复杂岩溶钻孔灌注桩全套管全回转快速施工技术

刘济华

摘  要：岩溶发育地层钻孔灌注桩施工，通常采用冲击钻抛填黏土、片石或冲击钻冲孔，钢护筒跟进法进行施工，此类方法施工周期长、冲孔过程中易发生塌孔、埋钻、漏浆等情况，抛填黏土、片石成孔后灌桩过程也易发生护壁再次被冲开发生断桩等质量事故。潍莱高铁大白村特大桥59#墩岩溶桩基长度大、溶洞强烈发育，且工期异常紧张，常规冲击钻施工方法不能满足工期要求。根据逐桩地质勘探成果及多方讨论，采用全套管全回转钻机施工，极大保证了成桩质量及施工进度。

关键词：复杂岩溶;钻孔灌注桩;全套管全回转

中图分类号：U445.55+1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）23-0161-03

Abstract： In the construction of bored cast-in-place pile in Karst formation， impact drilling is usually used to fill clay， sheet stone or impact drilling， and steel protecting tube follow-up method is used for construction. This kind of method has a long construction period and is prone to collapse， burying drilling， slurry leakage and so on. It is also easy to break the pile and other quality accidents when the retaining wall is washed away again in the process of filling clay and forming holes with slate and stone， and the grouting pile is also easy to occur in the process of filling clay and forming holes. The Karst Pile Foundation of #59 Pier of Weifang-Laixi High Speed Railway Dabaicun Bridge is long， the cave is strongly developed， and the construction period is extremely tense， so the conventional impact drilling construction method cannot meet the requirements of the construction period. According to the results of pile-by-pile geological exploration and in-depth discussion， the construction of full casing full rotary drilling rig is adopted， which greatly ensures the pile quality and construction progress.

Keywords： complex karst; bored cast-in-place pile; full casing full rotation

1 工程概況

潍莱高铁大白村特大桥位于平度云山镇，属剥蚀丘陵地区，全长5.7km，上部结构为24m和32m简支箱梁，下部结构为圆端形实体桥墩，基础类型为钻孔灌注桩（？椎1m）、扩大基础及挖井基础。该桥梁勘探揭示硬质大理岩较为发育，经侵入、构造地质及地下水等综合作用，地层结构及构造发生较大变化，大理岩及侵入岩斜长角闪岩接触关系复杂多变，大理岩岩溶发育，地层软硬不均程度大。

勘探过程中发现该桥56#～59#墩岩溶强烈发育，尤其是59#墩最为发育。逐桩补勘揭示该墩大理岩与斜长角闪岩、长石石英岩接触关系复杂，大理岩岩溶强烈发育且溶洞呈串珠状，横向也显示强连通性，钻探揭露洞高0.2～6.1m，溶洞无充填为主，局部半充填～全充填，填充物有大理岩风化碎块、黏性土及粗砂[1]。该墩岩石风化程度差异大且软硬不均，大理岩岩溶发育，地质条件复杂（图1）。设计采用8根桩径1.0m，桩长75.5m钻孔灌注桩，孔深约79m，属超长岩溶桩基，施工难度大、质量控制困难。

2 施工过程分析

岩溶地层钻孔灌注桩通常采用冲击钻不断冲击成孔，但因溶洞存在导致泥浆常漏失严重，需反复回填黏土、片石筑壁。该墩上部第四系松散堆积物较厚，为流沙及粉质黏土互层，流沙厚度分布范围约3.3～6.1m及10.8～17.4m，上部流沙层需采用不小于7m的长护筒，防止采用冲击钻冲击时发生孔口坍塌、扩径、埋钻等事故，长护筒施工过程垂直度控制也较为困难。下部流沙层深度较大，普通护筒难以达到该深度，存在较大施工风险。

前期采用该墩位布置两台冲击钻施工，由于形成溶洞的原岩弱风化大理岩（W2，σ0=1500kPa）硬度较大，导致钻头进尺速度极为缓慢。该区域地层风化界限起伏较大，强风化斜长角闪岩（W3，σ0=500kPa）与大理岩硬度及风化程度差距较大，大理岩、斜长角闪岩及溶洞之间接触关系复杂，地层非均质性强，钻孔过程多次发生偏孔、斜孔等事故，反复回填黏土、片石及C20混凝土校正桩孔垂直度。

