深厚欠固结岩溶强发育地层桩基成孔施工工艺比选

刘军安，杨大勇，乐 俊，杨慧齐，杨 浩，宋江文，李玉才

(中建三局基础设施建设投资有限公司，湖北 武汉 430064)

0 引言

欠固结土是指在现有自重压力作用下尚未完全固结的土，其竖向压力小于上覆有效压力，其物理力学性能主要表现为压缩性大、孔隙比大、松散、欠密实性、抗剪强度低等，其地基承载力低。岩溶强发育是指以碳酸钙为主的可溶性岩石地区，由于较强地表径流和地下水流对岩石的溶蚀作用和机械破坏作用，在岩体中形成洞穴或在岩层表面形成奇峰异石等独特地形地貌的现象。

拟建贵阳龙洞堡机场T3航站楼场地上层为抛填土，为新近回填土，自然抛填，未进行夯实。填土平均厚度达27.65m，最厚处高达64.2m，并且其中的大颗粒碎块石形成较多的架空现象，力学性质差，属于深厚欠固结土层。场地内岩溶见溶洞率为20%以上，岩溶发育程度为强发育，溶洞内填充主要由红黏土、溶蚀碎屑、碎石组成，个别孔洞为空洞，局部区域溶洞发育高度达10～31.7m。在该复杂地形地貌条件下的桩基施工工艺选择，对确保成桩质量、提升成桩效率、减少工期尤为重要。

贵阳龙洞堡机场T3航站楼项目桩基施工前期在场址内选取5根理论桩长均约为40m的工程桩，进行全套管管内取土成孔(1根)、全套管全回转成孔(1根)、泥浆护壁旋挖湿成孔(1根)、冲击钻成孔(2根)工艺比选，选择最优方案，以指导后续共计690根工程桩高效、高质量施工。

1 工程地质概况

场址内地层(见图1)按从上到下主要如下。

图1 工程地质概况示意

1)超厚填土层 灰色、褐红色、灰黑色，松散、稍湿，主要由红黏土、块石、碎石块组成，少量建筑混凝土块，夹钢筋混凝土块，粒径多在50～200mm，最大达1 000mm，钻探揭露厚度为2～64.2m，平均厚度27.65m，为新近回填土，自然抛填，未进行夯实。

2)溶洞层 主要由红黏土、溶蚀碎屑、碎石组成，黏性土呈软塑～可塑状态，个别孔洞为空洞，钻探揭露溶洞高度为0.6～7.7m，平均高度为2.4m，局部区域溶洞发育高度达10～31.7m。

3)强风化灰岩 灰色、灰黑色，零星地段分布，平均厚度为4.63m，局部夹白云质灰岩，中厚层状构造，钙质胶结，胶结程度一般，节理、裂隙发育，质软，风化均匀性差，钻探岩芯较破碎，呈碎块、圆饼及少量短柱状。

4)中等风化灰岩 灰色、灰黑色，局部夹砾屑灰岩及白云岩，中厚层状构造，钙质胶结，胶结程度较好，节理、裂隙发育较少，质硬，风化均匀性好，钻探岩芯完整，呈长柱状，岩体较完整。

2 深厚欠固结岩溶强发育地层桩基成孔工艺比选分析

2.1 全套管管内取土(振动式)

全套管管内取土(振动式)施工工艺是由1台旋挖钻进行钻进取土，随钻进深度增加的同时增加钢套管直至到达持力层，套管作为成桩过程的钢护壁，承受全部桩侧压力，以确保成孔过程中安全。施工套管采用振动锤进行下压护壁(见图2)，套管间采用销钉进行连接。

图2 振动锤下压钢套管

本工程全套管管内取土(振动式)施工工艺试验过程中，振动锤下压套管过程中阻力巨大，下压进尺困难，振动锤尝试多个方向并提高振动功率后，经过100min不间断下压，套管仅进尺0.5m，有效工效为0.3m/h，无法继续进尺，暂停施工。套管拔出后，观察得知上层回填土内含大量大小不均匀的碎石块、混凝土块(见图3)，钢套管不可避免会压在石块上，通过振动锤向下振动，小石块阻碍区域能顺利向下切进，但较大混凝土块阻碍钢套管向下进尺，无法钻进成孔。

图3 孔内夹杂大量碎石块、混凝土块

2.2 泥浆护壁旋挖湿成孔

泥浆护壁旋挖湿成孔施工工艺是旋挖钻单独作业孔内取土，旋挖取土前，选用高塑性黏土进行泥浆制备并进行泥浆性能检测，确保泥浆满足规范及现场使用要求，采用泥浆进行有效护壁，保证孔内水头水压稳定。泥浆护壁旋挖湿成孔工艺试验过程中，旋挖钻机钻进前期由于泥浆作用，回填土在旋挖作用下变得松散并能持续进尺，但当旋挖取土至5m深度时，发现泥浆面间断性出现气泡冒出，同时泥浆面缓慢下降至护筒底口3m范围内，孔壁持续出现塌孔现象，考虑到成孔成桩质量风险及塌孔、埋钻等安全风险，已无法继续进尺。

2.3 冲击钻成孔

冲击钻成孔施工工艺是利用冲击锤在提升至一定高度后利用自重反复冲击孔底进行进尺，全过程采用泥浆进行有效护壁，冲击进尺过程中控制好冲击速度、频率及泥浆品质，每钻进2m或地层变化处，在泥浆槽中捞取钻渣样品，查明土类并记录、对照地质勘察资料，及时排除钻渣并置换泥浆，使钻锤经常冲击新鲜地层，从而达到持续冲击进尺的作用。

冲击钻成孔工艺试验过程中，采用泥浆进行了有效护壁，泥浆密度、黏度根据本工程回填土的实际情况进行加大处理，有效防止了孔壁塌孔情况，同时由于土体挤压密实，回填层施工过程中泥浆防渗漏状况良好，2根试验桩工效分别为0.27，0.41m/h。但在进入岩层后均出现地质勘察报告中未揭露的溶洞或岩溶裂隙，导致泥浆迅速流失，无法继续进尺。

2.4 全套管全回转成孔

全套管全回转施工是利用全套管全回转钻机强大的扭矩及下压力进行土体及岩层切割并进行套管下压，大大减少钢套管与土层间的摩阻力，一边360°回转一边压入钢护筒，同时采用旋挖钻机钻头在钢套管内取土，取土与套管下压交替进行，钢护筒在下压至岩面后停止，由旋挖钻机钻头继续钻进取岩直至成孔，验收后进入下一步工序。

全套管全回转成孔工艺试验过程中，平均钢套管下压工效为10m/h，抛填土段钻进取土工效为4m/h，取岩芯工效为0.44m/h，成桩效率高、工期可控，同时全过程由钢护筒进行有效护壁，可有效避免塌孔、埋钻等质量风险，成桩质量有保障。

3 结语

贵阳龙洞堡机场T3航站楼项目桩基工程施工前期，通过对全套管管内取土成孔(振动式)、泥浆护壁旋挖湿成孔、冲击钻成孔、全套管全回转成孔4种工艺进行现场试验并最终确定全套管全回转施工工艺为该拟建场地内深厚欠固结岩溶强发育地层唯一可行的施工工艺，贵阳机场T3航站楼共计690根工程桩采用全套管全回转施工工艺。

全套管全回转施工工艺充分发挥了全回转钻机强大的扭矩及下压力进行土体切割并进行套管下压的优势，同时利用了旋挖钻机快速取土功能，全过程采用钢套管进行有效、可靠护壁，避免了使用泥浆对环境造成污染，施工效率高、成桩质量高、工期可控。