套管管全回转钻机在岩溶地区的应用

套管管全回转钻机在岩溶地区的应用

又名喀斯特，是一种以水为单位的化学溶蚀作用，伴随着各种现象和作用，如沟渠、裂缝、洞穴、，由于洞穴顶部坍塌和落在地面上，导致斜面塌陷等。岩溶地区的地表形态特征有溶沟、溶槽、石芽和石林;漏斗、落水洞和竖井;溶蚀洼地和坡立谷等。岩溶地区的地下形态特征有溶蚀裂隙额及溶洞、暗河、石钟乳和石笋等。我国石灰岩地层形成的岩溶地区分布很广。这种地区在广西、贵州、云南、四川等地最多,其余湖南、广东、浙江、江苏、山东、山西等省均有规模大小不同的岩溶地区。此外,我国的西部和西北部在夹有石膏、岩盐的地层中,也有局部的岩溶分布。可溶性岩层由于成分、形成条件和组织结构等不同,岩溶的发育分布也不一致。岩溶地区的地貌特征造成工程地质条件的不连续性,大大地增大钻(冲)孔灌注桩施工难度,岩溶地区的钻(冲)孔灌注桩与普通地质条件下钻(冲)孔灌注桩基础施工相比,具有技术难度复杂,病害类型较多等特点。全套管全回转钻机是一种新型、环保、高效的钻机,徐州盾安重工机械制造有限公司于2011年6月在我国率先研制出该种钻机,投入施工后,到目前为止已研制生产了32台套全套管全回转钻机,分别在我国辽宁、江苏、广东、广西、重庆、上海及天津等地区的城市地铁、深基坑围护咬合桩、废桩(地下障碍)的清障处理、路桥基桩及喀斯特地层灌注桩等50余项工程推广应用。劳动法的特点硬地层冲挖钻机全套管全回转钻机是集全液压动力和传动、机电液联合控制于一体的新型钻机,具有全回转套管装置,压入套管和挖掘同时进行。冲抓斗依靠起重机的大小吊钩配合来完成对土层的冲挖作业。作业时,冲抓斗沿套管内壁自由下落,下落速度快,冲击力强,硬质地层可直接冲挖,且作业效率高;斗刃呈圆弧形,斗体重,可实现水下冲挖;内置滑轮组,抓紧力随起吊力的增加而成倍增加。在岩层用冲击锤反复冲击,破碎后用冲抓斗挖掘。由于该钻机具有强大的扭矩、压入力及刀头,可完成硬岩层中的施工作业,其可在单轴抗压强度为150～200MPa的硬岩层中顺利钻进。该钻机在喀斯特地层中施工,不需回填块石,不用另外下套管,利用其自重的良好的垂直度调节性能及钻速、钻压与扭矩的自动控制性能,可顺利地完成穿过溶洞的钻进任务;在溶洞中灌注混凝土时,在套管内进行,添加速凝剂的混凝土不易散失;另外钻机具有强大的起拔力,还可以延时起拔,从而顺利地完成溶洞中的灌注桩施工作业。可以避免泥浆护壁法成孔工艺所造成的泥膜和沉渣对灌注桩承载力消弱的影响。卡钻施工中的难点及解决方法较全套管全回转钻机是一种机械性能好、成孔深度大、成孔直径大的新型桩工机械,集取土、进岩、成孔、护壁、吊放钢筋笼、灌注混凝土等作业工序于一体,效率高、工序辅助费用低。在喀斯特地层桩基施工中,本工法与采用泥浆护壁的钻、冲击成孔的大直径灌注桩及人工挖孔灌注桩的施工工法相比,在成孔成桩工艺方面有显著的优越性。①漏浆。岩溶裂隙透水;桩孔与溶洞突然贯通;钢护筒底部土层流失及土洞和溶洞互相贯通等原因造成漏浆。漏浆严重时造成孔壁坍塌或将钻机倾倒。②倾斜。遇滚石层探头石冲孔困难;倾斜岩面上成孔出现滑锤;钢护筒在成孔时倾斜及施工钢平台支腿扭变滚动等原因造成桩孔倾斜。③卡钻。冲击成孔时,由于钻头的抖动往往冲破孔壁,致使孔壁不圆或形成梅花孔等现象;桩孔倾斜;钻头磨损未及时补焊,钻孔直径逐渐变小,新钻头或补焊后钻头直径过大;施钻过程中由于冲程过大,突然击穿溶洞顶板使钻头施转不能提钻;此外,因地质结构复杂,判断失误等原因造成卡钻。卡钻结果造成施工滞懈,严重影响施工进度。④埋钻。由于孔壁坍塌造成埋钻。在岩溶地层冲孔,当冲孔穿越的溶洞顶板较薄且埋深较浅时,由于冲程过大,砸击溶洞顶板就可能出现溶洞坍塌,地表下陷,施工不慎造成掩埋钻头的情况。⑤崩塌。由于击穿溶洞或达及裂缝、断层等地层,孔内漏浆,泥浆面迅速下降,造成孔内甚至孔口发生坍塌现象。此外,对于溶洞填充物为软塑状的大孔径溶洞,在冲孔中易发生坍塌。