勘探揭示溶洞分布具有水平方向强连通性及竖向串珠状特征，单洞洞高基本在2m以上，钻孔过程附近农用水井存在被泥浆污染现象，直接验证了溶洞水平方向极为发育的特征。由于该溶洞特点，每穿过一层溶洞需反复回填片石及黏土十几次甚至几十次，首桩历时2个多月成孔，施工周期长，投入人力、物力及机械等资源较多成本大，现场常备大量黏土、片石等材料，同时备用较大泥浆池，不利于现场安全文明施工。混凝土灌注过程中为防止断桩需加大导管埋深及控制混凝土灌注速率不能太快，既要防止混凝土侧压力挤破护壁混凝土液面下降导致断桩，又要避免因埋深过大导管无法正常拔出，混凝土中导管的深入长度控制困难[2，3]。

采用冲击钻施工方法，周期长，成孔及混凝土灌注安全质量风险大。由于该墩位于简支梁首架方向，施工工期异常紧张，采用冲击钻抛填黏土、片石已不能满足工期要求，需对施工方法进行优化。采用钢护筒跟进法能有效解决溶洞因漏浆引起的塌孔、埋钻及混凝土灌注中护壁被冲破导致断桩等施工质量事故，但同样面临施工工期长，不能满足工期要求等因素。根据现有技术成果及多方讨论、论证，采用全套管全回转钻机施工能有效解决岩溶桩基技术层面及工期压力等多方面问题。

3 全套管全回转钻机施工

3.1 钻机优缺点分析

（1）由于不需要泥浆护壁，因此不存在泥浆制备、使用及使用后倾倒等污染环境情况，不需要回填片石、黏土，同时无冲击钻施工噪音大、振动大等缺点，极大有利于文明、环保施工[4]。

（2）钻机瞬间增强系统，使遇到障碍物，击穿溶洞顶壁时可瞬间加大扭矩，可有效避免卡钻、埋钻等事故发生。垂直控制系统可有效控制钻进过程中套管垂直度，能及時发现问题并纠偏，提高了工效。

（3）成孔后清孔较简单、易达标，无采用泥浆护壁后孔内沉渣厚度及泥浆比重难降低等问题。混凝土灌注时，由于在套管内进行，解决了混凝土在溶洞部位扩散流失的风险，杜绝了因此原因造成的断桩事故，提高了成桩质量。

（4）套管不同于普通钢护筒，由于钻进深度大，要求护筒能够承受较大扭矩，各节护筒间需紧密连接，刀头及套管本身均为合金制成（图2、图3），但经济成本较大。

（5）由于机械自重及钻进过程中强大扭

矩产生的反力，对地基承载力具有较高的要求，较软地面应碾压密实，并在钻机安放部位铺设钢板，防止钻孔过程中钻机失稳、主机移位。

3.2 施工过程

全套管全回转钻机安装完毕经检查后，进行底端带合金刀头的首节套管安放，套管安放垂直度经测量复测后钻机套管驱动器为套管提供强大扭矩及下压力，开始钻进。套管下压钻进过程中为减小套管摩擦力及不必要的扭矩增大，需不断从套管内取土、取岩。通常采用机械抓斗，但除桩基上部10m外其余均为硬质岩，机械抓斗施工效率较低，因此采用旋挖钻机配合取土、取岩施工，施工机械化程度高、硬质岩中钻进速度快、成孔速率明显高于机械抓斗[5]。旋挖钻机与全套管全回转钻机组合施工成桩，可提高整体进度。

（1）全套管全回转钻机楔形夹紧装置紧固套管后驱动器工作，首节套管单向转动的同时下压。综合考虑作业面情况及桩基底部岩石硬度，采用360旋挖钻机，旋挖钻机取土与套管旋转下压同时进行，不需要反复移动全回转钻机，有足够工作面供旋挖钻机取土（岩），极大提高了工作效率。

