全套管钻孔桩成套技术及其在复杂地层环境中的应用

(中铁十八局集团建筑安装工程有限公司，天津 300222)

建筑工程桩基施工中，钻孔灌注桩是非常重要的桩型，它对推动工程建设顺利进行，确保建筑工程质量和效益具有重要意义。然而，在软土地层、回填土地层、砂卵石地层、岩层等复杂地层环境中，采用传统成桩施工方法难以确保工程质量，可能导致塌孔、流砂、涌泥、缩颈、断桩等问题发生，甚至不能成孔[1]。最终影响现场施工安全，增加施工成本，降低工程质量和效益。为弥补这些不足，预防质量问题发生，保证钻孔灌注桩施工效果，中冶建筑研究总院有限公司、北京建工集团有限责任公司等联合研发并在复杂地层环境施工中推广应用全套管钻孔桩成套技术，并取得比较明显效果。

1 全套管钻孔桩成套技术的组成

全套管钻孔成套技术就其种类来看，主要包括摇动式和全回转两种主要设备形式。

1.1 摇动式全套管钻机组成

摇动式全套管钻机组成包括磨桩机、钢套管、锤式抓斗、液压工作站等(如图1所示)，最大施工桩径可达2.0m。由于摇动式全套管钻机属于附着式设备，为保证钻孔灌注桩施工顺利进行，提高施工安全性与可靠性，设备运行中还需配备履带式吊车。

1.2 全回转全套管钻机组成

全回转全套管钻机是摇动式全套管钻机的升级版，是在摇动式全套管钻机的基础上研制并改造而来，其最大成孔直径可达3.2m。作为一种新型钻机，全回转全套管钻机要由动力站、工作装置、辅助钻具组成。动力站为外置设备；工作装置包括楔块、顶层支架、夹紧油缸、过渡架、配重、反力架、走台护栏、走台、减速机、立柱、传动箱、反力叉、底座(如图2所示)；辅助钻具包括套管、抓斗、抓爪等。在动力和控制方式上，它采用全液压动力和传动、机电液联合控制于一体方式，有利于便利工程施工，方便现场操作，进而让钻孔灌注桩施工取得更好效果。

图1 摇动式全套管钻机组成示意

图2 全回转全套管钻机组成示意

2 全套管钻孔桩成套技术的类型

经过多年技术研发和工程实践，全套管钻孔桩成套技术得到不断改进和完善。并且工艺流程得到进一步优化，施工设备性能不断改进，新材料也逐渐得到推广应用。同时针对该技术在复杂地层环境施工中遇到的疑难点，还有针对性的提出解决方案，目前已形成全套管灌注桩、全套管咬合桩、全套管嵌岩桩三种施工技术类型。

2.1 全套管灌注桩施工技术

全套管灌注桩施工技术用钢套管护壁，钻进与成孔同步施工，钻孔至设计标高后清孔，并放置钢筋笼，灌注水下混凝土，预防缩颈、断桩等问题发生。施工中用钢套管护壁，而不再使用传统的泥浆护壁，有利于提高桩的承载力，减小对桩侧土的影响。该技术还可以在块石填海、建筑垃圾回填、高含量大粒径卵石层等复杂地层环境中成孔，避免管涌、流砂等问题发生，提高成孔垂直精度，成孔垂直倾斜角通常在1/300以内[2]。总之，全套管灌注桩施工技术实用性强，有利于提高施工效率，保证成桩质量，节约桩基工程建设成本。

2.2 全套管咬合桩施工技术

咬合桩是指护坡桩之间有一定搭接宽度，并形成相互咬合的排桩结构，其工艺流程如图3所示。全套管咬合桩施工采用超缓凝混凝土，缓凝时间大于60h，既确保A桩早期混凝土有较长缓凝时间，又保证混凝土后期强度满足设计要求。在A桩混凝土初凝前对其进行软切割，有利于确保全套管钻机切割混凝土的功能，促进施工效率提升。由于A桩混凝土初凝时间较长，因而在初凝前A桩与B桩就相互咬合，并形成连续的、整体的止水帷幕。此外，施工中还在B桩放置钢筋笼，使之成为基坑支护止水结构，既能发挥挡土作用，又能发挥止水效应[3]。最终有利于保证钻孔灌注桩施工效果，提高项目工程效益，也为钻孔灌注桩施工开辟新路径。

图3 全套管咬合桩施工工艺流程

2.3 全套管嵌岩桩施工技术

传统钻孔嵌岩灌注桩施工常用冲击成孔、牙轮钻、泥浆护壁等方式，虽然这些方法能完成施工任务，但它存在的不足也十分明显。例如，入岩成孔难度大，工期长，不利于确保施工效率。再加上桩身垂直度控制难度大，容易塌孔，施工钻具易被损毁，施工现场大量废弃泥浆产生，处理难度大。而全套管嵌岩桩能有效弥补这些不足，岩层成孔采用套管护壁，避免塌孔、漏浆、缩颈、断桩。此外，全套管嵌岩桩施工技术在入岩成孔时，常用潜孔锤或旋挖钻，有利于加快施工速度，提高嵌岩桩施工效率[4]。

