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摘要：针对沪昆客专贵州段大猫坡特大桥与既有公路、铁路、石油管线及军用光缆交叉跨越，受场地狭小及与公路、铁路、石油管线及军缆管理单位协调难度大等因素影响施工进度，因而采取了施工用具简单、受场地限制影响较小的混凝土取芯机进行钻孔桩桩基施工。
关键词：取芯机 特殊地理条件 桩基 应用
1 工程概况
沪昆客专贵州段作为沪昆客运专线的一段，是我国《综合交通网中长期发展规划》中“五纵五横”综合运输大通道——沪昆通道的西段，是我国铁路网主骨架中的横向通道之一，是长三角、珠三角等沿海经济发达地区向西南内陆地区进行经济辐射的主要轴线。由中铁十四局集团公司施工的大猫坡特大桥全长1314m，分别跨越西南石油管道和军用光缆（32+48+32）m、省道S102（28+48+33）m和既有沪昆铁路（40+64+40）m，由于连续梁采用悬臂浇筑，施工周期长，加之其集中处于跨越公路、铁路、军缆和高压线上跨等特殊地理位置，受外部因素制约较大，因此大猫坡特大桥成为控制工期的重点工程。
由于大猫坡特大桥特殊的地理位置，为确保施工工期、加快施工进度且保证对既有公路、铁路、石油管道及军缆的安全，对跨越石油管道处的4#、5#墩、临近公路的6#、7#、8#、9#、10#以及临近铁路的11#、12#、13#、14#墩桩基（直径1.25m和1.5m），均采用取芯机成孔的施工方法。
2 地质水文情况
贵州是典型的喀斯特地貌地区，桥址处地表岩溶主要为溶洞、溶沟溶槽及溶蚀小孔，部分溶洞全充填，部分溶洞无充填；部分桩位地表表层分布有软土和膨胀土，厚度30cm～100cm。桥址处主要出露碳酸盐灰岩。
桥位处地下水位因本桥溶洞、溶沟溶槽及溶蚀小孔的存在，受当地降雨影响较大，旱季水位较低，雨季水位迅速上涨，因此采用取芯成孔施工工艺的桩基础，均安排在当地雨季到来前完成。
3 施工方案的选取
由于大猫坡特大桥部分桩基受到与公路、铁路、石油管线、军缆以及电力管理部门签订施工安全协议或迁改时间的不确定影响，为加快线下工程施工进度，保证既有公路、铁路、石油管线、军缆及电力线的安全，综合考虑后，对不宜采用常规钻孔机械进行施工的桩基础，均采用了混凝土取芯机进行成孔的施工工艺。
4 取芯机成孔工作原理
岩石具有抗压强度高、抗拉、抗剪强度低的特性。取芯机取芯正是利用了岩石的抗拉、抗剪强度低的特性，通过施加外力使“芯样”断裂，从而达到取芯成孔的目的。
而采用取芯机施工桩基就是要把完整的岩石逐步分解，形成易于破碎、方便从孔中提取出的小块“芯样”，进而形成孔洞，达到设计要求的孔径，形成桩基础。
现场进行钻孔取芯施工时一般采用直径150mm的钻头，按照设计的桩孔直径首先在桩基外缘部分钻取深度为60cm的“芯样”，使桩孔圆周外边缘形成临空面，然后对中间剩余部分利用风钻打孔（孔深一般超出边缘孔深的10cm～20cm），分割成易于破坏、易于搬运的小块“芯样”，之后通过在风枪孔处插入楔型钢件，通过对楔块施加冲击外力使楔块下移，芯样顶部受到向芯样圆心方向的“撑”力，因岩石抗拉、抗剪强度低，从而使芯样发生断裂。
5 施工工艺过程
取芯机成孔工序如下图：
5.1 施工准备
