大直径超长嵌岩桩基成孔施工技术

自 杰，朱德利

（中交一公局厦门工程有限公司，福建 厦门 361021）

0 前言

目前大直径超长嵌岩桩施工项目已是国内外大跨径新型桥梁施工的主控及关键性项目，尤其是跨江河、深海等大跨径桥梁中已广泛得到应用。随着机械制造业的飞速发展，大扭矩、大功率钻机也频频问世，这给大直径超长嵌岩桩施工提供了条件，某工程主塔承台桩基就是选取大扭矩、大功率气举反循环钻机施工的，已达到国内外先进水平。大直径超长嵌岩桩施工技术，在今后大型桥梁尤其是斜拉桥等大跨径跨江河、深海等桥梁建设中将进一步得到应用与推广。该项目为了桩基钻进顺利成孔，借鉴了其他大桥桩基成孔施工的经验，同时也进行了一些技术改进与创新，最终基本掌握了大直径超长嵌岩桩钻进成孔的关键技术和关键工艺，确保工程质量，积累经验，并可用于指导今后类似大直径超长嵌岩桩桩基的施工。

1 工程概述

1.1 工程概况

椒江二桥主桥采用半封闭钢箱组合梁、钻石型索塔斜拉桥结构，跨径布置为70＋140＋480＋140＋70=900（m）。S01主塔基础采用30根 2.8 m→2.5 m的钻孔灌注桩基础，平均桩长129.3 m，平均桩尖高程为-130.47 m，最大桩长139 m，最低桩尖高程为-140.17 m，采用端承桩，入岩深度不小于3.5 m，基岩为⑨3层的中风化凝灰岩，岩石单轴饱和抗压强度为22 MPa。主墩考虑钢护筒参与受力设计为永久钢护筒，护筒采用壁厚25mm的Q345钢板卷制而成。永久钢护筒嵌入桩基45m，钢护筒底标高-46.17m，顶标高+7.5m，长53.67m，重92.5 t。

主桥南索塔处弱风化凝灰岩覆盖层厚约120m～135m，桥位处地质极为复杂。施工现场水深8.5m，潮差5.5 m，水流速度2.0 m/s；处于椒江入海口位置，施工区浪高、流急、航运繁忙，受风、浪、潮水的影响比较大，如何确保桩基成孔是该项目的重点与难点。

1.2 地质情况

工程地质层组的特征及评价依据工程地质层组的划分原则，将S01索塔钻孔桩勘察深度以浅的岩土层分为 10个工程地质层，37个工程地质亚层。该段跨越椒江流域，表层分布海积成因③大层淤（海）泥及淤泥质土，层厚约39.7～40.1 m，流塑，高含水量，高灵敏度，高压缩性，抗剪切强度低，透水性差，固结时间长，物理力学性质差；上部分布冲海积成因④大层黏土、含粉质黏土卵石，层厚约11.8～11.9 m，软塑～中密，中等～高压缩性，物理力学性质一般～较好；中部分布冲积成因⑤大层含粉质黏土圆砾、粉质黏土，层厚约20.6～23.3 m，硬塑～密实，力学性质较好；下部分布冲湖积成因下段⑦大层粉质黏土、黏土，层厚约25.2～42.9 m，硬塑，局部软塑，低～中等压缩性，物理力学性质较好；底部分布残坡积成因⑧大层碎石土，层厚7.0～7.7 m，硬塑～中密，力学性质较好；下伏凝灰岩，中风化基岩面埋深为-123.63 m～-135.17 m（黄海高程），力学性质良好。

S01主塔钻孔综合工程地质情况如表1所列。其南主墩入岩斜面见图1所示。

2 钻机选型

根据S01主塔桩基设计及工程地质、水文、气象等情况，最终选择较为适合的气举反循环成孔施工工艺进行钻进成孔施工。综合考虑钻孔能力（扭矩、功率）、承建单位及社会资源，对成孔气举反循环钻机选型如下。

