全套管全回转在含抛石淤泥地层加固工程中的应用

2020-06-15张钦喜闫金波何世鸣

岩土工程技术 2020年3期

张钦喜闫金波何世鸣

(1.北京工业大学建筑工程学院，北京 100124；2北京建材地质工程有限公司，北京 100102)

0 引言

全套管全回转施工工法在国外的名称为贝诺特(Benote)工法，是利用全套管全回转钻机，将预制好的钢套管通过360°回转压入地层至一定深度，通过冲抓斗将钢套管内的土体取出，再逐步压入套管成孔，最后吊放钢筋笼、灌注混凝土、起拔钢套管的施工方法[1]。由于该工艺具有以下特点：一是可以在各种复杂的地层中进行钻孔施工；二是还可以咬合桩的形式形成柱列式挡土墙；三是可以有效解决嵌岩桩穿越溶洞的施工难题；四是可以有效清除地下障碍物(废弃的桩或地下建筑物等)。因此，全套管钻机又被称为“万能钻机”[2]。杜晓轩[3]介绍了全套管全回转在九景衢铁路跨彭湖高速公路特大桥岩溶深桩中的应用，充分说明全套管全回转施工法处理岩溶深桩有着明显的优势。方能榕[4]介绍了全套管全回转钻机清除地下遗留桩施工技术在福建某地铁工程中的应用。周学民等[5]介绍了针对福建罗源钢坯打捞工程围护桩的复杂地质及周边环境超长全套管全回转灌注桩施工技术。于芳等[6]介绍了全套管全回转在江西省宜春市荣百尚宜春项目商业桩基工程1标段岩溶地区大直径超长桩施工中的应用，根据实际工程的技术特点和施工特点，认为采用全套管全回转与旋挖钻联合施工工艺，能较好地解决在岩溶地区泥浆护壁已经不适用、斜岩面的处理及垂直度较难控制、溶洞中卡钻掉钻事故频发等问题。

上述文献介绍了全套管全回转钻机在复杂地质条件中的应用，并取得较好效果。本文结合大连某项目既有建筑加固中的应用，针对含抛石淤泥地层复杂的填海地质条件问题，详细介绍了选择该工艺的地质条件、工艺的流程、严格沉渣控制等情况，为类似工程提供参考和借鉴。

1 工程与地质概况

1.1 工程概况

大连某项目总建筑面积约60000 m2。地上为50栋独栋建筑，地上23层，地下车库为地下1层，2013年10月开始施工，2015年10月末全部主体结构封顶。本场地建筑距离海岸线实测距离为120～200 m，本项目场地为新近围堤填海场地(填海时间2011.3—2013.6)，由于场地原因造成建筑不均匀沉降，导致建筑倾斜及结构构件开裂、变形等损坏。

依据建筑物倾斜状况及结构损坏程度，采取建筑物整体托换、纠偏、加固等修复措施。通过在建筑物周边增设大直径嵌岩桩，在建筑地下室周圈增设外伸臂构件与桩基连接，在建筑地下室内部增设结构构件且对部分结构构件进行加固，提高整个建筑的结构整体性,以实现建筑物整体托换及纠偏；同时对已发生破坏的主体构件进行修复。

本工程采用桩基为直径1000 mm钻孔灌注桩，桩身混凝土强度为C45。新增桩位距离既有建筑外墙中心线2.1 m，本工程桩全部为嵌岩桩，入中等风化岩石深度不小于0.5 m，桩长40 m左右。某栋建筑物新增桩位布置如图1。

图1 某栋既有建筑新增桩位布置图(单位：mm)

1.2 地质概况

本场地为填海造地场区，南部山丘环绕，北侧临近大海，其地势大致呈南高北低，陆域主要地貌为低山丘陵，属构造、剥蚀地貌，潮汐落差约3 m。陆域低山主要为厚层石英岩夹薄层千枚状板岩残、坡积层覆盖，并部分出露辉绿岩，覆盖层较薄。场区内自上而下主要分布有素填土、不同风化程度山皮石块、建筑渣土、淤泥、淤泥质土、粉质黏土、粉质黏土混碎石、板岩、辉绿岩，场区基岩以上覆盖层厚度约25～45 m。

