硬岩地质机械成孔微型桩技术研究及应用

张晓亮 ，王 浩 ，秦向军 ，曲 趵 ，李 佳 ，曹 桐 ，解科委

（1.山东送变电工程有限公司，山东 济南 250022；2.国网技术学院，山东 济南 250002）

0 引言

人工挖孔桩是输电线路工程常见的基础形式，具有受力合理、造价低、弃土量少、易复耕等优点，近几年应用的越来越广泛。但挖孔桩井下作业条件差、环境恶劣、劳动强度大；硬岩地质挖孔桩，需要爆破施工，作业风险高；雨季施工，降水工作量大，塌方风险升高；掏挖过程完全依赖人力，劳动效率低。综上所述，人工挖孔桩是一种高风险、长周期、效率低下的施工工艺。旋挖钻机具有成孔速度快、质量高、安全风险低等诸多优点，被广泛应用到人工挖孔桩基础施工中。但对于400 kPa及以上的中风化岩石，因其额定功率限制无法施工，只能采用人工掏挖的落后工艺，无成型、实用的新施工工艺。

为破解人工挖孔桩高风险等级、高作业强度、低施工效率的“两高一低”的施工难题，以实现全机械化施工的指导思想，开展硬岩地质机械成孔微型桩技术研究，并在1 000 kV山东-河北环网特高压工程线路工程（4标）3S054基础开展试点应用，取得了一定的成功。

1 微型桩基础的设计方案

人工挖孔桩直径最小800 mm，最大能达到2 200 mm。大直径和硬质地基，要求旋挖钻机必须输出功率足够大，钻机尺寸和重量相应增大，制造成本水涨船高，运输难度也成倍增加。为解决以上难题，设计单位创新设计理念，将大直径单桩改为小直径群桩，并增加承台［1］。

1.1 设计方案的应用

根据水文地质、道路运输等条件，选定1 000 kV山东-河北环网特高压工程线路工程（4标）3S054基础作为试点研究。3S054基础具有典型代表性，面向小号左侧70 m为另一条特高压交流工程，面向小号右侧32 m为村庄，由于环境受限，无法爆破施工。该基础0.5 m以下为中风化花岗岩，若采取人工掏挖施工工艺，预计工期30 d。原设计方案计划采用桩径1 800 mm，桩长10 500 mm的人工挖孔桩，每条腿1颗桩［2］，原设计图纸如图1所示。

图1 原设计方案

微型桩基础计划采用桩径400 mm，桩长10 000 mm的微型桩，每条腿4颗桩，桩顶设置1个承台，新设计图纸如图2所示。

图2 新设计方案

1.2 设计方案的经济性分析

经过对两种设计方案的单腿工程量统计，进行技术经济分析，如表1所示。

表1 技术经济对比

通过表1对比分析，钢筋用量基本无变化，混凝土用量减少40%，土方量减少40%，工程造价大大降低。

2 微型桩基础施工

微型桩基础施工最关键的是施工机械，通过充分的市场调查研究，发现地质勘探中常用的自行式履带水井钻机能够满足微型桩施工要求。水井钻机是一种岩石钻孔设备，能钻进承载力1 000 kPa岩石，钻孔深度可达1 000 m。水井钻机工作原理为合金锤头高频振荡，将岩石击碎成细小粉末，强风通过钻杆中间的风管将岩石粉末吹出坑内，完成成孔作业。3S054基础采用SL1000型水井钻机，其性能参数如表2所示。

表2 SL1000型水井钻机技术参数

2.1 施工方案

选定设备后，施工项目部制定了详细的施工方案［3］，工艺流程如图 3。

2.2 施工关键技术

2.2.1 基础分坑

在基坑开挖的基础上，采用经纬仪定位放样半根开桩，找出基础中心，再以各腿基础中心点为基点确定钻孔中心；最后参照图纸微型桩孔心分布位置放样钻孔，并以钻孔样板进行校核，保证孔间尺寸准确无误。

2.2.2 钻机就位

1）钻机和空气压缩机进入作业现场后，在施工面内合理布置钻机和空气压缩机。

2）根据施工面的实际情况，确定各基础及孔位的钻孔顺序，并向施工作业人员交底。

3）钻机操作人员将钻机固定于待钻孔位，由技术员配合钻机对位，并用钻孔样板校核钻头对点精度。

4）联结钻机和空压机间的管路，确保接头连接牢固，胶管合理弯曲。

图3 微型桩施工工艺流程

5）钻机钻杆垂直度控制，钻杆的垂直度采用2台经纬仪正交测量监控（即在相互垂直的正面、侧面各架设1台），当钻杆发生偏移或倾斜时应及时纠偏。

2.2.3 钻孔清孔

1）钻孔需钻通岩石层，因此宜采用湿钻法。

2）开钻前，专职机手检查设备各部位是否安装稳妥，连接牢固。

3）3S054基础为中风化岩层，选择钨合金钻头，确保成孔质量可靠。

4）启动钻机动力设备及液压设备，采用油缸推进冲击器，在接近工作孔位前开始送风，冲击器开始工作，当冲击器进入岩层后，控制推进和回转速度以适应该岩土层钻进作业，确保开孔良好。

5）当一根钻杆（2 m）行程结束后，进行下一根钻杆的连接、钻孔，之后重复进行直到完成钻孔施工。倒换钻具时，须使用专用卡具卡牢钻头后方可拆卸。根据钻孔设计深度，换接不同数量的钻杆，直至孔深满足要求。

6）清孔。成孔过程中，渣土、岩粉随钻进过程吹出，完成该钻孔作业后，钻机停止钻进，继续送风和回转，直至孔口无明显可见颗粒及粉尘吹出，停止清孔，然后向上提升回转头，逐根拆除钻杆，直至全部钻具都提出孔外为止，钻孔作业结束。

2.2.4 成孔质量检查

1）清孔后，用垂球测量钻孔深度，为防止清孔沉渣影响孔深，钻孔深度应略大于设计孔深，检查合格后使用专用封孔器材封堵孔口，防止钻头及杂物掉入孔内，然后转动钻架完成该基础腿的其他钻孔的钻孔工作。

2）每个孔钻完之后，应立即检查成孔质量，进行根开校正，确保其误差在规定范围内。

2.2.5 安装钢筋笼灌浆

1）微型桩采用直径为384 mm的钢筋笼，钢筋笼安装完毕后尽快灌注混凝土，本工程微型桩基础采用商混浇筑。

2）在孔口放置小型漏斗，将拌制好的混凝土均匀、平缓灌注，分层捣固，每灌注约200～300 mm，沿微型桩四围用捣固钎进行捣固，每一次捣固要彻底均匀，灌注至基底之上0.5 m为止。

3）核对灌入混凝土体积，一般应与实际容积相同，保证灌注的密实度［4］。

3 应用效果

硬岩地质机械成孔微型桩技术在3S054基础成功应用，通过现场施工数据收集整理，与人工挖孔桩基础进行对比分析，如表3。

表3 应用效果对比表

通过与人工挖孔桩基础对比分析，我们发现：“硬岩地质机械成孔微型桩技术”的应用，实现“四级风险双降”，提高施工质量，缩短50%施工周期，机械化应用率达到100%，减少土方外运40%，减少劳动强度，是一种安全高效的新工艺。

4 结束语

经过在3S054基础中实际应用，硬岩地质机械成孔微型桩技术解决了人工挖孔桩基础作业风险高、劳动强度大、施工效率低等问题。水井钻机适用于全地形、全地质作业，重量轻 、便于运输，该技术可在输电线路施工中广泛推广应用。