大直徑超長嵌巖樁基成孔施工技術

自 杰，朱德利

（中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361021）

0 前言

目前大直徑超長嵌巖樁施工項目已是國內外大跨徑新型橋梁施工的主控及關鍵性項目，尤其是跨江河、深海等大跨徑橋梁中已廣泛得到應用。隨著機械制造業(yè)的飛速發(fā)展，大扭矩、大功率鉆機也頻頻問世，這給大直徑超長嵌巖樁施工提供了條件，某工程主塔承臺樁基就是選取大扭矩、大功率氣舉反循環(huán)鉆機施工的，已達到國內外先進水平。大直徑超長嵌巖樁施工技術，在今后大型橋梁尤其是斜拉橋等大跨徑跨江河、深海等橋梁建設中將進一步得到應用與推廣。該項目為了樁基鉆進順利成孔，借鑒了其他大橋樁基成孔施工的經驗，同時也進行了一些技術改進與創(chuàng)新，最終基本掌握了大直徑超長嵌巖樁鉆進成孔的關鍵技術和關鍵工藝，確保工程質量，積累經驗，并可用于指導今后類似大直徑超長嵌巖樁樁基的施工。

1 工程概述

1.1 工程概況

椒江二橋主橋采用半封閉鋼箱組合梁、鉆石型索塔斜拉橋結構，跨徑布置為70＋140＋480＋140＋70=900（m）。S01主塔基礎采用30根 2.8 m→2.5 m的鉆孔灌注樁基礎，平均樁長129.3 m，平均樁尖高程為-130.47 m，最大樁長139 m，最低樁尖高程為-140.17 m，采用端承樁，入巖深度不小于3.5 m，基巖為⑨3層的中風化凝灰?guī)r，巖石單軸飽和抗壓強度為22 MPa。主墩考慮鋼護筒參與受力設計為永久鋼護筒，護筒采用壁厚25mm的Q345鋼板卷制而成。永久鋼護筒嵌入樁基45m，鋼護筒底標高-46.17m，頂標高+7.5m，長53.67m，重92.5 t。

主橋南索塔處弱風化凝灰?guī)r覆蓋層厚約120m～135m，橋位處地質極為復雜。施工現場水深8.5m，潮差5.5 m，水流速度2.0 m/s；處于椒江入海口位置，施工區(qū)浪高、流急、航運繁忙，受風、浪、潮水的影響比較大，如何確保樁基成孔是該項目的重點與難點。

1.2 地質情況

工程地質層組的特征及評價依據工程地質層組的劃分原則，將S01索塔鉆孔樁勘察深度以淺的巖土層分為 10個工程地質層，37個工程地質亞層。該段跨越椒江流域，表層分布海積成因③大層淤（海）泥及淤泥質土，層厚約39.7～40.1 m，流塑，高含水量，高靈敏度，高壓縮性，抗剪切強度低，透水性差，固結時間長，物理力學性質差；上部分布沖海積成因④大層黏土、含粉質黏土卵石，層厚約11.8～11.9 m，軟塑～中密，中等～高壓縮性，物理力學性質一般～較好；中部分布沖積成因⑤大層含粉質黏土圓礫、粉質黏土，層厚約20.6～23.3 m，硬塑～密實，力學性質較好；下部分布沖湖積成因下段⑦大層粉質黏土、黏土，層厚約25.2～42.9 m，硬塑，局部軟塑，低～中等壓縮性，物理力學性質較好；底部分布殘坡積成因⑧大層碎石土，層厚7.0～7.7 m，硬塑～中密，力學性質較好；下伏凝灰?guī)r，中風化基巖面埋深為-123.63 m～-135.17 m（黃海高程），力學性質良好。

S01主塔鉆孔綜合工程地質情況如表1所列。其南主墩入巖斜面見圖1所示。

2 鉆機選型

根據S01主塔樁基設計及工程地質、水文、氣象等情況，最終選擇較為適合的氣舉反循環(huán)成孔施工工藝進行鉆進成孔施工。綜合考慮鉆孔能力（扭矩、功率）、承建單位及社會資源，對成孔氣舉反循環(huán)鉆機選型如下。

鉆機選型：S01主塔墩投入 ZJD-4000型 2臺、ZJD-3500型3臺，共投入5臺鉆機施工主塔樁基。同時配備設置5臺型號ZX-200泥漿凈化器，佳力士空壓機型號20 m35臺。