①场地准备：首先对施工场地进行平整，对覆土较浅的位置，将表土清除；对地表不平整的岩石表面，为保证取芯机安放就位，将表层岩石凿除平整或使用混凝土找平。
②机具准备：根据墩位处桩基数量及施工进度要求，合理安排拟上场施工机具数量，并根据拟开孔数量及开孔部位规划出碴通道，以便同时施工时彼此间减少施工干扰。
施工机具主要包括取芯机、小型储水装置、污水泵、提升机、空气压缩机、风枪、风镐等。
5.2 桩孔定位测量
由测量人员根据设计孔位坐标，定出桩孔中心位置并测量出现有地面高程，施工人员开孔前将桩位护桩引至孔口护壁混凝土或孔外，设置护桩，同时加以保护，以备钻进过程中孔位及孔径的校核；施工人员以测量的桩基中心为加圆心，以大于设计桩基半径5cm为圆划出钻孔边线。
5.3 取芯施工
①根据定位出的桩孔外边缘线，安放施工机具并调试好后，将取芯机钻头外缘与划出的桩径外缘边线紧贴，并将取芯机以底部支点为中心向桩位中心方向内倾约2°，使上层取芯后，芯样底部形成一个大于开挖半径的截面，以满足下一层取芯施工时机具的就位和成孔桩径的尺寸满足设计要求。
②开孔前利用孔口支架对取芯机施以向下的压力，进尺一定深度后無法利用孔口支架后，采用脚手架的底托和钢管横在孔中，将其横向固定在孔中形成横撑，将其作为施加压力的装置，以保证取芯机钻进作业过程中所需外力。
③取芯施工时，每两个孔边缘应重叠2cm～3cm，并按顺或逆时针方向依次钻孔；同时，通过外接水泵不断向机具供水，一方面可降低钻头温度，另一方面将钻进过程中产生的粉尘冲刷掉，保证钻头不糊钻。
④在完成周边芯样及中间岩芯的分割工作后，使用撬棍或楔块将芯样断裂取出，通过物料提升机将其运出孔外，清理完成并校核孔位及孔径无误后准备下一取芯层的施工。
⑤依以上顺序循环往复作业，直至到达设计标高后，使用风镐将基底清理平整，完成整个钻孔作业过程。
6 施工技术比对分析
传统的冲击钻机施工方法，是利用冲击锤的冲击作用，挤压破碎岩土，利用制造的一定浓度的泥浆，用泥浆泵泵入桩孔底部，将破碎的岩土颗粒通过泥浆的流动带出桩孔进入泥浆池并经沉淀池沉淀，通过不断的冲击和泥浆的循环往复作用最终形成桩孔。
但冲击钻机在施工中也有相当大的弱点。一是由于设备较大较重，进出场或设备转场、移位等均需要吊车配合进行，且施工中受外部配套机械制约影响情况较多；二是设备所占空间较大，施工中需要设置泥浆池、沉淀池，这就要求施工现场应具备钻机可进场施工的地形条件，且一个墩台位处桩基不适宜多于2台钻机同时作业，工期时间较长；三是施工过程需要使用泥浆，钻进过程中要持续造浆，用水量较大，对于缺水条件的现场尚应设置取水井或外运所需用水至工地，且在钻孔过程和混凝土灌注过程中产生的大量泥浆需要清理或外运；四是冲击钻机电机功率较大，加上配套的泥浆泵、水泵等设备总功率约70KW，这就需要现场接入高压电力线或配备大型发电机，以满足多台冲击钻机施工用电需要。 混凝土取芯机原是作为实验检测常用的取芯设备，其具有以下特点：一是其机体较小，重量轻（约60Kg），设备安装、就近转场和移位工作仅需2～3人即可完成；二是取芯机及其配套设备施工时占用空间较小，施工中相互影响较小，可在一个施工面安设多台机具共同作业；三是取芯机在工作中用水量较小，施工用水极易解决，且施工中冷却水与钻孔过程中产生的岩石粉末形成“水泥浆”，使孔内不至于产生粉尘；四是取芯机功率一般仅为4KW左右，加上物料提升机、污水泵等其它设备，总功率不过8KW左右，施工用电也极易解决。
