军的《旋挖钻进技术适用性的初步研究》通过大量工程实例及现场实践，对比旋挖钻与正反循环钻在施工效率、施工质量、适用范围、施工成本上各自的优缺点，并根据孔深、孔径、地层、场地给出各自的适用性[4]。随着更多大型项目的开展，旋挖桩在各不同地质条件下的应用实例不断涌现，如郭玉文的《旋挖钻机在北京城市铁路高架桥桩基施工中的应用》、李亮等的《旋挖成孔工艺在黔东某电厂桩基工程中的实践》、吕军斗等的《旋挖钻机在无水砂卵石地层围护桩施工中的应用》、刘瑞臣等的《旋挖钻进工艺在青藏铁路施工中的应用》等一批文献，研究了旋挖桩在软土地基、黄土地基、冻土层、厚砂层、厚杂填土层、强渗透性地层、粉砂层、海相沉积层中的应用实例[5-8]。另外，随着旋挖桩在工程项目中的应用，有成功案例，也时有事故发生，如桥梁桩孔卡钻等。人们在实践中对旋挖桩的认识逐步提升，学者的研究也从单个案例研究扩展到总结旋挖桩施工工法上。于好善的《中国桩工施工工法的里程碑——旋挖钻机施工法》总结了旋挖钻机的施工工艺，对钻头的分类和选用进行了归类[9]，而其他学者如李林等的《旋挖钻机施工钻孔灌注桩的工艺研究》则是阐述了旋挖钻机在泰州大桥桩基施工中的施工工艺[10]。王曦等则对旋挖钻机在施工中常见问题进行研究分析并给出防治措施[11]，指导同类桩基施工。其他学者也纷纷对旋挖桩施工工艺、质量控制等进行了探讨和分析，为旋挖桩在我国的应用推广提供了有益的借鉴。

（3）研究高潮阶段：2010年至今，旋挖桩机不但在桥梁、铁路等大型工程中应用，在小型工民建工程中也逐步推广，各地纷纷涌现以旋挖桩为主业务的小型工程公司

在奥运场馆、青藏铁路的工程建设中，旋挖钻机的优越性逐渐显现，在“十一五”“十二五”期间，大量公共设施的建设为旋挖钻机带来了前所未有的机遇，国内知名企业不但生产大型旋挖钻机，适用于工民建的小型旋挖钻机也被开发，并取得很好的业绩。这一时期，相关的研究呈激增状态，在知网搜索，2010年至今，關于旋挖桩的结果有1 435条。李成芳等的《旋挖成孔灌注桩在松散高填方地基中的应用》[11]，赵伟等的《旋挖灌注桩在（深圳）沿海地区复杂地层中应用实例》[13]，杨勇文等的《旋挖钻孔成桩施工技术在地铁上盖建筑桩基工程中的应用》[14]等都昭示着旋挖桩不论是在普通地基条件还是复杂地基条件，都有着很好的适应能力，是一种可以处理复杂地质条件的非常好的桩型。而旋挖桩在道路桥梁、市政桥梁、大直径超深入岩、坚硬岩石地层、砂卵石地层、岩溶地质、大粒径漂石地层、松散液化土层等的施工质量控制研究，则将旋挖桩的施工技术研究推上更高的台阶。同时旋挖桩的承载机理及沉降分析，桩底沉渣的影响研究，化学聚合物泥浆、优质泥浆的应用研究，旋挖桩的不同工艺、工法研究等，都为旋挖桩的技术进步起到了推动作用。在这一时期，也产生了很多研究成果如：湖北省地矿建设工程院的《新型基础工程施工工艺研究》关于嵌岩及超深旋挖桩施工工艺研究;肇庆市建筑工程有限公司的《旋挖冲孔设备组合成孔灌注桩施工技术》;中冶建工集团有限公司的《旋挖桩沉渣防止及清理施工关键技术》等一批有关旋挖桩施工关键技术研究成果得到应用和推广。