钻机选型：S01主塔墩投入 ZJD-4000型 2台、ZJD-3500型3台，共投入5台钻机施工主塔桩基。同时配备设置5台型号ZX-200泥浆净化器，佳力士空压机型号20 m35台。

表1 主桥S01钻孔工程地质综合评价表

图1 南主墩S01入岩斜面示意图

3 成孔施工技术

3.1 平台搭设及护筒施沉

S01主塔桩基施工利用25 t汽车吊及“路建打桩8号打桩船”搭设水上钻孔平台。钢护筒采取设有码头的专业钢结构加工厂制作。钢护筒制作采用螺旋焊接按设计长度整根制作，在现场不再进行接长处理。钢护筒制作完验收合格后，由加工厂龙门吊直接吊装于驳船上，最后驳船经水路运输至施工现场。

钢护筒沉入施工，考虑整体工期、节点工期要求及打桩质量要求，最终采用“路建打桩8号打桩船”进行施沉。钢护筒施工流程为：打桩船移船→吊点连接→起桩→移船、立桩→套替打→测量定位→插桩→锤击沉桩。

3.2 钻机拼装就位

钻机进场安装之前，必须检查各部件是否完好、齐全，如发现有损坏决不能勉强使用，必须更换或配齐。确保对机械的运行无影响后，再进行组装。考虑加快施工进度，提高起重设备使用率，测量人员提前准确没放桩位坐标及确定钻机安装位置，然后再按照顺序组拼。空压机、泥浆分离器是整机，只要接通电源即可。钻机为组合机，需现场组拼，组拼前备好起重用的各种型号钢丝绳和卸扣。

待钻机组拼完毕后，再进行就位复测，检查钻盘中心位置及平整度，各项指标满足要求后，将钻机与平台进行临时限位固定，保证钻机在钻进过程中的稳定性。同时在钻进过程中对底盘的四个角点进行不间断水准校核，如发现钻机有倾斜迹象，则必须及时采取措施，调整并保证钻塔中心、钻盘中心、桩孔中心在同一铅垂线上。

配套的钻杆、扶正器、配重、钻头在使用之前进行检查、实物编号，并准确丈量、记录各项测量结果，汇总制表记录备案，并将编号和长度标记在钻杆上。

钻机组拼就位后，利用龙门吊或履带吊将钻头、风包杆、配重、扶正器进行组拼连接，并在相应法兰连接处焊接加固，然后通过倾斜钻架或移动上层底盘将钻头、钻杆及配重的组合件吊入孔内并临时固定，钻机利用自身的卷扬系统（或液压系统）安装钻杆。安装钻杆前需检查钻杆是否完好，有无断裂、扭曲变形，确定没有问题后方可使用。加钻杆时必须加用钻杆密封圈，用螺丝将各个法兰牢固连接。

准备工作完成后，将钻头埋入水中，距孔底约50 cm处，接通供气及泥浆循环管路，开动空压机，开启供气阀供气，在钢护筒内使泥浆开始循环，检查钻杆、孔内水面，供风管路、循环管路、水龙头等有无漏气、漏水现象，并观察水头情况，开动钻机空转，持续5 min确定无故障后，即可开始钻进施工。

成孔验收合格后，利用龙门吊进行钻机移位。钻头、钻杆及配重的组合件采用龙门吊吊出后，先将钻机部件复位，连接的电源、泥浆管拆除，再整体吊起钻机安装到待钻孔位置，最后将钻头及其他部件吊装就位（见图2）。

图2 钻机安装后平台全景

3.3 泥浆配置及循环系统

3.3.1 泥浆配比

泥浆的种类从用水上可分为淡水泥浆和海水泥浆，由于S01主塔钻孔桩施工五台钻机同时进行，泥浆需求量大，现场淡水供应不能满足要求，故选择江水（海水）造浆钻孔桩施工以自然造浆为主，配以PHP优质高性能泥浆。为有效控制泥浆污染，切实做到节能减排，钻孔施工中采用集中造浆、分散净化的施工工艺。结合该工程具体的施工特点，依据以往施工经验，采用的PHP海水泥浆配合比作为钻孔桩新拌泥浆配合比，如表2所列。具体配合比根据地质情况经试验配制进行适当调整。

