在岩溶性地区采用风动潜孔锤凿岩引孔施工技术

广西建工集团第一建筑工程有限责任公司 南宁 530001

0 引言

南宁市地处喀斯特地貌区域，地质条件复杂，存在着大量溶洞、溶沟、溶隙等不良地质情况。这种地质条件下的桩基施工，往往遇到桩底高程很难确定、施工质量难以保证等情况[1]。本文采用“CFG桩（水泥粉煤灰碎石桩）+褥垫层”的地基处理方式，通过长螺旋潜孔锤凿岩引孔技术，在保证施工安全的前提下，使基础施工达到设计和规范的要求。

1 工程概况

1.1 项目概况

某工程位于南宁市平乐大道东侧，由2栋L形塔楼和裙楼组成，建筑面积128 735 m2，塔楼结构类型均为地下3层、地上23层的核心筒-框架结构，总高度为99.95 m。原设计基础形式为单桩单柱，设计共布设工程桩213根，采用旋挖桩机浇筑成型。

1.2 地质条件

本工程整个场地土层分布大致可分为7层，依次为第四系素填土、残积硬塑含碎石黏土、碎石、硬塑黏土、可塑黏土和泥盆系上统较破碎石灰岩及较完整石灰岩。场地覆盖层主要为第四系人工填土、第四系残积黏性土及碎石土，其最大厚度为51.90 m，下伏基岩为泥盆系上统扁豆状石灰岩，岩层产状较平缓。岩体上段岩溶较发育，岩体较破碎，下部岩体较完整，基岩面起伏变化大，场地地质条件复杂。

1.3 水文地质

本工程地下水主要为第四系覆盖层中的上层滞水及深部扁豆状灰岩中的岩溶裂隙水。其中上层滞水主要赋存于素填土①层及残积含碎石黏土层上部，水量较小。岩溶裂隙水主要赋存于石灰岩的溶蚀裂隙及洞穴中，溶蚀裂隙水位、水量主要受岩溶贯通程度的影响，变化较大。

1.4 新基础形式的确定

在实际施工过程中发现：

1）已施工的工程桩进行桩基静载试验时，静载试验的12#、13#桩试验荷载加载到第七级时，桩头已没入土层，桩端下存在未探明的溶洞。

2）对裙楼及纯地下室部分已施工的146根桩抽取15根桩进行钻芯检测，结果表明，15根桩均未进入较完整岩层，且有的桩底尚有较厚黏土层。

上述问题出现后，原有支护方案显然存在较大安全隐患，因此立即组织专家对基础重新选型进行分析论证。结合现场实际条件，最终确定采用“CFG桩+褥垫层”的方式进行地基处理，即基础类型为筏板基础，桩顶钢筋与筏板采取柔性连接。

本工程最终共设计1 151根CFG桩，桩径为600 mm，桩长为11.90～28.50 m。由于本工程填土层硬度较高、石灰岩分布相当不规则，且持力层为石灰岩，普通桩机难以有效地穿透，故需先进行桩位的凿岩引孔，之后再利用长螺旋桩机进行混凝土浇筑，本工程共需要潜孔锤凿岩引孔600根。