由于混凝土取芯机轻便小巧，不受桩径大小限制，且施工中所需的各种资源要求相对较低，对施工周边环境干扰小，特别是在遇有特殊地理环境下如临近石油管道、临近既有线受与相应管理单位施工协调时间影响较大以及施工区域狭小等无法采用常规钻孔机械施工的钻孔桩基础，采用取芯机成孔可极大提高施工进度。
7 施工工艺改进与提高
对受振动影响较小的特殊环境条件下的桩基，为进一步加快取芯工作进度，从减少中间部位分割芯样的风钻钻孔数量入手考虑，结合使用爆破手段，可极大提高成桩进度。采用楔块分割破碎方法打孔数量受岩石本身风化程度影响，打孔数量也相差较大。一般岩层情况下，中间部分岩芯至少分割成6～8小块，打孔数量20个左右，而采用爆破手段，仅需要在中间芯样上打设1个孔（孔深度宜超出边缘取芯部分孔深约20cm），放入约100g炸药，即可使芯样破裂。由于爆破用药量小且其临空面向着孔壁方向，因此爆破时仅有微小的振动，也不会产生飞石。
8 结束语
取芯机成孔工艺，目前在城市建设的桩基中应用较多，而对野外施工的工程应用较少。通过大猫坡特大桥特殊地理环境条件下桩基采用取芯机成孔方法的成功运用，为下一步遇到类似特殊地理条件施工的桩基础提供了一定的技术参考。
参考文献：
[1]黃司.超大直径岩石桩水钻取芯成孔的施工技术[J].交通标准化，2009（10）：29-31.
[2]中华人民共和国铁道部.铁建设[2010]241号高速铁路桥涵工程施工技术指南[S].北京：中国铁道出版社，2011.
[3]戴映红，钟云会.混凝土钻孔取芯机的结构设计[J].机械制造， 2010（05）.
作者简介：
孙晓荣（1973-），男，辽宁昌图人，毕业于石家庄铁道学院，研究方向：桥梁工程。
关键词：取芯机 特殊地理条件 桩基 应用
1 工程概况
沪昆客专贵州段作为沪昆客运专线的一段，是我国《综合交通网中长期发展规划》中“五纵五横”综合运输大通道——沪昆通道的西段，是我国铁路网主骨架中的横向通道之一，是长三角、珠三角等沿海经济发达地区向西南内陆地区进行经济辐射的主要轴线。由中铁十四局集团公司施工的大猫坡特大桥全长1314m，分别跨越西南石油管道和军用光缆（32+48+32）m、省道S102（28+48+33）m和既有沪昆铁路（40+64+40）m，由于连续梁采用悬臂浇筑，施工周期长，加之其集中处于跨越公路、铁路、军缆和高压线上跨等特殊地理位置，受外部因素制约较大，因此大猫坡特大桥成为控制工期的重点工程。
由于大猫坡特大桥特殊的地理位置，为确保施工工期、加快施工进度且保证对既有公路、铁路、石油管道及军缆的安全，对跨越石油管道处的4#、5#墩、临近公路的6#、7#、8#、9#、10#以及临近铁路的11#、12#、13#、14#墩桩基（直径1.25m和1.5m），均采用取芯机成孔的施工方法。
2 地质水文情况
贵州是典型的喀斯特地貌地区，桥址处地表岩溶主要为溶洞、溶沟溶槽及溶蚀小孔，部分溶洞全充填，部分溶洞无充填；部分桩位地表表层分布有软土和膨胀土，厚度30cm～100cm。桥址处主要出露碳酸盐灰岩。
桥位处地下水位因本桥溶洞、溶沟溶槽及溶蚀小孔的存在，受当地降雨影响较大，旱季水位较低，雨季水位迅速上涨，因此采用取芯成孔施工工艺的桩基础，均安排在当地雨季到来前完成。
