双层套管式全回转工艺在超长钻孔灌注桩中的应用

吴兰旗 农其

摘要：结合实际工程项目，详细阐述双套管全回转钻进工艺技术在有深厚回填土、多层溶洞发育的喀斯特地貌地质条件下的超深、大直径嵌岩桩施工中的运用。该技术攻克了单层全套管全回转钻机施工工艺无法克服的单套管侧面受超大填土压力及超大摩擦阻力，，造成钻进效率低、难以穿越硬质岩层和难以拔出套管的难题，取得了良好的经济效益和社会效益。成果可供相关工程参考。

关键词：双层套管;全回转钻机;超深桩;复杂地貌;施工技术

中图分类号：TU757                文献标识码：A

1 引言

全回转全套管钻机是一种可以驱动套管做360度°回转的全套管施工设备，套管压入和挖掘同时进行，具有新型、高效、环保的钻进技术[1]，近年来在城市地铁、深基坑围护咬合桩、废桩（地下障碍）的清理、机场、高铁、道桥、城建桩施工、水库水坝加固等项目中得到广泛的应用。[2]

全回转全套管的应用需根据地质条件进行选择，基于在实际工程施工中因施工深度加大、套管自重增加、套管外壁岩土摩擦阻力增大，造成钻进效率低下、钻深受限及浇灌后无法提拔套管等问题，急需更大型全回转钻机或改善施工工艺，然而国内目前存在大型全回转钻机数量较少，资源调用困难，调配成本高，套管制作要求硬度、厚度要求加大等问题。积极探索如何提高全回转钻机在复杂地层对超长超深施工时的施工效率和成桩质量，充分发挥其新型、高效、环保的钻进特点，对于扩大全回转的应用范围，为复杂地层超深桩的施工技术选型提供新的选择，使钻孔灌注桩在深厚回填土、多层溶洞发育的喀斯特地貌地质中焕发出更强大的市场生命力具有重要意义。

2 工程概况

2.1 项目概况

某工程位于贵阳龙洞堡国际机场，项目于2018年9月正式开工建设。项目分为地上四层、地下一层，建筑高度37.08 米，建筑面积16.7 万平方米m2。楼内新设普通值机柜66个、自动值机柜24个，新设国内出港安检通道30条，总商业面积为1.4 m2万平方米，原设计基础采用深度80 m以内，桩径2.22.6m～2.22.6 m内的旋挖灌注桩。

2.2 水文地质条件

现场钻探揭露显示从上到下主要为三层，分别为第四系全新统填土层（Q4ml）、第四系全新统洞穴层、三叠系下统大冶组（T1d）。

①填土层素填土，主要由红黏土、碎石块组成，少量建筑砼块，钻探揭露厚度为2～64.2 m，平均厚度27.65 m，到目前为止一直在回填，为新近回填土，自然抛填，未进行夯实。

②洞穴层溶洞，主要由红黏土、溶蚀碎屑、碎石组成，黏性土呈软塑至可塑状态，个别孔洞为空洞，钻探揭露溶洞高度为0.6～7.7 m，平均高度为2.4 m。

③三叠系下统大冶组（T1d），强风化灰岩分布地段零星，钻探揭露厚度为1.0～3.1 m，平均厚度为4.63 m，局部夹白云质灰岩，中厚层状构造，胶结程度一般，岩体基本质量等级为Ⅴ级。中等风化灰岩局部夹砾屑灰岩及白云岩，中厚层状构造，胶结程度较好，节理裂隙发育较少，质硬，岩芯完整，呈长柱状，岩体完整性指数为0.35～0.5，岩体基本质量等级为Ⅳ级。

2.3 设计情况

本工程地基持力层为中风化灰岩，地基承载力特征值fa=3 500 kPa。桩极限侧阻力标准值q=500 kPa，，桩极限端阻力标准值q=15 000 kPa，，f=26 000 kPa。樁为嵌岩桩，，桩基础应穿透下伏基岩中的溶洞、裂隙，要求桩端全截面嵌入完整岩层内且放置在稳定的持力层上，持力层厚度应满足3倍桩径且不小5 m，无软弱夹层、断裂带、洞隙分布。

