管涌地質條件下深水鉆孔施工

趙成貴

（中鐵大橋局集團第四工程有限公司 江蘇南京 210031）

1 前 言

公安長江公鐵兩用特大橋是蒙西至華中運煤通道控制性工程，主橋全長1459.6 m，主通航孔為（98+182+518+182+98）五跨斜拉橋連續(xù)鋼桁梁，橋跨布置見圖1 所示[1]。

圖1 公安長江大橋主橋橋式立面布置圖

公安長江大橋南主塔墩基礎采用36 根Ф2.8/3.1 m 變徑鉆孔樁群樁基礎，鉆孔樁成縱向5 排，橫向8 排行列式布置，如圖2 所示。樁頂標高為+15.45 m，樁底標高為-74.55 m，樁長90 m，鉆孔樁在+0.5 m 處從下向上由直徑2.8 m 變?yōu)橹睆?.1 m。

2 水文及地質條件

2.1 水文

主塔4#墩鉆孔樁在水中平臺上施工，平臺標高及護筒內鉆孔水位時刻受到長江水流的影響，該區(qū)域內長江具有峰高量大，持續(xù)時間長的特點，汛期為5～10 月份，主塔墩處汛期最大水深約26m，水流流速達3.38 m/s，且隨著水位和流量的變化，具體漲水時間和水位無規(guī)律，橋位處設計20 年一遇洪水位為+39.77 m，最低通航水位為+26.48 m，高差達13.29 m。

圖2 南主塔墩基礎布置圖

2.2 地質條件

主橋在地貌上由南向北，從長江低漫灘逐漸過渡到河槽淺水區(qū)、主河槽深泓區(qū)、南岸高漫灘區(qū)。4#墩位于長江主河槽南側，河床面高程20.82～21.67 m。

橋位處的長江荊江河段屬長江堤防險段，有“萬里長江、險在荊江、荊江之險、江陵為重”一說。汛期，長江水位則平均高于堤外地面低洼處3~5 m，成為“懸河”，加之地表硬殼層薄，下部粉細砂、圓礫土強透水層厚，該段自古就是管涌和潰堤的易發(fā)地段。

歷史上長江荊州河段曾多次發(fā)生過管涌，管涌將礫沙層中細沙帶走，圓礫土中細顆粒填充物少，更加增加了鉆孔樁施工過程中漏漿、坍孔的風險。橋梁的施工將破壞地表硬殼層，使發(fā)生管涌的可能性增大，施工過程中務必要重視，避免險情的發(fā)生。

3 鉆孔施工

3.1 鉆機選型

為便于泥漿集中拌制和方便回收處理，泥漿池布置在臨近大堤灘地上，由泥漿泵通過管路輸送到鉆孔平臺護筒內，泥漿回收也通過管路反泵回泥漿池沉淀池內。

工程所處荊江河段地質條件為管涌易發(fā)河段，卵、礫石層填充物少，透水性強漏漿嚴重，結合鉆孔樁孔深、直徑和地質條件，泥漿采用優(yōu)質膨潤土拌制，同時根據檢測指標加入纖維素，鉆機采用大橋局KPG-3000 型鉆機氣舉反循環(huán)成孔，配壓力為0.8~1.2MPa 空壓機，風量為20 m3/min，鉆頭選擇穩(wěn)定性、導向性好的雙護圈四翼刮刀鉆[2]。

結合工期要求和施工平臺設計條件，主墩平臺上共布置6 臺鉆機同時施工，平均分6 個循環(huán)完成全部36 根鉆孔樁。

3.2 鉆孔施工

在卵石含量高地層中進行反循環(huán)回轉鉆進灌注樁的鉆進施工，如果地層比較松散、卵石大，則有可能因為泥漿漏失嚴重、孔壁不穩(wěn)定而導致坍塌垮孔和埋鉆現象的產生，對工程施工產生非常不利的影響。

根據地質情況及試樁總結，為了保證鉆孔孔形、垂直度等成孔質量，選用雙護圈、四翼刮刀鉆頭。護筒直徑為Φ310cm，底標高為+0.5 m，進入覆蓋層10 m 以上。

根據不同地層分別選用不同的鉆壓和鉆速。供風設備采用每機1 臺21.5 m3／min 的壓風機(風壓0.8～1.2 MPa)，鉆機鉆具中間設置1 道接力風包，設置在鉆機以下60 m 位置，以保證風量供應，滿足排渣的要求[2]。

在前期幾根樁鉆孔過程中，均不同程度出現了進尺慢、漏漿嚴重等現象，甚至局部有坍孔，尤其是在卵、礫石地層鉆孔過程中，除漏漿造成大量泥漿損失外，連續(xù)幾個小時甚至全天沒有進尺，反循環(huán)也沒有鉆碴排出，經拆鉆桿提鉆檢查，發(fā)現鉆頭刀齒脫落嚴重，刮刀四翼磨損嚴重，有的已經磨成月牙形，如圖3 所示。

圖3 磨損嚴重的鉆頭

現場雖對脫落的楔齒進行了補焊，磨損的刮刀翼進行了補強，但重新下鉆后鉆進效果并不明顯，不久又出現進尺慢甚至無進尺情況，重新提鉆后發(fā)現又出現了脫齒、磨損情況?？偨Y前幾次經驗，為適應卵、礫石層內鉆頭磨損嚴重情況，除對刮刀四翼楔齒加強、加密外，還對底層護圈側面進行了楔齒加強、加密，如圖4 所示，實現轉動時軌跡無空檔、全覆蓋，以減少鉆頭磨損、消耗。

