卢文明
中铁二十五局集团第四工程有限公司 广西柳州 545007）
摘要 柳州市城市公共交通配套工程土建施工01标建设中，其中位于工程出入线的桩基施工时发现地质条件差，岩溶裂隙发育强烈，整个区域又位于易塌陷区，桩基成孔困难，质量难以保证。常规冲击成孔技术无法使用，采用旋挖钻机施工时成本过高。项目部通过认真研究，反复试钻，总结出一套采用全套筒回转钻机施工成桩技术，成桩达到预期目标，对于类似复杂地质条件下的基桩成桩提供借鉴和参考。
关键词 全套筒全回转钻 易塌陷区桩基 溶洞特殊处理工艺 经济性
1 背景前言
根据设计文件要求，拟建的出入线为高架线路，临近高层建筑物，利用嵌岩桩基础，以微风化白云岩作为基础持力层。根据地勘报告显示少部分桩基微风化白云岩岩面埋深较深，深度达65m。在该场地属于易塌陷区域，相邻标段采用冲击钻施工出现了地面塌陷和房屋下沉的情况出现，明确不允许采用冲击钻施工。如采用旋挖钻施工将面临孔深太深，孔内钻杆太长，伸直底部钻头扭矩减小，钻进速度变慢，极有可能出现钻杆扭断的情况出现。且孔洞留置时间过长，势必引发孔内护壁无法支撑，引发塌孔的现象，从而可能造成钻杆无法拔出，造成无法挽回的局面。其次为相邻标段施工的“柳州市城市公共交通配套工程一期（思贤至门头路和莲花山庄至华侨城）土建施工01标”地质条件与本标段类似，采用了“长护筒跟进、回填低标号、化学泥浆”等处理措施，均无法顺利成孔，其中部分桩基回填低标号混凝土多达9次仍无法成孔，回填复钻的方量达300m3，造成桩基总施工处理成本较高，不经济。
2 工程地质条件
本工程钻孔灌注桩施工主要土层从上到下为：填筑土、淤泥质土、圆砾、硬塑状黏土、硬塑状粉质黏土、可塑状粉质黏土、强风化白云岩、中风化白云岩、微风化白云岩、溶蚀风化破碎带及岩溶充填物。场地覆盖层厚度不均，岩层层面起伏较大，部分层面坡度大于10%，场地属不均匀地基。场地位属浅覆盖型岩溶地区，岩溶强烈发育，不良地质作用强烈发育，本场地复杂等级为一级场地（复杂场地）。
3 各种施工工艺的优缺点
（1）冲击灌注桩施工优缺点
该施工工艺及技术比较成熟，桩长较易控制，可在多种岩土层中进行施工，受施工水位或地下水位高低的影响较小等优点。但成孔泥浆对周围环境有一定的影响，施工场地须专门配置泥浆池，施工速度相对较慢，特别要注意溶洞，半边岩地层对施工成桩质量的影响。冲孔桩的上下反复升降，易使地下水或空气在溶洞或溶蚀裂隙中形成反复正压、负压的活塞效应，极易诱发岩溶地面塌陷。本项目政府明确不能采用该工艺施工。
（2） 旋挖成孔灌注桩施工优缺点
旋挖钻孔灌注桩为近年来发展迅速的新型桩孔施工方法，适用于淤泥质土、黏土、砂土、卵石层等地层，可在水位较高、卵石较大等地层中施工，其自动化程度高、成孔速度快、质量高，其工效是传统循环钻机的20倍，具有低噪音、低振动、扭矩大、无泥浆循环等优点，环保特点突出，施工现场干净，无排碴，可以有效降低排污费用，并提高文明施工的水平。但具有设备自重大、孔壁护壁差、在提放钻头过程中孔内易产生负压、需要机械配合作业的缺点。本场地可以采用该工艺进行时施工。但局部桩基深度较深，地质差，且最深达65m，钻杆扭矩减小，采用旋挖成孔工艺较难施工，施工时间长，施工成本高。
3.3 全套管全回转钻施工优缺点
