淺探天然氣海域鉆孔樁快速施工技術(shù)

摘要：文章對(duì)杭州灣天然氣海域條件下鉆孔樁快速施工技術(shù)進(jìn)行了探討，從鉆孔平臺(tái)搭設(shè)、鋼護(hù)筒下沉、鉆進(jìn)、鋼筋籠制作安裝、水下混凝土灌注各個(gè)環(huán)節(jié)提高鉆孔樁施工的工效，首次實(shí)現(xiàn)在天然氣海域鉆孔樁快速施工技術(shù)，為今后類似工程提供有益的借鑒。

關(guān)鍵詞：跨海大橋；天然氣海域；鉆孔樁；快速施工技術(shù)

中圖分類號(hào)：TU39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2009）08-0185-02

一、工程概況

杭州灣跨海大橋是目前世界上最長(zhǎng)的跨海大橋，IX-A合同段位于杭州灣跨海大橋南岸。其中F01～F17號(hào)墩每個(gè)承臺(tái)下4根φ2.0m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)為105m，設(shè)計(jì)按邊長(zhǎng)5.2m正方形布置；F18～F108號(hào)墩每個(gè)承臺(tái)下5根φ1.5m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)為95m，設(shè)計(jì)按半徑3.5m圓周等分布置。共計(jì)鉆孔樁1046根，鋼材3.7萬(wàn)t，混凝土20萬(wàn)m³。

杭州灣為強(qiáng)潮海灣，潮汐類型為淺海半日潮，南岸平均高潮位2.52m，平均低潮位-2.12m，平均潮差4.65m，漲落潮時(shí)的流速為3.5～5.16m/s，局部沖刷深度為3～6m。

橋址處地質(zhì)以淤長(zhǎng)為主，表層的亞砂土一般情況厚11～16m，從上到下依次為亞砂土、淤泥質(zhì)亞粘土、粘土、中(細(xì))砂、粘土、亞粘土，沿杭州灣縱深方向普遍存在淺層天然氣，為生物成因的甲烷型天然氣，甲烷含量在96%以上。

二、方案確定

根據(jù)杭州灣南岸灘涂及海域特點(diǎn)，主要從鉆孔平臺(tái)的設(shè)計(jì)與施工、長(zhǎng)大鋼護(hù)筒振沉設(shè)備選擇與施工、鉆機(jī)型號(hào)及配套設(shè)備的選擇、鉆進(jìn)和清孔施工、鋼筋骨架加工及安裝、水下混凝土灌注等方面進(jìn)行合理組織，對(duì)各個(gè)施工工序的技術(shù)攻關(guān)、科學(xué)優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)快速施工的目的。

三、鉆孔樁快速施工

為減小淺層天然氣逸出對(duì)鉆孔樁施工影響，施工前利用石油系統(tǒng)采集天然氣的設(shè)備對(duì)施工范圍內(nèi)天然氣進(jìn)行排放，以確保鉆孔樁的快速施工。并通過(guò)對(duì)鉆孔樁各個(gè)施工環(huán)節(jié)的合理組織，對(duì)各個(gè)施工工序的技術(shù)攻關(guān)、科學(xué)優(yōu)化，以便實(shí)現(xiàn)鉆孔樁快速、優(yōu)質(zhì)施工。

（一）主要施工工藝

天然氣海域鉆孔樁快速施工主要從鉆孔平臺(tái)的設(shè)計(jì)與施工、長(zhǎng)大鋼護(hù)筒振沉設(shè)備選擇與施工、鉆機(jī)型號(hào)及配套設(shè)備的選擇、鉆進(jìn)和清孔施工、鋼筋骨架加工及安裝、水下混凝土灌注等方面進(jìn)行合理組織，對(duì)各個(gè)施工工序的技術(shù)攻關(guān)、科學(xué)優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)快速施工的目的。

1．鉆孔平臺(tái)設(shè)計(jì)與施工。（1）設(shè)計(jì)原則。鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)遵循以下原則：確保施工安全；為鉆孔樁施工提供足夠的作業(yè)空間；加快平臺(tái)周轉(zhuǎn)；結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，與棧橋有互換性。采用一個(gè)平臺(tái)配置兩臺(tái)鉆機(jī)的方案，兩臺(tái)鉆機(jī)可共用一臺(tái)空壓機(jī)，水電資源能充分利用，可加快施工進(jìn)度。平臺(tái)分為鉆孔區(qū)、通道區(qū)和材料堆放區(qū)。鉆孔樁施工完成后，即可將鉆孔區(qū)平臺(tái)拆除，周轉(zhuǎn)到其它墩位，以加快平臺(tái)的周轉(zhuǎn)；（2）鉆孔平臺(tái)施工。鉆孔平臺(tái)鋼管樁采用導(dǎo)向架定位、50t噸履帶式起重機(jī)配合DZJ60型振動(dòng)錘沉樁，導(dǎo)向架位置用GPS測(cè)量技術(shù)測(cè)定。面板模塊編號(hào)后，按設(shè)計(jì)位置安裝，加快平臺(tái)快速施工。

