桥梁桩基强岩溶发育全套管全回转钻机施工方法

黄建喜，钟林东

(1.广西路建工程集团有限公司，广西 南宁 530001；2.南宁市筑路技术与筑路材料工程技术研究中心，广西 南宁 530001)

0 引言

全套管全回转钻机是一种可以驱动套管做360°回转的全套管施工设备，是日本在20世纪80年代中期在摇动式搓管机的基础上开发的新型施工设备[1]。全套管全回转钻机作业时，通过回转装置给钢套管施加扭矩，从而带动钢套管边回转边压入地下，同时利用冲抓斗、冲击锤挖掘取土或旋挖钻取土，直至套管下到桩端持力层为止[2]。在整个钻进过程中，钢套管起到护壁作用，能有效避免施工过程中出现塌孔等安全隐患。

目前，全套管全回转钻机在桥梁钻孔灌桩施工的应用方面研究不多，特别是针对岩溶强发育地区大桩径钻孔灌桩的应用研究成果极少。因此，以全回转钻机施工工艺为核心，对岩溶地区大直径钻孔灌注桩施工工艺原理、施工方法进行研究，能为后续同类型工程建设起到关键指导作用，具有重要现实意义。

本文结合培森柳江特大桥象州岸P2主墩桩基施工，总结了岩溶强发育地区桩基础全套管全回转施工工艺技术，并在其主墩桩基的施工中取得了显著效果。

1 工程概况

培森柳江特大桥，桥长2 538.5 m，主桥桥型为(145+280+145) m预应力混凝土矮塔斜拉桥。培森柳江特大桥主墩桩位区覆盖层总厚度为5～12 m，基岩岩溶高度发育，溶洞处在6～41 m不同深度位置，呈多层分布且大小不等，如下页图1所示。6～30 m浅层溶洞发育多为填充型溶洞，充填有黏土、松散状砾砂、卵石、细砂和黏性土一种或几种混合物，该部分溶洞具有埋深浅、裂隙发育、溶洞顶部岩层厚度小、分布层数多且大多相互连通的特点。30 m深度以下的深层溶洞发育多为体积较大的无填充空溶洞。根据逐桩地质勘察柱状图统计，象州岸15#主墩24根桩基共遇到大小溶洞105个，平均每根桩遇到溶洞4.4个，多数桩基溶洞数量为5～7个，桩基施工难度大，安全风险高。

图1 工程地质柱状图

2 工程难点及施工工艺比选

通过实地考察及对地勘资料的分析研究，对本项目的施工难点主要总结有以下三方面：

(1)项目地处岩溶强发育地区，地质条件十分复杂，若桩基成孔设备及工艺选取不当，则容易发生塌孔、卡锤、卡钻、孔口地面塌陷及清孔不彻底等安全或质量事故。

(2)浅层溶洞顶部岩层由于裂隙发育，在钻进施工时，受施工扰动后溶洞顶部岩层崩塌，进而引发地面塌陷，危及施工人员及设备的安全。

(3)培森柳江特大桥是全线关键控制工程，合同工期内正常安排施工工期非常紧张。且主墩桩基进度又是整座特大桥进度控制的关键，时间紧、任务重。

结合上述问题，为保证桩基施工的质量与安全，项目技术人员对不同桩基成孔工艺进行了对比分析(如表1所示)。通过工艺比选，确定使用全套管全回转施工工艺。

表1 桩基成孔工艺比选分析表

3 全套管全回转钻机施工工艺

3.1 施工工艺流程(图2)

图2 施工工艺流程图

3.2 施工关键技术

3.2.1 基础加固

由于全回转钻机自重较大，因此在进行套管下压及拔除时对地基产生很大作用力，对桩位地基承载力要求高。为避免施工过程出现孔口下沉影响进度，桩基施工前需按照全回转钻机底座尺寸，将桩周20 m2范围采用质地坚硬的石渣换填50 cm，整平后采用压路机压实，并铺垫2 cm厚钢板进行。保证全套管全回转钻机在施工时施工场地不会产生塌陷，钻机不会倾斜。