表2 海水钻孔泥浆配合比（单位：kg）

3.3.2 泥浆配制和储备

泥浆的基浆配制在临近未开钻的钢护筒内进行造浆基浆的拌制必须通过强劲的搅动才能形成胶体，该工程采用“风管搅浆法”。基浆主要用于调整钻进过程中的泥浆指标和在漏浆地层中补充泥浆。

3.3.3 泥浆循环系统

泥浆循环系统采用在钢护筒集中造浆，通过泥浆管输送到各钻孔位置，钻机排出带钻渣的泥浆通过布置在钻孔平台侧面的泥浆净化器分散进行净化，通过净化合格后的泥浆通过泥浆管流回孔内重复利用。

钻进过程中，泥浆通过净化器使直径在0.074mm以上的颗粒筛分到储渣池内，处理后的泥浆通过连接管流入钻孔孔内。钻渣通过运渣车或运渣船运至指定地点处理。

3.3.4 泥浆现场控制

具体配浆根据地质情况经试验配制进行适当调整考。遇到含黏土圆砾层和含粉质粘土碎石层存在严重漏浆的现象，现场须提前配备一定数量的片状锯末以备堵漏之需。

（1）钻孔作业过程中严禁往孔内加入清水，如有需要通过泥浆船补充基浆。每一作业班组至少测试一次泥浆指标。

（2）当含砂率超标时，需开启泥浆分离器，降低含砂率指标值。

（3）如果胶体率低于95%或粘度还没有达到要求时，通过泥浆船内的基浆对孔内泥浆进行置换，必要时适当加入分散剂Na2CO3和提粘剂CMC，增加水化膜厚度，提高胶体率，增加泥浆粘度，使其能够达到使用性能指标，防止地层出现吸水膨胀和坍塌现象。

（4）进入圆砾层、砾石层，若发现孔内水头下降时，立即往孔内投放片状锯末、通过泥浆船补充泥浆。

在进行水中基桩钻孔过程中，每个墩位都利用相邻基桩的3～4个护筒和在平台上设置2个25 m3的钢箱滤渣筒作为钻孔泥浆的造浆池和沉淀池循环系统，同时在栈桥平台上设置两辆运输车负责钻渣的清理和外运，运输车上配备一套泥浆泵送设备，钻孔过程中利用泥浆泵将钻渣抽取到运输车上，最后由运输车送至指定位置弃置。配备泥浆船2艘。

泥浆各施工过程中性能指标要求见表3所列。

表3 泥浆性能指标一览表

3.4 钻进成孔施工

主塔墩的钻孔桩基础选择气举反循环工艺钻孔施工，并采用与钻孔直径相匹配的改进刮刀钻头与滚刀钻头钻进成孔。

S01索塔处弱风化凝灰岩覆盖层厚约120m～135 m，桥位处地质极为复杂，且基岩由南向北、由西向东倾斜，倾角大于40°。如果按常规施工方法进行成孔施工，进入岩层后出现斜孔的几率非常高，由于桩基设计长度近140 m，如果出现斜孔，将很难进行修正处理。为此在研究施工方案时，充分考虑了这一重要因素。如何提前防止出现斜孔，这是问题解决的关键。通过多方面了解及资料查询，最终提出大胆的想法，即在钻杆上设置“扶正器”。通过与钻机厂家一起研究，最终设计制造出了“扶正器”。“扶正器”的位置显得尤为重要，过高或过低均不能充分发挥作用，通过安装于不同位置进行总结比较，最终确定出安装在配重上一节钻杆上可以充分发挥作用。为确保成孔不倾斜，在钻头出护筒后即开始安装“扶正器”直至成孔结束。