2．鋼護(hù)筒下沉。經(jīng)計(jì)算下沉設(shè)備采用DZJ180振動(dòng)錘、起重設(shè)備選擇QUY80型履帶式起重機(jī)，可滿足施工要求，既節(jié)約成本，并又可提高施工進(jìn)度。采用GPS測(cè)量技術(shù)測(cè)定每根鉆孔樁的軸線，利用導(dǎo)向架控制鋼護(hù)筒的平面位置，達(dá)到鋼護(hù)筒快速施工目的。

3．鉆孔施工。（1）鉆機(jī)及配套設(shè)備選型。根據(jù)地質(zhì)資料，結(jié)合鉆孔樁的設(shè)計(jì)，鉆孔施工采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、正循環(huán)和氣舉反循環(huán)相結(jié)合的鉆進(jìn)工藝。鉆機(jī)的轉(zhuǎn)盤扭矩是影響鉆孔施工進(jìn)度的關(guān)鍵因素，因此選配目前國(guó)產(chǎn)較先進(jìn)的GW-25和GW-30型工程鉆機(jī)，其轉(zhuǎn)盤扭矩分別為120KN·m、150KN·m，滿足施工要求的轉(zhuǎn)盤扭矩＞100KN·m。每臺(tái)鉆機(jī)配備1臺(tái)空氣壓縮機(jī)，2臺(tái)4PNL型泥漿泵和1臺(tái)ZX-250型泥漿凈化裝置；（2）鉆孔施工順序。每個(gè)墩位的鉆孔樁安排2臺(tái)鉆機(jī)施工，每根樁的鉆孔施工，必須在距鉆孔中心距離5m內(nèi)的鉆孔樁的混凝土灌注完成24h后，才能開(kāi)始，以避免干擾鄰樁混凝土的凝固；（3）鉆進(jìn)。在鉆孔過(guò)程中，采用優(yōu)質(zhì)泥漿進(jìn)行護(hù)壁，同時(shí)根據(jù)地層地質(zhì)條件來(lái)調(diào)整泥漿性能指標(biāo)，確保成孔質(zhì)量。根據(jù)杭州灣大橋南岸灘涂及海域的地質(zhì)特點(diǎn)，采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、正循環(huán)和氣舉反循環(huán)相結(jié)合的鉆進(jìn)工藝，從而實(shí)現(xiàn)快速施工。開(kāi)始鉆進(jìn)時(shí)，以泥漿正循環(huán)方式開(kāi)孔。鉆機(jī)在鋼護(hù)筒范圍鉆進(jìn)時(shí)以高檔快速循環(huán)鉆進(jìn)，以便使粘附在鋼護(hù)筒內(nèi)壁上的土體及時(shí)脫落。鉆孔時(shí)采用減壓鉆進(jìn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)鋼護(hù)筒刃腳處時(shí)采用低檔慢速正循環(huán)鉆進(jìn)，鉆進(jìn)鋼護(hù)筒刃腳1.0m以下，以正常速度和氣舉式反循環(huán)方式鉆進(jìn)采用。鉆進(jìn)過(guò)和程中，當(dāng)泥漿指標(biāo)不合格時(shí)，及時(shí)開(kāi)啟泥漿分離凈化器凈化泥漿，降低泥漿含砂率，保證泥漿合率，凈化后的泥漿排入鉆孔或泥漿箱內(nèi)。鉆孔過(guò)程中可根據(jù)鉆機(jī)工作狀況適當(dāng)調(diào)整鉆速、鉆壓，如鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤運(yùn)轉(zhuǎn)均勻，鉆架晃動(dòng)較小，可適當(dāng)加大鉆壓或轉(zhuǎn)速，淤泥質(zhì)亞粘土軟弱地層，可適當(dāng)加大泥漿比重，放慢鉆進(jìn)速度；當(dāng)鉆架晃動(dòng)較大或鉆具跳動(dòng)較大時(shí)，則表明鉆壓較大或孔底有異物，此時(shí)將鉆具提起，減小轉(zhuǎn)盤運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

