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

于 芳 黄 新

1. 深圳市市政工程总公司 广东 深圳 518109；2. 深圳市专业基础工程有限公司 广东 深圳 518000

1 应用工程概况

荣百尚宜春项目商业桩基工程1标段位于江西省宜春市中山中路南侧、二符路西侧，本标段场地内的商业部分工程桩55根，其中φ1.5 m的工程桩共计15根，φ1.2 m的工程桩共计40根，最大桩长达65 m，平均桩长约50 m。本场地内溶洞发育，采用冲孔或是旋挖成孔难度极大，先后有十余家桩基施工单位进场施工，但均未能成孔而退场。

我公司采用全套管全回转钻机与旋挖钻机配合进行岩溶地超深桩施工，针对大直径入岩桩，进场2台DTR2005H型全套管全回转钻机、1台DTR1505H型全套管钻机和2台SRX1050型旋挖钻机，采用“全套管全回转与旋挖钻在岩溶地区大直径超长桩联合施工技术”，通过配置来弗冲击锤提高刻岩效率，以及采取长套管护壁等措施，在合同工期内圆满地完成了施工任务。

2 全套管全回转与旋挖钻

2.1 工作原理

全套管全回转钻机是一种新型钻机，具有全液压动力传动机制，可以进行机电液联合控制并实现套管的360°回转。它在压入套管的同时可以进行良好的控制，具有新型、高效、环保的优点。具体施工原理为：利用全套管全回转钻机的回转，使钢套管与土层间的摩阻力大大减小，边加转边压入，同时利用冲抓斗、冲击锤挖掘取土或旋挖取土，直至套管下到桩端持力层为止。挖掘完毕后，立即测量孔深，确认持力层，满足要求后进行清孔，安装钢筋笼，最后浇灌混凝土成桩完成（图1）[1-4]。

图1 全套管全回转钻机工作原理

本项目由于存在有串珠状的溶洞，如只采用旋挖钻机成孔，则成孔过程中易发生坍孔、卡钻、埋钻、斜岩等事故，成桩质量较差，有些地层甚至不能成桩；如只采用全套管全回转钻机成孔，刚在入岩时，速度会比旋挖慢，另外在水下冲抓速度也会比旋挖掏土慢。所以采用2种工艺相结合的方式，利用全回转套管护壁、垂直度好、不发生斜桩、不会有孔内事故的特点，结合旋挖入岩掏土速度快的优势，充分发挥了2种施工工艺的长处，在岩溶地质中施工钻孔灌注桩取得了良好的社会效益和经济效益。

2.2 技术特点

1）垂直度高：采用全套管全回转钻机的垂直精度可以保持在0.1%以下。

2）无坍孔：采用全套管跟管钻进，由抓斗或旋挖取土的方式来替代泥浆护壁工艺的传统钻进方法，从而避免该工序中出现坍孔现象。

3）入岩效率高：软岩可以直接用抓斗抓取，硬岩层用旋挖钻机入岩速度很快。对于φ1.5 m桩基，当岩石的强度为35 MPa时，钻机每3 h可掘进1 m。

4）孤石、旧基础等坚硬块体可被穿透：本场地内的孤石较多，单一采用旋挖钻机或是其他冲孔钻机，在孤石地层施工中容易发生偏桩、斜桩等事故，而全套管全回转钻机可粉碎并穿过孤石和旧基础等坚硬块体，极大地减少了成桩过程中的地质障碍问题。

5）充盈系数小：全套管跟进提供的护壁作用可以有效地控制桩基的充盈系数。另外，全套管全回转钻机成孔时对周边土层扰动很小，其充盈系数也会很小。

6）操作安全可靠：在掘进过程中，工作人员的操作可以在机械驾驶室内完成，从而极大地减少了安全隐患。

7）环保效果好：全回转采用全套管跟进，无须泥浆护壁，减少了对环境的污染。全回转钻进时钻机产生的噪声较小，做到了环保施工。

3 全套管全回转与旋挖钻的施工要点

3.1 平整场地及硬化

为了使全套管全回转钻机施工顺利进行，要在施工范围对场地用机械进行平整，并完成200 m2以上的套管堆场。本工程采用了钢筋混凝土硬化面层，硬化时留出桩位不硬化，留出的空位比桩径大约20 cm。由于全套管机械的起拔力较大，故硬化的钢筋混凝土厚度不小于20 cm。桩孔中抽出积水时在四周设排水沟和集水井等，经过沉淀且符合要求后即排入下水管道。

