淺談大型反循環(huán)回旋鉆機(jī)在虎門二橋索塔樁基施工中的應(yīng)用

范鵬

【摘要】主要介紹了虎門二橋坭洲水道橋超高索塔樁基礎(chǔ)鉆孔灌注樁施工的基本情況，并以東塔索塔（以下簡(jiǎn)稱坭洲東塔）樁基鉆孔施工為例，總結(jié)了一些實(shí)用的施工經(jīng)驗(yàn)，為今后在珠三角地區(qū)泥質(zhì)粉砂巖中鉆孔施工提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】超高索塔樁基礎(chǔ)；反循環(huán)鉆機(jī)；泥漿；球齒鉆頭

FanPeng

（Guangdong Provincial ChangDa Highway Engineering Co.，Ltd.，Guangzhou 510075，China）

1.工程概況

虎門二橋坭洲水道橋跨越珠江坭洲水道主航道，橋跨布置為658m+1688m+522m（鋼箱梁長(zhǎng)度為548+1688），全長(zhǎng)2868m，為雙跨鋼箱梁懸索橋，塔高252m。其中過渡墩、東索塔、西索塔、東引橋1～3#墩均位于珠江河道中。

索塔采用圓端啞鈴型承臺(tái)，平面總尺寸為90.43（橫橋向）×34.8（順橋向），承臺(tái)厚7m，承臺(tái)系梁寬14m，與承臺(tái)等厚，承臺(tái)頂標(biāo)高為+4.0m。根據(jù)橋塔塔位的地形、地質(zhì)、水文和環(huán)境等自然因素以及巖層情況，設(shè)計(jì)采用群樁基礎(chǔ)，單樁直徑為φ2.8m，東、西索塔共計(jì)128 根。樁基鋼護(hù)筒采用壁厚18mm的Q235鋼板卷制而成，鋼護(hù)筒內(nèi)徑為3.0m，西側(cè)索塔單根樁基鋼護(hù)筒長(zhǎng)度為20m，東側(cè)索塔單根樁基鋼護(hù)筒長(zhǎng)度為16m。

2.總體施工布置

2.1施工場(chǎng)地布置

2.1.1施工棧橋及平臺(tái)

由于是水上施工，因此需搭設(shè)水上施工平臺(tái)來施工，施工平臺(tái)分棧橋、輔助平臺(tái)和鉆孔平臺(tái)三部分。棧橋及輔助平臺(tái)承擔(dān)起重設(shè)備及施工運(yùn)輸車輛等荷載，采用φ820×8mm螺旋管作管樁基礎(chǔ)，其上依次包括I45工字鋼墊梁、貝雷承重梁、I25工字鋼分布梁以及反扣[28槽鋼面板；鉆孔平臺(tái)則承擔(dān)鉆孔設(shè)備及材料堆放荷載，亦采用φ820×8mm螺旋管作管樁基礎(chǔ)，其上依次包括HM588型鋼承重梁、I25工字鋼分布梁及8mm厚鋼板面板。

2.1.2施工機(jī)械布置

樁基成孔設(shè)備采用大型反循環(huán)鉆機(jī)施工，布置武橋重工制造的KTY3000B型、KTY4000型以及寧波中銳制造的ZJD4000型等鉆機(jī)8臺(tái)（后期為加快施工進(jìn)度，增加至9臺(tái)）。參考其鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)，結(jié)合鉆機(jī)移機(jī)、提鉆等吊裝需要，起重設(shè)備考慮布置80T龍門吊兩臺(tái)，S1200塔吊一臺(tái)，另外配置一臺(tái)80T履帶吊作機(jī)動(dòng)起重設(shè)備。

2.2樁基施工順序安排

根據(jù)總體進(jìn)度計(jì)劃安排、鉆孔平臺(tái)空間以及鉆樁平臺(tái)受力要求等因素，主墩

樁基施工必須按既定順序進(jìn)行。為方便施工將各墩樁基劃分為8 個(gè)施工區(qū)域，每個(gè)區(qū)域內(nèi)各投入1 臺(tái)鉆機(jī)，各個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)字表示鉆孔的先后順序，主墩樁基按順序1～8#依次進(jìn)行樁基施工。特殊情況下需調(diào)整時(shí)，必須滿足相鄰樁位不同時(shí)施工的原則，以防止竄孔、塌孔等事故發(fā)生。各墩樁基鉆孔施工順序詳見下圖所示：