全程采用钢套管跟进，穿过粉质黏土层、溶洞地质。在钢套管内进行开挖、浇筑混凝土，不易产生塌孔现象，成孔质量高，清底干净，速度快，沉渣可清至20mm左右；因钢套管底部焊有合金刀头，因此不管溶洞大小、顶板厚薄，都可直接穿越溶洞，不需要对溶洞进行预处理。并可保证桩基的垂直度；成孔采用干孔作业，不用使用泥浆：能做到作业面干净，同时可避免泥浆进入混凝土中，有利于提高混凝土对钢筋的握裹力，减少成桩夹泥断桩的出现；防止土体回涌、提钻和下钢筋笼时不会刮擦孔壁，钻渣较少：钢套管采用专用的液压马达旋转切割、静力压压入地层，套管内采用挖土器取土，或采用旋挖钻机取土及钻石，钢套管施工全程没有振动、冲击等，对相邻已灌注的桩基础没有影响。但在一般地质条件下采用该机型施工成本较高，在本场地可以采用该工艺施工。
4 全套筒全回转钻在本工程的优势
由于本工程的桩基地质的特殊性，复杂性，采用钢套管跟进，可穿过粉质黏土层、强风化沙层、破碎带层、溶洞地质。在钢套管内进行开挖、浇筑混凝土，不易产生塌孔现象，成孔质量高，清底干净，速度快，沉渣可清至20mm左右。
5 本工程采用全套筒全回转钻机施工可能面临的问题
（1）全回转是否适合全地质层的施工，遇中风化及微风化岩层是否能正常钻进。
（2）场地内岩溶极其发育，风化孤石较多，串珠溶洞等，在施工中如何保证桩基的垂直度、如何确保不出现塌孔、卡钻、埋钻。
（3）全套筒在旋转过程中出现的旋转力，破坏地基稳定，可能会出现地基下沉，危及设备安全，如何保证设备的安全稳固。
（4）场地存在有较大的半充填溶洞及空溶洞，如何控制混凝土的灌注方量及混凝土的浇灌质量。
（5）施工造价过高，势必增加项目的投资，该工艺适用于什么地质条件下施工最经济。
6 各种问题的处理方法
（1）桩基上部地层多为黏土层、强风化层及破碎带层，全回转设备产生的扭矩及下压力，驱动钢套筒能轻松切割。该地层采用钢套筒先下压切割，后采用旋挖机内掏的方法施工，可有效避免塌孔的出现。在地层进入中风化及微风化地层后，塌孔几率降低，则先采用旋挖机就孔内岩层进行超前掏空，超前距离为1m，随后下压钢套筒切割岩石，减少钢套筒下压切割的阻力，给钢套筒切割岩层有较大的临空面。
（2）在场地岩溶及其发育地施工，首先要保证设备底台的水平后，方才下压套筒。可以有效保证桩基的垂直度。在施工过程观测设备的水平，如有偏差及时上拔钢套筒进行纠正。
（3）全套筒在旋转过程中出现的旋转力，破坏地基稳定，出现了地基下沉，设备底部空洞，造成倾斜，全套筒也随着倾斜（如下图所示），成孔质量得不到保证。
为了解决地基下沉危及设备及人生安全的情况，制定了横挑梁的办法进行现场处理，即采用由4根12m长56b工字钢组成的双纵挑梁将设备顶起，可有效的防止因地基下沉悬空设备而造成的设备失稳的情况，即便在设备底部全空的情况下也能进行施工作业。
具体大样图及检算资料如下：
4I56b纵梁束检算资料：
单根I56b工字钢特性：
规格Q235，惯性矩Ix=68500cm4=68500×10-8m4，面积矩Wx=2450×10-6m3，跨度12米，[σ]=170Mpa ， f/Lp≤L/400，E=2.1×1011N/m2。
1、纵梁最大弯矩计算：
荷载取值：
根据《铁路桥涵设计基本规范》中铁路中活载的换算均布活载的规定：
Km=(250/L)*(2-1.5/L)2
Km =（250/12）*(2-1.5/12)2=73.2kN/m,
Mmax =(73.2×122)/8=1317.6KN·m，
考虑全回转设备最大起拔力为4600KN，瞬时5200KN，取最大5200KN，M=5200/12=433KN/m＜Mmax，满足要求。