3.2 施放桩位

桩位须采用经过定期检验的全站仪进行施放，测量精度须满足相应建筑施工规范要求。根据施工网格定控制线来定桩位，再按照桩位图给全部桩编号，然后放桩位设样桩。施工前应该复核现场轴线，同时桩基施工不应该影响到轴线控制点。最后，桩位必须再复核一次，不能有错。

3.3 钻机就位对中

DTR系列全套管全回转钻机需要采用吊装对中，应确保全套管全回转钻机的转盘中心与桩中心点重合。做法是：根据已施放的中心点，按设计桩径用白灰画出桩边线；在路基板吊至桩位上之后要保持路基板内孔框住桩边线；全回转钻机开动到位之前需保证测量员就位并核实结果没有偏差，观察后如无偏差则可将旋挖机施工平台安设在全回转钻机旁的合适位置。

3.4 安置套管

对机器进行水平调平，从而使4个支脚油缸受力均匀，为了在掘进时随时进行观察与纠偏，将两夹角为90°的吊绳安置于距离钻机十多米处；在放入7.5 m刀头节套管的过程中需要使主、副夹具保持完全打开，吊放过程中避免与主机机体产生接触；使套管头与地面有150 mm的距离并将套管夹紧，随时用测锤或经纬仪监测并观察水平情况，必要时可进行微量调整；借助钻机上的楔形夹紧装置夹紧套管，并使套管保持1/200以上的垂直精度。

3.5 校核钻孔垂直度

为保证钻孔垂直度和施工中能随时修正套管角度，钻机需设有垂直度装置。必须竖直地埋入第1、2节套管，因为它决定了桩孔垂直精度。细心压入第1组套管以保持精度，并用2组测锤或2台经纬仪从2个正交方向校正第1组套管安装好后的垂直度，边校正、边回转套管、边压入，不断校核垂直度。本项目在4 m行程中都要求观测垂直度一次，偏差超过1/200就要进行垂直度的重新校核（图2）。

图2 DTR全套管全回转钻机施工系统

3.6 土层及岩层钻进

钻机回转钻进时需观察并记录的参数包括扭矩、压力及垂直度。在旋挖钻机到达作业平台之后，可进行钻机钻头置入钢护筒的相关作业，钻进过程中，需要保持旋挖钻机钻杆与钢护筒中心轴处于同一轴线，确保桩有足够的垂直度，从而使钻机钻头与钢护筒不会因碰撞而导致磨损。取土与回转钻进同步进行，单次钻进距离为1～3 m，在采用抓斗取土的过程中需确保套管处于旋转状态且不产生下压。取土后进行取土深度的测量，管的底部保留两倍直径的土。钻机平台上未钻进的套管还剩1 m时，对取土深度进行测量，完成套管接口处理后方可进行下一根套管的连接。为使拆装更方便，管口除锈、涂油脂、加保鲜膜等工序需要额外注意。连接套管后继续钻进。在对长度为6 m的套管进行吊装、连接时，要使保养过的螺栓对称紧固同时进行，并且使加力过程保持均匀。作业时遇有不均匀地层或卵石层时，应采用蠕动式作业，要多回转少压入，缓慢穿过。当钻进到设计深度后，可用旋转钻机进行修孔，从而使孔的垂直度处于设计要求范围内。下一步清孔进行前需确保上部钢护筒与旋挖段的桩孔基本处于同一竖直线上。

当套管进入岩层后，可以用冲锤在套管内进行岩石破碎，后用旋挖掏土将石渣取出。也可以单独用旋挖掏岩，但是用冲锤及旋挖配合掏土，效率要高出50%以上。

3.7 第1次清理桩孔

钻孔钻进到设计标高时，减慢旋挖钻机速度，用双底捞渣钻头将孔底悬浮的沉渣掏出。处理孔底使其平整以及无污泥、松渣等软土层，孔内沉渣厚度小于3 cm，同时桩嵌入岩层的深度大于3倍的桩径并达到设计要求。第1次清孔完成后及时向驻地监理工程师报检。