2 潜孔锤凿岩引孔特点及施工难点

2.1 风动潜孔锤施工特点

风动潜孔锤施工的特点有：

1）潜孔锤根据其直径的不同，其用途也有所不同：直径小于500 mm的潜孔锤大多用于管桩引孔和锚碇桩工程；直径大于500 mm的潜孔锤则直接用在钻孔灌注桩嵌岩施工

中[2-5]。

2）潜孔锤钻进是属于慢回转的一种钻进方法。冲击器所产生的能量可通过钻头破碎岩石，所以岩石要受冲击和研磨双重作用。

3）潜孔锤完成引孔后，应立即进行回填施工，然后再用长螺旋钻机进行后续钻孔。这样能克服孔壁坍塌问题，保证桩身质量稳定、可靠。

2.2 风动潜孔锤引孔施工难点

本工程处于岩溶发育地区，由于岩体较破碎，基岩面起伏变化大，场地地质条件复杂，实际施工中将面临着许多难题，主要表现在：

1）在广西较少采用长螺旋潜孔锤凿岩引孔技术，施工经验欠缺。

2）本工程填土层硬度较高，持力层为石灰岩且石灰岩分布不规则，普通桩机难以有效穿透，如何有效地钻进及浇筑混凝土是本次风动潜孔锤凿岩需解决的问题。

3）通过前期的试钻可知，长螺旋潜孔锤凿岩的一次引孔成功率低，仅为55%，施工中经常出现斜孔和卡钻等问题。

3 风动潜孔锤引孔施工工艺原理

以长螺旋多功能桩机作桩架，采用长螺旋动力头作旋转动力，在特制的钻杆下悬挂风动式潜孔锤，潜孔锤冲击破碎岩石的同时，动力头带动钻杆及潜孔锤进行适度的钻压与回转钻进，既能研磨破碎岩石，又能使潜孔锤击打位置不停地变化，使潜孔锤底部的合金突出点每次都击打在不同位置，风动潜孔锤的空气既能冷却钻头，又能将破碎的岩屑吹离孔底并排出孔口，达到快速破碎岩石的作用。潜孔锤引孔后，仍然采用长螺旋桩机浇筑混凝土完成后续成桩[6-9]。

4 风动潜孔锤施工技术

4.1 施工流程

本工程潜孔锤凿岩引孔施工的流程为：施工场地平整→施工机具进场安装→桩基放线→桩机就位→长螺旋钻孔→遇岩面换潜孔锤钻头桩机→潜孔锤凿岩破碎至设计标高→验收孔深并清孔→换长螺旋桩机进行浇筑混凝土→成桩完成。

4.2 施工要点

4.2.1 施工准备

编制CFG桩专项施工方案并对施工作业人员进行技术交底；根据本项目的实际情况对潜孔锤钻头进行选择，本次采用平底型潜孔锤钻头，这是一种在破碎和裂隙性以及岩性多变的岩层中有良好钻进效果的钻头，能大幅提高钻进效率；2台25型长螺旋潜孔锤引孔钻机、长螺旋桩机等机械设备及工具进场就位，在允许的情况下，变幅油缸尽可能将桅杆缩回，这样可以减小钻机自重和提升下降脉动压力对孔的影响。

4.2.2 引孔

1）引孔开始时，首先启动外置高风压空压机，在通过集气管的高压气体带动下，潜孔锤向下冲击破碎岩石，同时桩机动力头带动钻杆及潜孔锤进行适度的钻压与回转钻进，并由风动潜孔锤的空气将破碎的岩屑吹离孔底并排出孔口，从而持续钻进直至终孔。

2）钻进多采用减压钻进，即孔底的钻压不超过钻杆、锤头、压块重力之和的80%（扣除浮力），以避免或减少斜孔、弯孔和扩孔现象。不同地层采用不同类型的钻头和钻压，土层采用普通旋挖钻头，进岩层或孤石层后采用凿岩锤头。

3）在不同的地层采用不同的钻速，一般螺旋杆的转数为12～16 r/min。当空压机供气时，以合适转数转动螺纹杆，从而开始钻孔，当接触到岩石时，潜孔锤开始工作；在水下钻孔时，在供气正常后逐渐将潜孔锤放下，当它接触到岩石时，潜孔锤开始工作。这时回转的螺旋钻杆将碎石和泥土排出。

4）潜孔锤和它的螺旋杆停留在孔内时不能终止钻孔，因为土的压力会阻止它们转动，从而可能使钻机被粘留在所钻的孔内（卡钻）；在钻孔时，不能将螺旋杆反转，因为驱动体和顶端体的螺纹连接可能被松开，这会使得钻具和潜孔锤掉落在孔内。