采用水下混凝土施工方法浇灌，桩身混凝土应满足《建筑桩基技术规程范》（JGJ 94-2008）表3.5.2中的要求。项目采用全套管管内取土成孔工艺时，混凝土均应为自密实混凝土，混凝土必须具备良好的和易性;胶凝材料用量不应少于360 kg/m3。含砂率宜为40%～50%，宜选中粗砂。粗骨料粒径应小于40 mm，不得大于钢筋间最小尽净距的1/3。

孔达到设计深度，灌注混凝土之前，孔底500 mm以内的泥浆相对密度应小于1.25，含砂率不得大于8%，黏度不得大于28 s。

3 双层套管式施工工艺原理

贵州省贵阳龙洞堡国际机场某工程桩基础项目在使用单层全套管全回转钻进施工时遇到因桩深加大，管壁受摩擦阻力增大，造成钻进效率低下，浇灌拔套管时因内外壁同时受摩擦阻力而很难拔管，造成桩身混凝土离析的问题，为此项目在施工过程中研发了双层套管式全回转超长桩的施工技术，并利用该项目的桩基进行施工任务。

其工作原理为利用全回转钻机先将外套管进行驱动钻进，使用旋挖钻机在外套管内取岩土，外套管钻进深度根据外套管自重、管壁受摩擦阻力和全回转钻机功率大小而定;其受力达到全回转钻机的最大负荷时可停止外套管钻进，该项目外套管外径为2.6 m，钻进深度在为50～70 m不等;然后全回转钻进利用外套管形成的内腔将内套管进行驱动钻进并用旋挖钻机取岩土，内套管外径一般小于外套管内壁径，该项目的内套管径为2.2 m，，通过内套管可直接钻进至桩基设计深度要求。

该工艺主要是利用了将长段工作对象进行分段受力的方式，使全回转钻机在适用的额定功率工况下进行负荷运用，使每个单段施工都能充分运用其设备达到钻进效果，最后对单段效果进行合并，得到整体效果的原理。充分利用使钻机有限的扭矩、拉拔力集中作用于上段或下段套管，达到全回转钻机可施工深度成倍增加的目的。（如图1、图2所示。）

4 施工控制要点

双套管施工工艺流程主要为：钻机就位→外套管钻进→内套管钻进→安置钢筋笼→安置灌注导管、料斗、料斗塞→浇灌内套管砼→提拔内套管→浇灌外套管砼→提拔外套管→移走钻机、成品保护（如图3所示）。

4.1 钻机就位

在每个桩位定出十字控制桩后，铺设20 mm厚的钢垫板，避免施工过程中设备出现不均匀沉降，用吊车将全回转钻机驱动装置吊到桩点位置定位好，并对全回转钻机进行安装调试待用，对桩位进行复核，确保钻机中心点误差在10 mm内;土石方修整旋挖钻机工作平台或制作专用的钢工作平台，平台要结合旋挖与全回转钻机高差修整，高度一般为1～1.5 m，要夯实平整以确保旋挖钻机施工过程中的安全、平稳。

4.2 外套管钻进

钻进作业前，对钻机中心采用定位器对准桩位，外套管中心定位误差不大于50 mm。在施工过程中，每节外套管的安装时都要进行垂直度测量，并通过钻机本身的三向垂直控制系统反复检查钻进的垂直度，确保外套管垂直度≤不大于1%桩长;在外套管钻进的同时用旋挖钻机钻取套管内部的岩土以达到成孔的目的，套管底端工作面与旋挖钻头工作面相差要控制在2 m以内，以保证套管钻进和钻取岩土的工作效率。外套管准备钻进至设计外套管端底标高时，要提前选择合适长度最后一节外套管配节（一般有2 m、3 m、4 m不同规格）进行连接以保证外套管在停止钻进时在钻机夹紧装置的最低作业位置，如未到达最低位置，原则可选择适当再钻进一定深度来使其顶端定位。