3.2.2 钻机就位

桩中心放样完毕后，采用振动锤将直径2.7 m、壁厚1.6 cm的外钢护筒打入3～5 m深，防止在灌注完成后拔出底节套管时顶部的覆盖层坍塌，侵入桩基混凝土，影响桩基质量，损坏检测管。在外护筒打入到指定深度后，采用120 t履带吊配合钻机就位，并在两个方向设置吊锤时复核套管垂直度。

3.2.3 覆盖层钻进施工

钻机对中桩位，采用120 t履带吊安放第一节带刀头的底节管。安放就绪后，驱动全回转钻机下压套管，实现套管快速钻入地层。第一节套管压入土层后及时进行套管接长，套管采用螺栓连接，接长作业在全回转钻机平台进行。

第一节套管钻入地层后，利用吊机沿套管内壁释放冲抓斗至孔底实现冲抓取土。根据地勘报告，覆盖层主要为卵漂石层，此部分地层施工时套管需超前钻进，冲抓斗跟进取土，遇到孤石或薄岩层抓斗无法取土时，则采用十字冲锤击碎再用抓斗取渣。

3.2.4 岩溶发育地层钻进

当钻进至岩溶发育地层时，需认真核对地勘资料，溶洞顶岩层厚度较小或裂隙较发育时，可直接采用全回转钻机驱动套管的同时下压套管，利用底节套管刀具切削岩层实现套管跟进；也可采用十字冲锤击穿溶洞顶部破碎岩层，冲抓斗取渣，再启动全回转钻机下压套管的方法跟进。当溶洞与溶洞间岩层较完整或厚度较大，十字冲锤配合冲抓斗无法施工，全回转钻机直接驱动下压套管切削岩层效率较低时可改用旋挖钻机直接钻进取芯，超前进尺，当超前进尺长度达到2～3 m后，再开动全回转钻机进行压套管跟进，如此循序渐进将套管跟进至完整基岩。当遇到体积较大的空溶洞时，为了保证桩基混凝土的灌注质量，需先灌注水下低标号混凝土并对空溶洞进行充填，待回填混凝土强度达到70%后再继续钻进，保证成孔质量。

3.2.5 完整基岩地层钻进

当套管跟进穿过最底层溶洞进入完整基岩后，套管可不用继续跟进至设计孔底。此时可将全回转钻机调开，改用旋挖钻机直接钻进取芯至设计孔底。

3.2.6 清孔

全回转工艺所使用钢套管嵌入完整基岩面至少1 m，桩孔与桩周完全隔离，孔内只有旋挖钻切削岩体的石块及石屑。粒径较大的石块采用旋挖钻的平底掏渣斗进行清理，细小的石屑与孔内水混在一起变成浆液，平底掏渣斗无法清理则采用气举反循环抽浆法将浆液输送至泥浆净化装置进行清孔。

4 岩溶处理措施

根据设计地质勘察报告，象州岸主墩桩基位属于岩溶高度发育地段，在桩基施工过程中势必会遇到溶洞。在钻进施工过程中，现场施工管理人员需详细记录溶洞的顶底标高，根据漏浆情况判断空溶洞大小，并比对设计地勘资料，每根桩都建立独立完整准确的地质资料，为溶洞处置及混凝土灌注提供数据，并制定相应措施。采用全套管全回转钻机施工的桩基大部分溶洞为填充型溶洞，只有个别桩基分布有空溶洞，而空溶洞的处置直接影响桩基混凝土的灌注质量。项目对于上述存在空溶洞的桩基制定以下有针对性的处置措施：