5）按钻孔深度要求，螺旋钻杆可通过连接加长杆来加长钻孔深度，但用加长杆来接长的螺旋钻杆，不准超越桩架底盘的最大负荷；当潜孔锤浸入水内时，不能将加长杆连接到螺旋钻杆上，如果此时分离螺旋钻杆，水和其他东西会倒流，若要分离螺旋钻杆，应先将潜孔锤提离地面，从螺旋钻杆上清除泥沙和杂物，释放孔内的残余压力，并安装定位圈，然后再将加长杆连接到螺旋钻杆上。

4.2.3 终孔

1）钻孔引孔进至设计要求的深度后，经现场工程师鉴定后确认终孔深度，确认钻孔达到深度后终孔，进行一次清孔，清孔时将钻头提离孔底10～20 cm空转，清孔后孔底沉渣厚度小于5 cm。

2）潜孔锤引孔后，仍然采用长螺旋工法完成后续成桩。成孔深度经现场工程师鉴定后确认终孔深度，确认钻孔达到深度后终孔。

3）施工队进行潜孔锤引孔完毕后立即进行回填施工，采用小勾机回填，回填土就近采用引孔时钻机排出的渣土。

4.2.4 成孔浇筑

1）钻孔机就位时应校正，要求保持平整、稳固，使在钻进时不发生倾斜或移动。在钻架上应有控制深度的标尺，以便在施工中进行观测、记录。

2）钻孔时，先调直桩架挺杆，对好桩位；启动钻机钻进0.50～1.00 m，检查一切正常后，再继续钻进，土块随螺旋叶片上升排出孔口，达到设计深度后停钻，然后边提钻边泵压C25混凝土，直至成桩。

3）钻进过程中，排出孔口的土应随时清除运走，钻到预定深度后，应在原深度处空转清土，尽量使孔底干净，无残渣、余土，然后提钻泵压混凝土。

4）提钻泵压混凝土时应慢速进行，一般控制在2.00～3.00 m/min，过快易造成坍孔或颈缩。

5）浇筑的混凝土按批次留置试块，用于成桩后对混凝土强度等级进行检验。

4.2.5 施工中应注意的问题

1）采用的长螺旋钻机应与空压机型号相匹配，并根据现场实际在功率选择上做相应调整。

2）钻机就位前对桩位进行复核，控制钻杆垂直度，确保水平和倾斜偏差不超过规范允许范围。

3）在潜孔锤钻头工作时，应根据岩层的硬度及时调整潜孔锤钻进速度，转速太快将使钻头外围的刃齿较快磨损和碎裂；转速太慢，则将使柱齿冲击时与已有冲击破碎点（凹坑）重复，导致钻速下降。一般情况下，岩石越硬或钻头直径越大，越要求用较低的钻速[10-13]。

4）浇筑混凝土前对每车混凝土进行坍落度检测，根据混凝土泵排量及桩径确定泵压一次钻杆的提升量；匀速提钻，确保钻头刃尖始终在混凝土内，防止断桩，成桩后检查桩顶标高和成桩质量。

5）成桩后做好桩头成品保护，达到规范龄期后及时做好桩基完整性和承载力检测试验。

5 检测结果

按规范《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2002）及参考文献[5]的要求，对本工程1 151根CFG桩的复合地基进行检测，共选取12根桩进行复合地基载荷试验及116根桩进行低应变检测，选取的试验点在平面上分布均匀、合理。经检测，本工程的CFG桩复合地基完全合格，满足设计及规范的要求。

6 结语

对工程实际现场条件进行分析比较，采用了“CFG桩+褥垫层”的地基处理方式。通过大直径风动潜孔锤引孔技术，成功解决了复杂岩溶性地质条件下普通桩机难以有效穿透岩层施工的问题。该施工技术应用于CFG桩引孔沉桩工程中，既满足设计和施工要求，又缩短了工期，减小对环境的影响，保证了工程质量。