全回转全套管设备在特殊环境复杂地层钻孔灌注桩中的应用

2024年3月26日发(作者：)

全回转全套管设备在特殊环境复杂地层钻孔灌注桩中的应用

曹礼林

【摘 要】桩基工程施工时,当遇到紧贴周边地下建筑物对位移敏感的特殊施工环境,

或者遇到坚硬深厚卵石层、砾石层,桩位下方存在高承压水,或设计桩位下方存在废

桩、浆砌块石、垃圾土等障碍物时,会对桩基施工的顺利成孔、进度与质量造成较

大影响.针对上述问题,常规采用泥浆护壁回转成孔、旋挖成孔、冲击成孔的施工方

法受到限制,同时存在护壁泥浆污染环境、成孔质量差及垂直度不易控制等缺点,尤

其是成孔产生的振动对敏感建筑物造成的影响不容忽视(如地铁周边).近年来出现的

全回转全套管配合旋挖钻机钻进或配合履带吊冲抓钻进技术可以有效进行地下清障

或成桩施工,尤其套管超前工况下更适用于地铁周边或周边环境及地质条件和复杂

的场合,近年来已被工程界采用.作者从事全回转全套管工程实践,撰写本文共同学习

交流,不断提高全回转全套管的施工水平,更大范围得到推广应用.%During the

construction of pile foundation, when encountering the special

construction environment that is sensitive to the displacement of the

surrounding underground buildings, or encountering hard and thick

pebble layer and gravel layer, there is high pressure water under the pile or

there are waste piles, masonry stone, garbage soil and other obstacles in

the design of pile, it has a greater impact on smoothly hole forming,the

progress and quality of construction of the pile. In view of the above

problems, the conventional method is limited, meanwhile, there are

disadvantages such as pollution of wall mud, poor hole forming quality

and difficult vertical control, especially the impact of vibrations on sensitive

buildings can not be ignored (eg, around the metro). In recent years, the

full-turn full pipe with rotary drilling rig drilling or with crawler crane

grasping drilling technology can effectively carry out underground

clearance or pile forming construction, especially under the casing

conditions, it is more applicable to the surrounding subway environment

and geological conditions, and in recent years it has been adopted by the

engineering community. The author introduces full-turn full-pipe

engineering practice to continuously improve the construction of full-turn

full-tube construction level and promote a wider range of applications.

【期刊名称】《价值工程》

【年(卷),期】2018(037)009

【总页数】5页(P124-128)