综上所述，虽然旋挖桩的成本相较其他桩型仍然较高，但随着技术的进步，旋挖桩的技术优势明显，其处理不同复杂地基的能力有目共睹。广西地处我国南方，属于典型的喀斯特地貌，部分场地岩溶发育，给道路、桥梁及高层建筑的地基处理带来了挑战，研究旋挖桩在岩溶地区的应用价值有助于更好地推广旋挖桩在广西的应用，助力广西的经济建设。

1.2 岩溶地区旋挖桩研究内容

我国幅员辽阔，岩溶地貌分布广，因此围绕岩溶地貌下旋挖桩的应用研究众多，学者们或围绕旋挖成孔中溶洞的处理方法，或围绕岩溶地区旋挖桩施工操作要点，或围绕旋挖桩施工常见问题进行探讨，研究焦点主要集中在以下几个方面：

1.2.1 旋挖成孔过程中遇溶洞的处理方法

场地地基的喀斯特地貌特征主要包括地表存在溶沟、喀斯特漏斗、土洞、溶蚀洼地，地下有溶洞与地下河、暗湖等。工程界对于桩基施工中遇溶洞的处理方式主要包括以下几种：对<3 m的一般溶洞，利用高效率的旋挖桩正常钻进即可，因其有优质泥浆护壁，比较少坍塌，即使坍塌，待抽出后次日重复钻进即可，这得益于旋挖桩的施工速度快，效率高;对于>3 m、<8 m的较大溶洞，可在穿透溶洞顶板后，采取灌注强度等级低的混凝土，待混凝土初凝后继续重复钻进即可，遇溶洞顶板较难钻进时，有学者提到可换成冲击桩;对于>8 m的大溶洞以及连通溶洞，也可采用混凝土灌注，相邻溶洞同时封堵，此时成本稍高，有学者建议采用钢护筒全程跟进。不论采取哪种处理方式，在工程实践中均取得比较好的效果。如包长泰的《旋挖钻孔桩施工过程中的溶洞处理》中就以南宁申龙新能源汽车生产项目的桩基施工为例，研究不同的溶洞处理方法[15]，而汤伟等的《岩溶地区串珠洞桩基础处理方法探讨》则对一有着串珠洞的工程采用在规范要求的桩端影响范围内灌注C30微膨胀水泥浆的处理方法，收到了很好的效果[16]。

1.2.2 岩溶地区旋挖桩泥浆制备与施工工艺探讨

喀斯特地貌中部分溶洞过大，或填充物松散而导致旋挖桩施工中易出现塌孔情况，无法成孔，此时好的泥浆护壁工艺显得尤为重要。对此，宾善标研究了“水泥浆-硅酸钠”双液注浆的工艺原理及材料制备[16]，刘城等研究了不同配比的泥浆性能[18]。

1.2.3 岩溶地区旋挖成孔施工技术探讨

这类文献主要侧重研究岩溶地区旋挖成孔施工工艺的要点和常见问题，通过岩溶地区具体项目实施的经验总结，归纳出旋挖桩在岩溶地区的施工要点。王迎军的《灰岩溶地质旋挖桩施工技术研究》一文，通过改造钻机概括和总结了在岩溶地区旋挖桩的钻孔成孔要点[19]。王家全等的《岩溶地质旋挖灌注桩成孔工藝及其基桩质量控制研究》一文，揭示了旋挖控制工艺是影响岩溶地区旋挖灌注桩成桩质量的主要因素[20]。

综上所述，学者们对于在岩溶地区采取旋挖桩施工工艺是很有信心的，但因为岩溶地区地下溶洞情况各异，成孔工艺对桩基质量影响颇深，因此研究主要偏重施工工艺上，但因为造价高，工程实践案例不够多，还需要进一步补充提升，以期提高岩溶地区旋挖桩的适应性，提高效率，降低造价。