(1)对于高度<8 m的空溶洞采用回填片石及黏土的方式进行填充加固。

(2)对于高度<8 m的含填充物溶洞采用注入水泥浆的方式进行加固。

(3)对于高度>8 m的空溶洞，为保证桩基混凝土灌注质量，需提前对空溶洞进行无扩散水下混凝土灌注填充，这是最直接有效的方法。当钻进至空溶洞底部之后，将套管拔起至空溶洞顶部以上至少3 m(如钻机顶部套管外露过长影响混凝土灌注需先拆掉一节套管)，形成一定的混凝土柱压力，让空溶洞得到充分的填充。回填混凝土采用低标号泵送混凝土，灌注工艺与桩基水下混凝土相同。每次溶洞回填混凝土灌注，试验室均要取样做试件，现场要根据试件强度确定再次钻进时间，避免出现回填混凝土强度不足钻进破坏的情况，影响回填效果。

(4)对于高度>8 m的含填充物溶洞，在进行混凝土灌注前还可采用在空溶洞对应位置处的钢筋笼外套钢护筒阻断孔内与溶洞的连通。采用此钢护筒的原因是为防止混凝土外溢造成断桩，并防止拔除套管时溶洞内的填充物进入桩基影响桩基质量及碰撞声测管导致其变形。根据实际钻进施工中记录的空溶洞的标高和深度在钢筋笼的对应位置外包钢护筒。首先在钢筋笼的螺旋筋上设置圆形垫块，每道螺旋筋均匀设置16个圆形垫块，每道间距为4 m。圆形垫块的半径为5 cm，保证外包钢护筒后桩基的保护层厚度满足设计要求。外钢护筒壁厚为2 mm，可在钢筋加工场提前卷制并安装在钢筋笼上。钢护筒竖向包裹长度需超过溶洞顶部及底部至少2 m，钢护筒竖向搭接长度≥0.3 m，在搭接位置处单独设置圆形高强混凝土垫块防止钢护筒变形侵入桩孔。钢护筒安装完毕后在外侧缠绕螺旋筋以固定钢护筒，螺旋筋间距为0.2 m一道，钢护筒接头处加密为0.1 m一道，保证其在灌注时不会发生位移。具体布置如图3、图4所示。

图3 钢护筒平面图

图4 钢护筒侧面图

5 施工效果评价

5.1 质量控制效果

(1)全套管全回转钻机在岩溶发育地区施工，不需回填块石，不用另外下套管，利用其自身良好的垂直度调节性能及钻速、钻压与扭矩的自动控制性能，可以顺利地完成穿过溶洞的钻进任务，成桩直径和挖掘深度大、速度快、垂直度有保证。

(2)在溶洞区域浇筑混凝土时在套管内进行，混凝土不易散失。同时，钻机具有强大的起拔力，可以延时起拔，从而顺利地完成溶洞中的灌注桩施工作业，成桩质量有保证。

(3)全套管全回转工艺使用套管成孔，孔壁不会坍落，避免了泥浆污染钢筋和进入混凝土的可能性，同时避免了桩身混凝土与土体间形成残存泥浆隔离膜(泥皮)的弊病，清孔彻底，孔底残渣少，桩底承载力高。

5.2 其他控制效果

(1)安全控制效果：全套管全回转钻机钻进施工时套管及时跟进，避免了由塌孔导致的地面塌陷情况的发生，极大提升了桩基施工的安全性。

(2)环保控制效果：全套管全回转施工工艺，无须通过泥浆循环排除钻渣，钻渣从钻斗可以直接装车外运，大幅度降低泥浆排渣对现场的污染。

(3)经济控制效果：成孔扩孔率小，与其他成孔方法比较，可以大大节约混凝土用量。此外，全套管全回转工艺成桩直径和挖掘深度大、速度快，能节约时间成本，降低间接费用的支出。

6 结语

通过本工程的实践，对全套管全回转施工工艺及技术有了一定的了解。对于岩溶强发育地区的桩基础施工，采用全套管全回转技术施工能避免反复处理桩孔带来的风险，大幅提高成孔效率，缩短施工工期。该工艺具备在复杂岩溶地质条件下安全高效的特点，能保证工程质量、进度和安全，对地质复杂、工期紧张的工程，有较大的应用前景。