超大直徑超深嵌巖樁成孔施工新技術(shù)

賈優(yōu)秀 張 炬 張德獻

1. 中鐵十二局集團第四工程有限公司 陜西 西安 710021；

2. 南陽市市政工程總公司 河南 南陽 473200；

3. 河南一基基礎(chǔ)工程有限公司 河南 南陽 473200

1 工程概況

廣東省汕頭市汕北大道東里河特大橋工程，橋梁全長1 261.6 m，主跨為148 m的變截面連續(xù)箱梁，橋梁單個主墩采用9根直徑為2.5 m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，設(shè)計樁長125 m，成孔全長133.75 m。

東里河特大橋水文地質(zhì)情況復雜，主墩位于水上，采用鋼平臺作業(yè)。其中，空樁總長8.9 m，淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粗砂等高液限土總長104.35 m，弱風化微晶花崗巖地層總長20.5 m。

2 施工技術(shù)現(xiàn)狀

此種超大直徑超深嵌巖樁在國內(nèi)外均比較少見。滬通長江大橋5#、6#主墩樁長117 m，為全土層地質(zhì)，采用氣舉反循環(huán)鉆機即可快速成孔。港珠澳大橋主墩平均樁長100 m，直徑2.5 m，土質(zhì)地層平均深度40 m以內(nèi)，巖石地層平均深度60 m；嘉紹大橋N1#—主墩直徑3.8 m，設(shè)計樁長105 m，全長118 m，土質(zhì)地層為96 m，巖石地層為22 m。以上2座特大橋均采用全液壓鉆機配合刮刀鉆頭（適用土質(zhì)地層）和牙輪鉆頭（適用巖石地層），鉆桿帶動鉆頭刮土鉆進或依靠鉆機自重和額外配重對牙輪加壓鉆進，采用空氣氣舉反循環(huán)排渣方式。

該施工技術(shù)的優(yōu)點為只需采用單一機械使用不同鉆頭便可完成成孔作業(yè)。缺點為牙輪鉆頭的作用機理是和巖石產(chǎn)生摩擦，繼而碾碎巖石進行鉆進作業(yè)，其在巖石地層中成孔緩慢，鉆頭磨損速度快、成本高。

3 新技術(shù)應(yīng)用狀況

廣東省潮州市潮汕環(huán)線高速韓江特大橋樁基直徑2.0 m、深92 m，其中嵌巖深度6 m，原技術(shù)采用沖擊鉆成孔，新技術(shù)采用回旋鉆成孔泵吸反循環(huán)排渣＋沖擊鉆成孔氣舉反循環(huán)排渣的多機聯(lián)合成孔工藝，較傳統(tǒng)工藝工期節(jié)約70%，成本節(jié)約30%。

汕頭市汕北大道東里河特大橋工程，樁基直徑2.5 m，深度133.75 m，嵌巖深度20.5 m，根據(jù)項目縮短工期、節(jié)省成本的要求，在韓江特大橋施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新采用了回旋鉆成孔泵吸反循環(huán)排渣、回旋鉆成孔氣舉反循環(huán)排渣、沖擊鉆成孔氣舉反循環(huán)排渣相配合的施工新技術(shù)，充分利用了回旋鉆成孔泵吸排渣的效率優(yōu)勢、氣舉反循環(huán)排渣的超深孔適用性、沖擊鉆巖石地層的經(jīng)濟性，成孔快速，成本低，可流水施工，節(jié)約總工期。

4 新技術(shù)特點

正常地質(zhì)條件及深度范圍下，采用回旋鉆機泵吸反循環(huán)排渣，鉆進效率高；根據(jù)離心泵效率的影響因素可知，適當?shù)亟档捅梦母叨瓤梢杂行У卦龃笈潘?。當施工中深度達到70 m以上時，將鉆桿每次接長3 m，改為每次接長1.5 m，降低泵吸的高度可以有效地增大排水量，將泵吸反循環(huán)的適應(yīng)深度從70 m提高到了100 m。

鉆進深度超過100 m以后，采用相同的回旋鉆機正循環(huán)壓入泥漿鉆進，同時下放排渣管進行氣舉反循環(huán)排渣，一條排渣管道排渣速度不足時，可采用多條排渣管同時排渣的工藝。鉆進過程和排渣過程相互獨立且同時進行，效率可以得到極大的保障。

鉆進到巖石地層時，撤出回旋鉆機至其他樁位施工，沖擊鉆機就位鉆進，若按照傳統(tǒng)方法采用傳統(tǒng)懸浮鉆渣的排渣工藝需要置換近600 m3泥漿，成本巨大，費工費時，新技術(shù)采用和回旋鉆氣舉反循環(huán)排渣相同的設(shè)備和原理進行排渣，鉆進和排渣同時進行，原有泥漿無需置換即可繼續(xù)進行鉆進作業(yè)[1-5]。

