水磨钻咬合取芯在岩溶区临近公路人工挖孔桩硬岩中的应用

苟号平

（中交四航局第二工程有限公司 广州510230）

0 引言

随着高速公路建设的快速发展，桥梁工程临近居民区及重要（构）建筑物施工已成为不可避免的现状，尤其是桩基础施工，受场地或地质条件限制，对于硬岩，大型钻机无法施钻，人工手持风镐又凿不动硬岩，当岩溶区人工挖孔桩遇到岩层严禁采用炸药爆破作业时，如何提高岩溶区临近既有线人工挖孔桩的施工进度、质量，保证施工安全将成为一大技术难题［1］。为了解决这个难题，我们通过不同方案可行性分析比选，采用水磨钻成孔施工工艺，既保证了工期，又降低了施工成本，取得了良好的效果。本文结合具体的工程实例，对水磨钻断面咬合取芯在岩溶区临近既有线人工挖孔桩的施工工艺进行详细阐述。

1 工程概述

新建广州到连州高速公路TJ09 标段桂岩2 号大桥左线在26#、27#墩及右线63#、64#墩之间跨越358 国道，桂岩桥上部结构采用30 m 预应力混凝土箱梁，下部桥墩采用φ 1 600的双柱式桥墩，桥墩高度18～20 m；桩基础采用φ 1 800 钻孔灌注桩，两桩间距为8.95 m。桩基与国道硬路肩最小距离不足2.0 m。岩性主要由黏土、粉质黏土、砂、卵石土组成，局部低洼地段有薄层透镜状淤泥（淤泥质土）软土。厚度一般0.6～1.5 m。地基承载力基本容许值［fa0］=150 kPa。中风化灰岩（C1ym）：青灰色，隐晶质结构，中厚层状构造，节理裂隙发育，由方解石脉充填，岩质硬，岩体较完整。揭露最大层厚1.5～34.2 m。地基承载力基本容许值［fa0］=2 000 kPa。因施工地形较复杂，场地限制，安全要求高，桩基础施工设计采用人工挖孔桩工艺。项目部拟采用人工风镐开挖岩层，但施工存在一定困难，最终采用水磨钻断面取芯法施工工艺克服了不利影响。

2 桩基施工方案比选

考虑桩基地质为中风化石灰岩，参考以往类似工程嵌岩桩桩基施工经验，有3 种可选择的施工工艺方案：①冲击钻施工，②水磨钻咬合取芯施工，③人工空压机开凿施工［2］。

3种不同施工方案的可行性分析如表1所示。

通过对岩溶区临近国道以上3种不同的桩基施工方案进行可行性对比分析后，因水磨钻成孔方案具有占用场地小、干扰小、无泥浆排出、不污染周边环境、噪音小、成孔质量可控、机具设备安装调整操作简便，人员投入少，能够满足施工进度及工期要求，为此我们选择第②种施工方案。

表1 3种不同施工方案可行性对比分析Tab.1 Feasibility Comparative Analysis of Three Different Construction Schemes

3 水磨钻施工工艺

3.1 施工原理

水磨钻主要采用小型电动机带动φ 160 的钢钻筒，钢钻筒上有8 个刀头。钢钻筒高750 mm，每层可钻进700 mm。沿设计桩径圆周为圆心成环状进行全断面咬合取芯，使桩孔内硬桩芯完全脱离岩体形成岩柱块，制造临空面。然后对桩芯部分岩石等分成若干小块，沿桩基半径向圆心利用手电钻钻一排孔，在孔内插入钢楔子，人工使用大锤使劲锤击钢楔子使岩体分解成几大块，再利用风镐将岩体大块破碎，使岩石从桩芯分裂剔除掉，取出分裂破碎的岩块［3］。