2.3施工工藝概述

2.3.1反循環(huán)鉆機(jī)工作原理

施工所用反循環(huán)鉆機(jī)均為液壓動(dòng)力鉆機(jī)，具體工作原理如下圖：

由動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)鉆桿，鉆桿帶動(dòng)鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，采用氣舉反循環(huán)的排渣方式，其動(dòng)力傳遞路徑為：電動(dòng)機(jī)→液壓泵→液壓馬達(dá)→動(dòng)力頭。

2.3.2成孔施工工藝流程

鉆孔施工基本工藝流程為：測(cè)量并設(shè)定樁位中心→鉆機(jī)就位對(duì)中→下放刮刀鉆頭→正循環(huán)造漿開鉆→反循環(huán)鉆進(jìn)→入巖前更換滾刀鉆頭→鉆孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高→終孔檢測(cè)→清孔→提出鉆頭移機(jī)→下放鋼筋籠及導(dǎo)管→二次清孔→灌注水下混凝土。

每根樁基成孔施工均按以上工序循環(huán)施工，每道工序緊密銜接，并派專人跟蹤控制。

3.施工難點(diǎn)及要點(diǎn)

3.1 鉆機(jī)選型

3.1.1鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)

武橋重工制造的KTY3000B型全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)是在KPG3000型全液壓工程鉆機(jī)的基礎(chǔ)上結(jié)合當(dāng)今國(guó)際先進(jìn)技術(shù)經(jīng)過兩次優(yōu)化設(shè)計(jì)而研制的，其技術(shù)參數(shù)主要為：巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc≤200MPa的基巖中任選孔徑下鉆進(jìn)，鉆進(jìn)深度可達(dá)130m，鉆孔直徑可達(dá)3.0m；動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速0～7rpm時(shí)，扭矩200kN·m，動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速0～15rpm時(shí)，扭矩100kN·m。而武橋重工制造的KTY4000和寧波中銳制造的ZJD4000鉆機(jī)在3000型鉆機(jī)的升級(jí)版，在扭矩和鉆孔直徑上都有了較大提高，其技術(shù)參數(shù)主要為：巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc≤120MPa的基巖中鉆孔直徑可達(dá)4.0m，單軸抗壓強(qiáng)度σc≤200MPa的基巖中鉆孔直徑可達(dá)3.5m，鉆進(jìn)深度均可達(dá)130m；動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速0～6rpm時(shí)，扭矩300kN·m，動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速0～15rpm時(shí)，扭矩120kN·m。根據(jù)本項(xiàng)目的地質(zhì)情況和樁孔直徑，以上三種鉆機(jī)均滿足施工要求。

3.1.2鉆頭鉆壓選擇

鉆壓依據(jù)地質(zhì)情況、設(shè)備提升能力、鉆頭類型等因素確定，一般以能壓入巖石為下限，不損壞軸承為上限。覆蓋層中鉆進(jìn)采用刮刀鉆頭時(shí)，僅鉆具及鉆機(jī)的自重提供的鉆壓就能滿足鉆進(jìn)要求，因此一般不需要增加配重塊。入巖后改換滾刀鉆頭在巖層中鉆進(jìn)時(shí)，鉆壓過低鉆頭滾刀齒刃在巖石上滑動(dòng)，不僅不能破巖，還將加速齒刃的磨損；鉆壓過大，會(huì)過早損壞鉆頭滾刀軸承。為保證較高的鉆進(jìn)速度，必須選擇合理的鉆壓，根據(jù)坭洲水道橋東塔樁基的實(shí)例經(jīng)驗(yàn)，鉆壓宜為鉆頭上所有滾刀軸承設(shè)計(jì)承載力之和的80%。

另外在鉆壓應(yīng)根據(jù)實(shí)際地層情況不斷調(diào)整，在鉆基巖時(shí)，應(yīng)根據(jù)所選鉆頭類型和破巖比壓調(diào)整鉆壓；在鉆松散底層時(shí)，所施加給孔底的的壓力應(yīng)以保證泥漿反循環(huán)暢通，并以及時(shí)清除鉆渣為前提，以免堵塞鉆桿風(fēng)包頭。