2 施工工艺选择

反循环钻进成孔是利用泵吸或泵举的压力将携带钻渣的泥浆通过钻杆排出孔外的成孔方法，适用于填土、淤泥、黏土、粉土、砂土、砂砾等地层。对于本工程的地层，反循环钻进效率极低，甚至无法进尺，该工艺被排除。

冲击成孔利用冲击式钻机或卷扬机把带钻刃的、有较大质量的冲击钻头(又称冲锤)提高，靠自由下落的冲击力来削切岩层或冲挤土层，部分碎渣和泥浆挤入孔壁中，大部分成为泥渣，并利用专门的捞渣工具掏土成孔，最后灌注混凝土成桩。该工艺的钻进效率低，同时产生较大量的泥浆。该工艺对周围既有建筑物有震动损坏，同时在工期紧、任务重的条件下，该工艺被排除。

旋挖成孔施工法成孔原理是利用一个可闭合开启的钻斗和可伸缩的钻杆，旋转切削挖掘土层，同时使切削挖掘下来的土渣进入钻斗内，钻斗装满后提出孔外卸土，如此循环形成桩孔。该方法成孔施工具有低噪音、低振动、扭距大、成孔速度快等优点。该法适用于填土层、黏土层、粉土层、淤泥层、砂土层以及含有部分卵石、碎石的地层，桩孔沉渣少，孔壁泥皮薄，桩侧摩阻力发挥好。但是在该地层单纯依靠泥浆护壁不能有效保证孔壁稳定，容易造成淤泥等流失，从而对周围地层、建筑物等周边环境造成不利影响，甚至加剧既有建筑物变形和损坏。

综合以上施工工艺的特点和本工程施工地层特点，最终采用以全套管全回转钻机、冲抓斗与旋挖钻机联合成孔三种工艺相结合的工艺。

3 工程重难点分析

(1)地层复杂，常规冲击钻机、旋挖钻机不能满足要求

因场地地层中碎石填土、基岩占比例大，钻进难度大，并存在淤泥软弱层，常规的冲击或旋挖成孔不能保证已有建筑物安全，有可能会加剧既有建筑变形和损坏，为此需选择对周围建筑物及地基土影响小的施工工艺，确保既有建筑物的安全并不因此而加剧变形。因此，选用全套管全回转钻机、冲抓斗与旋挖钻机联合成孔工艺。为防止成孔过程中钻孔周围(尤其是填土、淤泥和淤泥质土)发生流动引起次生灾害，需边钻进边下钢护筒，钢护筒底部镶合金切削刀头，灌注混凝土过程中随混凝土灌注高度采用全回转钻机将钢护筒逐节拔出。

(2)保证桩的质量，确保桩的持力层

场地地质条件复杂，持力层深度及持力层下可能有软弱夹层、空洞等不良地质现象，为此需要采取有效、可靠的办法探明。打桩前采用超前钻进行施工勘察，查明持力层深度及持力层下有无软弱夹层、空洞等不良地质作用，一桩一孔或一桩多孔，深度达到桩底以下不小于8 m。

4 成桩技术

全套管全回转钻钻机型号主要有DTR1605和DTR2005两种型号，并配有旋挖钻机和冲抓斗联合成孔。

钻机DTR1605参数为钻孔直径：800～1600 mm；回转扭矩:(1248/738/417)kN·m (瞬时1369 kN·m)；最大套管下压力：最大360 kN+自重290 kN；回转速度：(1.6/2.7/4.8)r/min；套管起拔力：2444 kN，瞬间2690 kN；压拔行程500 mm。

