全套筒全回转钻机在邻近地铁的溶洞发育地区桩基施工中的应用

胡 栋 陈 伟 李 荣 唐国顺

中建五局第三建设有限公司 湖南 长沙 410004

1 工程概况

贵阳恒大新世界项目2E地块1标段工程，总建筑面积140 000 m2，含6栋高层，其中10#楼基础为117根端承灌注桩，桩长26.62～74.10 m不等，其中机械桩型号为1.2、1.5 m及1.8 m等。

2 特殊地质及外部情况

经地质勘察，场区位于黔北台隆遵义断拱贵阳复杂构造变形区，场地附近无断层通过，溶洞成串状发育。10#楼地址情况复杂，中间岩层顶板下溶洞处于竖向与横向强发育状态，基本横向溶洞全贯通，竖向溶洞深度最大，其中的ZK10-86#桩处至少存在2个溶洞，其中一个溶洞纵向发育至少10 m。场区与贵阳市轨道交通2号线一期土标项目工程相邻，最近处仅有10 m，曾有桩在浇筑时因混凝土经溶洞流至地铁涵道底板，导致涵道底板起拱800～1 000 mm[1-2]。

3 普通工艺分析

3.1 普通套筒旋挖

3.1.1 遇岩层套筒不能跟进

普通套筒旋挖机械受抱管器液压泵动力限制（即套筒旋挖的套筒不具有扭矩力，不具备自主旋进能力），钢套筒遇岩层就无法跟进，当岩层下部存在溶洞时，岩层下部开挖实际只是无套筒的普通旋挖，当掏空部分溶洞填充物时，易造成填充物向孔位挤压，导致桩孔底部坍孔严重。

3.1.2 遇孤石易偏孔

普通套筒旋挖机械受抱管器液压泵动力限制，不能自主旋转挖进，只能往下挤压压进土层。当抱管器在下压套筒的过程中遇到孤石时，套筒极易出现不均匀受力，导致偏位。

3.1.3 遇大溶洞垮塌易偏孔

当溶洞较大、横向及竖向处于强发育状态时，普通套筒旋挖势必会掏出较多的溶洞填充物，若溶洞填充物具有一定的黏性，则掏出的孔位会让周边溶洞物形成较大的势能，易发生溶洞塌陷，溶洞越大越深，造成垮塌的可能性越大，垮塌带来的能量越大，垮塌的填充物对溶洞区域悬空的套筒形成侧向挤压，同样易造成套筒跟进过程中偏心受力，导致桩基偏位。

3.2 泥浆护壁工艺

采用泥浆护壁进行桩施工的过程中，因溶洞横向及竖向强发育，护壁泥浆经溶洞流动，涌入邻近的地铁施工项目。采用泥浆护壁，一方面加速了溶洞填充物的液化，使得原竖向及横向串状发育的溶洞变成了通道，导致桩基混凝土在浇筑过程中混凝土流失严重。因反压混凝土通过溶洞流失至地铁隧道的护壁处，挤压护壁及底板，导致隧道墙壁多处出现裂缝变形，拱部出现沉降，影响隧道施工安全。

3.3 普通工艺问题

采用泥浆护壁的各种桩工艺及普通套筒旋挖工艺，均不能有效地处理邻近地铁溶洞强发育的特殊情况，开挖成孔效率低，常出现坍孔塌陷，普通的毛石回填方法不见成效。大多数桩工艺通过反压进行溶洞处理，当溶洞较多、较大时，反压的次数就会越多，现场反复施工会弱化土质条件，导致表面土层淤泥化，极易出现大面积的塌陷，增加了机械施工的安全风险。

4 全套筒全回转钻机施工工艺

如前文所述，因邻近地铁，采用泥浆护壁的各种桩工艺均不能保障泥浆的流失和混凝土的流失对地铁的影响；干作业成孔的桩工艺也必须解决混凝土浇筑时的流失问题。为解决岩层下溶洞垮塌问题，就必须使用能够旋进岩层的套筒。

全套筒全回转钻机是能驱动钢套管进行360°回转，并将钢套筒压入和拔出的施工机械。该新型机械有护壁驱动器、钢套管，配有专用钻头实现对岩层的破碎并使钢套筒跟进岩层，结合旋挖机联合进行抓取土施工。

结合该项目的邻近地铁溶洞强发育的特点，采用全套筒全回转钻机施工，埋设一次性钢套筒，钢套筒不拔出，以解决混凝土浇筑过程中混凝土流失影响地铁的问题。

4.1 工艺流程

桩基施工场区泥浆外运，块石换填，场地平整→桩位放线定位→安放路基板→360°全回转钻机就位→下第1节外壁钢套筒→回转钻进→旋挖机就位，旋挖机（冲抓斗）跟进掏渣取土→接外壁钢套筒，回转钻进→重复旋挖取土、接外壁钢套筒、钻进至设计桩底标高→清孔→安置钢筋笼→下导管→浇灌桩身混凝土至桩顶→振捣桩头→清理桩头浮浆、校正钢筋笼→搭设承台钢筋绑扎、就位的施工架子→承台钢筋绑扎→塔吊预埋件、防雷→隐蔽验收→承台基础混凝土（混凝土试块制作）→混凝土养护→基础验收