【关键词】全套管;高承压水;灌注桩;卵砾石层

【作 者】曹礼林

【作者单位】中铁十二局集团第一工程有限公司,西安710038

【正文语种】中 文

【中图分类】TU473.1

1 概述

全套管施工方法又称“贝诺特”（Benoto）法，是由法国Benoto公司最早采用

的一种就地灌注混凝土桩的施工方法。日本1954年从贝诺特公司引进了全套管施

工方法，并于60年代初由日本三菱重工业公司与贝诺特公司进行技术合作，生产

出BT-1型和BT-25型全套管钻机。90年代末开始引进国内，近5年发展较快，

并实现国产化并量化生产。灌注桩全套管施工工法也不断发展。传统的贝诺特做法

是利用摇动装置的摇动（或回转装置的回转）使钢套管与土层间的摩擦阻力大大减

小，边摇动（或边回转）边压入，同时利用冲抓斗挖掘取土，直至将套管下到桩端

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。

其实质是冲抓斗跟管钻进法。近年来由于全回转全套管设备及旋挖设备的迅速发展，

采用全回转设备套管超前2m以上，旋挖钻头切削工作面后续跟进有效避免对周

边地铁的扰动。

全回转全套管灌注桩的施工噪音小，不会出现较大幅度的振动和泥浆污染现象，目

前已被广泛应用在国内外工程施工领域。在香港，全回转全套管灌注桩挤占了全香

港45%的市场份额，昆明、温州及北京地区十多个个工程目前也使用了这类桩型。

1999年，北京某工地因杂填土层过厚导致现场的桩机设备无法顺利成桩，遂改换

摇动式全套管钻机设备经过四个月的艰苦奋斗，完成了976根灌注桩的施工任务，

这些桩均穿越杂填土进入老土一定深度，桩长在20~24m之间，桩径有0.8m的、

1.0m的，也有1.2m。自2001年开始，深、宁、杭及津等地带的四十座地铁车

站均不同程度地采用该成桩技术取代了以往的地下连续墙，每个工程的成桩施工费

用都大幅度减少。八十年代中后期，中建六局土木工程公司曾在其承建的国外大型

桥梁工程中采用了大直径钻孔灌注桩工法。近年国内全套管全回旋钻机已研制成功，

主要技术性能已达到国际先进水平，并在北京阜城门立交桥等工地投入实际应用，

施工速度是同条件下其它施工方面的1~5倍，成桩质量高于国家现行施工验收规

范标准，显示出了该施工技术卓越的科学性和先进性，应用前景十分广阔。

2 基本原理

①首先把主机安装在桩芯位置，把套管插入体内，在起重机吊着套管的状态下，使

套管垂直并用夹紧装置抱住。

②反复旋转套管，用冲抓斗对套管内进行挖掘。

③遇到卵石、障碍物时，用安装在套管前端的刀头一边回转切削，一边用落锤砸碎，

然后冲抓斗抓出。

④在抓到设计深度，用抓斗把孔底的淤泥清除，插入预先做好的钢筋笼，利用导管

灌入混凝土（见图1）。

图1 工艺原理示意图

3 适用范围

全回转全套管设备适应性较大，能够在卵石、沼泽地、漂石地层、高回填土地层、

强缩颈地层、溶洞地层、厚流沙地层等复杂地理条件下顺利完成了灌注桩、置换桩

的工程任务，并将地下障碍物顺利清走，这样的桩基施工效率是其它桩基础施工不

可匹及的。目前，这种桩基础施工方法已被广泛应用在水库水坝的加固、高铁、城

市地铁、道桥、深基坑围护咬合桩等施工项目中。

4 施工优势

①噪音小，施工时振动幅度小，具有交稿的安全系数；

②无需泥浆护壁，作业中杜绝了泥浆进入混凝土，干净环保，而且成桩质量良好，

能够进一步提高混凝土对钢筋的握裹力；

③通过钻进过程可以直接判别地层机理和岩石特性；

④能够快速成桩，一般土层14m/小时左右即可成桩；

⑤钻进时可以达到一定的深度，最深处大概能达到120m，具体深入要根据土层情

况判别；

⑥成孔垂直度便于掌握，垂直度可以精确到1/500；

⑦不会产生塌孔现象，成孔质量高；

⑧成孔直径标准，充盈系数较小，比其它成孔工法所需混凝土用量更少；

⑨成孔后可快速清孔，孔底钻渣可清至30mm左右。

5 施工机械设备

5.1 全套管全回转钻机

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、可以驱动套管

做360度回转的新型钻机，压入套管和钻进同时进行，具有新型、高效、环保的

特点。全套管全回转钻机型号及参数见表1。

5.2 冲抓斗

冲抓斗是一种能打开又能闭合的圆柱体工具，其工作原理是：当套管压入土中一定

深度后，冲抓斗下端嘴片呈打开状态，履带吊卷扬筒突然快速放松（履带吊需带有

快放功能），冲抓斗以近乎自由落体的速度向套管内冲入切土，提升钢丝绳闭合抓

斗嘴片，提起抓斗离开套管移出孔位，用另外一个装置打开抓斗片弃土。需要注意