钻机就位、调试完成后，向监理工程师报检，得到批准后开始钻进施工。钻孔采用正循环与气举反循环相结合的减压钻进施工工艺，高程在-32 m以上时，采用正循环钻进，利用淤泥、黏土层及时调整泥浆指标，为出钢护筒气举反循环钻进做准备。钻进至-32 m时使泥浆各项指标满足施工要求，然后采用气举反循环钻进至变截面处（护筒底口）。而后提钻把钻头上的钢丝刷去除，采用气举反循环钻进，当进入岩层后，提钻换滚刀钻头钻进。钻进过程中采用优质泥浆护壁，根据不同土层的特点，在钻孔过程中及时调整深层次的指标和钻进速度。

根据地质情况、设计特点，钻孔过程可分三个阶段进行：护筒内钻进、护筒外土层钻进、岩层钻进。

3.4.1 钢护筒内钻进阶段

在开钻之前，用电磁铁对护筒内进行扫吸，清除孔内的铁质杂物，避免护筒内掉入铁件或其他杂物，对后期钻孔造成困难，采用正循环钻进施工引孔调浆。

护筒内钻进必须注意两点：第一，护筒内壁泥块的清除；第二，护筒底口泥皮质量。钢护筒内径为2.8 m，钻头直径为2.5 m，钢护筒直径比钻头直径大30 cm，在正常的钻进速度中，无法保证护筒壁上的泥块清除，这样在成孔后提钻时，会有被刮落入孔内的现象，更为重要的是其无法保证设计桩径。因此护筒内底口以上采用带钢丝刷的钻头钻进，将泥块扫涂，这样可以保证变截面以上孔径能符合设计要求。护筒在理设时，其底口与原土的接触并不是很密实，或者是由于土质的原因，造成如果护筒底口钻进速度过快时，会出现护壁较差，导致在当时或以后的施工过程中，出现底口漏浆的现象，给钻孔带来极大的影响，甚至造成孔内质量事故。因此要求从护筒内底口以上1 m内开始直至护筒后4～7 m必须采用低速慢进钻进（0.3～0.8 m/h），置换并调整泥浆指标，保证泥浆护壁质量。

3.4.2 护筒外土层钻进

钻头正常出护筒后（并随时注意观察护筒内的水头），低压低转速钻进，采取气举反循环刮刀钻。S01主塔护筒外上层为淤泥质黏土、粉质黏土、黏土层，在反循环钻进时应适当降低转速并控制泥皮厚度，同时又能保证钻渣及时排出孔外。

在黏土层中钻进时不能盲目排浆。入岩前黏土层较厚，自身造浆有余，泥浆如不排放可能会造成泥浆过稠，不利于钻进或除砂；但一旦排放，当钻入含粉质黏土圆砾、岩层后，自身造浆能力较差甚至无法造浆，又加上可能存在的凝灰岩裂缝，可能会导致泥浆流失严重，泥浆面下降太快，情况失控的情况。针对以上情况，一方面利用其余已开孔或未开孔的闲置护筒将多余的泥浆暂存起来，待钻进至岩层后再重新利用；另一方面，利用其它钻机钻进、灌注中富余的泥浆补充。

对于④3层（含粉质黏土卵石层）及⑤1层（含粉质黏土圆砾层），应采用减压低档慢速钻进，以避免孔壁不稳定，发生局部扩孔或塌孔，并充分浮渣、排渣，以防堵管或埋钻。在钻进过程中，若钻杆、钻机同时晃动厉害且仪表电流电压表指针摆动异常，表明可能遇到大粒径的孤石或漂石，此时可采取将钻头提起1 m左右进行扫孔，若仍不能穿过则可改用滚刀钻头。在该地层钻进时可加入适量的锯末、纸浆等纤维质物质，以避免严格漏浆现场的发生。

在钻进过程中注意进尺，如发现进尺明显减慢，返浆困难，要停止钻进，检查钻具是否损坏或糊钻，及时处理。根据实际情况可以多次提钻、清理钻头。

在土层内施工，由于地质情况变化频繁，层面交界多，再加之钻进速度较快，易导致斜孔发生，因此必须及时调整钻机的水平度和垂直度，确保钻孔的垂直度。在土层施工完毕时，必须及时用反循环清除钻渣，做好岩层施工的准备工作。

