承压水区百米桩基分级钢套管跟进施工技术

郜 建 忠

(中铁三局集团有限公司,山西 晋中　030600)

1　概述

新建铁路成都至兰州线太平站四线大桥(D9K180+276)横跨古堰塞湖淤积体和太平泥石流主沟，全长323.07 m，桥位设置车站，按左、右两座桥梁分修，全桥按柱桩设计。桩基依次穿过泥石流堆积层、近百米厚古堰塞湖淤积体松软土层和下伏深埋高承压水，进入弱风化(W2)基岩。承压水分布广泛且补给来源丰富，压力超过1.0 MPa，无法采用井点降水等常规方法有效降低承压水水位，且古堰塞湖淤积体松软土自稳性较差，缩径、坍孔现象时有发生，无法采用常规方法成桩。为攻克超百米钻孔桩及高承压水两大技术难题，确保桥梁施工顺利完成，施工过程中集中技术力量进行技术攻关，顺利完成了该桥高承压水区百米桩基施工，总结形成了承压水区百米桩基分级钢套管跟进施工技术，解决了太平站四线大桥深厚松软土地基环境百米钻孔桩及高承压水施工的技术难题。

2　施工技术特点

1)突破了普通护筒下沉受复杂地层或入岩及振动下沉设备动力限制的局限性，采用大套小的分级跟进钢套管的施工方法，提高钢套管回旋压入地层深度。

2)采用回转式套管钻机先将底部钢套管分段回旋压入地层，在钢套管内取土石成孔，无需泥浆护壁，有效减小了振动、噪声污染和降低了环境污染。

3)成孔施工按照“先护后挖、随护随挖”的顺序，直至套管下到桩端为止，施工全程在钢套管的保护下成孔、成桩，减小桩底沉碴，有效防止坍孔，减小缩径、断桩施工风险，提高了桩基混凝土质量。

4)与传统施工方法相比，该技术受地层影响较小，遇岩溶、高承压水及不允许沉降或较强振动等复杂环境，成桩工效指标快速、稳定。

3　技术应用范围

适用于桩基穿越高承压水、岩溶、深厚软基等复杂地层环境及桩长超过60 m的超长桩基施工；也适用于普通桩基工程施工及桩基工程周围存在对振动、噪声、沉降、环保有特殊要求的环境。

4　技术原理

利用全回转钻机“拔桩清障”原理，运用垂直下压顶推机理将底端配有刀座、刀头的钢套管回旋压入地层，在钢套管内取土成孔；灌注混凝土时，若不存在高承压水或岩溶等复杂地质环境影响，可采用一边灌注混凝土一边拔出钢套管的方法，拔出的钢套管可循环利用。为减小钢套管侧摩阻力，减小套管壁厚和优化套管材质，从而减轻钢套管自重及减少投资，采用减小套管有效接触面积的原则，利用“大套小”钢套管分级原则将超长桩基钢套管进行分级的原理，有效的解决了超百米钻孔桩及高承压水的技术难题，提高了设备的适用深度和范围。

5　施工工艺流程及操作要点

5.1　施工工艺流程

施工工艺流程见图1。

5.2　操作要点

5.2.1施工准备

编制铁路工程高承压水区百米桩基分级钢套管跟进施工工艺专项施工方案和作业指导书，对施工作业人员和管理人员进行详细技术交底，尤其是对诸如岩溶、高承压水、粉细砂层或流塑地层等特殊地质地层情况向套管钻机操作手进行详细交底，并将钢套管焊接作业、刀头焊接方式等关键工序操作要点及应急处置措施等向现场作业人员和管理人员进行交底。

5.2.2设备基础处理及钻机定位

为防止套管钻机不均匀沉降，造成套管钻机机台水平倾斜，影响成孔、成桩垂直精度，在套管钻机基础平面范围内采用30 cm厚碎石或块石压实找平，然后在找平层上方依次铺设两块9 000 mm×2 000 mm×50 mm钢板和两块1 200 mm×6 000 mm×300 mm路基箱，钢板与路基箱形成井字形状。为确保受力均衡，反力架尾部下方也铺设一块9 000 mm×2 000 mm×50 mm钢板作为传力装置。