新技術(shù)的經(jīng)濟性表現(xiàn)在：牙輪鉆頭每成孔40 m需更換鉆頭合金牙齒，每換一次牙輪鉆頭鉆牙的維修費用為12萬元，折合鉆具維修費用3 000 元/m；相同情況下采用沖擊鉆施工技術(shù)，每成孔40 m對鉆頭鉆牙進行更換，每次更換費用為1萬元，折合鉆具磨損的費用為250 元/m。由此可知，相比傳統(tǒng)的牙輪鉆頭，新技術(shù)的鉆具維修成本降低90%，綜合費用降低30%以上。

新技術(shù)的成孔速度優(yōu)勢表現(xiàn)在：正常鉆進情況下，在微晶花崗巖地層中，沖擊鉆的鉆進速度為1.0～1.3 m/d，全回旋牙輪鉆機的鉆進速度為0.3～0.6 m/d。

該組合施工新技術(shù)適用于各種橋梁、建筑物、水電站基礎(chǔ)的超大直徑超深嵌巖鉆孔灌注樁施工（直徑大于2 m、深度大于90 m）。

5 操作要點

5.1 鉆孔前準備

1）組織技術(shù)人員與施工相關(guān)的人員熟悉設(shè)計圖紙及相關(guān)規(guī)范，編寫專項施工方案。

2）提前對進場的施工專業(yè)隊進行技術(shù)、安全交底，熟悉現(xiàn)場環(huán)境，對施工的各種困難應(yīng)做到充分了解。

3）準備好施工中所用的人員、機械、材料，制定電力供應(yīng)計劃以及空壓機房、泥漿處理站的建設(shè)方案。

4）建立工地實驗室，配備相應(yīng)的泥漿檢測設(shè)備。

5）施工場地“三通一平”。場地應(yīng)平整堅實，防止鉆進過程中鉆機沉降造成質(zhì)量事故。

5.2 安裝泥漿循環(huán)系統(tǒng)并制備泥漿

原則上，泥漿應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)膨潤土和專用的泥漿生產(chǎn)設(shè)備于孔外生產(chǎn)，但原地土質(zhì)滿足造漿要求時可采用正反循環(huán)鉆機孔內(nèi)造漿。鉆孔過程中泥漿質(zhì)量的控制是至關(guān)重要的。泥漿配制好后，要有專人負責試驗工作，保證泥漿各項指標符合要求。主要測定泥漿的相對密度、含砂率、黏度、pH值和膠體率等，其中，微風化花崗巖地層中需特別注意與常規(guī)沖擊鉆參數(shù)有所不同，不符合使用要求時應(yīng)及時進行調(diào)整?，F(xiàn)場應(yīng)儲備足夠的造漿材料和可靠的水源，以便調(diào)整泥漿參數(shù)。

5.3 長鉆桿接長反循環(huán)鉆進，泵吸排渣

此階段正反循環(huán)鉆機采用QY351型號，適用范圍為0～70 m。

5.3.1 鉆機就位

樁機就位前，先在鉆機轉(zhuǎn)盤中心位置放置鉛垂線，通過觀察鉛垂線與鋼護筒十字線的位置，調(diào)整鉆機位置。通過調(diào)整鉆機液壓支腿來保證鉆機整體處于水平狀態(tài)，用水平尺檢查轉(zhuǎn)盤水平度。在鉆機鉆架升起后應(yīng)再次校正鉆機位置及水平度。鉆機就位后，要保證鉆桿中心、轉(zhuǎn)盤中心、樁的設(shè)計中心三者在同一直線上。

鉆機就位自檢合格后，由技術(shù)人員及監(jiān)理工程師驗收就位情況，驗收合格后將鉆機與平臺進行固定、限位，保證在鉆進過程中不產(chǎn)生位移。

5.3.2 鉆進與排渣

初始鉆進的10 m內(nèi)采用正循環(huán)鉆進為主，實時排放鉆渣，放慢鉆進速度并不大于2 m/h，使泥皮充分形成，阻斷泥漿與地下水之間的干擾，同時還可防止因孔邊應(yīng)力集中造成縮孔、坍孔。

正常鉆進時應(yīng)根據(jù)泥漿泵的出水量及鉆頭轉(zhuǎn)速，及時調(diào)整鉆進速度及鉆頭轉(zhuǎn)速。水頭大時可適當增加鉆進速度及鉆頭轉(zhuǎn)速，水頭小時減小鉆進速度及鉆頭轉(zhuǎn)速。正常鉆進速度宜為2～6 m/h，鉆頭轉(zhuǎn)速宜為2～4 r/min。