3 施工方案的选取
由于大猫坡特大桥部分桩基受到与公路、铁路、石油管线、军缆以及电力管理部门签订施工安全协议或迁改时间的不确定影响，为加快线下工程施工进度，保证既有公路、铁路、石油管线、军缆及电力线的安全，综合考虑后，对不宜采用常规钻孔机械进行施工的桩基础，均采用了混凝土取芯机进行成孔的施工工艺。
4 取芯机成孔工作原理
岩石具有抗压强度高、抗拉、抗剪强度低的特性。取芯机取芯正是利用了岩石的抗拉、抗剪强度低的特性，通过施加外力使“芯样”断裂，从而达到取芯成孔的目的。
而采用取芯机施工桩基就是要把完整的岩石逐步分解，形成易于破碎、方便从孔中提取出的小块“芯样”，进而形成孔洞，达到设计要求的孔径，形成桩基础。
现场进行钻孔取芯施工时一般采用直径150mm的钻头，按照设计的桩孔直径首先在桩基外缘部分钻取深度为60cm的“芯样”，使桩孔圆周外边缘形成临空面，然后对中间剩余部分利用风钻打孔（孔深一般超出边缘孔深的10cm～20cm），分割成易于破坏、易于搬运的小块“芯样”，之后通过在风枪孔处插入楔型钢件，通过对楔块施加冲击外力使楔块下移，芯样顶部受到向芯样圆心方向的“撑”力，因岩石抗拉、抗剪强度低，从而使芯样发生断裂。
5 施工工艺过程
取芯机成孔工序如下图：
5.1 施工准备
①场地准备：首先对施工场地进行平整，对覆土较浅的位置，将表土清除；对地表不平整的岩石表面，为保证取芯机安放就位，将表层岩石凿除平整或使用混凝土找平。
②机具准备：根据墩位处桩基数量及施工进度要求，合理安排拟上场施工机具数量，并根据拟开孔数量及开孔部位规划出碴通道，以便同时施工时彼此间减少施工干扰。
施工机具主要包括取芯机、小型储水装置、污水泵、提升机、空气压缩机、风枪、风镐等。
5.2 桩孔定位测量
由测量人员根据设计孔位坐标，定出桩孔中心位置并测量出现有地面高程，施工人员开孔前将桩位护桩引至孔口护壁混凝土或孔外，设置护桩，同时加以保护，以备钻进过程中孔位及孔径的校核；施工人员以测量的桩基中心为加圆心，以大于设计桩基半径5cm为圆划出钻孔边线。
5.3 取芯施工
①根据定位出的桩孔外边缘线，安放施工机具并调试好后，将取芯机钻头外缘与划出的桩径外缘边线紧贴，并将取芯机以底部支点为中心向桩位中心方向内倾约2°，使上层取芯后，芯样底部形成一个大于开挖半径的截面，以满足下一层取芯施工时机具的就位和成孔桩径的尺寸满足设计要求。
②开孔前利用孔口支架对取芯机施以向下的压力，进尺一定深度后無法利用孔口支架后，采用脚手架的底托和钢管横在孔中，将其横向固定在孔中形成横撑，将其作为施加压力的装置，以保证取芯机钻进作业过程中所需外力。
③取芯施工时，每两个孔边缘应重叠2cm～3cm，并按顺或逆时针方向依次钻孔；同时，通过外接水泵不断向机具供水，一方面可降低钻头温度，另一方面将钻进过程中产生的粉尘冲刷掉，保证钻头不糊钻。
④在完成周边芯样及中间岩芯的分割工作后，使用撬棍或楔块将芯样断裂取出，通过物料提升机将其运出孔外，清理完成并校核孔位及孔径无误后准备下一取芯层的施工。
⑤依以上顺序循环往复作业，直至到达设计标高后，使用风镐将基底清理平整，完成整个钻孔作业过程。
6 施工技术比对分析