采用全站仪放样桩位，并在桩周外侧设置桩位十字保护桩，便于施工过程中适时检查桩孔中心。钻机对位时采用设备定位板先进行粗略定位，通过吊车移位钻机大致对中后，再采用设备液压系统进行精确定位。调整钻机机台的水平度，以保证套管的垂直度，反复调整钻机中心与桩位中心，使套管钻机的定位器中心与桩位中心对齐，桩孔位中心允许偏差不得大于50 mm。

5.2.3钢套管加工运输

钢套管采用厂制定尺规格，考虑现场使用和道路运输情况，单节长度一般为6 m或12 m；结合全回转钻机设备的回转扭矩力、地层摩阻力及套管钻进深度等实际情况，对套管材质、坡口等结构要求进行综合选型。本工程桩基钻进深度达115 m，经过技术经济综合比选，最终采用Q460C高强合金钢制作钢套管；Ⅰ级钢套管直径2 m、壁4 cm，Ⅱ级钢套管直径1.5 m、壁厚3 cm。

5.2.4吊装焊接钢套管

套管钻机对准就位后，即可安装下放钢套管。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。套管钻机就位后，首先吊装底管定位、对中整平。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，一般沿周长间隔20 cm～40 cm设置。刀头刃口沿钢套管径向两侧交叉布置，形成锯齿状。现场钢套管拼装焊接采用气体保护焊接工艺及加劲连接技术。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垂直精度，做好焊接坡口修正并按序编号，施工时按试拼编号逐节拼装连接。由于钢套管现场连接垂直精度直接影响成孔质量，在焊接过程中，应高度注意温度及风雨等环境对焊缝质量的影响。

5.2.5现场套管拼接焊缝检测

钢套管在下沉过程中承受巨大的扭力和抵抗强大的扭矩，现场拼接焊缝的质量和密闭性是影响成孔、成桩的关键因素。钢套管接头采用气体保护焊施焊完毕并打磨后，经自然冷却，采用焊缝超声波探伤仪检测合格并经现场验收后，方可回旋下压该节钢套管。

5.2.6钢套管垂直精度控制

钢套管吊装拼装焊接及回旋下压钻进取土(石)过程中，需全程观察调整套管垂直度，以保证最终成孔垂直精度和成桩质量。现场可采用固定锤球或全站仪双向检测等方式，对套管管节进行垂直精度监测修正，满足要求后方可开始回转下压套管成孔。

5.2.7取土(石)成孔

桩基桩底嵌入基岩，施工工艺按照以下方式进行：

1)抓斗抓出基岩上部土体；

2)套管旋转切削基岩一定深度，提升套管至岩面，用冲锤破碎基岩；

3)套管旋转下压至原切削处，破碎的基岩通过抓斗实施清除；

4)重复循环上述工序，直至达到设计桩底标高。

在现场实施时，本工程为达到封堵基岩面以下高承压水的效果，采用钢套管超钻入岩6 m～10 m形成“岩塞”的工艺技术方法，最终有效阻隔和封堵了超长桩基侧面和桩底的高承压水。

5.2.8清孔、下笼、灌桩等

超长桩基钢筋笼自重大，需要对钢筋笼吊环和吊装方案进行独立验算，考虑到钢筋笼自重较大，需要根据实际情况加大或加密钢筋笼环向定位钢筋的直径或数量。必要时，可另单独增设克服起吊风险的措施。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。灌注桩身混凝土时，钢套管拔出时，原则上可以视设备功率、混凝土性能等综合因素确定，一般保证钢套管埋入新浇筑混凝土1.5 m～5 m为宜。

5.2.9套管钻机移位

桩身混凝土灌注完成，且导管、钢套管全部拔出或完成单桩全部施工任务后，即可将套管钻机吊装移位至下一桩位施工。

6　结语

该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、无噪声，满足职业健康和节能环保方面的要求。且核心技术设备简易，便于组织，社会、环保节能效益显著。随着对环保要求的提高，泥浆静压工艺污染环境或其他施工工艺对周边环境干扰大的缺点日益突显，随着科学进步和深长桩基数量的增加，超长桩基分级钢套管跟进施工工艺必然具有广阔的应用前景。