（2）为防止管涌等现象发生，需要始终保持套管底超前于开挖面，逐桩补勘揭示溶洞高0.2～6.1m，根据补勘地质柱状图，不断调整套管超前深度。上部粉质黏土层、砂层，始终保持套管刀头超前于取土（岩）面的不小于2.5m。下部溶洞段，始终保持套管底超前于溶洞底部下2.5m[6]。同时为有效保证施工功效及经济性，减小套管底部合金刀头的磨损，可在下部无溶洞大理岩及斜长角闪岩段先采用旋挖钻机施工，再下压套管。套管钻进，旋挖取土（岩）不断循环，直至完成施工作业。

（3）套管连接均采用套管两端高强螺栓及卡槽，可有效保证套管荷载传递，为方便套管连接，每节套管下压入土、入岩后，机械顶面要预留0.5～1.0m，套管连接后继续取土、下压套管，如此反复循环直至设计桩底标高。

（4）套管的垂直度控制是一项重要工作，设备自身具备调平检测仪器，同时采用双向悬挂吊绳随时检查，发现偏差及时纠偏调整，如符合要求则安装下一节套管继续下压取土，如此循环[7]。

（5）钻孔时确保动力站散热正常，时刻记录钻进过程中不同地层中液压表扭矩数据，有变化时须时刻上下拉提摇松套管降低摩擦力，以防套管及钻头损耗。

4 施工控制要点

4.1 套管垂直度控制

桩基成孔垂直度是一项重要指标，为控制好钻进过程中桩的垂直度，必须控制好以下几个方面的工作。

（1）套管检查

套管顺直是成孔垂直度良好的前提，因此套管安放下压前应进行顺直度检查及校正。在单套管顺直度检查基础上把将要使用的套管在平地上连接起来，合格后进行编号，严格按照编号顺序依次下压套管，可从根本上有效控制桩基垂直度。

（2）过程监测

首先要进行桩位准确放样，同时保证钻机中心同桩中心重合，钻进过程中由于具有较强的的反力，要确保钻机底部地基承载力满足并有防止钻机移位的措施，对其孔口定位误差严格控制。套管钻进及下压过程中，利用钻机液压垂直装置，随时纠正套管的角度，同时利用方向相互垂直的线锤人工复测。套管垂直度检测应贯穿整个施工过程，随时检查，纠偏，才能保证桩基垂直度。

4.2 套管纠偏

套管钻进成孔过程中若垂直度出现较大偏差，应及时进行偏差纠正、调整，较小偏差主要是利用钻机自身纠偏能力，即可达到纠偏的目的。如若偏差过大，钻机不足以纠正，应填埋后重新检测套管垂直度，符合要求后重新钻进。

5 结束语

通过对潍莱高铁大白村特大桥复杂岩溶区钻孔灌注桩施工技术研究，对比几种钻孔灌注桩施工方法，找到该岩溶桩基适合的施工方法，有效解决了超长桩基溶洞段漏浆、塌孔、埋钻等成孔困难问题，避免了灌注混凝土过程中容易出现的断桩、混凝土离析等影响桩基质量的事故发生。相比其他施工方法，虽经济成本投入相对较大，但是施工效率高，能有效克服工期紧张压力，降低了施工及工期风险，对同类工程具有一定的借鉴作用。

参考文献：

[1]王广群，姜晓杰.高速铁路复杂岩溶环境下超长钻孔桩施工技术[J].科技创新与应用，2019（5）：135-136.

[2]牛慧敏.岩溶地层超长钻孔桩护筒跟进成孔施工技术[J].国防交通工程与技术，2013，11（6）：62-64.

[3]程永忠，马先升，谢国安，等.强岩溶地区桩基钢护筒跟进法施工技术[J].公路交通科技（应用技术版），2011（6）：258-260.

[4]黄溯航.北京地铁九号线卵石地层成孔工艺研究[D].北京交通大学，2008.

[5]黄力平，陈湘生，冯开典.基坑围护工程新技术——钻孔咬合桩[J].工业建筑，2004（z2）：201-205.

[6]孙建梅.有关咬合钻孔灌注桩施工质量控制问题探讨[J].城市建设理论研究：电子版，2011（24）.

[7]蒲卫刚.咬合桩的施工工艺和质量控制要点简述[J].城市建设理论研究：电子版，2014（8）.