3.2 施工工艺流程

水磨钻钻孔工艺流程如图1所示。

图1 水磨钻钻孔工艺流程Fig.1 Process Flow Chart of Water Grinding Drilling

3.3 人员配置

1 根桩孔为一组，一组配2 人使用l 台水磨钻，其中，1人在孔内操作水磨钻施工，1人在地面配合出碴，2人轮换作业。

3.4 设备配置

⑴钻机为德国CAYKEN水钻SCY-3550型，功率4.88kW，380V电压，可钻φ160mm的孔，每层钻进700mm。

⑵电动提升机为Y132S-4 型，电机功率5.5 kW，380 V电压，配置φ 12 mm的钢丝绳。

⑶水磨钻主要由电动机、钢钻筒、专用水泵及支架组成。1个水磨钻机配备3个高750 mm，外径φ 160 mm，内径φ 140 mm，壁厚10 mm的钢钻筒，1个钢钻筒上有8个刀头。

3.5 施工方法

3.5.1 施工准备

施工前，采用风镐人工进行场地整平，场地整平范围满足水磨钻人工挖孔桩施工即可，不宜过大［4］。整平标高应高出桩顶标高20 cm 为宜，桩基桩顶地质基本为基岩，平台刷坡坡比为1∶0.75，岩层较破碎处采用喷锚防护。要对上下边坡孤石、松散石进行清除，防止滚落。

3.5.2 施工放样

根据设计提供的桩位坐标点，利用全站仪放出桩孔中心点，以桩中心为圆心，以桩的半径为半径画出孔口护圈内径圆周，撒白灰线，打入标桩，并设置护桩，便于校核，护桩埋设必须稳固，且不影响施工，并设立明显标志。

3.5.3 土层段成孔施工

顶部为杂填土或粘性土层采用人工配合风镐进行开挖，每次开挖深度不宜超过1.0 m，并及时浇筑200 mm厚的C25钢筋混凝土护壁，孔口处设置护壁锁口，锁口高出整平面300 mm，锁口硬化宽度不小于60 cm。在孔口位置埋设2 根φ 20 圆钢人员上下的爬梯；另外一侧也埋设2 根φ 20 的圆钢，用于固定风管和水管。顶部土层段成孔后架设垂直运输架、安装垂直运输设备及附属设施，搭好孔口遮雨棚。

3.5.4 水磨钻施工

⑴咬合取芯形成临空面：水磨钻取芯φ 160 mm，取芯圆的间距为150 mm，咬合50 mm，每层钻进岩层700 mm。沿设计桩径圆周为圆心成环状进行全断面咬合取芯，使桩孔内硬桩芯完全脱离岩体形成岩柱块，制造临空面［5］。

⑵钻取中部岩柱：水磨钻全断面咬合取芯闭环后将桩芯柱分成若干等份，每一份体积大致相同，再利用手电钻沿桩半径方向钻取取一排眼，以便将岩体破裂。

⑶中部岩柱破碎：在手电钻已钻好的孔内打入钢楔子，人工使用大锤使劲锤击钢楔子使岩体产生一个水平的冲击力，岩石在水平冲击力作用下沿铅锤面慢慢开裂，底部会发生因水平剪切破坏而断裂［6］。依次分解该层桩芯直到该层桩芯全部破裂为止。

⑷装渣，卷扬机出渣：每一层岩体咬合取芯作业完成后，将分离出来的大块碎石利用风镐分解破碎成小块，人工配合装渣通过电动卷扬机出渣［7］。

⑸桩孔修正及以下n个循环作业层：由于水磨钻全断面咬合取芯后桩孔壁通常成圆盘锯锯齿状，为保证开挖好的桩径不小于设计桩径，要凿除掉桩基孔壁锯齿状的岩石。通过孔口护桩拉十字线吊铅垂线在桩孔内标出设计桩中心，检查桩基底部轴线偏位情况并及时修孔纠偏，与此同时标示出下一个循环外壁一圈水磨钻取芯点位，进入下一循环岩层的挖孔桩施工，依次循环n次后达到设计挖孔桩的桩长。