的是，抓斗的外径要与套管的内径相匹配，按桩孔土、岩特性，抓斗有万能型、硬

质土型、卵砾石型及进岩的十字凿锤等型式（见图 2）。

图2 冲抓斗

5.3 十字锤

十字锤主要用来冲砸硬岩（见图3）。

5.4 套管

套管有两方面功能：

①将顶部驱动设备提供的扭矩和压入力传递给刀头。

②在钻进的过程中还起到支护孔壁，防止孔壁坍塌的作用（见图4）。

表1 全套管全回转钻机型号及参数9080/5368/3034瞬时10593回转速度（rpm）

1.5/2.6/4.5 1.6/2.46/4.0 1.0/1.7/2.9 0.6/1.0/1.8 0.6/1.0/1.8套管下压力（kN）

最大360kN+自重190kN最大360kN+自重210kN最大600kN+自重260kN

最大830kN+自重350kN 最大1100kN+自重600kN套管起拔力（kN） 2690

2444瞬时2690 3760瞬时4300 3800瞬时4340 7237瞬时8370起拔行程

（mm） 500 750 750 750 750工作装置重量（ton） 25 35 46 56 96发动机型

号 Y2-280M-4 五十铃AA-6HK1XQP Cummins QSM11-335 Cummins

QSX15-500 Cummins QSM11-335×2发动机功率（kW/rpm） 2×90/1480电

动机 183.9/2000 272/1800 367/2100 2×272/1800型号 DTR1305L DTR1505

DTR2005H DTR2605H DTR3205H钻孔直径（mm） φ600-φ1300 φ800-

φ1500 φ1000-φ2000 φ1200-φ2600 φ2000-φ3200回转扭矩（kN·m）

1770/1050/590 1500/975/600瞬时1800 2965/1752/990瞬时3391

5292/3127/1766瞬时6174发动机燃油消耗率（g/kWh） 226.6（最大功率时）

216（最大功率时） 213（最大功率时） 216×2（最大功率时）

图3 十字锤

图4 钢套管

5.5 徐州盾安重工生产的DTR2005H全回转钻机注混凝土成桩等工序。

图5 盾安重工生产的DTR2005H全回转钻机

6 施工工艺

6.1 施工工艺流程

施工工艺流程见图6。

图6

6.2 施工工艺要点

套管法施工最关键的是套管垂直度和套管连接。主要包括首节带刃套管对中垂直压

入桩身土体、冲抓斗抓掘跟进、连接套管、重复沉管抓土至成孔，清渣、吊放钢筋

笼，灌

6.2 .1成孔方法

钻机水平就位后，将第一节套管立于桩位处，依靠自重、夹持机构回转力和夹持机

构压力的共同作用使第一节套管逐步下沉，然后在其上端连接第二节套管。在整个

钻孔施工中，如果前两节套管的垂直度控制不当导致其歪斜，将直接影响后续成桩

质量。只要确保第一节套管垂直，后续再严格按设计要求进行挖掘并连接套管，之

后下沉的套管基本上都会自然成垂直。每节护筒连接好并检查垂直度后，通过全回

转钻机的回转装置使护筒进行不小于360°的旋转，以减小护筒与土体的摩擦阻力，

并利用护筒端部的刀齿切割土体或障碍物（碎石或抛石）压入土中，开始正常作业。

通常护筒压入至土体3m以上位置后进行抓土作业，遇特殊情况如地底障碍物过

大，影响钻进速度，可考虑抓取部分土以便减小钻进中的阻力。施工中护筒接管高

度为钻机机高+1.0m，以便施工人员接管。抓土过程中实时监测地下土体标高，

利用绳尺量取地面护筒高度（h上）以及护筒内部深度（H），然后反算地下入土

深度，确保护筒底口始终超前开挖面2.5m以上（见图7）。

图7 套管入土深度控制图

计算式：H=h（上）+h（下）

6.2 .2成孔监控

①成孔监测。在成孔过程中，必须随时进行钢套管的垂直度的监测，特别是第一节

套管钻进时，监测可采用两台经纬仪或两个锤球双向15m开外控制，确保垂直度

小于1/300。

②纠偏措施。在成孔过程中无可避免的可能产生偏差，针对成孔偏差按下述程序进

行纠偏：

1）在每节套管成孔完毕后，对地面套管外露部分进行东西、南北两侧通过铅垂测

量倾斜度。

2）套管入土深度＜5m时，起拔套管100mm，利用钻机自身水平调整设施进行

水平调整，务必确保套管的垂直度，并利用铅垂复测。

3）套管入土深度＞5m时，由于套管打设已到一定深度，地底孔位已形成相应的

“轨道”，利用水平调整设施已无法完全纠偏，故起拔套管至入土深度＜5m，然

后按套管入土深度＜5m纠偏方式进行纠偏。

6.2.3 清孔

采用全套管钻机施工钻孔灌注桩成孔效果较好，如届时沉渣厚度满足要求