2、工字钢束梁挠度检算：
由公式fmax=5KL4/384EI
=（5×73.2×124）/（4×384×2.1×1011×68500×10-8）
=0.0001 m＜L/400=12/400=0.03 m
3、强度检算：
ómax=Mmax/W=（1317.6×103）/（5×2450×10-6）=108 Mpa≤[ó]=170 Mpa
结论：纵梁每侧采用4I56b工字钢束梁，施工纵向间距为12米，强度、挠度检算通过，可安全使用。
（4） 针对易塌陷区溶洞地区的桩基础施工，为了避免桩身混凝土的大量超方。开工前期需对每个桩孔进行详勘，以确定每一桩孔位置准确的岩溶发育情况。确定了该桩的溶洞高度后，采用在在钢筋笼外侧焊接永久钢护筒的方法对溶洞进行封堵（永久钢护筒建议厚度10mm，高度方向上分别超出溶洞顶部和底部2m以上距离），可有效的避免桩基在灌注过程的漏浆。
（5）由于采用该工艺造价成本较高，建议适用范围为临近市政道路和建筑物、地质复杂的、桩长超过30m以上的、柱状图显示存在较厚强风化层的、破碎带层较厚、存在较厚溶洞填充物的、夹存多层大长溶洞的、串珠溶洞等地质条件下适用。
7 全套筒全回转灌注桩施工全过程介绍
全套筒全回转钻机对灌注桩及地下障碍物作业施工，钢套管采用直径大于设计桩基20cm。其中钢套管有两方面的功能，第一为将全回转设备提供的扭矩和压入力传递给合金刀头，使得合金刀头能轻松切割岩石；第二为全套筒在下钻过程中由于是提前钻入后方才进行掏土石作业，起到了支护孔壁，避免了孔壁坍塌。同时配备基础型履吊及旋挖机配合取土施工。
（1）施工准备
现场施工前所有人员进行技术交底和安全技术交底，并对将施工的桩地质情况进行说明，了解该桩的施工薄弱点。同时做好设备的检查，全套筒的清点工作。
（2）测量放样
采用全站仪测量出桩的准确位置。根据设计要求确定钻孔灌注桩中心位置，用吊车起吊全套管全回转钻机基板，将基板中心与钻孔灌注桩中心对齐；放置基板后用吊车起吊全套管全回转钻工作装置放置在基板上，并进行设备调平。连接全回转钻机工作装置与动力站平；将套管放置在工作装置内，工作装置主夹紧工作，夹住套管后利用全站仪或是吊线观察套管是否垂直，调节工作装置支腿油缸进行调平，保证套管垂直。
（3）成孔施工
成孔过程中，利用设备驱动全套管进行360度旋转并施加下压力进行切割，后采用抓斗或者旋挖机进行套筒内取土取石，直至全套筒至桩底，使其形成套筒护壁，能做到施工速度快，不出现塌孔的现象，且成孔精度高、质量好。
（4）钢筋笼及永久护筒施工
钢筋现场制作
钢筋笼具体制作流程及要求，请参照相应标准及规范。
永久钢护筒的制作与安装
永久钢护筒采用厚度10mm的钢板现场制作，高度方向上分别超出溶洞顶部和底部2m以上距离。采用电焊的形式将永久钢护筒焊接至制作好的钢筋笼上，并保证永久钢护筒的牢固。
钢筋笼的吊装
采用130t履带吊，能将钢筋笼整笼吊装。采用三点起吊法，将钢筋笼垂直吊起后一次性放入孔中。
8 结语
在易塌陷区特殊的地质状况下施工桩基工程中，会出现不同的地质表现，在临近建筑物施工桩基时，采用传统工艺施工极易出现地面塌陷的情况，要特别关注地面变化。使用全套筒全回转施工可有效的，且可做到更高效更经济的完成施工任务，可为在市政建筑物密集区域施工的桩基提供有效的保证。
参考文献
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