张魏
成兰铁路责任有限公司 四川 成都 610000
摘要：目前国内外对松软土、承压水的施工研究主要集中在浅表50m以内的承压水和开挖深度在50m上下的桩基、地下或基坑工程。而新建成兰铁路解放村双线大桥桥址为古堰塞湖深厚淤积体和高承压水环境铁路桥梁桩基工程，桩基穿越古堰塞湖淤积体厚度约100m，承压水压力超过1.0MPa，圆形桩基开挖深厚淤积体松软土孔壁稳定、能否成孔、高承压水环境钻孔成桩质量及桩身垂直度控制等综合难度远远超过国内外有关松软土和承压水环境研究成果。目前，现有相关降水、维护及常规钻孔桩施工技术等研究成果无法直接应用，需要结合现有设备切实开展古堰塞湖淤积体高承压水、松软土地基桥梁深长桩基施工工艺研究。
关键词：复杂地质条件；高承压水；两级全回转；
1施工方案研究
考虑到工艺设备受地层适用性和设备动力特征制约，拟采用两级全回转全套管工艺旋转下压钻进钢套管。全回转全套管工艺适用于区域地层，按照分级Ⅰ级钢套管直径2.5m、管长40m，Ⅱ级钢套管直径2.0m、桩长93m进行理论计算，计算结果显示方案可行。相关计算数据详见“表 1 DTR2605H全回转全套管钻机分级作业状态判定表”。
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拟采用国际上较成熟、国内较先进的360度全回转全套管跟进工艺阻隔承压水成孔成桩。工艺利用360度回转式套管钻机将底部配有进口特制坚硬刀头的钢套管旋转压入地层，同时利用冲抓斗在套管内挖取土(石)，采用“随护随挖”工艺，直至套管下到桩端。为减小钢套管侧壁摩阻，采用“大套小”分级措施旋转下压Ⅱ级钢套管至桩端。
考虑到高承压水对桩身混凝土质量的影响，钢套管拔管时机选在混凝土通过承压水顶板至少10m且承压水范围内混凝土均已初凝；根据混凝土初凝时间计算，Ⅱ级钢套管作为桩基结构的一部分，按照钢管桩进行设计，套管一次投入不予拔出。全桩在钢套管的保护下成孔、成桩，可有效防止坍孔，能够消除承压水对桩身混凝土质量的影响。
2两级全回转全套管工艺技术
2.1全回转全套管工艺原理
全回转全套管工艺依赖阻隔承压水基本理论，其基本原理是利用360度全回转钻机先将套管底部管靴均焊接进口特制刀头作为刃脚的Ⅰ、Ⅱ级钢套管旋转下压钻入地层，利用钢套管下切超钻隔断承压水流动径路和套管内普通泥浆压制承压水水头的综合技术措施，桩基钻孔“先护后挖”，在套管内取渣钻进成孔，钢套管和泥浆有效阻隔高承压水、稳定孔壁，防止缩径、坍孔。同时利用设备主机地面操作平台导向作用及人工或自动铅垂控制综合调整控制钢套管钻进垂直度，确保桩身垂直精度。
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受摩阻力控制，提出“大套小、筒中筒”分级套管措施将直径1.5m的Ⅱ级钢套管钻进至地下150m。施工时，先下直径大的Ⅰ级套管，最大钻进深度控制在60m；Ⅰ级套管内取土完成后再下直径小的Ⅱ级钢套管。Ⅱ级套管沿桩身通长设置，不予拔出，作为桩身结构的一部分，与混凝土一起构成钢管桩共同承载。桩身侧面承压水利用钢套管超前钻进切断承压水流动径路进行封堵；桩底承压水利用套管超钻“岩塞”+泥浆技术共同压制。桩底钢套管超钻1-3m进入厚层状完整基岩，不取出管靴(刃脚)下方完整基岩作为“岩塞”封堵桩底高承压水。
2.2钢套管选择及分级技术
根据理论分析计算，采用Q345B常规钢材作为钢套管原材，Ⅱ级钢套管壁厚需要做到5～6cm，若采用Q420钢材则Ⅱ级钢套管壁厚需要做到4～5cm；采用Q460C高强合金钢作为钢套管原材，Ⅱ级钢套管壁厚可优化到3cm。通过综合经济技术方案比选，采用非常规Q460C高强合金钢作为钢套管原材性能更优，造价更低。
根据理论计算，结合钻机动力情况，现场采用42m作为Ⅰ级钢套管分级标准，将钢套管分成连续回旋下压钻进42m和73m两个等级，分别为Ⅰ级、Ⅱ级钢套管。包括Ⅰ级钢套管空钻部分，Ⅱ级钢套管实际长度为115m。根据全套管钻机垂直精度及经验数据，结合理论计算分析，Ⅰ级钢套管采用φ2500mm(外径)、壁厚δ=40mm的Q460C高强合金钢管，Ⅱ级钢套管采用φ1500mm(外径)、壁厚δ=30mm的Q460C高强合金钢管。