⑹成孔检查与验收：钻孔至设计标高后，及时清除护壁上的泥土，并做好孔底处理，迅速将孔底碎渣及松渣清理干净，确保孔底平整，孔底无积水，孔径、孔深、垂直度均须满足设计要求后立即进行下道工序施工。

3.5.5 施工注意事项

施工前要熟悉挖孔桩处地勘资料，查清地质构造、岩层属性、岩层厚度、岩石坚硬程度及完整性等情况和地下水的状态，对施工中可能遇到的问题应采取有针对性的应急处理措施。

挖孔桩孔内须按相关规定配备专用安全软爬梯，爬梯宽度为0.5 m，高度为0.3 m，承载力不应小于2 kN，并用直径不小于20 mm 的HPB300 圆钢固定在孔口。人员通过固定在孔口的软梯上下，上下时必须系好安全带，安全带挂在安全绳上，安全绳栓固在孔口的预埋钢筋上，孔口人员根据上、下孔作业的人的速度往下收、松安全绳，人员在孔底作业时，也必须系好安全带和安全绳。

工人在孔内作业时应持续通风，现场配备气体浓度检测仪器。工人进入桩孔前先通风15 min 以上，并检查确认孔内空气满足要求后，人员才能方可下孔作业，清理孔壁上松散破裂的护壁和搁在护壁上的碴土，并对护壁进行修补。离开前必须用盖板将孔口覆盖，并做好围闭和警示标志。

开挖利用提升设备运渣，吊碴桶装运土（石）碴时，装碴量不应装满吊桶，一般装2∕3 桶，以防土（石）碴中途坠落。

采用电动卷扬机电缆、钢丝绳、吊具、连接部件和料桶必须牢固，卷扬机制动、止锁装置必须完好无损。出碴时卷扬机偏向一侧，在储碴桶平稳后再进行提升，提升过程中与孔壁保留20 cm以上距离，确保不得剐蹭孔壁，并要慢速提升，孔内人员停止作业，并站在半圆形防护板下方。

如遇渗水，孔内渗水量不大时，可用塑料桶盛水提升到孔外排水。当渗水量较大时，可在孔内边角处设置一个集水坑，用潜水泵抽水排水，潜水泵必须使用专用防水电缆，在抽完水后把水泵提离孔底后方可再进行作业，严禁边作业边抽水，同时要及时加强护壁支护，防止水在孔内流淌、浸泡。

开挖过程中应注意地层变化处，仔细核对设计地质资料是否相符［8］。若孔底地质复杂或作业时发现不良地质现象（如溶洞、薄层泥岩、不规则的淤泥分布等）时，应停止施工及时确定处理方案再施工。

因场地受限，国道距离桩孔很近，来往车辆产生的振动对护壁的安全也会造成不利的影响［9，10］。在下孔施工前，设专人观察护壁有无裂缝及孔壁坍塌迹象，如有裂缝或坍塌迹象，则应立即报告，待查明原因，采取有效的安全防护措施后，在确保安全的前提下方可继续施工。

4 结语

采用水磨钻咬合取芯施工岩溶区中风化石灰岩层临近既有线人工挖孔桩，解决了受场地受限，大型钻机无法施工，人工采用风镐挖孔遇到岩层凿不动的情况，避免了人工挖孔成孔临近公路在岩溶区岩层严禁炸药爆破作业的技术难题，能够以短时间、低成本、保质量、较安全的完成岩溶区人工挖孔桩施工任务，取得了较好的经济效益和社会效益［11，12］。水磨钻具有设备小、自重轻、操作简便、无泥浆排出、噪音小、无粉尘污染，施工质量安全可靠等优点，用来解决复杂地质条件下、邻近建（构）筑物以及既有线施工环境下，人工挖孔桩遇到硬岩开挖比较有效的一种施工方法，易于技术推广，是一种施工工艺上的创新。