全回转钻机咬合桩施工技术应用

张立光 ，蒋海波

（1.中交一航局第三工程有限公司，辽宁 大连 116083；2.天津市水下隧道建设与运维技术企业重点实验室，天津 300461）

0 引言

全回转钻机是可以驱动套管做360°回转的新型钻机，压入套管和挖掘同时进行，具有新型、高效、环保的钻进技术。全回转钻机主要适用于特殊地层和复杂环境的灌注桩施工。由于钻机具有强大的扭矩、压入力，可有效对岩层进行切削，且套管本身具有护壁作用，无需回填块石或另下护筒，目前国内全回转钻机已实现深度120 m 以上的桩基施工。大连湾海底隧道建设工程的沉管预制场包含东、西两个坞室，坞室内长480 m，北侧宽135 m，南侧宽74.7 m，基坑开挖深达17 m。采用直径1.0 m 咬合桩支护，最长桩长约20 m；工程所在地为临海回填区，地质条件复杂，回填区下方为岩石，上方回填土含有杂填土、素填土、粉煤灰等土质，杂填土层含有建筑垃圾较多、粒径较大（最大粒径在80 cm），素填土层含有碎石较多（最大含量在40%），粉煤灰层松散、饱和，受振动后易液化，岩面起伏不平，溶沟、溶槽、溶洞较发育。由于地质条件复杂，咬合桩采用了“全套管全回转钻机+超缓凝型混凝土”的施工方案。

1 施工工艺

咬合桩的排列方式为两个素混凝土桩（即I 序桩）之间依靠一个钢筋混凝土桩相咬合，施工时先将两个素桩施工完成，利用素桩为超缓凝型混凝土的特性，实现荤桩（即II 序桩）施工时对素桩进行相嵌部分软切割，最终灌注荤桩实现素桩与荤桩的咬合，使之具有良好的防渗作用，从而形成整体连续的基坑支护结构[1-4]，施工工艺见图1。

图1 施工工艺图Fig.1 Construction technology

2 关键技术应用

全回转钻机在成桩的过程中可以直接清除地下岩层及障碍物，达到一次成桩，且更适用于施工平面多变的几何图形或呈各种弧形的基坑。具体的技术应用如下：

2.1 快速定位及就位

因钻机自重较大，钻机精确就位时间长，为了加快钻机驻位，研发了快速定位装置，见图2，以提高钻机就位效率，节省钻机就位时间。

图2 辅助定位架Fig.2 Auxiliary positioning frame

1）将全回转钻机定位盘与全回转钻机连接成整体，定位盘与全回转钻机采用锁链连接固定[5]。

2）根据咬合桩导向槽结构，加工定位架，定位架安装在导向槽桩位孔内自稳固，定位架外伸定位边部分根据全回转钻机底座外轮廓尺寸制作，定位架采用5 cm×5 cm 角钢及扁钢制作，以轻便、可人工安放为原则。

3）全回转钻机移位时，首先人工将定位架安放在前方桩位导向槽内，起吊全回转钻机，全回转钻机底部已连接定位盘。人工辅助钻机缓缓就位[6-7]。

2.2 成孔垂直度

咬合桩的咬合厚度，直接关系到连接各桩形成整体，并决定围护的抗渗止水效果。而桩身垂直度又影响到相邻两桩间的咬合厚度。咬合桩设计要求的垂直度控制在0.3%以内，采用全回转工艺，桩身可达到0.2%垂直度[5，8]。施工中要控制好垂直度，注重以下2 个环节：

1）成孔前的套管检查

由于套管压入地层是靠主机液压油缸行程完成的，每次压入深度约500 mm，套管每节长度6 m，可以边压入边纠偏，进行全过程的垂直度控制。

2）成孔中的垂直度监测和检查

地面监测在地面沿正交方向布置2 台经纬仪，每根桩成孔过程中，同步监测钻机上外露套管的垂直度，应自始至终不间断。

孔内检查每节套管压完后安装下一节套管之前，都要用线锤进行套管内垂直度检查。

井径仪抽检钻孔完成后，下放钢筋笼前，由专业检测机构对套管成孔全桩长进行垂直度检测，现场抽检总桩数的10%。

3） 纠偏

成孔中当发现有机身倾斜或套管偏斜迹象时，必须立即进行纠偏。

2.3 成孔过程中防“绕流管涌”

在桩钻孔咬合处于缓凝中的素桩时，可能会发生流动状态的素桩超缓凝混凝土从桩咬合重合处涌入荤桩套管内，造成“绕流管涌”。为防止“绕流管涌”，可通过以下环节控制：

1）套管超前

荤桩套管应超前孔底2 m，即套管内取土面与套管管底相对高差>2 m。增加高差以增大绕流路径，提高摩阻力以减小管涌可能。

2）观察邻桩

荤桩成孔中，应密切注意观察，与其两侧相邻咬合的素桩混凝土顶面是否下陷，荤桩套管内所取土是否全部为混凝土。在荤桩成孔接近桩底时，发生管涌可能性最大，应特别注意观察。

3）下压套管

增加高差若出现荤桩“绕流管涌”情况，应立即停止荤桩套管内取土，并同时尽量下压套管，以增加套管管底与取土面的高差。

2.4 浇混凝土时拔套管和混凝土导管要求

应注意确保套管埋入混凝土内深度始终≥2.5 m。拆除咬合桩套管过程中，可以同步拆除相同长度的混凝土导管。混凝土导管埋在混凝土内的深度，以3～5 m 为宜，不宜过深，以防止混凝土浇捣困难堵塞导管，最小不小于2 m。

2.5 单桩完成后防止导墙下陷措施

桩孔浇灌完混凝土后，因设计桩顶混凝土面距离导墙面还有一段距离，需向孔内回填黄砂至导墙面，并浇水湿润分层回填振动密实。防止因为套管拔出后，导墙面下孔口附近的原地表杂填土塌落到桩孔内，导致导墙塌陷钻机倾斜桩身不垂直。

3 应用效果

全回转钻机已成功应用于大连湾海底隧道沉管预制场咬合桩止水施工，见图3。经检验，桩体垂直度均能够达到0.2%以内，能够满足设计要求的0.3%以内的要求。全回转钻机护筒底部配有合金刀头，可以切割入岩，护筒入岩效率约为0.5 m/h。应用效果良好。从整个工程应用来看，全回转钻机可以切割大块石、斜岩区域、可单边切割斜岩、护筒可以垂直进入、不发生倾斜。在溶洞区域，可以跟进至溶洞内部，防止混凝土扩孔大，损耗大，成桩质量高，有利于提高混凝土对钢筋的握裹力。施工时还可以很直观的判别地层及岩石特性，不易产生塌孔现象，成孔质量高，成孔直径标准，充盈系数小，与其它成孔方法相比，可节约混凝土用量。

图3 全回转钻机施工Fig.3 Construction of 360 degree rotator drill

4 结语

在大连湾海底隧道建设工程沉管预制场咬合桩施工的实际应用，全回转钻机适合在卵、漂石地层、含溶洞地层、厚流沙地层、强缩颈地层等各类地质中进行桩基施工，解决了复杂特殊环境工况下的施工难题。通过总结、优化，解决桩基垂直度及咬合相关难题，为后续止水施工提供了质量保证，施工效果较好，对今后类似工程具有良好的借鉴意义。