3.4.3 岩层施工

斜岩面顶部为强风化层，仍采用刮刀钻头低挡减压慢速钻进，过程中通过钻机顶部液压提升装置，反复扫孔，防止发生斜孔。

在进入岩层（中风化）时，根据钻机的钻进情况，以及实际地质情况，判断刮刀钻是否可以继续使用，入岩钻进不提倡使用刮钻，加上基础桩长较长，刮刀钻在岩层中施工无法确保成孔的垂直度。进入岩层后进尺小于0.3 m/h时必须提钻换用滚刀钻施工。岩层钻进时钻渣不易磨碎，留有大量的岩石小颗粒，如果不及时清除将加大对钻具的磨损，并且严重影响钻进速度。

岩层钻进施工中，要及时提取岩样，入岩时及时报监理工程师签字确认，经监理工程师、地质工程师和设计单位确认认可后，作为钻孔桩终孔的依据。施工过程中如果地质情况与钻孔资料不一致时，应及时通知业主、监理和设计单位。

3.4.4 清孔及泥浆指标

气举反循环钻机清孔：当钻深达到设计标高以上0.5～1 m位置时，泥浆指标按终孔的泥浆指标控制，从而尽量缩短终孔后清孔的时间。第一次清孔阶段：终孔后，及时进行清孔。清孔时将钻具提离孔底约30～50 cm，缓慢旋转钻具，补充优质泥浆，进行反循环清孔，同时保持孔内水头，防止塌孔。当经检测孔底沉渣厚度满足设计要求后，清孔后孔内泥浆指标符合表要求后，及时停机拆除钻杆、移走钻机，尽快进行成桩施工。

第一次清孔后泥浆指标见表4所列。

表4 第一次清孔后泥浆指标一览表

在钢筋笼安装完成及混凝土浇注前，检查孔底沉渣厚度，大于5cm，则须进行二次清孔。

4 检孔及成孔质量标准

终孔经现场地质工程师、监理工程师和设计单位确认后及时进行检孔。成孔后对孔的质量进行检测：平面位置±10 cm,孔径不小于设计值，倾斜度不大于1/200且不大于50 cm。检测方法：孔的平面位置即用GPS检测，孔径及倾斜度用超声波检孔仪检测。钻孔浇注桩质量标准见表5所列。

表5 钻孔灌注桩质量标准表

每根桩基成孔后进行第一次清孔，达到一清泥浆指标后，由业主委托的第三方检测单位使用JL-IUDS(B)智能超声成孔质量检测仪进行成孔检测。主要检测项目为倾斜度、孔径孔形、沉渣厚度，并明确得出检测是否符合设计及规范要求的结论。

通过对S01主塔30根桩基成孔质量检测，大部分桩基成孔均能一次检测合格，仅有个别桩基需要进行扫孔或再次清孔后第二次进行检测合格。下钢筋笼及水下混凝土灌注过程未出现异常清孔，经最终检测全部均为Ⅰ类桩。

5 结语

椒江二桥S01主塔桩基共30根，投入5台钻机进行成孔施工，五个月内顺利完成施工任务，平均每根桩基成孔25 d（包括移钻、检修等），最终桩基检测结果全部均为Ⅰ类桩。由此可见，该项目大直径超长嵌岩桩施工钻机选型合理，成孔施工技术先进，成孔质量各实测项目满足设计及规范要求。通过在成孔施工中不断改进完善，施工技术逐渐走向成熟,最终基本掌握了施工要点，积累了一定大直径超长嵌岩桩施工宝贵经验，取得了良好的社会及经济效果，为以后企业承接大型桥梁尤其是斜拉桥等大跨径跨江河、深海等桥梁大直径超长嵌岩桩施工奠定了坚实的基础。

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