全回转全套管灌注桩施工技术是利用全回转全套管钻机, 将预制好的钢套管通过360°回转压入地层至一定深度, 通过冲抓斗将钢套管内的土体取出, 再逐步压入套管成孔, 最后吊放钢筋笼、灌注混凝土、起拔钢套管的施工方法^[1]。这种技术不用泥浆护壁, 具有环境友好、适用地层广、对周边土体影响小等优点, 特别适用于淤泥、卵砾石及全风化基岩等多种地层^[2] (也称为万能工法) 。

目前, 全回转全套管灌注桩深度较浅, 大多在40m范围内。虽然也有桩长超过40m的情况, 但钢套管不再拔出。对于采用该技术施工桩长超过60m并回收钢套管的超长灌注桩, 可参考的国内外成熟经验较少。这主要是由于随着成孔深度的增加, 钢套管与土体的摩擦力也逐步增大, 对压入和起拔套管带来较大困难。在成孔和灌注混凝土过程中, 全套管的垂直度、混凝土的凝固时间等参数也会对起拔钢套管带来影响^[3]。一旦钢套管无法拔出, 将会造成较大的经济损失。

本文结合福建罗源钢坯打捞工程, 针对遇到的地质条件复杂、临近既有厂房和生产线基础 (损坏不宜扰动) 、地下障碍物过多、围护桩较长等问题, 分别从钻进工艺研究、垂直度控制、混凝土凝固时间控制、起拔控制等方面, 对超长 (60m) 全回转全套管灌注桩技术进行研究, 解决了现场施工遇到的问题, 顺利回收钢套管, 拓展了该技术的应用范围。

原福建德盛镍业有限公司精炼分厂钢坯堆放区由于钢坯堆载超负荷, 地下基础失稳, 致使大约2万~3万t (1 500~2 000块) 钢坯下沉埋入地下淤泥层中。钢坯在下沉过程中带动周围土体位移, 致使钢坯库部分厂房发生垮塌, 柱下预制桩基础严重破坏。经后期物探, 钢坯最大埋深约30m。

发生垮塌的钢坯库周边环境非常复杂。如图1所示, 东面紧临钢坯生产线, 西面贴近钢坯库未垮塌部分, 南面靠近带钢厂房, 北面贴近精炼厂电气室及设备维修间。

另外, 东侧紧贴连铸钢坯生产线及与钢坯生产线平行布设有1条电缆沟, 平行于带钢厂房外墙埋设有1条1 600的排水管及1条400的输气管。

确保周边构筑物和管线安全下, 为顺利将沉入地下的钢坯打捞出来, 需建立可靠的基坑围护体系, 逐步进行基坑开挖、打捞钢坯、施工水平支撑结构。

钢坯打捞场地位于罗源湾北岸, 属滨岸相沉积地貌, 原被海水覆盖, 经修筑海堤及大面积填方后现为陆地。场地现地形标高在4.810~6.010m, 平均为5.310m。从地质勘察报告可以看出, 基坑围护结构需穿越的土层依次为上部杂填土、淤泥、淤泥质土、黏土层、砂砾石层、黏土层、卵石层、强风化岩。其中淤泥、淤泥质土具有厚度大 (约40m) 、含水量高 (达70%以上) 、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、灵敏度高等不利特性。淤泥层中还存在大量的断桩、孤石、破碎钢筋混凝土 (原地坪) 及钢坯。这些因素均给围护结构施工带来较大困难。

为顺利打捞钢坯, 基坑开挖深度设计为30m, 采用双排灌注桩+内衬墙+高压旋喷桩止水帷幕结合的方式进行支护。围护桩内圈为ф1 200@2 000的灌注桩, 有效桩长55.8m, 外圈为ф1 000@2 000, 有效桩长≥60.8m, 进入⑧₁层强风化岩至少1m。内外圈灌注桩交错排布, 如图2所示。

1) 淤泥层厚, 地下障碍物和钢坯游离不定, 受到外界扰动时易进入设计桩位。

2) 施工区域狭小, 成槽机等大型施工机械无法展开。

3) 桩长过长, 受地下障碍物和施工扰动影响, 桩身垂直度不易控制。

4) 超长 (>60m) 全回转全套管灌注桩 (回收钢套管) 尚无成熟经验可参考。

针对上述问题, 为限制钢坯的进一步移动, 减少施工振动, 保护周边建筑, 在基坑东侧和北侧共排布20根1.2m长的灌注桩, 采用全回转全套管技术施工。同时, 为顺利回收钢套管, 在施工过程中分别从钻进工艺、垂直度控制、混凝土凝固时间及起拔控制等方面开展研究。

