套管管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)在巖溶地區(qū)的應(yīng)用

又名喀斯特，是一種以水為單位的化學(xué)溶蝕作用，伴隨著各種現(xiàn)象和作用，如溝渠、裂縫、洞穴、，由于洞穴頂部坍塌和落在地面上，導(dǎo)致斜面塌陷等。巖溶地區(qū)的地表形態(tài)特征有溶溝、溶槽、石芽和石林;漏斗、落水洞和豎井;溶蝕洼地和坡立谷等。巖溶地區(qū)的地下形態(tài)特征有溶蝕裂隙額及溶洞、暗河、石鐘乳和石筍等。我國石灰?guī)r地層形成的巖溶地區(qū)分布很廣。這種地區(qū)在廣西、貴州、云南、四川等地最多,其余湖南、廣東、浙江、江蘇、山東、山西等省均有規(guī)模大小不同的巖溶地區(qū)。此外,我國的西部和西北部在夾有石膏、巖鹽的地層中,也有局部的巖溶分布?？扇苄詭r層由于成分、形成條件和組織結(jié)構(gòu)等不同,巖溶的發(fā)育分布也不一致。巖溶地區(qū)的地貌特征造成工程地質(zhì)條件的不連續(xù)性,大大地增大鉆(沖)孔灌注樁施工難度,巖溶地區(qū)的鉆(沖)孔灌注樁與普通地質(zhì)條件下鉆(沖)孔灌注樁基礎(chǔ)施工相比,具有技術(shù)難度復(fù)雜,病害類型較多等特點(diǎn)。全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)是一種新型、環(huán)保、高效的鉆機(jī),徐州盾安重工機(jī)械制造有限公司于2011年6月在我國率先研制出該種鉆機(jī),投入施工后,到目前為止已研制生產(chǎn)了32臺(tái)套全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī),分別在我國遼寧、江蘇、廣東、廣西、重慶、上海及天津等地區(qū)的城市地鐵、深基坑圍護(hù)咬合樁、廢樁(地下障礙)的清障處理、路橋基樁及喀斯特地層灌注樁等50余項(xiàng)工程推廣應(yīng)用。勞動(dòng)法的特點(diǎn)硬地層沖挖鉆機(jī)全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)是集全液壓動(dòng)力和傳動(dòng)、機(jī)電液聯(lián)合控制于一體的新型鉆機(jī),具有全回轉(zhuǎn)套管裝置,壓入套管和挖掘同時(shí)進(jìn)行。沖抓斗依靠起重機(jī)的大小吊鉤配合來完成對(duì)土層的沖挖作業(yè)。作業(yè)時(shí),沖抓斗沿套管內(nèi)壁自由下落,下落速度快,沖擊力強(qiáng),硬質(zhì)地層可直接沖挖,且作業(yè)效率高;斗刃呈圓弧形,斗體重,可實(shí)現(xiàn)水下沖挖;內(nèi)置滑輪組,抓緊力隨起吊力的增加而成倍增加。在巖層用沖擊錘反復(fù)沖擊,破碎后用沖抓斗挖掘。由于該鉆機(jī)具有強(qiáng)大的扭矩、壓入力及刀頭,可完成硬巖層中的施工作業(yè),其可在單軸抗壓強(qiáng)度為150～200MPa的硬巖層中順利鉆進(jìn)。該鉆機(jī)在喀斯特地層中施工,不需回填塊石,不用另外下套管,利用其自重的良好的垂直度調(diào)節(jié)性能及鉆速、鉆壓與扭矩的自動(dòng)控制性能,可順利地完成穿過溶洞的鉆進(jìn)任務(wù);在溶洞中灌注混凝土?xí)r,在套管內(nèi)進(jìn)行,添加速凝劑的混凝土不易散失;另外鉆機(jī)具有強(qiáng)大的起拔力,還可以延時(shí)起拔,從而順利地完成溶洞中的灌注樁施工作業(yè)?？