2 旋挖桩在岩溶地区应用分析

2.1 岩溶地区地质条件分析

根据桂林市多个岩溶场地地勘资料发现其具备的共同特点是：在碳酸盐岩溶发育强烈区，浅层地下溶洞及溶蚀裂隙强烈发育，局部地段岩溶发育呈串珠状，例如某工程勘测在一个垂直地层上，多至4个溶洞，少则2个，部分溶洞相隔了6.3 m的较完整灰岩岩层。岩溶地区地下水位较高，一般位于岩土界面以上，且丰富活跃。溶洞内充填有软土、砂及黏性土，也有部分充填卵砾石，基岩面埋深较浅，有资料显示勘查揭露的岩石抗压强度标准值可达58.18 MPa，属较坚硬岩石，根据施工经验，钻岩施工过程中将对设备、部件及油耗造成较大损耗。

2.2 岩溶地区应用旋挖桩优势分析

针对岩溶地区特殊地质条件，钻孔灌注桩有如下难点：

（1）溶洞侧壁岩石抗压强度高，钻进困难，若控制不好，易导致卡钻、偏斜、跳钻等问题。

（2）溶洞大小不一，有成串珠状的溶洞，且溶洞内充填软塑、流塑或卵石层，孔壁易塌陷，不易成孔。

（3）对于尺寸较大的露天溶洞，当溶洞表面周边分布的岩石为破碎带岩层时，承载力较差，而钻机重量大，存在危险。

旋挖钻孔在普通地质条件下的优势如下：施工速度快、钻进精度高、操作方便、易于管理，噪音小、利用自然泥浆护壁、环保、垂直度易控制，移机方便等，同时能适量嵌入微、中风化较硬质或硬质岩石，应用越来越广泛。而针对岩溶区地质情况，旋挖桩可以通过如下措施解决：

（1）通过超前钻资料，提前判断溶洞位置，在钻进溶洞前，距离溶洞顶板50 cm处，调整转盘转速为13～40 v/min，采用研磨慢速钻进，而旋挖钻机由电脑高精度控制，垂直度易掌握。

（2）对于穿越溶洞，则视溶洞大小，对≤2 m的单层溶洞，采用定位护筒即可解决易偏斜问题，而对于>2 m且贯通范围较大的桩，可采用钢套筒全程跟进，边钻孔边接高钢护筒，钢护筒同时解决充填的流塑、卵石护壁问题，防止护壁坍塌，且钢护筒可循环使用，节约造价。

（3）对于尺寸较大的露天溶洞，首先采用阻止地表水和地下水活动的方法[21]，然后采用回填低标号混凝土处理，使其提高强度，满足机器进场要求。

3 实施效果

通过选择不同改良后的旋挖钻头，经过多个工程检验，依据如图2所示的旋挖成孔工艺流程，在岩溶地质发育地区成孔顺利，溶洞处理采用低标号混凝土回填，待第二天终凝后再成孔，效果良好，每根桩的成孔时间平均为1～1.5 d不等，对比冲击钻成孔桩及人工挖孔桩，其成孔时间大幅缩短，减少了工期，同时在管理上节约了人力成本，提高了整体效益。

施工过程中，主要采取的措施有：

（1）在旋挖钻进前，仔细研究超前钻资料，对即将进行的旋挖钻孔，提前预判地质情况，选择适宜的钻头。

（2）钻进中，根据钻渣及时调整钻速，派专人守护，检查水头高度，防止漏浆、塌孔，根据溶洞大小及充填土质，选择相应护筒。

（3）钻成后，提钻时，要缓慢垂直。在实施中，偶尔误碰溶腔壁造成孔壁部分塌陷，经过下钻清理、补浆，可很好地解决问题。经过严格控制水下混凝土浇筑質量，桩身完整度好，垂直度高，经检测桩身质量完成度达到Ⅰ类桩的比例高达95%。