（100mm），则无须进行清孔处理；如沉渣厚度不满足要求，则在下放导管后进

行清孔，其清孔方式利用气举反循环进行清孔。

6.2.4 钢筋笼加工及吊装

①钢筋笼的加工。按照设计要求进行钢筋笼制作，并按照相关规范进行验收，且在

自检合格的前提下，通知监理方对钢筋笼进行验收。

②钢筋笼固定措施。

1）钢筋笼每隔6m设一道、每道等距设置4个砂浆限位保护层，确保钢筋笼始终

定位在孔内中心位置。

2）钢筋笼底部安装抗浮钢板或者钢筋网片，防止钢筋笼上浮。

3）钢筋笼顶部预留吊筋。

4）钢筋笼连接采用单面焊接，焊接长度为10d，并按50%接头错缝连接。

③钢筋笼起吊、就位和对接。

1）为确保钢筋起吊时不变形，采用两吊点起吊，第一吊点设在钢筋笼的上端，第

二吊点设在钢筋笼的中点到三分之一点之间。

2）同时起吊两个吊点，使钢筋笼离开地面2m左右，第二吊点停吊，继续起第一

吊点，使钢筋笼垂直，解除第二吊点，将钢筋笼徐徐放入钻孔中，并临时承托于孔

口，以便于第二节钢筋笼对接。解除起吊钢丝绳，用同样方法将第二节钢筋笼吊于

孔口上方，然后采用搭接焊对接。每根桩由2~3个电焊工进行焊接。

3）钢筋笼对接时，如预埋有声测管，需同时对声测管进行对接，对接采用丝牙接

头，确保每根管子连接准确且注意在电焊时不应将注浆管点破，造成漏浆而使预埋

管报废。

4）下放钢筋笼时需设置保护层垫块，每个截面不少于3块，每节钢筋笼不少于3

组。

6.2.5 混凝土灌注

①混凝土灌注前应进行塌落度检测，塌落度控制在180~220mm。

②混凝土初灌量应能保证混凝土灌入后，导管埋入混凝土深度不小于1.0m，导管

内混凝土和管外泥浆柱应保持平衡。

③灌注过程中，每灌完一车后，需测量护筒口到混凝土面的深度，根据测得深度，

判断拆除导管数量，控制导管的埋入深度在2~6m之间，埋置太深容易发生堵管，

太浅易进水，导致断桩。

④拆除的导管及时采用清水进行冲洗，以便于下次灌注混凝土使用。混凝土灌注过

程见图8。

图8 混凝土灌注过程示意图

7 关键施工技术

7.1 厚度超过20m的淤泥层中施工

对于厚度超过20m的淤泥层，应使套管超前下沉，可超出孔内开挖面l.0~1.5m

（结合含水量而定）。使落锤抓斗仅挖除套管底部上方的土体，以便于控制孔壁质

量及开挖方向。另一方面，保持一定高度的土柱，可以避免管外淤泥进入管内（见

图9）。

图9 淤泥层中成孔施工示意图

7.2 硬质砂土及卵石层中施工

对于硬质砂土及卵石层，应使落锤抓斗超前下挖20~30cm，因为在这种土层中套

管的下沉是非常困难的，尤其是对于地下水位以下的硬砂层。如不采取超前开挖的

措施，利用夹持压力勉强将套管压入土层中，由于土和套管壁之间的阻力较大，会

磨损套管和刀头，且在最后成桩阶段会对提升套管造成困难（见图10）。

图10 硬质砂土及卵石层中成孔施工示意图

7.3 承压含水层中施工

在承压含水层中施工，尽可能将套管钻进至相对隔水层，抽除套管内水后再用冲抓

斗予以取土（见图11）。

图11 承压含水层中成孔施工示意图

8 工程实例

桂林甘塘江特大桥基础位于喀斯特地貌地层，有多层溶洞，日沉降3mm，累计沉

降9cm。经设计多方案比较，大桥桩基采用直径1.5m的全回转全套管灌注桩，

穿过卵砾石层和多层溶洞，进入完整的中风化灰岩＞3m。护壁采用永久性钢管，

Q460C，壁厚35mm，外径1.5m，不拔除，混凝土采用普通C35混凝土。钢管

连接采用CO2气体保护焊。桩基为端承桩，工后沉降为桩身压缩量，最大值＜

2mm。图12为甘塘江大桥施工现场。

岩溶地区全回转钻机施工要点：全回转钻机的扭距和加压力为正常全回转施工的

1/3左右。通过施工勘察摸清溶洞的范围、充填情况，如果有充填物要查明充填物

的状态。遇溶洞不能用冲抓斗直接冲击硬岩，要用十字冲锤重锤低击，防止溶洞卡

锤。

9 结语

在特殊环境复杂地层中采用全套管护壁结合冲抓成孔或旋挖成孔工艺，可有效进行

灌注桩成孔成桩施工，尤其适用于类似地铁周边环境复杂的情况下成孔，能解决特

殊场地、特殊工况、复杂地层的大口径灌注桩施工，在高承压水、岩溶地区、高填

方等复杂地层中也已经取得很好的应用效果。

图12 甘塘江大桥施工现场

参考文献:

[1]沈保汉.桩基工程手册.

[2]沈保汉.全套管钻孔咬合灌注施工工法[J].工程机械与维修2015（04）.

[3]沈保汉.全套管全回转钻机喀斯特地层大直径灌注桩施工工法[J].工程机械与维修

2015（04）.

[4]施工[S].日本基础建设协会,1988.场所打ち一一杭杭の设计と.

[5]尾身博明り-回回工法の现状と最近の施工例[J].日本基础.