超长空心钢管嵌岩斜桩混凝土取芯技术

曹胜敏，寇 磊，李继广

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

超长空心钢管嵌岩斜桩混凝土取芯技术

曹胜敏，寇 磊，李继广

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

本文涉及一种超长空心钢管嵌岩斜桩混凝土取芯导向定位装置，通过对取芯检测设备进行导向定位以保证钻进垂直度的装置。

超长空心钢管嵌岩斜桩；取芯；导向定位装置

引 言

大直径灌注型嵌岩斜桩在码头工程中应用越来越多，其不仅可以承载上部竖向荷载，而且作为桩基础可以承受船舶和风浪的侧向荷载，因此把桩基础做成斜桩来承受水平力对整个码头的稳固性来说非常有利。但是斜桩施工困难，施工中不可避免的出现许多问题，成桩质量的可靠性较低。为保证工程质量，及时发现并解决问题，做到防患于未然，提高效益，必须在施工过程中对桩基进行质量跟踪检测，钻芯法是一种微破损或局部破损检测方法，具有直观、实用等特点，它不仅可检测混凝土质量及强度，而且可检测沉渣厚度、混凝土与持力层的接触情况，以及持力层的岩土性状、是否存在夹层等，这一点也是目前其它检测方法无法比拟的。钻芯法借鉴了地质勘探技术，在混凝土中钻取芯样，通过芯样表观质量和芯样试件抗压强度试验结果，综合评价混凝土的质量是否满足设计要求。

1 超长钢管桩灌注型嵌岩斜桩概述

某30万t原油码头工程桩基采用的是超长钢管桩灌注型嵌岩斜桩式结构，桩基断面如图1所示。桩的斜度为5：1和6：1两种，桩内填充分三段：上部为桩头混凝土、中部填砂，下部为嵌岩混凝土，取芯部位为下部混凝土。因桩径大，按规范每根桩需钻3个孔，且钻孔应钻至桩底以下0.5 m中风化基岩层内。取芯时间为在下部混凝土浇筑完成，达到取芯条件后，填砂之前取芯。根据设计的基础结构在取芯时钢管桩下部混凝土芯柱顶面至钢管桩顶面都为悬空状态（悬空段预计长度范围：22.83～50.64 m），且为倾斜式，称为超长空心钢管嵌岩斜桩，对其进行取芯检测时钻杆如果直接下去，因自重作用会偏向下方，导致钻杆发生很大弯曲，偏位，无法钻取下部混凝土芯样。另外按照规范要求，当受检桩桩径较大时，一个桩上要进行多孔检测，若桩身过长，垂直度控制不好，钻芯孔不但有可能出桩，还有可能钻到已钻完的孔内，发生串孔，导致钻芯失败。

目前，国内钢管嵌岩直桩有钻芯的工程实例，但斜桩钻芯还没有先例，对超长空心钢管嵌岩斜桩内的混凝土取芯检测更是没有可参考的资料，是一个实属亟待研发的课题。

图1 超长空心钢管嵌岩斜桩示意

2 导向定位装置的设计及实施方式

从图1的桩身断面中可以看出，取芯需要解决的主要问题：一是悬空段的导向，即能使钻具到达下部嵌岩混凝土段顶面指定位置（规范要求开孔位置宜在距桩中心 0.15D～0.25D内均匀对称布置）；二是钻进过程中定向及纠偏问题，即钻具在倾斜状态下工作时不能偏离钻孔轴心。为解决上述问题，专门设计了一种超长空心钢管嵌岩斜桩混凝土取芯导向定位装置，对取芯检测设备进行导向定位以保证钻进垂直度，确保取芯检测的质量。所述导向定位装置包括有导管、连接板、支撑器、法兰连接螺栓孔。见图2。

图2 导向定位装置平面示意

取芯导向定位装置结构中的连接板分两种形式，一种是不带支撑，仅起连结作用。另一种需要和支撑器连接，支撑在钢管桩内壁，这样不仅起连结作用外，还起导向定位作用，将契形销子插入 2个法兰的螺丝孔内，使两节导向管能够顺利的连接，并使两个没有对正的孔对正。

所述连接板与支撑器固定的位置是通过连接板上的双排调节螺栓孔进行固定的，用3个可调节位置的支撑器稳固的支撑在钢管桩内壁上。

所述法兰连接螺栓孔设置在连接板上3个孔的中心连线上，每条连线上至少设有2个法兰连接螺栓孔，则3条连线上6个法兰连接螺栓孔采用过渡配合连接。所述过渡配合是螺栓与螺栓孔的间隙不希望有大的过盈，整个配合比较紧密，能够准确地定位，同时便于拆装。

超长空心钢管嵌岩斜桩混凝土取芯导向定位装置，该套装置由导管、连接板、支撑器、螺栓等部分组成。同等长度同等直径的3根导管、连接板、支撑器成为一个整体，形成一节导向定位装置。

所述连接板分两种形式，一种起连结作用，另一种除起连结作用外，还起导向定位作用。现场操作时根据钢管桩内上部空心段的长度不同，将多节导向定位装置由螺栓连结固定在一起，使导向定位装置稳定的支撑在钢管桩内壁，并保证装置的同心度。连接板上的两排螺孔，可以调节支撑器与连接板中心的距离，从而可以对不同直径的钢管斜桩进行导向定位。为了在倾斜的情况下，两节导向定位装置能够顺利的连接，采用了契形销子，契形销子有梢头可以插入两个连接板的螺丝孔内，这样就可以将两个没有对正的孔对正。