3.1.3鉆頭類型選擇

反循環(huán)鉆機(jī)的鉆頭以滾刀鉆頭和刮刀鉆頭為主，滾刀鉆頭適應(yīng)于巖層鉆進(jìn)，分楔齒型和球齒型，而刮刀鉆頭適用于覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化巖層鉆進(jìn)。選擇一種適用的鉆頭，是保證鉆進(jìn)效率的重要措施。

以坭洲水道橋東塔試樁為例，樁底標(biāo)高為-62～-65m，入巖深度平均在30m左右，巖層以風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖或微風(fēng)化中砂巖為主，飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度為14.9～50.3Mpa，屬極軟巖或較軟巖。該類巖層是由沙粒經(jīng)過水搬運(yùn)沉淀于河床上，經(jīng)千百年的堆積堅(jiān)固并經(jīng)地質(zhì)物理作用膠結(jié)而成的巖石，其成分主要為粉砂，含少量粘土礦物及膠結(jié)物。我們先在巖層中使用楔齒型滾刀鉆頭鉆進(jìn)，每天進(jìn)尺為1.0～1.2m，進(jìn)度不理想。為加快鉆進(jìn)功效，我們對(duì)鉆齒進(jìn)行以下分析：a.楔齒較為尖利，與巖面接觸時(shí)能提供較大壓強(qiáng)以破碎巖層，然而該巖層均為軟巖，裂隙不發(fā)育，難以達(dá)到較好的破碎效果；b.巖層含砂量大，鉆進(jìn)中楔齒材質(zhì)易磨損，需更換頻繁，費(fèi)時(shí)且不經(jīng)濟(jì)。鑒于以上幾點(diǎn)，在多方研究調(diào)查后，決定采用球齒型鉆頭鉆進(jìn)，實(shí)踐證明球齒鉆進(jìn)功效提高了30%～50%，磨耗更小，節(jié)省了更換鉆齒所需提鉆頭、拆鉆桿時(shí)間，保證了施工進(jìn)度。

3.2泥漿調(diào)制及監(jiān)控

3.2.1造漿材料

為保證泥漿質(zhì)量，更好的配合樁基施工，項(xiàng)目部建立了工地泥漿試驗(yàn)室，調(diào)制適合現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)條件的高級(jí)泥漿，其主要由水、膨潤(rùn)土和添加劑組成。造漿用水主要是自來水或低潮水，膨潤(rùn)土采用鈣質(zhì)膨潤(rùn)土，添加劑主要有純堿、CMS、PAC141及PAC142等。其中純堿用以增大PH值，提高泥漿膠體率及穩(wěn)定性；CMS則增加泥漿抗鹽性；PAC141和PAC141用來提高粘度和膠體率。

3.2.2泥漿調(diào)制流程

在鉆機(jī)開鉆前，跟實(shí)際地質(zhì)情況制定有針對(duì)性泥漿調(diào)制流程，并對(duì)施工作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)交底，保證泥漿在可控范圍內(nèi)，具體流程如下圖：

3.2.3鉆進(jìn)濾砂

泥漿中含砂率大，會(huì)導(dǎo)致粘度降低，沉淀增加，容易磨損泥漿泵及水龍頭、鉆頭等鉆具；長(zhǎng)時(shí)間鉆進(jìn)，砂也會(huì)附著在孔內(nèi)泥皮護(hù)壁上，增大泥皮厚度和密度，增加坍孔風(fēng)險(xiǎn)。在坭洲東塔的鉆進(jìn)過程中，為提高濾砂效率，選擇黑旋風(fēng)除砂器除砂。除砂時(shí)間應(yīng)根據(jù)鉆進(jìn)進(jìn)尺來確定，其中砂層鉆進(jìn)每天應(yīng)不少于12個(gè)小時(shí)，砂巖層中鉆進(jìn)每天不少于2小時(shí)。另外，濾砂時(shí)大量砂粒從泥漿分離后，要及時(shí)補(bǔ)充孔內(nèi)泥漿，以保證樁護(hù)筒內(nèi)外水頭差，防止坍孔。

3.4施工總結(jié)