梢员苊饽酀{護(hù)壁法成孔工藝所造成的泥膜和沉渣對(duì)灌注樁承載力消弱的影響?？ㄣ@施工中的難點(diǎn)及解決方法較全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)是一種機(jī)械性能好、成孔深度大、成孔直徑大的新型樁工機(jī)械,集取土、進(jìn)巖、成孔、護(hù)壁、吊放鋼筋籠、灌注混凝土等作業(yè)工序于一體,效率高、工序輔助費(fèi)用低。在喀斯特地層樁基施工中,本工法與采用泥漿護(hù)壁的鉆、沖擊成孔的大直徑灌注樁及人工挖孔灌注樁的施工工法相比,在成孔成樁工藝方面有顯著的優(yōu)越性。①漏漿。巖溶裂隙透水;樁孔與溶洞突然貫通;鋼護(hù)筒底部土層流失及土洞和溶洞互相貫通等原因造成漏漿。漏漿嚴(yán)重時(shí)造成孔壁坍塌或?qū)@機(jī)傾倒。②傾斜。遇滾石層探頭石沖孔困難;傾斜巖面上成孔出現(xiàn)滑錘;鋼護(hù)筒在成孔時(shí)傾斜及施工鋼平臺(tái)支腿扭變滾動(dòng)等原因造成樁孔傾斜。③卡鉆。沖擊成孔時(shí),由于鉆頭的抖動(dòng)往往沖破孔壁,致使孔壁不圓或形成梅花孔等現(xiàn)象;樁孔傾斜;鉆頭磨損未及時(shí)補(bǔ)焊,鉆孔直徑逐漸變小,新鉆頭或補(bǔ)焊后鉆頭直徑過大;施鉆過程中由于沖程過大,突然擊穿溶洞頂板使鉆頭施轉(zhuǎn)不能提鉆;此外,因地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,判斷失誤等原因造成卡鉆。卡鉆結(jié)果造成施工滯懈,嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。④埋鉆。由于孔壁坍塌造成埋鉆。在巖溶地層沖孔,當(dāng)沖孔穿越的溶洞頂板較薄且埋深較淺時(shí),由于沖程過大,砸擊溶洞頂板就可能出現(xiàn)溶洞坍塌,地表下陷,施工不慎造成掩埋鉆頭的情況。⑤崩塌。由于擊穿溶洞或達(dá)及裂縫、斷層等地層,孔內(nèi)漏漿,泥漿面迅速下降,造成孔內(nèi)甚至孔口發(fā)生坍塌現(xiàn)象。此外,對(duì)于溶洞填充物為軟塑狀的大孔徑溶洞,在沖孔中易發(fā)生坍塌。⑥清孔困難。溶洞填充物為流塑狀的大孔徑溶洞,在沖孔中會(huì)因涌漿(填充物回流孔中)而發(fā)生堵孔和孔底沉淀層加厚現(xiàn)象,造成清孔困難。⑦漏混凝土。沒有填充物的大孔徑溶洞,雖然混凝土灌注前無漏漿現(xiàn)象或漏漿相對(duì)較少,但在向樁孔灌注混凝土?xí)r,容易發(fā)生混凝土流失現(xiàn)象。此外,由于灌注水下混凝土?xí)r,孔壁側(cè)壓力增大,沖破已形成的片石黏土孔壁封閉環(huán)而產(chǎn)生混凝土泄露。⑧樁身質(zhì)量問題。由于地下水流動(dòng),加上漏漿等原因造成樁身混凝土離析、夾泥甚至斷樁。①安全度不高。在施工中遇到地下水位較高、涌水量大及流砂等情況而無法繼續(xù)施工。②“流泥”問題。流泥一般是從孔底新開挖出的一個(gè)方向或幾個(gè)方向同時(shí)涌入孔底,無法繼續(xù)施工。③樁身混凝土強(qiáng)度不夠。樁身混凝土膠結(jié)差,出現(xiàn)蜂窩或孔洞,甚至骨料沒有被膠結(jié),結(jié)構(gòu)松散。