本次设计的取芯检测导向定位装置制作过程中注意如下要点：

1）导向定位装置材料的选取

根据桩型及现场条件设计了导向定位装置来对取芯设备进行导向定位，由于导向定位装置最长达 50多米，一般刚度不够，会发生弯曲变形。导管管壁的厚度较大重量过重，给现场起拔吊装带来困难。经研究导向定位装置的导管采用薄壁管材。连接板采用薄钢板。

2）导向定位装置结构的设计

结构尽可能的简单，稳定性好，采用3 m一节，每节两头都有连接板，6 m启用一个具有导向定位的连接板，其端部带有支撑器。

3）导向定位装置的加工

加工精度是保证导向定位装置的安装精度，所以需要选择有实力的加工厂进行加工。

3 现场取芯具体操作

首先根据钢管斜桩直径的大小，通过连接板上端部的两排螺孔，调节支撑器与连接板中心的距离，进行接结，要使支撑器刚好可以支撑在钢管桩内壁上。然后顺着钢管桩内壁下放一节导向定位装置，然后通过连接板中部的法兰螺栓连结另一节导向定位装置，连结好后继续下放，做好下放记录并计算校核导向定位装置长度，当导向定位装置底端到达下部混凝土芯柱顶面时，停止下放。在导向定位装置到达位置后，取芯检测设备通过该导向定位装置到达斜桩底部混凝土表面，进行取芯检测，在钻进时导向定位装置对钻具有扶正作用，保证钻头沿轴线钻进，从而确保了取芯检测的精度和质量要求，又避免了各取芯孔之间互相串孔。

导向定位装置不仅导向直桩，还需要导向斜桩，而在斜桩中取芯作业时钻杆在导向套管内高速回转时，由于钻孔倾斜，钻杆较长，钻杆在重力作用下产生离心力，会导致钻杆发生弹跳现象。钻探人员改进了钻探工艺，采用底部加钻铤加压方式，及在钻杆的上部、中部、下部各加一个尼龙质的扶正装置，保证了高速旋转的钻杆匀速不弹跳。

4 取芯效果

30万t原油码头工程桩基检测共完成钢管嵌岩斜桩取芯 27根，每根桩 3个钻孔，钻孔取芯共1 320.02延米。钢管嵌岩斜桩取芯检测成功率为100 %。经过成孔检验，每个取芯孔偏离钻孔轴心不超过8cm。满足了规范要求的钻芯孔垂直度偏差不大于0.5 %的技术要求。混凝土芯样连续、完整、表面光滑、呈长柱状、断口吻合。本项目采用的取芯定位导向装置和技术解决了大直径钢管斜桩内上部超长空心段，下部灌注型嵌岩混凝土桩身质量的全面检测，填补了国内技术缺陷，使大直径钢管嵌岩斜桩的质量得到有效保证，其推广使用有重大的现实意义，经济、社会效益显著。

5 结 语

1）本文介绍的取芯是一种全新的导向定位钻进技术，其设备中的连接板底部平面和钻进工作面不需要平行，导向管和钻进工作面也不一定垂直，通过连接板上的支撑器的作用，就可以使得三个导管中心线能平行于桩体中心线，且不需要人工或机械方式固定就能钻进。这种导向定位装置设计打破常规理念，节省了人力，可以在各种凹凸不平的工作面上钻进，适应各种倾斜角度的钻进，便于拆卸、组装，可重复利用，节省造价，现场操作灵活、方便，成功的解决了斜桩悬空时钻具因自重作用会偏向下方，导致钻杆发生很大弯曲，偏位，无法钻取下部混凝土芯样的难题。

2）导向定位装置在连接板上设置的支撑器，可适用于不同桩径的取芯检测，根据现场桩径的不同，连接板支撑端边缘到桩心的距离是不一样的，就需要调节，通过连接板上的双排调节螺栓孔进行调节。使支撑器向外延伸（或者向内收缩）刚好能支撑在钢管桩内径上，解决了在桩径不同时也能进行导向定位。

3）取芯装置除了定位功能，还有导向功能，工作时导管对钻杆具有扶正作用，保证钻杆在钻进过程中不发生弯曲变形，从而保证钻孔的垂直度。本设备不仅可以在直桩取芯中应用，还可以在斜桩取芯中应用。悬空斜桩取芯定位导向装置的设计形式和技术获得国家发明专利证书和实用新型专利。

[1]JGJ 106-2003建筑基桩检测技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[2]陈凡.基桩质量检测技术[S].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[3]徐斯林,韩劲松,赵利平.海上浅覆盖层灌注型嵌岩桩钻孔平台搭设[J].港工技术,2010.

Concrete Core Drilling Technology for Ultra-long Inclined Hollow Steel-tube-pile Embedded in Rock

Cao Shengmin,Kou Lei,Li Jiguang
(CCCC First Harbor Consultants Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China)

An introduction is given to a guide positioning device which leads the core-drilling detection equipment to ensure appropriate verticality of the drill rod while concrete core is taken from an ultra-long inclined hollow steel-tube-pile embedded in rock.

ultra-long inclined hollow steel-tube-pile embedded in rock; core drilling; guide positioning device

U655.55+2

：A

：1004-9592（2016）06-0096-03

10.16403/j.cnki.ggjs20160624

2016-05-26

专利项目：发明专利号（ZL201310360261.X)、实用新型专利号（ZL201320502300.0）

曹胜敏（1969-），男，工学博士，主要从事土木工程勘察、检测监测、物探的技术管理等工作。