传统的冲击钻机施工方法，是利用冲击锤的冲击作用，挤压破碎岩土，利用制造的一定浓度的泥浆，用泥浆泵泵入桩孔底部，将破碎的岩土颗粒通过泥浆的流动带出桩孔进入泥浆池并经沉淀池沉淀，通过不断的冲击和泥浆的循环往复作用最终形成桩孔。
但冲击钻机在施工中也有相当大的弱点。一是由于设备较大较重，进出场或设备转场、移位等均需要吊车配合进行，且施工中受外部配套机械制约影响情况较多；二是设备所占空间较大，施工中需要设置泥浆池、沉淀池，这就要求施工现场应具备钻机可进场施工的地形条件，且一个墩台位处桩基不适宜多于2台钻机同时作业，工期时间较长；三是施工过程需要使用泥浆，钻进过程中要持续造浆，用水量较大，对于缺水条件的现场尚应设置取水井或外运所需用水至工地，且在钻孔过程和混凝土灌注过程中产生的大量泥浆需要清理或外运；四是冲击钻机电机功率较大，加上配套的泥浆泵、水泵等设备总功率约70KW，这就需要现场接入高压电力线或配备大型发电机，以满足多台冲击钻机施工用电需要。 混凝土取芯机原是作为实验检测常用的取芯设备，其具有以下特点：一是其机体较小，重量轻（约60Kg），设备安装、就近转场和移位工作仅需2～3人即可完成；二是取芯机及其配套设备施工时占用空间较小，施工中相互影响较小，可在一个施工面安设多台机具共同作业；三是取芯机在工作中用水量较小，施工用水极易解决，且施工中冷却水与钻孔过程中产生的岩石粉末形成“水泥浆”，使孔内不至于产生粉尘；四是取芯机功率一般仅为4KW左右，加上物料提升机、污水泵等其它设备，总功率不过8KW左右，施工用电也极易解决。
由于混凝土取芯机轻便小巧，不受桩径大小限制，且施工中所需的各种资源要求相对较低，对施工周边环境干扰小，特别是在遇有特殊地理环境下如临近石油管道、临近既有线受与相应管理单位施工协调时间影响较大以及施工区域狭小等无法采用常规钻孔机械施工的钻孔桩基础，采用取芯机成孔可极大提高施工进度。
7 施工工艺改进与提高
对受振动影响较小的特殊环境条件下的桩基，为进一步加快取芯工作进度，从减少中间部位分割芯样的风钻钻孔数量入手考虑，结合使用爆破手段，可极大提高成桩进度。采用楔块分割破碎方法打孔数量受岩石本身风化程度影响，打孔数量也相差较大。一般岩层情况下，中间部分岩芯至少分割成6～8小块，打孔数量20个左右，而采用爆破手段，仅需要在中间芯样上打设1个孔（孔深度宜超出边缘取芯部分孔深约20cm），放入约100g炸药，即可使芯样破裂。由于爆破用药量小且其临空面向着孔壁方向，因此爆破时仅有微小的振动，也不会产生飞石。
8 结束语
取芯机成孔工艺，目前在城市建设的桩基中应用较多，而对野外施工的工程应用较少。通过大猫坡特大桥特殊地理环境条件下桩基采用取芯机成孔方法的成功运用，为下一步遇到类似特殊地理条件施工的桩基础提供了一定的技术参考。
参考文献：
[1]黃司.超大直径岩石桩水钻取芯成孔的施工技术[J].交通标准化，2009（10）：29-31.
[2]中华人民共和国铁道部.铁建设[2010]241号高速铁路桥涵工程施工技术指南[S].北京：中国铁道出版社，2011.
[3]戴映红，钟云会.混凝土钻孔取芯机的结构设计[J].机械制造， 2010（05）.
作者简介：
孙晓荣（1973-），男，辽宁昌图人，毕业于石家庄铁道学院，研究方向：桥梁工程。