總的來說:在喀斯特地層施工中,上述常規(guī)的施工方法都會(huì)有相對(duì)較大的弊端,易造成工期延誤,成本提高、環(huán)境污染嚴(yán)重等施工現(xiàn)象。①環(huán)保效果好。噪聲低,振動(dòng)小;由于應(yīng)用全套管護(hù)壁,不使用泥漿,無泥漿污染環(huán)境的憂慮,施工現(xiàn)場整潔文明,很適合于在市區(qū)內(nèi)施工。②孔內(nèi)所取泥土,含水量較低,方便外運(yùn)。③由于鋼套管的護(hù)壁作用,可避免成孔過程中出現(xiàn)塌孔等安全隱患;可避免鉆、沖擊成孔灌注樁可能發(fā)生縮頸、斷樁及混凝土離析等質(zhì)量問題,可靠近既有建筑物施工。④挖掘時(shí)可直接判別土層和巖層特性,便于確定樁長。⑤由于應(yīng)用全套管護(hù)壁可避免其他泥漿護(hù)壁法難以解決的流砂問題。⑥成孔和成樁質(zhì)量高。垂直度偏差小;使用套管成孔,孔壁不會(huì)坍落,避免泥漿污染鋼筋和混入混凝土的可能性,同時(shí)避免樁身混凝土與土體間形成殘存泥漿隔離膜(泥皮)的弊病;清孔徹底,孔底殘?jiān)?樁的承載力高。⑦成孔直徑和挖掘深度大,鉆進(jìn)速度快。⑧成孔直徑可以控制,充盈系數(shù)小,與其他成孔方法相比,可節(jié)約大量的混凝土用量。風(fēng)化地層施工配合沖抓斗和沖擊錘,可在各種土層(黏性土、砂上及砂卵石層)、喀斯特地層及強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化巖層中施工,可在單軸抗壓強(qiáng)度為150～200MPa的硬巖層中鉆進(jìn);適用于直徑800～1500mm(DTR1505H鉆機(jī))、1000～2000mm(DTR2005H鉆機(jī))、1200～2600mm(DTR2605H鉆機(jī))及深度在80m以下的樁孔施工。樁端持力層開挖利用DTR全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)裝置的回轉(zhuǎn),使鋼套管與土層間的摩阻力大大減少,邊回轉(zhuǎn)邊壓入,同時(shí)利用沖抓斗、沖擊錘挖掘取土,直至套管下到樁端持力層為止。挖掘完畢后立即進(jìn)行挖掘深度的測定,并且確認(rèn)樁端持力層,然后清除虛土。成孔后將鋼筋籠放入,接著將導(dǎo)管豎立在鉆孔中心,最后灌注混凝土成樁。施工過程和要點(diǎn)施工工藝流程見圖1。基巖及巖溶測量與分析施工范圍確定后,需要用機(jī)械對(duì)場地進(jìn)行平整,便于全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)施工,此外還要有不小于200m由專業(yè)測量人員用全站儀測定樁位,打好木樁,做好標(biāo)記。DTR系列全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)采用履帶式行走裝置,其液壓橫向伸縮性能可使設(shè)備在場地上方便自行移動(dòng)及樁心定位。鉆機(jī)就位后,調(diào)整其水平并保證4個(gè)支腿油缸均勻受力。在主副夾具完全打開的情況下,放入帶刃口的套管,在吊放套管的過程中,應(yīng)平穩(wěn)緩慢,避免其與主機(jī)機(jī)體碰撞。