当灌注桩成孔深度超过40m后, 应根据地层特点采取相应的钢套管钻进及取土方式, 尽可能减少对周边土体的影响, 并最大限度地减少起拔钢套管时的阻力。

1) 对于一般土层如黏土、砂性土等, 应使钢套管超前下沉, 再利用冲抓斗取土, 始终保持钢套管内土柱高约30cm, 以确保垂直度, 如图3所示。

2) 对于软弱土层, 尤其是厚度超过20m的淤泥层, 为防止钢套管外的淤泥绕流^[4]、控制孔壁质量及开挖方向, 也应使套管超前下沉, 并始终保持钢套管内土柱高度为l~1.5m, 如图4所示。

3) 对于坚硬土层如卵石层、砾石层, 应使落锤或冲抓斗超前下挖20~30cm, 如图5所示。在这种土层中套管的下沉是非常困难的。如不采取超前开挖措施, 仅利用夹持压力强行将套管压入土层中, 硬质土和套管壁间的阻力较大, 不但会磨损套管, 而且在成桩阶段也会对起拔套管造成困难。

4) 如遇承压含水层, 尽可能将套管钻进至相对隔水层, 然后抽除套管内水后再用冲抓斗予以取土^[5]。这样可以防止套管外的承压水流失过多, 引起周边建筑物的沉降。

套管回旋压入过程中, 应及时监控和调整地面以上套管的垂直度, 满足设计要求。更重要的是, 若在压入过程中套管垂直度偏差过大, 将会引起土体与套管的摩擦力增大, 导致拔管困难。尤其是在桩长40m以上的超长桩施工中, 甚至会发生拔不出套管的情况, 损失套管。

一般情况下, 在套管的左右、前后2个方向上, 应采用经纬仪或全站仪控制套管垂直度。若现场条件不允许, 也可采用如图6所示的垂直度控制装置^[6]。在套管的左右、前后2个方向由专人同时监控。其中1人应是全回转全套管机的专职司机, 以便及时发现垂直度偏差及时调整。当发现套管垂直度偏差时, 可将套管提起50~80cm, 再缓慢重新压入, 逐渐找回偏差, 保证套管的垂直度要求。

当套管钻进至设计标高位置, 完成清孔、吊放钢筋笼等工作后, 应尽快浇筑混凝土, 避免套管停留时间过久, 造成起拔困难。由于灌注桩较长, 且地下淤泥层较厚, 如果控制不好, 会产生以下问题。

1) 如果套管内混凝土浇筑量较少就起拔套管, 会引起套管外的土体进入套管内, 影响桩身质量。

2) 如果浇筑完混凝土立即起拔会造成扩径。

3) 如果停留时间过久, 混凝土凝固后会与钢套管黏在一起, 造成起拔困难。

图7给出了现场由于混凝土浇筑后停留时间过久, 发生的套管起拔困难造成断桩的情况。

经过多次试验研究, 针对超长全回转全套管灌注桩施工, 取得以下经验数据, 以供参考。

1) 开始灌注混凝土时, 应先灌入2~3m³混凝土, 将套管转动后提升20~30cm, 以确定机械上拔力是否满足要求。不能满足时, 则应采用起重机辅助起吊。

2) 灌注过程中, 应确保混凝土高于套管端口至少2m, 防止上拔过快造成断桩事故。

3) 拔管初始时间与混凝土凝固时间密切相关。待最初浇筑混凝土凝固15min, 即可缓慢转动套管, 与吊机配合依次快速逐节将套管拔出。

4) 在淤泥层厚度为20m以上的土层中拔管时, 应注意将混凝土的凝固时间延长 (20~30min) , 避免拔管后混凝土挤压周围土体产生扩径。

超长全回转全套管灌注桩施工技术的研究, 解决了围护桩施工遇到的各种问题, 避免了对钢坯的扰动, 有效限制了钢坯的持续移动, 顺利成桩。同时, 周边已发生破坏的构筑物桩基础也未发生进一步变形。

本文介绍了全回转全套管灌注桩的施工技术, 重点研究了利用全回转全套管钻机施工超长灌注桩时, 在不同地层钻进方式、垂直度控制、混凝土凝固时间及起拔控制等方面应当注意的问题。通过本文研究, 可以得出以下结论。

1) 利用全回转全套管钻机施工超长灌注桩, 应根据不同的地层特点, 采取相应的钻进及成孔方式, 以减少对周边土体的扰动, 为顺利拔管创造条件。

2) 为减少土体与钢套管的摩擦力, 应采用经纬仪、全站仪或图6的装置时刻监控套管垂直度。垂直度偏差过大时, 必须提管重新压入, 确保垂直度。

3) 为确保桩身质量、顺利起拔套管, 应当根据不同土层, 控制混凝土凝固时间, 以免造成埋管或桩身扩径等问题。