钻机DTR2005参数为钻孔直径：1000～2000 mm；回转扭矩：(2965/1752/990)kN·m (瞬时3391 kN·m)；最大套管下压力：最大600 kN+自重460 kN；回转速度：(1.0/1.7/2.9) r/min；套管起拔力：3760 kN，瞬间4360 kN；压拔行程750 mm。

全套管全回转钻孔灌注桩施工流程为：平整场地→ 施放桩位→ 钻机就位→ 压入套管→ 冲抓斗工作→ 旋挖工作→ 清孔→ 安装钢筋笼→ 浇灌混凝土→ 拔出导管和套管→施工完成。

4.1 平整场地

定好施工区域后，需要对施工区域进行平整处理，便于全套管全回转机械工作，另需要留出一定区域存放套管。根据施工现场不同条件，主要有以下两种方法：置换土处理，挖掉软地基，回填碎石料；铺设钢板，增大抗压面积。

4.2 施放桩位

由专业测量人员用全站仪测定桩位，打好钢钎，做好标记。

4.3 钻机就位

(1)用两根钢筋做成垂直十字形，放在全套管全回转的基板上。

(2)将基板吊到桩位上，使十字形交点与桩位的钢钎位置刚好重合，落下基板。

(3)由专业测量人员复测桩位，如无偏差则可将钻机吊放到位。

4.4 压入套管

在压入套管时应注意套管水平度和垂直度的保证。

(1)利用机器4个油缸调整水平，并保证4个支脚油缸均匀受力。

(2)钻进时在距钻机合适位置处摆放线垂，观测套管垂直度，随时纠偏。

4.5 钻进取土

在钻进取土过程中用到了冲抓斗和旋挖联合取土。

(1)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。

(2)当钻进到一定深度时，用冲抓斗取土，取土前套管上吊装保护套管接头的套管帽；回转钻进的同时进行取土作业，并监测取土深度，不能超挖。

(3)当用冲抓斗工作至较硬地层时，需要旋挖钻机进行取土，同样不能超挖。旋挖的钻头应与套管直径相近，避免产生套管内土体形成台阶。

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4.6 清孔

当钻进达到设计深度后就可以用旋挖进行清底工作，反复抓取直到孔底大颗粒沉渣被全部取出。然后气举反循环或泵举反循环进行清孔工作。

4.7 安装钢筋笼

(1)全回转钻机的套管内径为980 mm，因此，钢筋笼的外径不得大于850 mm。

(2)因全套管跟进，不塌孔，不缩径，为防止套管拔出时带出钢筋笼，应控制好钢筋笼与套管壁之间的间隙。

(3)将制作好的钢筋笼用吊车吊入套管内，焊接时按要求焊接。

4.8 灌注砼及起拔导管和套管

首先将导管吊放到钢筋笼内安放好，注意底端离孔底距离不得大于 500 mm，每节的气密性要检查好。浇灌混凝土时应注意首灌量并满足水下灌注混凝土的技术要求。浇灌混凝土同时拔出导管和套管，为防止套管起拔困难，常在混凝土内加缓凝剂。

5 严格沉渣控制措施

由于本工程具有一定特殊性，对承载力要求较高，针对全套管全回转工艺具有不塌孔、无泥浆特点，现场通过气举反循环或泵举反循环两种形式清孔，进行严格的桩底沉渣控制。

5.1 气举反循环清孔

气举反循环清孔工作原理[7]是利用空压机压缩空气，通过安装在导管内的风管将压缩空气送至孔内。当压缩空气从风管底部混合器喷出时瞬间膨胀，与泥浆混合后形成由空气、液体(泥浆)与固体(浮渣)混合的三相混合物。因混合物的密度小于导管内液体的密度，混合物会在导管内上升，进而在导管内形成负压区，导管内的液体在负压的作用下携裹着沉渣沿着导管上升。通过导管与孔壁之间的空隙及时向孔底补充新水，形成具有一定流速及流量的反循环系统，将孔底沉渣排出，工作原理如图2。