鉆進過程中應(yīng)根據(jù)不同土層選擇與之相適應(yīng)的進尺、轉(zhuǎn)速及鉆壓，每鉆進2 m或地層變化時在鉆渣出口處撈取鉆渣樣品，查明渣樣并記錄。當鉆進至鋼護筒底口上下2 m范圍時，須采用低鉆壓、低轉(zhuǎn)速、低進尺鉆進。當鉆頭鉆出鋼護筒底口2 m后，恢復正常鉆進狀態(tài)。

鉆進過程中保證鋼護筒內(nèi)水位穩(wěn)定，隨時進行補漿，保持鋼護筒內(nèi)水位高出地下水位2 m以上。發(fā)現(xiàn)斜孔時，應(yīng)采用掃孔辦法，及時進行糾偏。鉆孔內(nèi)嚴禁掉入雜物。鉆桿連接時，檢查鉆桿接頭是否有漏水漏氣情況。

鉆孔作業(yè)應(yīng)連續(xù)進行，不宜中途長時間停止，盡可能縮短成孔周期。因故停止鉆進時，嚴禁鉆頭留在孔內(nèi)，每隔8 h徹底抽換一次，保證泥漿指標符合穩(wěn)定孔壁的要求。

5.4 短鉆桿接長反循環(huán)鉆進，泵吸排渣

此階段正反循環(huán)鉆機采用QY351型號，適用范圍為70～100 m。短鉆桿接長反循環(huán)鉆進的核心在于適當降低渣漿泵吸渣的最大高度，提高工作效率。

短鉆桿不利于保證鉆孔的垂直度，因此在用短鉆桿接長并鉆進完成后，應(yīng)用長鉆桿替換，即先用短鉆桿接長，鉆進完成后拆除短鉆桿，再用長鉆桿接上并繼續(xù)鉆進，依次替換接長鉆進。鉆進時根據(jù)渣漿泵出水量確定鉆進速度，短鉆桿接長鉆進時的鉆進速度宜為1～3 m/h。

5.5 正循環(huán)鉆進，氣舉法排渣

此階段仍然采用QY351型號的正反循環(huán)鉆機，適用范圍為100～113.25 m。

5.5.1 排渣系統(tǒng)選擇

排渣系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)：空氣壓縮機功率100 kW，排氣量＞10 m3/min，氣壓＞1.6 MPa；排渣管總長120 m，直徑200 mm，鋼管和鋼絲膠管壁厚≥3 mm；氣管直徑30 mm，最大承壓3 MPa，長度80 m。采用泵吸反循環(huán)泥漿循環(huán)系統(tǒng)。

5.5.2 鉆進

鉆進時通過正循環(huán)泵將鉆渣懸浮至距孔底3～5 m，利用排渣管進行氣舉法排渣。根據(jù)鉆孔深度實時下放排渣管。鉆進時先開動鉆機的正循環(huán)泵，再開動空氣壓縮機，最后開始緩慢鉆進。鉆頭轉(zhuǎn)速不大于2 r/min，以防止排渣管與鉆頭纏繞。進尺速度應(yīng)與排渣速度相協(xié)調(diào)。

暫停鉆進并進行鉆桿接長時，繼續(xù)使正循環(huán)泵和氣舉排渣工作不少于5 min至不再有鉆渣排出，然后關(guān)閉正循環(huán)泵，再關(guān)閉空氣壓縮機。要控制鉆進速度，使鉆進速度與氣舉排渣速度相匹配。經(jīng)常觀察排渣情況，排渣較多時應(yīng)放慢鉆進速度或采用2套排渣設(shè)備進行排渣。

其他鉆進工藝同泵吸反循環(huán)成孔工藝。

5.5.3 排渣

排渣管尾管及氣漿混合室采用鋼管（圖1），可以作鋼絲膠管的配重，使排渣管順利沉入孔底3 m處（排渣管底部距鉆頭頂部不少于1 m）。開動空氣壓縮機，氣壓上升至標準氣壓并正常排渣后，開始正循環(huán)鉆進。

圖1 沖擊鉆鉆進時的氣舉排渣管安裝

尾管與氣漿混合室通過法蘭盤與鋼絲膠管連接，泥漿通過鋼絲膠管排入泥漿池。氣漿混合室的位置隨著鉆進深度的增加應(yīng)進行調(diào)整，尾管長度不宜過大，氣漿混合室宜在孔深度的0.4～0.6倍處。