表1 主橋S01鉆孔工程地質綜合評價表

圖1 南主墩S01入巖斜面示意圖

3 成孔施工技術

3.1 平臺搭設及護筒施沉

S01主塔樁基施工利用25 t汽車吊及“路建打樁8號打樁船”搭設水上鉆孔平臺。鋼護筒采取設有碼頭的專業(yè)鋼結構加工廠制作。鋼護筒制作采用螺旋焊接按設計長度整根制作，在現場不再進行接長處理。鋼護筒制作完驗收合格后，由加工廠龍門吊直接吊裝于駁船上，最后駁船經水路運輸至施工現場。

鋼護筒沉入施工，考慮整體工期、節(jié)點工期要求及打樁質量要求，最終采用“路建打樁8號打樁船”進行施沉。鋼護筒施工流程為：打樁船移船→吊點連接→起樁→移船、立樁→套替打→測量定位→插樁→錘擊沉樁。

3.2 鉆機拼裝就位

鉆機進場安裝之前，必須檢查各部件是否完好、齊全，如發(fā)現有損壞決不能勉強使用，必須更換或配齊。確保對機械的運行無影響后，再進行組裝。考慮加快施工進度，提高起重設備使用率，測量人員提前準確沒放樁位坐標及確定鉆機安裝位置，然后再按照順序組拼?？諌簷C、泥漿分離器是整機，只要接通電源即可。鉆機為組合機，需現場組拼，組拼前備好起重用的各種型號鋼絲繩和卸扣。

待鉆機組拼完畢后，再進行就位復測，檢查鉆盤中心位置及平整度，各項指標滿足要求后，將鉆機與平臺進行臨時限位固定，保證鉆機在鉆進過程中的穩(wěn)定性。同時在鉆進過程中對底盤的四個角點進行不間斷水準校核，如發(fā)現鉆機有傾斜跡象，則必須及時采取措施，調整并保證鉆塔中心、鉆盤中心、樁孔中心在同一鉛垂線上。

配套的鉆桿、扶正器、配重、鉆頭在使用之前進行檢查、實物編號，并準確丈量、記錄各項測量結果，匯總制表記錄備案，并將編號和長度標記在鉆桿上。

鉆機組拼就位后，利用龍門吊或履帶吊將鉆頭、風包桿、配重、扶正器進行組拼連接，并在相應法蘭連接處焊接加固，然后通過傾斜鉆架或移動上層底盤將鉆頭、鉆桿及配重的組合件吊入孔內并臨時固定，鉆機利用自身的卷揚系統(tǒng)（或液壓系統(tǒng)）安裝鉆桿。安裝鉆桿前需檢查鉆桿是否完好，有無斷裂、扭曲變形，確定沒有問題后方可使用。加鉆桿時必須加用鉆桿密封圈，用螺絲將各個法蘭牢固連接。

準備工作完成后，將鉆頭埋入水中，距孔底約50 cm處，接通供氣及泥漿循環(huán)管路，開動空壓機，開啟供氣閥供氣，在鋼護筒內使泥漿開始循環(huán)，檢查鉆桿、孔內水面，供風管路、循環(huán)管路、水龍頭等有無漏氣、漏水現象，并觀察水頭情況，開動鉆機空轉，持續(xù)5 min確定無故障后，即可開始鉆進施工。

成孔驗收合格后，利用龍門吊進行鉆機移位。鉆頭、鉆桿及配重的組合件采用龍門吊吊出后，先將鉆機部件復位，連接的電源、泥漿管拆除，再整體吊起鉆機安裝到待鉆孔位置，最后將鉆頭及其他部件吊裝就位（見圖2）。

圖2 鉆機安裝后平臺全景

3.3 泥漿配置及循環(huán)系統(tǒng)

3.3.1 泥漿配比

泥漿的種類從用水上可分為淡水泥漿和海水泥漿，由于S01主塔鉆孔樁施工五臺鉆機同時進行，泥漿需求量大，現場淡水供應不能滿足要求，故選擇江水（海水）造漿鉆孔樁施工以自然造漿為主，配以PHP優(yōu)質高性能泥漿。為有效控制泥漿污染，切實做到節(jié)能減排，鉆孔施工中采用集中造漿、分散凈化的施工工藝。結合該工程具體的施工特點，依據以往施工經驗，采用的PHP海水泥漿配合比作為鉆孔樁新拌泥漿配合比，如表2所列。具體配合比根據地質情況經試驗配制進行適當調整。