圖4 重型密齒鉆頭

3.3 漏漿處理

3.3.1 堵漏材料和泥漿參數

泥漿的主要作用是保護孔壁和攜帶鉆碴，在卵、礫層鉆進中，主要靠空氣反循環(huán)形成的流速和流量來吸泥排碴，因此對泥漿的指標要求與一般土質地層不同，采用優(yōu)質膨潤土造漿，粘度一般要控制為20～30 s，適當摻加黃粘土增加泥漿比重，比重控制在1.18～1.35 kg/L 之間[3]。

在穿過含量較高的圓礫土層時，由于該地質層細顆粒填充物少，含水量高，除泥漿向地層中漏失嚴重外，地層中水不斷向孔內滲透，相當于與泥漿交換，造成泥漿漏漿嚴重，同時泥漿質量劣化也比較快，在鉆進該地質層前，除盡可能多加大泥漿存儲量外，還適當提高泥漿的含沙率，當出現泥漿漏失時，泥漿中含的粉細沙、鋸末和膨潤土等細顆?？勺髀?、礫石中的填充物，有利于止漏。

3.3.2 堵漏時機

針對卵、礫石層極易漏漿，提前在護筒口平臺上儲存足夠數量的粘土、膨潤土和鋸末，利用相鄰的護筒儲存一定量的泥漿，并通過連通管與鉆孔的護筒相連。在鉆孔開始進入卵礫石層時，先適當提升鉆頭空轉并停止循環(huán)排碴，向孔內拋填粘土、膨潤土和鋸末等，提高孔底泥漿濃度，再緩慢進尺鉆進，減少漏漿和避免坍孔。

同時配備2 臺水泵備用，當出現材料堵漏不能堵漏不止，泥漿用盡情況下，為保證孔內水頭，必要時由備用的水泵向孔內加注江水，避免因水頭高度不足出現坍孔[4]。在首根樁鉆進過程中，曾出現存儲近200 m3泥漿在不到15 min 內全部漏失的現象，最后靠水泵加注江水保證了水頭高度，避免了坍孔。

3.3.3 定點堵漏

從孔口向孔內強補漿、投放鋸末止漏，因到達孔底路徑長，用漿量、損耗量大。當出現漏漿速度不是很快，但持續(xù)不停時，可從鉆桿里向直接向孔底注入專門拌制的濃漿，通過孔底滲漏填充卵、礫石間空隙達到堵漏效果，定點注漿堵漏，用漿量少，效果明顯，但需要通過鉆桿向孔底注漿，需要更換泥漿回路，費工煩瑣，對于孔深較淺的樁基，若直接采用正循環(huán)鉆孔則效果更好。

3.3.4 快速鉆進

在采取堵漏處理措施后，鉆孔樁孔壁達到了護壁效果，實現了止漏，一旦開始鉆進又出現強漏漿現象。其主要原因是，通過投放粘土、鋸末、補漿等解決了孔壁漏漿，但在進尺鉆進過程中孔底不斷形成漏漿通道，停鉆能止進尺則漏。孔底因進尺形成的漏漿面不可避免，通過適當減少排碴量以減少所投的土被排碴帶出，并加大泥漿儲備量，在穿過卵、礫層時，通過強行補漿快速鉆進，一旦穿過卵、礫層，孔壁形成護壁效果，孔底沒有新的漏漿通道，則漏漿立即改善。相當于進尺與漏漿速度的競賽，要搶在泥漿漏失完前穿過強漏漿的卵、礫石層。

3.4 終孔與質量檢測

鉆至滿足設計孔深要求時，先循環(huán)泥漿清孔，調整孔內泥漿指標，待孔內沉碴和泥漿指標滿足驗收要求后，拆除鉆具，進行樁孔質量檢查、驗收[3]。

樁孔質量采用JL-IUDS(B)智能超聲成孔質量檢測儀檢測成孔質量[5]，該儀器檢測可以在1 小時內完成樁孔孔徑、孔形及垂直度指標的成孔質量的檢測，大大縮短成孔至下鋼筋籠的時間差，為后續(xù)快速施工創(chuàng)造了條件，減少成孔后等待時間，降低了坍孔風險。

3.5 鋼筋籠安裝及混凝土填充

鋼筋籠整根在長線胎架上制作，制作完成后將直螺紋套筒松開以12 m 分段運輸、吊裝，通過碼頭吊機在平板駁船上水平接長成24 m ，由在平板駁船上設置的專用翻轉裝置將鋼筋籠翻轉成豎直狀，由浮吊吊至孔口安裝，鋼筋籠運輸、安裝、吊掛均設計了專用吊具，減少了孔口鋼筋接頭數量和安裝時間。

樁基混凝土由岸上2HZS180 混凝土拌和站生產，混凝土由攪拌車通過棧橋運輸至碼頭，通過設置于碼頭的地泵輸送到樁位灌注，每根樁混凝土約600 m3，灌注時間8 ～10 h。

4 施工總結

通過選擇合理、適用的鉆機、鉆頭類型，確定合理的泥漿參數，恰當的堵漏方法和時機等，公安長江大橋4#主墩在在強漏漿的卵、礫石地質條件下鉆孔施工技術的成功解決，不僅成功保證了汛期來臨前渡洪樁的按期完成，也為該墩僅用96 天時間完成全部36 根鉆孔樁快速施工提供了技術保障，創(chuàng)造了在有“險在荊江”的長江中上游深水基礎快速施工的新記錄，為復雜建橋條件下大型深水基礎的建造積累了寶貴的經驗，對類似地層鉆孔施工具有一定的指導意義。