⑥清孔困难。溶洞填充物为流塑状的大孔径溶洞,在冲孔中会因涌浆(填充物回流孔中)而发生堵孔和孔底沉淀层加厚现象,造成清孔困难。⑦漏混凝土。没有填充物的大孔径溶洞,虽然混凝土灌注前无漏浆现象或漏浆相对较少,但在向桩孔灌注混凝土时,容易发生混凝土流失现象。此外,由于灌注水下混凝土时,孔壁侧压力增大,冲破已形成的片石黏土孔壁封闭环而产生混凝土泄露。⑧桩身质量问题。由于地下水流动,加上漏浆等原因造成桩身混凝土离析、夹泥甚至断桩。①安全度不高。在施工中遇到地下水位较高、涌水量大及流砂等情况而无法继续施工。②“流泥”问题。流泥一般是从孔底新开挖出的一个方向或几个方向同时涌入孔底,无法继续施工。③桩身混凝土强度不够。桩身混凝土胶结差,出现蜂窝或孔洞,甚至骨料没有被胶结,结构松散。总的来说:在喀斯特地层施工中,上述常规的施工方法都会有相对较大的弊端,易造成工期延误,成本提高、环境污染严重等施工现象。①环保效果好。噪声低,振动小;由于应用全套管护壁,不使用泥浆,无泥浆污染环境的忧虑,施工现场整洁文明,很适合于在市区内施工。②孔内所取泥土,含水量较低,方便外运。③由于钢套管的护壁作用,可避免成孔过程中出现塌孔等安全隐患;可避免钻、冲击成孔灌注桩可能发生缩颈、断桩及混凝土离析等质量问题,可靠近既有建筑物施工。④挖掘时可直接判别土层和岩层特性,便于确定桩长。⑤由于应用全套管护壁可避免其他泥浆护壁法难以解决的流砂问题。⑥成孔和成桩质量高。垂直度偏差小;使用套管成孔,孔壁不会坍落,避免泥浆污染钢筋和混入混凝土的可能性,同时避免桩身混凝土与土体间形成残存泥浆隔离膜(泥皮)的弊病;清孔彻底,孔底残渣少,桩的承载力高。⑦成孔直径和挖掘深度大,钻进速度快。⑧成孔直径可以控制,充盈系数小,与其他成孔方法相比,可节约大量的混凝土用量。风化地层施工配合冲抓斗和冲击锤,可在各种土层(黏性土、砂上及砂卵石层)、喀斯特地层及强风化与中风化岩层中施工,可在单轴抗压强度为150～200MPa的硬岩层中钻进;适用于直径800～1500mm(DTR1505H钻机)、1000～2000mm(DTR2005H钻机)、1200～2600mm(DTR2605H钻机)及深度在80m以下的桩孔施工。桩端持力层开挖利用DTR全套管全回转钻机的回转装置的回转,使钢套管与土层间的摩阻力大大减少,边回转边压入,同时利用冲抓斗、冲击锤挖掘取土,直至套管下到桩端持力层为止。挖掘完毕后立即进行挖掘深度的测定,并且确认桩端持力层,然后清除虚土。成孔后将钢筋笼放入,接着将导管竖立在钻孔中心,最后灌注混凝土成桩。施工过程和要点施工工艺流程见图1。基岩及岩溶测量与分析施工范围确定后,需要用机械对场地进行平整,便于全套管全回转钻机施工,此外还要有不小于200m由专业测量人员用全站仪测定桩位,打好木桩,做好标记。DTR系列全套管全回转钻机采用履带式行走装置,其液压横向伸缩性能可使设备在场地上方便自行移动及桩心定位。钻机就位后,调整其水平并保证4个支腿油缸均匀受力。在主副夹具完全打开的情况下,放入带刃口的套管,在吊放套管的过程中,应平稳缓慢,避免其与主机机体碰撞。安置套管后使其刃尖与地面之间留有作业空间(150mm左右),抱紧套管后测定垂直度情况,可做微量调整,并随时用经纬仪或测锤监测。借助于钻机上的楔形夹紧装置使无论在什么位置都能夹紧套管,并使套管保持较高的垂直精度。另外,钻机上还设有孔径变更装置,使得设备适用于各种直径的变径要求。埋设第1、第2节套管,必须竖直,这是决定桩孔垂直度精度的关键。钻机上设有垂直度装置,可以保证施工中钻孔垂直度,随时纠正施工中套管的角度。与第1节套管组合的第1组套管必须保持很高的精度,细心地压入。全套管桩的垂直精度几乎完全由第1组套管的垂直精度来决定。第1组套管安装好后要用2台经纬仪或2组测锤从两个正交方向校正其垂直度,边校正、边回转套管、边压入,不断校核垂直度。