3 全套管钻孔桩成套技术在复杂地层环境中的应用及效果

经过近二十年的创新发展，再加上施工经验总结，目前已形成全套管灌注桩、全套管咬合桩、全套管嵌岩桩施工技术。这些技术的出现和应用，不仅推动钻孔灌注桩施工创新发展，还确保钻孔施工安全可靠，有利于促进工程建设质量和效益提升。

3.1 在软土地层中的应用及效果

软土地层含水量大，承载力小，压缩性高，甚至呈流塑状。采用传统工艺在软土地层中进行钻孔桩施工，很容易出现塌孔、滑移、缩颈、断桩等问题，难以保证工程质量和效益。

而在全套管钻孔桩成套技术支持下，采用钢套管护壁、超前护孔、先灌注混凝土后拔套管等措施，能有效预防塌孔、管涌、缩颈、断桩等问题发生。与泥浆护壁方式相比，钢套管护壁能明显减小对桩侧摩阻力影响，可提高桩侧摩阻力10%左右，有利于预防断桩等问题发生。同时在咬合桩施工中，利用全套管钻机驱动钢套管旋转，能防止钻孔灌注桩偏移或倾斜，保证成桩垂直度，让灌注桩紧紧咬合，确保支护结构止水效果[5]。

3.2 在回填土地层中的应用及效果

回填土的土层松散，压缩性高，孔隙率高，再加上没有分层碾压和夯实，难以保证回填土密实度。传统施工方法不能很好满足回填土地层成孔需要，容易发生松动、位移、滑落等问题，甚至还有可能导致无法成孔现象发生。此外，泥浆护壁渗漏严重，容易塌孔，难以确保成桩质量。

而利用全套管钻孔桩成套技术施工，通过钢套管护壁能解决回填土地层孔壁坍塌、块石掉落问题。使用冲击锤与冲抓取土器配合成孔，并利用钢套管护孔，有利于顺利穿越石块或建筑垃圾，避免塌孔现象发生[6]，提高成桩效率和成桩质量。

3.3 在砂卵石地层中的应用及效果

砂卵石地层通常由泥沙冲击而成，土层卵石含量高，卵石粒径大，密实度高，并且土层中存在胶结层。从而使传统施工工艺成孔难度非常大，容易出现跳钻、埋钻等问题，降低施工效率，甚至延误工期，难以确保工程效益。

而全套管钻孔桩成套技术能有效解决上述问题。用冲击锤击碎大粒径卵石或胶结层，将部分卵石挤压至桩孔外侧，并用钢套管护壁，用冲抓取土器取出孔内渣土。从而顺利完成成孔施工任务，预防跳钻、埋钻等问题发生[7]，有利于保证成孔施工效率。

3.4 在岩层中的应用及效果

岩层强度高，部分岩面倾斜度大，传统工艺会出现入岩困难，桩身垂直度控制难度大、施工周期长等问题。

而使用全套管钻孔桩成套技术开展施工，并配合旋挖桩、潜孔锤、冲抓取土器等的应用，能确保入岩成孔顺利进行，实现对成孔垂直度的有效控制。并且还有利于节约成孔施工成本，确保施工效益。

4 结束语

经过多年探索与创新，全套管钻孔桩成套技术也在不断完善，并适用于复杂地层环境施工。该技术在北京、上海、浙江、河北等工程施工中得到推广和应用，并取得明显效果，形成良好的示范作用。然而，该技术涉及机械工程、岩土工程、材料工程等众多学科。尽管目前该技术已取得较明显的效果，但面对复杂地层环境和市场日益变化的需求和挑战，今后仍需加大科研力度，总结施工经验，不断完善施工技术，使其在工程建设中发挥更大效益。

参考文献：

[1] 何丹勇,陈 勇,华锦耀.全套管式嵌岩型长螺旋钻孔压灌桩施工技术[J].施工技术,2017,(04):34-38.

[2] 谢 勋,王 钰.全套管钻孔咬合桩的施工及质量控制[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2009,(08):76-79.

[3] 胡 洲.深基坑围护结构全套管钻孔咬合桩施工关键技术[J].建筑工程技术与设计,2015,(06):104.

[4] 杨 松.复杂地层环境下的全套管钻孔桩成套技术[J].工业建筑,2017,(05):116-121.

[5] 赵 荣.全套管钻孔咬合桩在地铁工程围护结构中的应用[J].绿色科技,2012,(06): 286-288.

[6] 李定启,邓广涛,李海贵,等.钻杆内下套管防治软煤层钻孔塌孔技术[J].中国安全生产科学技术,2015,(02):95-98.

[7] 沈保汉,杨 松.全套管灌注桩、咬合桩、嵌岩桩成套技术及装备研发与应用[R].北京:中冶建筑研究总院有限公司,2015.