3.4.1粉砂巖中鉆進(jìn)濾砂

泥質(zhì)粉砂巖結(jié)構(gòu)呈顆粒狀，顆粒特別細(xì)小，其砂直徑約為1/16-1/250mm，而目前市場(chǎng)上常用黑旋風(fēng)除砂器分離粒度為D50=0.06mm，難以滿足鉆進(jìn)要求。為此我們?cè)诟髋_(tái)鉆機(jī)實(shí)際施工過程中，采集大量數(shù)據(jù)，分析比對(duì)后，發(fā)現(xiàn)適量降低泥漿比重，讓砂粒自然沉淀能加快粉砂分離，另外還可以設(shè)置連通管與相鄰樁基護(hù)筒連通，加長(zhǎng)泥漿循環(huán)通道，保證粉砂自然沉淀所需時(shí)間，根據(jù)結(jié)果來看該辦法經(jīng)濟(jì)而有效，值得類似后續(xù)工程借鑒。

3.4.2起重設(shè)備布置

根據(jù)坭洲東塔樁基施工的過程來看，配置兩臺(tái)80T龍門吊、一臺(tái)S1200塔吊和一臺(tái)80T履帶吊是完全能滿足施工中的起重設(shè)備要求的。我們使用9臺(tái)回旋鉆機(jī)體型均較大，整機(jī)（除鉆頭及鉆桿外）重量約40～50T左右，鉆頭及配重約36～40T。而80T龍門吊和S1200塔吊的起重能力為樁基終孔后鉆頭鉆桿拆除及鉆機(jī)整體移機(jī)就位提供方便，節(jié)省了因起重能力不足鉆機(jī)構(gòu)件安拆移機(jī)的時(shí)間；另外配置大型的起重設(shè)備也有利于處理鉆進(jìn)過程中坍孔埋鉆、卡鉆等突發(fā)事故，縮短處置時(shí)間，減少經(jīng)濟(jì)損失。

3.4.3施工用電配置

整套反循環(huán)回旋鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)，主要用電部件有液壓站（為鉆機(jī)提供動(dòng)力輸出）、空壓機(jī)（氣化泥漿，形成反循環(huán)系統(tǒng)）、泥漿處理器（分離鉆渣及砂粒）。KTY3000B、KTY4000及ZJD4000型鉆機(jī)的液壓站均由3臺(tái)大功率和1臺(tái)小功率電動(dòng)機(jī)組成，總功率分別為：240KW、285KW和285KW；空壓機(jī)為每臺(tái)鉆機(jī)獨(dú)立配置，功率為160KW，泥漿處理器可以兩臺(tái)鉆機(jī)配一臺(tái)，功率為55KW。坭洲東塔樁基施工電力配置上，使用的是5臺(tái)630KW的變電站，考慮不是同時(shí)啟動(dòng)和不會(huì)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，完全可以滿足8套鉆機(jī)同時(shí)施工。而實(shí)際上，為加快坭洲東塔樁基施工進(jìn)度，高峰時(shí)期增加到9套鉆機(jī)同時(shí)施工時(shí)，電力配置仍能滿足施工需要，保證了樁基的順利完成。

4.結(jié)束語

虎門二橋坭洲東索塔樁基通過使用KTY3000B、KTY4000及ZJD4000型等反循環(huán)回旋鉆機(jī)施工，工程按原計(jì)劃順利完成。針對(duì)珠三角地區(qū)的泥質(zhì)粉砂巖層的鉆樁施工，在施工平臺(tái)設(shè)計(jì)、鉆機(jī)性能、鉆頭選擇、泥漿控制、起重設(shè)備和用電配置等方面積累寶貴施工經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司、廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司

.虎門二橋工程施工設(shè)計(jì)圖第二部分第一冊(cè)--坭洲水道橋索塔施工設(shè)計(jì)圖[R].廣州：中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司、廣東省公路勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，2014.

[2] 交通部第一公路工程總公司.公路施工手冊(cè)-橋涵[M].北京：人民交通出版社，1999.

[3]廣東省長(zhǎng)大公路工程有限公司一分公司.虎門二橋S4標(biāo)坭洲水道橋索塔樁基施工組織設(shè)計(jì)[R].廣州：廣東省長(zhǎng)大公路工程有限公司一分公司，2014.