钻机回转钻进的同时观察扭矩、压力及垂直精度的情况,并做好记录。当钻进3m时,用抓斗取土,取土前套管上吊装保护套管接头的套管帽;回转钻进的同时进行取土作业,并监测取土深度,不能超挖,管底留有2倍直径厚度的土。钻机平台上有1m的套管没有钻进时,测量取土深度,处理套管接口,准备接套管。管口要进行防锈处理,涂抹油脂,并加一层保鲜膜,以便于拆装。吊装6m的套管进行连接,保养过的连接螺栓要对称均匀加力并紧固。连接套管后继续钻进。作业时遇有不均匀地层或卵石层时,应采用蠕动式作业,要多回转少压入,缓慢穿过。施工顺序应根据地质钻探资料提供的溶洞分布情况,按照先短后长、先易后难、先外后内的原则确定各桩施工顺序。钻进工艺,套管下到岩面以下即开始用冲击锤和冲抓斗进行冲、砸、钻、抓等组合工艺取出岩渣。溶洞桩基处理方案:①溶沟、中小溶洞施工:基桩穿过溶沟、中小溶洞(溶洞高度不大于5m)时,无需作任何辅助工作,按全套管常规成孔流程施工,就可以达到设计要求。②空洞、大溶洞施工:基桩穿过空洞、大溶洞(溶洞高度大于5m以上)时,可采用回填或钢套管跟进的办法。回填方法:将套管底部提至大溶洞上端。致使大溶洞大部分完全裸露在套管下方,然后采用回填的方案,利用水压特性将溶洞封死;接着套管钻进,用冲抓斗和冲击锤取土岩,继续钻进。钢套管跟进方法:先计算好溶洞所在位置的深度,溶洞的高度,沉入钢套筒,待成孔后将钢筋笼下至桩孔内,然后灌注混凝土,最后提拔套管成桩。钢套筒一般采用10mm厚钢板卷制,套筒高度以大于溶洞高度2m,这样可以完全覆盖溶洞高度,以避免不必要的亏方。采用全套管全回转钻机对溶洞的处理具有简便、安全、快捷、无污染等特点。全套管施工,由于套管的护壁作用,避免施工过程中出现坍塌孔等安全隐患,有效地确保工程质量进度及施工安全。钻进至孔底设计标高后,及时用冲抓斗细心地掏底,进行孔底处理,做到平整,无松渣、污泥及沉淀等软层;嵌入岩层深度应符合设计要求;并及时向驻地监理工程师报检。吊装钢筋笼可采用三点或四点吊装法,操作安全灵活,钢筋笼不易变形、弯曲,保证其顺直度;桩长度较长时,钢筋笼应分节制作、安装,采用焊接连接;若需加钢套筒,则其焊接一定要准确、牢固;钢筋笼主筋分布要匀称,焊点要牢固,扎丝不能外漏,以防止灌注桩身混凝土后,在提拔套管时将钢筋笼上浮。对于水下灌注混凝土的情况,采用导管法施工。采用气举反循环施工工艺法,即将沉渣从导管内排出的清渣工艺。其原理是利用空压机的高压空气,通过安装在导管内的风管送至桩孔内,高压空气与泥浆混合,在导管内形成一种密度小于泥浆的浆气混合物,该混合物因其密度小而上升,在导管内混合器底端形成负压,下面的泥浆在负压的作用下上升,并在气压动量的联合作用下,不断补浆,上升至混合器的泥浆与气体形成气浆混合物后继续上升,从而形成流动,因为导管的内断面积小于导管外壁与桩壁间的环状断面积,便形成了流速、流量极大的反循环泥浆流,携带沉渣从导管内反出,排除导管外。气举反循环排渣的设备主要是9～20m导管法灌注混凝土施工程序如下:①沉放钢筋笼。②安设导管,将导管缓慢地沉入到距孔底300～500mm的深度处。③悬挂隔水塞,并将其放在导管内的水面之上。④灌入首批混凝土。⑤剪断悬挂隔水塞的铁丝,使其和混凝土拌合物顺导管而下,将管内的水挤出来,隔水塞脱落留在孔底混凝土中。⑥连续灌注混凝土,随着灌注量的增大,慢慢同步提拔导管和套管,并同步拆除套管和导管。⑦灌注结束后,应立即对每节套管螺丝连接和导管进行清洗,以备进行下一次灌注使用。导管法施工注意事项:①根据桩径、桩长和灌注量,合理选择导管、隔水塞、混凝土泵车及起吊运输等机具的规格型号。②导管吊放入孔时,应将橡胶圈或胶皮垫安放周整、严密,确保密封良好。导管在桩孔内的位置应保持居中,防止跑管、撞坏钢筋笼并损坏导管。导管底部距孔底(或孔底沉渣面)高度,以能放出隔水塞及首批混凝土为度。导管全部入孔后,计算导管柱总长和导管底部位置,并再次测定孔底沉渣厚度,若超出