安置套管后使其刃尖與地面之間留有作業(yè)空間(150mm左右),抱緊套管后測定垂直度情況,可做微量調(diào)整,并隨時(shí)用經(jīng)緯儀或測錘監(jiān)測。借助于鉆機(jī)上的楔形夾緊裝置使無論在什么位置都能夾緊套管,并使套管保持較高的垂直精度。另外,鉆機(jī)上還設(shè)有孔徑變更裝置,使得設(shè)備適用于各種直徑的變徑要求。埋設(shè)第1、第2節(jié)套管,必須豎直,這是決定樁孔垂直度精度的關(guān)鍵。鉆機(jī)上設(shè)有垂直度裝置,可以保證施工中鉆孔垂直度,隨時(shí)糾正施工中套管的角度。與第1節(jié)套管組合的第1組套管必須保持很高的精度,細(xì)心地壓入。全套管樁的垂直精度幾乎完全由第1組套管的垂直精度來決定。第1組套管安裝好后要用2臺(tái)經(jīng)緯儀或2組測錘從兩個(gè)正交方向校正其垂直度,邊校正、邊回轉(zhuǎn)套管、邊壓入,不斷校核垂直度。鉆機(jī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的同時(shí)觀察扭矩、壓力及垂直精度的情況,并做好記錄。當(dāng)鉆進(jìn)3m時(shí),用抓斗取土,取土前套管上吊裝保護(hù)套管接頭的套管帽;回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行取土作業(yè),并監(jiān)測取土深度,不能超挖,管底留有2倍直徑厚度的土。鉆機(jī)平臺(tái)上有1m的套管沒有鉆進(jìn)時(shí),測量取土深度,處理套管接口,準(zhǔn)備接套管。管口要進(jìn)行防銹處理,涂抹油脂,并加一層保鮮膜,以便于拆裝。吊裝6m的套管進(jìn)行連接,保養(yǎng)過的連接螺栓要對(duì)稱均勻加力并緊固。連接套管后繼續(xù)鉆進(jìn)。作業(yè)時(shí)遇有不均勻地層或卵石層時(shí),應(yīng)采用蠕動(dòng)式作業(yè),要多回轉(zhuǎn)少壓入,緩慢穿過。施工順序應(yīng)根據(jù)地質(zhì)鉆探資料提供的溶洞分布情況,按照先短后長、先易后難、先外后內(nèi)的原則確定各樁施工順序。鉆進(jìn)工藝,套管下到巖面以下即開始用沖擊錘和沖抓斗進(jìn)行沖、砸、鉆、抓等組合工藝取出巖渣。溶洞樁基處理方案:①溶溝、中小溶洞施工:基樁穿過溶溝、中小溶洞(溶洞高度不大于5m)時(shí),無需作任何輔助工作,按全套管常規(guī)成孔流程施工,就可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。②空洞、大溶洞施工:基樁穿過空洞、大溶洞(溶洞高度大于5m以上)時(shí),可采用回填或鋼套管跟進(jìn)的辦法?；靥罘椒?將套管底部提至大溶洞上端。致使大溶洞大部分完全裸露在套管下方,然后采用回填的方案,利用水壓特性將溶洞封死;接著套管鉆進(jìn),用沖抓斗和沖擊錘取土巖,繼續(xù)鉆進(jìn)。鋼套管跟進(jìn)方法:先計(jì)算好溶洞所在位置的深度,溶洞的高度,沉入鋼套筒,待成孔后將鋼筋籠下至樁孔內(nèi),然后灌注混凝土,最后提拔套管成樁。鋼套筒一般采用10mm厚鋼板卷制,套筒高度以大于溶洞高度2m,這樣可以完全覆蓋溶洞高度,以避免不必要的虧方。采用全套管全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)對(duì)溶洞的處理具有簡便、安全、快捷、無污染等特點(diǎn)。