表2 海水鉆孔泥漿配合比（單位：kg）

3.3.2 泥漿配制和儲備

泥漿的基漿配制在臨近未開鉆的鋼護筒內進行造漿基漿的拌制必須通過強勁的攪動才能形成膠體，該工程采用“風管攪漿法”?；鶟{主要用于調整鉆進過程中的泥漿指標和在漏漿地層中補充泥漿。

3.3.3 泥漿循環(huán)系統(tǒng)

泥漿循環(huán)系統(tǒng)采用在鋼護筒集中造漿，通過泥漿管輸送到各鉆孔位置，鉆機排出帶鉆渣的泥漿通過布置在鉆孔平臺側面的泥漿凈化器分散進行凈化，通過凈化合格后的泥漿通過泥漿管流回孔內重復利用。

鉆進過程中，泥漿通過凈化器使直徑在0.074mm以上的顆粒篩分到儲渣池內，處理后的泥漿通過連接管流入鉆孔孔內。鉆渣通過運渣車或運渣船運至指定地點處理。

3.3.4 泥漿現場控制

具體配漿根據地質情況經試驗配制進行適當調整考。遇到含黏土圓礫層和含粉質粘土碎石層存在嚴重漏漿的現象，現場須提前配備一定數量的片狀鋸末以備堵漏之需。

（1）鉆孔作業(yè)過程中嚴禁往孔內加入清水，如有需要通過泥漿船補充基漿。每一作業(yè)班組至少測試一次泥漿指標。

（2）當含砂率超標時，需開啟泥漿分離器，降低含砂率指標值。

（3）如果膠體率低于95%或粘度還沒有達到要求時，通過泥漿船內的基漿對孔內泥漿進行置換，必要時適當加入分散劑Na2CO3和提粘劑CMC，增加水化膜厚度，提高膠體率，增加泥漿粘度，使其能夠達到使用性能指標，防止地層出現吸水膨脹和坍塌現象。

（4）進入圓礫層、礫石層，若發(fā)現孔內水頭下降時，立即往孔內投放片狀鋸末、通過泥漿船補充泥漿。

在進行水中基樁鉆孔過程中，每個墩位都利用相鄰基樁的3～4個護筒和在平臺上設置2個25 m3的鋼箱濾渣筒作為鉆孔泥漿的造漿池和沉淀池循環(huán)系統(tǒng)，同時在棧橋平臺上設置兩輛運輸車負責鉆渣的清理和外運，運輸車上配備一套泥漿泵送設備，鉆孔過程中利用泥漿泵將鉆渣抽取到運輸車上，最后由運輸車送至指定位置棄置。配備泥漿船2艘。

泥漿各施工過程中性能指標要求見表3所列。

表3 泥漿性能指標一覽表

3.4 鉆進成孔施工

主塔墩的鉆孔樁基礎選擇氣舉反循環(huán)工藝鉆孔施工，并采用與鉆孔直徑相匹配的改進刮刀鉆頭與滾刀鉆頭鉆進成孔。

S01索塔處弱風化凝灰?guī)r覆蓋層厚約120m～135 m，橋位處地質極為復雜，且基巖由南向北、由西向東傾斜，傾角大于40°。如果按常規(guī)施工方法進行成孔施工，進入巖層后出現斜孔的幾率非常高，由于樁基設計長度近140 m，如果出現斜孔，將很難進行修正處理。為此在研究施工方案時，充分考慮了這一重要因素。如何提前防止出現斜孔，這是問題解決的關鍵。通過多方面了解及資料查詢，最終提出大膽的想法，即在鉆桿上設置“扶正器”。通過與鉆機廠家一起研究，最終設計制造出了“扶正器”。“扶正器”的位置顯得尤為重要，過高或過低均不能充分發(fā)揮作用，通過安裝于不同位置進行總結比較，最終確定出安裝在配重上一節(jié)鉆桿上可以充分發(fā)揮作用。為確保成孔不傾斜，在鉆頭出護筒后即開始安裝“扶正器”直至成孔結束。