施工过程中，严格控制Ⅰ级钢套管下压钻进深度，确保可以拔出循环使用。根据国内施工经验，结合现场实际情况，试桩方案暂按Ⅰ、Ⅱ级钢套管拔出重复使用考虑。但由于Ⅱ级钢套管施工时间长达两周，Ⅰ级钢套管(外套管)在古堰塞湖松软土中停置时间过长，易造成外套管被粉质粘土抱紧，外壁侧摩阻增加或形成负压无法起拔。同时，随着Ⅱ级钢套管(内管)向下伸入刺穿承压水顶板后，高承压水从Ⅱ级钢套管内壁及外壁上涌，Ⅱ级钢套管穿过承压水层至承压水底板后，Ⅱ级套管外承压水会带动泥沙继续沿Ⅱ级套管外壁上涌，上涌承压水将会使泥沙填满内外套管间隙，并充满两级钢套管缝隙。此外，灌注混凝土时Ⅱ级钢套管内泥浆外溢，也会造成内外管间隙填塞。Ⅰ、Ⅱ级钢套管(内外套管)460mm间隙填充密闭后，增大了摩擦力，加上外侧负压，可能造成Ⅰ、Ⅱ级钢套管无法拔出。
3施工过程控制要点
一钻机施工前，必须做好场地的平整及排水工作，对套管钻机及履带吊车基础采用钢筋混凝土硬化。在硬化钢筋混凝土场地上摊铺一层50cm厚的碎石或块石作为设备基础缓冲层，防止由于设备基础压力集中损坏混凝土平台，缓冲层按25cm厚分层摊铺压实；在履带吊行走作业路面上也铺设两块2000×9000×50mm钢板，为回转套管钻机提供反力及防止履带吊作业时失稳倾覆，确保施工安全。
二是钢套管采用厂制定尺规格，考虑现场使用和道路运输情况，单节长度为6m。钢套管加工制作要求焊制管管口垂直度≤0.3mm及椭圆度≤2mm；加工符合《钢结构焊接规范》(GB 50661-2011)、《钢结构工程施工规范》(GB 50755-2012)相关要求。在钢套管出厂前，应进行单根或全桩套管顺直度的检查、校正和焊接坡口修正。底管下部厂制焊接刀筒，刀筒下部依次焊接刀座和刀头，刀头数量与套管周长紧密相关，每个刀头的允许钻压控制在25～30kN，一般沿周长间隔20～30cm设置。Ⅰ级钢套管36套刀头，Ⅱ级钢套管每根桩配置21套刀头。刀头刃口沿钢套管径向两侧交叉布置，形成锯齿状。
三是现场钢套管拼装焊接采用半自动药芯焊丝CO2气体保护焊(FCAW-G)焊接工艺及加劲连接技术，现场焊接接头形式为全焊透单面焊，焊接位置为竖立固定横焊(2G)。拼装焊接前，首先检查和校正单节钢套管的顺直度，然后按桩长配置试拼检查全桩钢套管的顺直度，做好焊接坡口修正并按序编号，施工时按试拼编号逐序拼装连接接。钢套管在下沉过程中承受巨大的扭力和抵抗强大的扭矩，焊接接头的质量和密闭性是影响成孔、成桩的关键因素。钢套管接头采用半自动药芯焊丝CO2气体保护焊，焊接完成经自然冷却后，全部采用焊缝超声波探伤仪检测合格并经现场验收后，方可继续下沉该节钢套管。进场钢套管成品全部检查验收焊缝质量检验报告，成品焊缝按焊缝数量随机抽验3％，且不应少于3处。
四是在钢套管出厂前和进场验收时，进行单根钢套管顺直度的检查。钢套管拼接前，首先试拼检查上下相邻钢套管的垂直度，做好焊接坡口校正和修正，试拼上下两根钢套管垂直精度满足要求后方可焊接拼装连接。每焊接增加一节钢套管必须进行一次垂直度测量，才可进行焊接作业。在钢套管回旋下压钻进成孔过程中，必须随时监测钢套管的垂直度，全过程进行钢套管垂直度监测、监控，当垂直度发生偏差时及时调整。监测可采用两台经纬仪或两个锤球从两个不同的方向双向控制，确保垂直度；为方便控制，夜间采用两台红外铅垂仪从两个不同的方向双向观测控制，钢套管垂直度一般千分之二。
五是桩基浅表面碎(卵)石土、粉质粘土等松软土层采用大吨位冲抓斗直接向下冲击切土抓取成孔。桩身进入持力层后，冲抓斗无法冲切抓取，先采用大吨位冲锤破碎基岩后再采用冲抓斗冲切取碴方式成孔。
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五是百米深桩灌注混凝土导管在混凝土灌注过程中，尤其是底部导管承受着巨大的混凝土膨胀挤压力，导管宜采用无缝焊管制造，导管连接丝扣采用整体铸造工艺，防止混凝土压力过大导致爆管。
4结语
两级全回转全套管工艺桩基技术顺利完成了古堰塞湖深厚淤积体、高承压水区百米桩基施工，能够解决超深、坍孔、缩径、高承压水和溶洞等诸多难题的超长桩基施工，钢套管跟进能够避免断桩等质量事故；该工艺无振动，对邻近建(构)筑物基础和地层无扰动、安全性能高，且钻进速度快；分级钢套管跟进不需泥浆静压护壁，无污染、无噪音，满足职业健康和节能环保方面的要求。
参考文献
[1]宋志彬.全回转套管钻机和全套管钻机施工工艺的研究.探矿工程,2013年第40卷第9期.
[2]郑昌明.浅谈全回转全套管施工工艺.基层建设，2018（2）.