3.8 安放、对接钢筋笼

钢套管的内径以比钢筋笼的外径大10～20 cm为宜。钢筋笼的吊装可采用三点或四点吊装法，用此法钢筋笼不易产生弯曲、变形，也能保证顺直度。当桩长度比较大时，钢筋笼应当分节制作、安装，采用焊接连接。钢筋笼的主筋要均匀分布，扎丝内收，防止在灌注桩身混凝土后，上提套管时带动钢筋笼向上浮动。

3.9 安装导管

桩孔检验合格，吊装钢筋笼完毕后，安置导管，灌注混凝土。导管安置应符合下列要求：

1）内壁应光滑、内径圆顺，直径为20～30 cm，每节长度宜为2.5 m。

2）不漏水，在完成水密承压和接头抗拉试验后才能使用导管，此处严禁使用气压。

3）导管与桩孔轴线偏差不宜超过孔深度的0.5%，且不超过10 cm。

4）导管采用螺旋丝扣型接头时，必须有防松动脱落的装置；采用法兰盘接头时，宜加锥形活塞。

5）使用的隔水球应制作细致，长度不大于200 mm。

3.10 第2次清孔

下放钢筋笼后，将灌注导管置于孔底10 mm处。将风管从灌注导管内插入至导管2/3处，引出风压管的另一头，并将其与空压机组连接；保证泥浆一定的高度，在出渣口放接渣篮子。空压机启动清孔后，等到接渣篮里没有沉渣，测孔内沉渣的厚度，满足要求后测量泥浆相对密度，泥浆达到标准后，可停止清孔，准备灌注混凝土。

3.11 灌注混凝土

悬挂隔水塞，并将其放在导管内的水面之上。灌注首批混凝土后，剪断悬挂隔水塞的铁丝，使其和混凝土拌和物顺导管而下，将管内的水挤出来，隔水塞脱落留在孔底的混凝土中。灌注混凝土时控制第1次灌入量，导管埋入混凝土中的长度不小于0.8 m。灌注混凝土的过程中，保持混凝土面的上涨速度不小于2 m/h，并使导管始终有2～6 m在混凝土面以下。要使导管在中间位置，提升时不能使钢筋骨架发生移动，如果骨架有向上提升，则停止向上提升，降落导管，轻摇使其脱离钢骨架。在距离桩孔端部5 m以内可以不用提升导管，在最后灌注到设计高度后将导管一次性拔出。灌注混凝土必须超出桩顶0.5～0.6 m，这是为保证桩顶凿掉浮浆后的强度。灌注完成拔出导管时要注意拔管及时，以及最后一次拔管速度放缓，防止孔内泥浆进入桩内。在混凝土灌注时，要随时测量浇筑的混凝土面的标高，超灌高度需控制严格。水下灌注混凝土过程中，要安设污水泵，及时将水排出以防止泥浆漫出。灌注结束后，应立即对每节套管螺丝连接和导管进行清洗，以备进行下一次灌注使用。

3.12 混凝土初凝前拔起套管

在混凝土初凝前拔起钢护筒。起拔套管前，使套管在10°的平面范围内左右搓动1 min左右，可以加速混凝土和套管壁的完全脱离。在混凝土进入套管一节的长度时将套管拔起。当遇到岩溶地层时，须在穿过溶洞的位置给钢筋笼外侧包裹一层塑料网或者铁丝网，从而避免混凝土在钢护筒拔起后流散到溶洞中。

4 结语

施工实践表明，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，节省了项目成本，达到了施工效率高、综合成本低、现场管理简便、施工安全的目标。该项技术创新点突出，简便易行，是对灌注桩施工方法的突破、提升和创新，尤其是对岩溶地区大规模兴建的建筑深基坑土石方工程来说，该工艺技术具有一定的现实指导意义及推广价值，市场前景十分广阔。