鉆機就位、調試完成后，向監(jiān)理工程師報檢，得到批準后開始鉆進施工。鉆孔采用正循環(huán)與氣舉反循環(huán)相結合的減壓鉆進施工工藝，高程在-32 m以上時，采用正循環(huán)鉆進，利用淤泥、黏土層及時調整泥漿指標，為出鋼護筒氣舉反循環(huán)鉆進做準備。鉆進至-32 m時使泥漿各項指標滿足施工要求，然后采用氣舉反循環(huán)鉆進至變截面處（護筒底口）。而后提鉆把鉆頭上的鋼絲刷去除，采用氣舉反循環(huán)鉆進，當進入巖層后，提鉆換滾刀鉆頭鉆進。鉆進過程中采用優(yōu)質泥漿護壁，根據不同土層的特點，在鉆孔過程中及時調整深層次的指標和鉆進速度。

根據地質情況、設計特點，鉆孔過程可分三個階段進行：護筒內鉆進、護筒外土層鉆進、巖層鉆進。

3.4.1 鋼護筒內鉆進階段

在開鉆之前，用電磁鐵對護筒內進行掃吸，清除孔內的鐵質雜物，避免護筒內掉入鐵件或其他雜物，對后期鉆孔造成困難，采用正循環(huán)鉆進施工引孔調漿。

護筒內鉆進必須注意兩點：第一，護筒內壁泥塊的清除；第二，護筒底口泥皮質量。鋼護筒內徑為2.8 m，鉆頭直徑為2.5 m，鋼護筒直徑比鉆頭直徑大30 cm，在正常的鉆進速度中，無法保證護筒壁上的泥塊清除，這樣在成孔后提鉆時，會有被刮落入孔內的現象，更為重要的是其無法保證設計樁徑。因此護筒內底口以上采用帶鋼絲刷的鉆頭鉆進，將泥塊掃涂，這樣可以保證變截面以上孔徑能符合設計要求。護筒在理設時，其底口與原土的接觸并不是很密實，或者是由于土質的原因，造成如果護筒底口鉆進速度過快時，會出現護壁較差，導致在當時或以后的施工過程中，出現底口漏漿的現象，給鉆孔帶來極大的影響，甚至造成孔內質量事故。因此要求從護筒內底口以上1 m內開始直至護筒后4～7 m必須采用低速慢進鉆進（0.3～0.8 m/h），置換并調整泥漿指標，保證泥漿護壁質量。

3.4.2 護筒外土層鉆進

鉆頭正常出護筒后（并隨時注意觀察護筒內的水頭），低壓低轉速鉆進，采取氣舉反循環(huán)刮刀鉆。S01主塔護筒外上層為淤泥質黏土、粉質黏土、黏土層，在反循環(huán)鉆進時應適當降低轉速并控制泥皮厚度，同時又能保證鉆渣及時排出孔外。

在黏土層中鉆進時不能盲目排漿。入巖前黏土層較厚，自身造漿有余，泥漿如不排放可能會造成泥漿過稠，不利于鉆進或除砂；但一旦排放，當鉆入含粉質黏土圓礫、巖層后，自身造漿能力較差甚至無法造漿，又加上可能存在的凝灰?guī)r裂縫，可能會導致泥漿流失嚴重，泥漿面下降太快，情況失控的情況。針對以上情況，一方面利用其余已開孔或未開孔的閑置護筒將多余的泥漿暫存起來，待鉆進至巖層后再重新利用；另一方面，利用其它鉆機鉆進、灌注中富余的泥漿補充。

對于④3層（含粉質黏土卵石層）及⑤1層（含粉質黏土圓礫層），應采用減壓低檔慢速鉆進，以避免孔壁不穩(wěn)定，發(fā)生局部擴孔或塌孔，并充分浮渣、排渣，以防堵管或埋鉆。在鉆進過程中，若鉆桿、鉆機同時晃動厲害且儀表電流電壓表指針擺動異常，表明可能遇到大粒徑的孤石或漂石，此時可采取將鉆頭提起1 m左右進行掃孔，若仍不能穿過則可改用滾刀鉆頭。在該地層鉆進時可加入適量的鋸末、紙漿等纖維質物質，以避免嚴格漏漿現場的發(fā)生。

在鉆進過程中注意進尺，如發(fā)現進尺明顯減慢，返漿困難，要停止鉆進，檢查鉆具是否損壞或糊鉆，及時處理。根據實際情況可以多次提鉆、清理鉆頭。

在土層內施工，由于地質情況變化頻繁，層面交界多，再加之鉆進速度較快，易導致斜孔發(fā)生，因此必須及時調整鉆機的水平度和垂直度，確保鉆孔的垂直度。在土層施工完畢時，必須及時用反循環(huán)清除鉆渣，做好巖層施工的準備工作。