5.6 沖擊鉆鉆進，氣舉法排渣

此階段采用沖擊鉆機，適用范圍為113.25～133.75 m。沖擊鉆機主要技術(shù)參數(shù)：電機功率180 kW，卷揚機額定起重量10 t，最大成孔深度150 m；鉆頭質(zhì)量10 t，采用實心十字鉆頭；鋼絲繩同向捻制，安全系數(shù)不應(yīng)小于1.5。

5.6.1 排渣系統(tǒng)選擇

排渣系統(tǒng)與5.5.1節(jié)的排渣系統(tǒng)相同。

5.6.2 鉆機就位

利用吊機將沖擊鉆機吊放就位，鉆頭和鉆桿中心與鋼護筒中心的偏差不得大于5 cm。

5.6.3 鉆進

向孔內(nèi)投放石塊，使既有孔底平整，同時向孔內(nèi)投放優(yōu)質(zhì)膨潤土，使泥漿相對密度保持在1.2～1.3。

開始鉆孔時應(yīng)先采用小沖程，錘高宜為0.4～0.6 m。既有錐形孔底鉆進完成后，才可加快速度，將錘提高至1.0～2.0 m轉(zhuǎn)入正常沖擊。

鉆進過程中，應(yīng)勤松繩和適量松繩，不得打空錘。鋼絲繩與鉆頭間需設(shè)轉(zhuǎn)動裝置并連接牢固，鉆孔過程中應(yīng)經(jīng)常檢查鉆頭狀態(tài)及轉(zhuǎn)動是否正常、靈活。隨時檢查鋼絲繩扭轉(zhuǎn)情況，避免產(chǎn)生十字孔。泥漿相對密度較高時，鉆頭無法正常轉(zhuǎn)動，可通過氣舉法清渣或利用錘頭上下活動攪拌的方法調(diào)整泥漿相對密度。

泥漿相對密度較低時，泥漿懸浮鉆渣能力降低，將造成沖擊鉆鉆進進尺較慢或不進尺，可通過投放優(yōu)質(zhì)膨潤土的方法來增加泥漿相對密度。每班應(yīng)將鉆錘拉出水面檢查其磨損情況，同時檢查保護繩情況、鋼絲繩磨損情況，出現(xiàn)異常時應(yīng)及時進行處理，以免出現(xiàn)卡錘。正常鉆進過程中宜優(yōu)先采用全自動鉆進。

5.6.4 排渣

每鉆進0.7～1.3 m或每班，采用氣舉反循環(huán)排渣系統(tǒng)排渣2次，清渣時應(yīng)停止鉆進，排渣管應(yīng)下放至距孔底5 m處。開動空氣壓縮機，空氣壓力上升到一定壓力時排渣管開始排渣，排渣正常后逐漸下放排渣管至距鉆頭頂部1 m處，上下提放鉆頭，使泥漿與鉆渣沖起并通過排渣管排出。排渣完成后，將排渣管提出至距孔底5 m以上，即可繼續(xù)進行鉆進作業(yè)。

5.7 清孔

采用氣舉反循環(huán)法清孔。根據(jù)鉆孔樁樁底的設(shè)計標高和鋼護筒頂標高，計算出鉆孔深度，采用測量鉆桿總長及鉆頭高度的方法計算孔深，鉆進到位后進行清孔，保證清孔后的各項指標符合設(shè)計要求。在吊入鋼筋骨架后、灌注水下混凝土前，應(yīng)再次檢查泥漿指標和沉淀層厚度，若超過規(guī)定，應(yīng)利用導管進行二次清孔。

6 效益分析

通過對現(xiàn)場同時使用的2種施工工藝進行對比得出，多級聯(lián)合成孔新技術(shù)的成孔效率較傳統(tǒng)全回旋鉆機提高2倍，鉆具維修費用降低90%以上，綜合費用降低30%以上。

7 結(jié)語

超大直徑超深嵌巖樁施工的技術(shù)要求高、難度大、成本控制嚴格、工期影響大，如果在施工準備階段的施工工藝或鉆孔機具類型選擇不適，容易造成工程進展不順利、工期拉長、成本劇增，甚至引發(fā)施工質(zhì)量事故。汕頭市汕北大道東里河特大橋施工中通過合理的鉆機選型、要素匹配，完善的施工工藝及過程控制措施，順利地完成了36根大直徑、超深長樁的施工，經(jīng)檢測全部為Ⅰ類樁?；谠撔录夹g(shù)的成功運用，在常規(guī)的短嵌巖樁基礎(chǔ)施工中，采用回旋鉆成孔泵吸反循環(huán)排渣＋沖擊鉆成孔氣舉反循環(huán)排渣技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的沖擊鉆成孔施工，可以減少成本50%，節(jié)約工期40%以上，因此該新技術(shù)具備較好的推廣價值。