4.3 内套管钻进

将外套管底部用旋挖钻机清理平，确保外套管自身稳定且内部岩土面平整。将外套管夹具松开，调整全回转钻机行程并更换上内套管驱动夹具，利用吊车和内驱动夹具的反复配合工作逐节将内套管下放到外套管底部工作面，通过全回转钻机垂直控制系统反复检查内套管垂直度≤不大于1%桩长并边回转边缓慢压入岩土，待内套管底端完全嵌入岩土后方可正常钻进，直至设计桩底标高，完成成孔施工。成孔后，按桩基成孔质量检测标准（见表1）进行验收，验收合格后方能进入下道工序。

4.4 混凝土灌注

本项目采用超缓凝自密实水下不扩散混凝土，要求混凝土初凝时间大于等于整桩灌注所需时间，以保证在混凝土灌注期间混凝土处于初凝前状态。混凝土设计坍落度宜为140～180 mm，混凝土应具有良好的和易性、流动性。灌注过程严格按照水下桩基混凝土浇灌规范要求进行导管泌水性试验和提升速度，混凝土导管底口距离孔底0.3～0.5 m，并位于内套管中央。项目选用5 m3料斗并利用两台泵车同时补料以保证初斗料能间断浇灌直至导管底部埋入混凝土面以下1 m以上。

4.5 提拔内外套管

套管提拔要根据超前钻报告资料确定最底层溶洞所处深度，当灌注混凝土面达到该深度时，可开始缓慢拔取内套管，并实时测量混凝土液面，先不提升导管以保证导管底部在溶洞底部2 m以下，当混凝土面稳定上升时再缓慢提升导管且保证导管底部在混凝土面下3～6 m内，防止溶洞突然排水冲击混凝土造成混凝土离析或断桩。当混凝土面到达外套管面时，可将内套管全部拔出，更换夹具开始边灌注混凝土边拔出外套管，在整个灌注过程中要上下200～300 mm小幅抽插灌注导管防止导管堵塞管以保证施工连续性，从而保证施工质量。[3]

5 质量控制

外内套管钻进时要时刻检测套管的垂直度，特别是岩溶区域富含斜岩、半边岩、孤石等地层，容易出现套管偏移，若出现垂直度不符合要求，需分析原因，考虑是否回填，同时调整施工参数，进行二次钻进。

结合实际钻进的地质情况和全回转钻机的负荷情况及时调整外内套管的钻进深度，当发现外套管在终钻时负荷过小或未到终钻时负荷过大无法钻进时，要及时汇报组织分析，及时调整外内套管的施工深度参数，必要时申请设计变更，以保证正常钻进或拔出套管，确保桩身质量。

选择合理混凝土添加剂配比，结合“浇灌-拔套管-提导管-再浇灌”的施工顺序特点，需要混凝土在灌注过程中保持混凝土足够的流动性，且具有较好的不扩散和自密实性[4]。项目充分利用考虑其超长初凝时间和超深水下环境等条件，要同商砼厂家进行实验调配，选择最优的超缓凝自密实水下不扩散混凝土的配比和供料方案，保证浇灌过程的连续性和浇灌质量。

拔套管过程中要注意洞溶的分析情况，当出现混凝土面下降严重时要停止拔套管要，分析下降原因及采取措施，避免因混凝土流失造成的斷桩。[5]

6 结语

该工艺已成功运用于贵阳龙洞堡国际机场三期扩建工程T3航站楼项目工程桩项目，通过双层套管式全回转施工工艺的运用，该项目桩基质量检测承载力符合设计要求，合格率达100%，利用分段式的合理受力驱动模式，充分挖掘全回转的现有钻进优势，从而大幅提高施工效率，保证了项目的质量和工期，具有良好的经济效益和社会效益，值得推广。

（责任编辑：武多多）

参考文献：

[1]吴吉，何洪普，赵德军，赵贻强，樊文波等.全套管全回转钻机与旋挖钻机在超厚回填复杂地层的联合应用[J].施工技术，2020（01）：16-18.

[2]于芳，黄新.全套管全回转钻机在岩溶地区大直径超长桩施工中的应用[J].建筑施工，2018（10）：1688-1690.

[3]周学民，王兴康，赵建立.复杂地质及周边环境超长全回转全套管灌注桩施工技术[J].施工技术，2017（08）：28-31.

[4]唐兵.TDR全回转工艺在成都地铁施工中的应用[J].工程建设，2017（07）：55-57.

[5]建筑桩基础技术规范：JGJ 94-—2008[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.