4 结语

旋挖灌注桩因其高效、环保等优点特别适合在岩溶地区成桩，但岩溶地区的复杂地质条件，也给旋挖桩带来了一定挑战，坚硬的岩石导致钻进困难，过大的溶腔导致钻杆偏斜，充填的软塑、流塑导致埋钻，充填的卵石导致孔壁塌陷等，虽然前人对这一方面的研究颇多，但并没有形成相应指导施工的规范，各施工单位依然凭经验操作，没有真正发挥旋挖钻的优势，给项目带来了一定的遗憾。通过将研究成果汇集，编制成可指导在岩溶地区进行旋挖施工的规范，将会为岩溶地区旋挖桩施工项目顺利、高效实施打下良好基础。

参考文献

[1]彭 文.旋挖桩机[J].建筑机械，1996（8）：4-5.

[2]张 炜，茹伯勋.西安地区旋挖钻孔灌注桩竖向承载力特性的试验研究[J].岩土工程技术，1999（4）：3-5.

[3]刘 伟.旋挖钻机的发展及应用[J].建筑机械化，2004（11）：16-18.

[4]周红军.旋挖钻进技术适用性的初步研究[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2009，36（8）：39-45.

[5]郭玉文.旋挖钻机在北京城市铁路高架桥桩基施工中的应用[J].铁道建筑，2001（12）：8-10.

[6]李 亮，王天放，曲守全.旋挖成孔工艺在黔东某电厂桩基工程中的实践[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2006（9）：30-33.

[7]吕军斗，田文杰.旋挖钻机在无水砂卵石地层围护桩施工中的应用[J].建筑技术，2009，40（11）：1 010-1 012.

[8]刘瑞臣，焦卫兵.旋挖钻进工艺在青藏铁路施工中的应用[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2003（5）：12-14.

[9]于好善.中国桩工施工工法的里程碑——旋挖钻机施工法[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2007（9）：78-81.

[10]李 林，闵 峰.旋挖钻机施工钻孔灌注桩的工艺研究[J].中国工程科学，2010，12（4）：33-36.

[11]王 曦，徐辉雄.旋挖钻机施工中常见问题分析及对策[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2008（4）：58-59.

[12]李成芳，熊启东，孔凡林.旋挖成孔灌注桩在松散高填方地基中的应用[J].地下空间与工程学报，2010，6（6）：1 266-1 269.

[13]赵 伟，吴旭君，王召磊，等.旋挖灌注桩在（深圳）沿海地区复杂地层中应用实例[J].岩土工程学报，2013，35（S2）：1 196-1 199.

[14]杨勇文，丁晓敏.旋挖钻孔成桩施工技术在地铁上盖建筑桩基工程中的应用[J].工程与建设，2013，27（1）：108-110.

[15]包长泰.旋挖钻孔桩施工过程中的溶洞处理[J].城市建设理论研究（电子版），2019（15）：149-150.

[16]汤 伟，郭胜娟.岩溶地区串珠洞桩基础处理方法探讨[C].北京：土木工程新材料、新技术及其工程应用交流会论文集（上册），2019.

[17]宾善标.双液注浆工艺在岩溶地区桩基施工中的应用[J].西部探矿工程，2019，31（2）：31-33.

[18]刘 城，陈俊华，左文贵，等.泥浆在岩溶区旋挖成孔工艺中的应用[J].工程建设，2019，51（11）：67-70，76.

[19]王迎军.灰岩溶地质旋挖桩施工技术研究[J].公路交通科技（应用技术版），2019，15（8）：182-184.

[20]王家全，朱庆盛，刘垒雷，等.岩溶地质旋挖灌注桩成孔工艺及其基桩质量控制研究[J].施工技术，2014，43（19）：17-19，38.

[21]李国胜.岩溶地区地基处理及基础设计方法探讨[J].建筑结构，2020，50（3）：119-128.

收稿日期：2021-03-22

基金项目：2021年度广西高校中青年教师科研能力提升项目“垃圾焚烧飞灰在软土路基处理中的应用研究”（编号：2021KY1133）

作者简介：

徐丽丽（1984—），硕士，讲师，工程师，主要从事土木工程教育教学及基础工程研究工作。