4.2 工艺要点

4.2.1 施工准备

根据设计图纸结合地质勘察报告和超前钻资料，对现场地质、水文情况进行研究，对工程地质进行土壤可钻性分析及入岩可钻性分析，做好桩孔编号及溶洞分布统计、标识。

4.2.2 测量放样

对建设单位提供的规划测量坐标控制点进行复核，经复核无误后，进行场内二级控制点布设。根据二级控制点布设各楼栋内三级控制点。再依据三级控制点（设置在各楼栋的主轴线上），按照从整体到局部的原则，进行桩位的坐标放样，桩位按桩机规划好的行走路线及桩孔施工先后顺序进行依次放样。

4.2.3 移机对位

定好桩位后将路基板吊到桩位上，复查桩位无偏差后，全回转钻机就位，吊车一侧吊装反力架，并用履带式吊机抵住。

根据施工所需压力，扭矩不同的钻机两侧可以加放小于20 t的配重，防止套筒旋进过程中产生的反作用力使机械挪位。

4.2.4 调整水平及垂直度

1）调整机器水平并保证4个支脚油缸均匀受力，钻进时在距钻机十多米处安置两夹角90°吊绳进行观察，随时纠偏。

2）在主、副夹具完全打开的情况下放入刀头节套管7.5 m，吊放过程中不要与主机机体碰撞。

3）保证套管刀头与地面有150 mm的距离夹紧套管，同时观察水平情况，可做微量调整，并随时监测。

4.2.5 钻进取土

1）在钻机回转钻进的同时观察扭矩、压力及垂直度的情况，并做记录。当钻进至全回转钻机平台上端留有1～2 m外壁钢套筒时，吊装旋挖钻机作业平台，用旋挖钻机取土作业（图1）。

2）测量取土深度，当外壁钢套筒内留有1～2 m土未取时，停止取土，处理外壁钢套筒接口，准备接下一节外壁钢套筒。套筒口要进行除锈，涂抹油脂，并加一层保鲜膜，便于拆装。

3）吊装标准节外壁钢套筒及套管进行连接，保养过的连接螺栓要对称均匀加力并紧固（图2）。

图1 钻进取土现场

图2 钢套筒连接现场

4）连接原装外壁钢套筒后继续钻进，钻进后用旋挖钻机取土作业，循环以上的操作过程。

4.2.6 外壁钢套筒安置

钢套筒安置时顶标高同设计桩顶标高，以上放置可周转的厚5 cm孔口外壁钢护筒，孔口钢护筒高出场地标高300～1 000 mm，以防止孔口周边土体塌陷、掉渣等。

4.2.7 钢套筒连接

钢护筒连接时，在连接销连接的基础上，使用附加焊接片进行焊接加强。每节长度均为3 m，厚度均为50 mm，底筒靴部位厚度50 mm，采用安装日本刀齿的方式进行跟进（图3）。

图3 筒靴示意

套筒标准节（图4）常规长度为3、6 m，辅以1、2、4 m的规格进行调整。套筒标准节的上下两端焊有连接环，连接环上设有定位销和锚环并通过连接销（图5）进行连接[3-4]。

图4 标准套筒节大样

图5 连接销大样

4.2.8 管涌控制

随时观察孔内地下水和穿越砂层的动态，按少取土多压进的原则操作，做到套管超前，充分发挥钻机强大扭矩及压入力的钻孔性能特点。依据套管的最大切割下压能力，做到套管始终超前，抓土在后，抓土面离套管底的最小距离应保持在2倍桩直径以上，使孔内留足一定厚度的反压土层，防止管涌的产生。往孔内灌水，直到相当于承压水头的高度后再钻进。

5 工艺对比

因全套筒全回转钻机的套筒配有专用钻头结合传动装置，能实现360°的转向，在遇到孤石的情况下，一般套筒旋挖在下压套管时，因不均匀受力会导致套筒偏向，导致桩孔偏位，而全套筒全回转能切开孤石，通过套管可强制导向防止偏孔，确保桩位不受孤石影响（图6）。

普通工艺采用泥浆护壁静压工艺施工，当钻进至无填充且容积较大的溶洞或贯穿发育的溶洞时，泥浆会瞬间流失，从而使桩上部失去泥浆压强及护壁，在土质松散时就会造成坍孔，同时没有孔壁导向时容易造成偏孔。而全套筒全回转钻机配备套筒能强制导向，有效防止坍孔偏孔（图7）。

图6 全套筒全回转穿透孤石

图7 全套筒全回转穿透溶洞

该项目溶洞串状发育至地铁施工位置，开挖及浇筑阶段都不拔出套筒，避免了采用泥浆护壁时泥浆经溶洞流失至地铁施工项目位置对地铁施工造成影响，避免了混凝土浇筑时混凝土挤压溶洞填充物进而对地铁隧道的护壁造成挤压。

6 结语

全套筒全回转跟进不拔出的施工工艺，由于外壁钢套筒能有效穿过溶洞、孤石、岩层，完全跟进至持力层岩层，开挖及浇筑过程都不拔出，桩孔与周边土体完全隔绝。在成孔后吊装钢筋笼的过程中，钢筋笼不会与周边土体接触，孔壁不会掉渣、溶洞不会坍孔至桩底，桩底沉渣较少，能有效成孔且有质量保证，能快速且有效地处理邻地铁溶洞强发育地质条件下的桩基施工。