3.4.3 巖層施工

斜巖面頂部為強風化層，仍采用刮刀鉆頭低擋減壓慢速鉆進，過程中通過鉆機頂部液壓提升裝置，反復掃孔，防止發(fā)生斜孔。

在進入巖層（中風化）時，根據鉆機的鉆進情況，以及實際地質情況，判斷刮刀鉆是否可以繼續(xù)使用，入巖鉆進不提倡使用刮鉆，加上基礎樁長較長，刮刀鉆在巖層中施工無法確保成孔的垂直度。進入巖層后進尺小于0.3 m/h時必須提鉆換用滾刀鉆施工。巖層鉆進時鉆渣不易磨碎，留有大量的巖石小顆粒，如果不及時清除將加大對鉆具的磨損，并且嚴重影響鉆進速度。

巖層鉆進施工中，要及時提取巖樣，入巖時及時報監(jiān)理工程師簽字確認，經監(jiān)理工程師、地質工程師和設計單位確認認可后，作為鉆孔樁終孔的依據。施工過程中如果地質情況與鉆孔資料不一致時，應及時通知業(yè)主、監(jiān)理和設計單位。

3.4.4 清孔及泥漿指標

氣舉反循環(huán)鉆機清孔：當鉆深達到設計標高以上0.5～1 m位置時，泥漿指標按終孔的泥漿指標控制，從而盡量縮短終孔后清孔的時間。第一次清孔階段：終孔后，及時進行清孔。清孔時將鉆具提離孔底約30～50 cm，緩慢旋轉鉆具，補充優(yōu)質泥漿，進行反循環(huán)清孔，同時保持孔內水頭，防止塌孔。當經檢測孔底沉渣厚度滿足設計要求后，清孔后孔內泥漿指標符合表要求后，及時停機拆除鉆桿、移走鉆機，盡快進行成樁施工。

第一次清孔后泥漿指標見表4所列。

表4 第一次清孔后泥漿指標一覽表

在鋼筋籠安裝完成及混凝土澆注前，檢查孔底沉渣厚度，大于5cm，則須進行二次清孔。

4 檢孔及成孔質量標準

終孔經現場地質工程師、監(jiān)理工程師和設計單位確認后及時進行檢孔。成孔后對孔的質量進行檢測：平面位置±10 cm,孔徑不小于設計值，傾斜度不大于1/200且不大于50 cm。檢測方法：孔的平面位置即用GPS檢測，孔徑及傾斜度用超聲波檢孔儀檢測。鉆孔澆注樁質量標準見表5所列。

表5 鉆孔灌注樁質量標準表

每根樁基成孔后進行第一次清孔，達到一清泥漿指標后，由業(yè)主委托的第三方檢測單位使用JL-IUDS(B)智能超聲成孔質量檢測儀進行成孔檢測。主要檢測項目為傾斜度、孔徑孔形、沉渣厚度，并明確得出檢測是否符合設計及規(guī)范要求的結論。

通過對S01主塔30根樁基成孔質量檢測，大部分樁基成孔均能一次檢測合格，僅有個別樁基需要進行掃孔或再次清孔后第二次進行檢測合格。下鋼筋籠及水下混凝土灌注過程未出現異常清孔，經最終檢測全部均為Ⅰ類樁。

5 結語

椒江二橋S01主塔樁基共30根，投入5臺鉆機進行成孔施工，五個月內順利完成施工任務，平均每根樁基成孔25 d（包括移鉆、檢修等），最終樁基檢測結果全部均為Ⅰ類樁。由此可見，該項目大直徑超長嵌巖樁施工鉆機選型合理，成孔施工技術先進，成孔質量各實測項目滿足設計及規(guī)范要求。通過在成孔施工中不斷改進完善，施工技術逐漸走向成熟,最終基本掌握了施工要點，積累了一定大直徑超長嵌巖樁施工寶貴經驗，取得了良好的社會及經濟效果，為以后企業(yè)承接大型橋梁尤其是斜拉橋等大跨徑跨江河、深海等橋梁大直徑超長嵌巖樁施工奠定了堅實的基礎。

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