4．清孔。施工中應(yīng)用KE-400型超聲波側(cè)壁測(cè)定儀對(duì)孔深、孔徑和孔形進(jìn)行檢查。KE-400型超聲波側(cè)壁測(cè)定儀能就地提供高精度的鉆孔形狀資料，有助于改善鉆孔質(zhì)量、減少工作時(shí)間、降低工程費(fèi)用。

鋼筋骨架和導(dǎo)管安放完畢后，灌注水下混凝土前，測(cè)量出的沉渣厚度不得大于20cm。若沉渣超標(biāo)，要組織施工人員分析原因，制訂有效措施，立即進(jìn)行第二次清孔，第二次清孔利用導(dǎo)管安裝風(fēng)管，反循環(huán)清孔。

5．水下海工混凝土灌注。由履帶式起重機(jī)配合吊斗灌注完成首批封底混凝土后，8m³儲(chǔ)料斗換成2.0m³儲(chǔ)料斗，采用混凝土攪拌運(yùn)輸車直接灌注混凝土，以加快水下混凝土的灌注速度（不低于50m³/h）。

（二）實(shí)施效果

通過(guò)施工實(shí)踐，其施工進(jìn)度達(dá)到平均每個(gè)月搭設(shè)12個(gè)鉆孔平臺(tái)，完成50根鉆孔樁。對(duì)已施工的鉆孔樁統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：一根樁成孔（鉆孔開(kāi)始到二次清孔結(jié)束）時(shí)間為67h，成樁(鉆孔開(kāi)始到水下混凝土灌注結(jié)束)時(shí)間為74.2h，達(dá)到了快速施工的目標(biāo)，如表1所示，這說(shuō)明所制訂的技術(shù)方案能夠滿足淺層天然氣海域鉆孔樁的快速施工要求。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)杭州灣跨海大橋淺層天然氣海域鉆孔樁施工，筆者有以下體會(huì)：

1．鉆孔樁施工前要針對(duì)工程特點(diǎn)進(jìn)行科技攻關(guān)、科學(xué)優(yōu)化，組織技術(shù)骨干精心編制行之有效的施工組織、工藝方案等技術(shù)措施，確保工程順利進(jìn)行。

2．在鉆孔樁正式施工前，要進(jìn)行淺層天然氣的排放，有效地消除淺層天然氣對(duì)鉆孔樁施工的不利影響，確保鉆孔樁施工安全。

3．施工過(guò)程中要重視施工機(jī)械設(shè)備選型和工藝設(shè)施設(shè)計(jì)，優(yōu)化各個(gè)施工工序的銜接時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)快速施工的目的。

4．在含氣層鉆孔過(guò)程中，必須采取慢速減壓鉆進(jìn)，保持鉆孔泥漿柱壓力大于淺層天然氣壓力，防止井噴事故的發(fā)生；同時(shí)增大泥漿水頭和比重，加強(qiáng)泥漿護(hù)壁效果，確保鉆孔樁地安全、優(yōu)質(zhì)施工。

5．要注意防止鉆進(jìn)過(guò)程中的泥漿滲漏，及時(shí)補(bǔ)充泥漿，嚴(yán)格控制泥漿性能指標(biāo)。對(duì)于較嚴(yán)重的漏漿現(xiàn)象，可采用砂漿回填進(jìn)行處理，并注意孔內(nèi)、孔外水壓平衡，加強(qiáng)護(hù)壁。

6．注意循環(huán)順序，嚴(yán)禁為了搶進(jìn)度而提前進(jìn)入反循環(huán)施工，防止塌孔事故發(fā)生。

7．在鉆孔樁施工過(guò)程中，要加強(qiáng)過(guò)程中的淺層天然氣監(jiān)測(cè)，密切觀察地面沉陷引起的平臺(tái)高程變化、鉆機(jī)和鉆孔平臺(tái)位移，防止意外事故發(fā)生。

在杭州灣跨海大橋施工過(guò)程中，首次制定并實(shí)施了天然氣海域的鉆孔樁快速施工技術(shù)措施，并取得成功，為今后類似地質(zhì)狀況下的鉆孔樁施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

作者簡(jiǎn)介：李上壽（1977－），男，江西上饒人，中鐵四局集團(tuán)南昌機(jī)電設(shè)備安裝有限公司工程師，研究方向：交通土建。