全套管施工,由于套管的護(hù)壁作用,避免施工過程中出現(xiàn)坍塌孔等安全隱患,有效地確保工程質(zhì)量進(jìn)度及施工安全。鉆進(jìn)至孔底設(shè)計(jì)標(biāo)高后,及時(shí)用沖抓斗細(xì)心地掏底,進(jìn)行孔底處理,做到平整,無松渣、污泥及沉淀等軟層;嵌入巖層深度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求;并及時(shí)向駐地監(jiān)理工程師報(bào)檢。吊裝鋼筋籠可采用三點(diǎn)或四點(diǎn)吊裝法,操作安全靈活,鋼筋籠不易變形、彎曲,保證其順直度;樁長度較長時(shí),鋼筋籠應(yīng)分節(jié)制作、安裝,采用焊接連接;若需加鋼套筒,則其焊接一定要準(zhǔn)確、牢固;鋼筋籠主筋分布要?jiǎng)蚍Q,焊點(diǎn)要牢固,扎絲不能外漏,以防止灌注樁身混凝土后,在提拔套管時(shí)將鋼筋籠上浮。對(duì)于水下灌注混凝土的情況,采用導(dǎo)管法施工。采用氣舉反循環(huán)施工工藝法,即將沉渣從導(dǎo)管內(nèi)排出的清渣工藝。其原理是利用空壓機(jī)的高壓空氣,通過安裝在導(dǎo)管內(nèi)的風(fēng)管送至樁孔內(nèi),高壓空氣與泥漿混合,在導(dǎo)管內(nèi)形成一種密度小于泥漿的漿氣混合物,該混合物因其密度小而上升,在導(dǎo)管內(nèi)混合器底端形成負(fù)壓,下面的泥漿在負(fù)壓的作用下上升,并在氣壓動(dòng)量的聯(lián)合作用下,不斷補(bǔ)漿,上升至混合器的泥漿與氣體形成氣漿混合物后繼續(xù)上升,從而形成流動(dòng),因?yàn)閷?dǎo)管的內(nèi)斷面積小于導(dǎo)管外壁與樁壁間的環(huán)狀斷面積,便形成了流速、流量極大的反循環(huán)泥漿流,攜帶沉渣從導(dǎo)管內(nèi)反出,排除導(dǎo)管外。氣舉反循環(huán)排渣的設(shè)備主要是9～20m導(dǎo)管法灌注混凝土施工程序如下:①沉放鋼筋籠。②安設(shè)導(dǎo)管,將導(dǎo)管緩慢地沉入到距孔底300～500mm的深度處。③懸掛隔水塞,并將其放在導(dǎo)管內(nèi)的水面之上。④灌入首批混凝土。⑤剪斷懸掛隔水塞的鐵絲,使其和混凝土拌合物順導(dǎo)管而下,將管內(nèi)的水?dāng)D出來,隔水塞脫落留在孔底混凝土中。⑥連續(xù)灌注混凝土,隨著灌注量的增大,慢慢同步提拔導(dǎo)管和套管,并同步拆除套管和導(dǎo)管。⑦灌注結(jié)束后,應(yīng)立即對(duì)每節(jié)套管螺絲連接和導(dǎo)管進(jìn)行清洗,以備進(jìn)行下一次灌注使用。導(dǎo)管法施工注意事項(xiàng):①根據(jù)樁徑、樁長和灌注量,合理選擇導(dǎo)管、隔水塞、混凝土泵車及起吊運(yùn)輸?shù)葯C(jī)具的規(guī)格型號(hào)。②導(dǎo)管吊放入孔時(shí),應(yīng)將橡膠圈或膠皮墊安放周整、嚴(yán)密,確保密封良好。導(dǎo)管在樁孔內(nèi)的位置應(yīng)保持居中,防止跑管、撞壞鋼筋籠并損壞導(dǎo)管。導(dǎo)管底部距孔底(或孔底沉渣面)高度,以能放出隔水塞及首批混凝土為度。導(dǎo)管全部入孔后,計(jì)算導(dǎo)管柱總長和導(dǎo)管底部位置,并再次測定孔底沉渣厚度,若超出