复杂地质条件下斜桩嵌岩护孔技术

沈启亮，刘秀宏，张校强

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

1 工程概况

某30万吨级原油码头工程为孤岛式原油码头，码头与库区采用约1.5 km海底管线连接。码头为蝶形布置，包括工作平台1个、靠船墩2个、系缆墩6个、立管平台1个，泊位长度455 m。工作平台、2个靠船墩及立管平台采用64根大直径、大斜度嵌岩桩（其中钢管桩φ1 800，嵌岩桩φ1 600），6个系缆墩采用60根大斜度嵌岩桩（其中钢管桩φ1 500，嵌岩桩φ1 300）。

2 工程地质

该工程施工区地质条件复杂，施工难度大。据地质资料显示，场地区域内自上而下主要分布：第四系全新统滨海相沉积层、第四系全新统冲洪积相沉积层、第四系残积层、燕山期晚期花岗岩风化层。中风化花岗岩层顶标高变化较大，据施工过程资料显示：工作平台岩面标高-24.3～-37.89 m；4号靠船墩岩面标高-22.1～-33.5 m；5号靠船墩岩面标高-29.8～-42.1 m；立管平台岩面标高-28.1～-35.9 m；其余6个系缆墩岩面标高变化幅度5～10 m。综上所述，该区域内岩面变化很大，最大变化幅度达15 m，中风化花岗岩饱和单轴抗压强度最大为143 MPa，最小为35.5 MPa，平均为96.95 MPa。图1是该区较典型的地质剖面。

3 施工平台及设备

3.1 嵌岩桩施工平台

以工程桩（钢管桩）为基础，上下平联采用2HM588X300型钢作主横梁，上平联横向分配梁采用I22a，间距750 mm，局部加密，面层采用钢板网。

3.2 钻机及钻头选型

本项目采用的嵌岩钻机有2种。

图1 工程地质剖面图Fig.1 Engineering geological profile

1）德国宝峨公司BG型旋挖钻机

由于该钻机配套设备不齐全，未能解决复杂地质条件下的护孔问题，对斜桩嵌岩效果不理想。

2）反循环凿岩钻机

以ZSD-300型钻机为主，配置相应的发电机、空压机和滚刀钻头。该钻进工艺靠滚刀刻碎岩面，形成长短约2 cm、厚0.5 cm的碎石，采用气举反循环排渣。

ZSD-300反循环凿岩钻机虽然钻进速度较慢，但适应性较强，本项目绝大部分桩都由该型号钻机完成。

4 不同地质条件嵌岩施工时护孔技术

4.1 覆盖层和强风化岩层均较厚，钢管桩已进入强风化岩层

1号、5号、8号系缆墩覆盖层较厚且钢管桩已进入强风化岩层，墩台钢管桩平均入土深度20.1 m，中风化岩面与钢管桩桩底平均强风化层厚度约3.5 m。在采用清水钻进、气举反循环排渣时出现塌孔现象。后采用泥浆护壁，泥浆浓度为1.3，约每25 min排渣1次，成孔后稀释泥浆，直至满足规范要求的浓度和含砂率[1-5]。

4.2 覆盖层较薄，强风化层较薄或缺失

立管平台强风化层薄，岩面高低不平，该墩台钢管桩平均入土深度约11.7 m，淤泥层下是6 m厚砂层，强风化岩层平均厚度不到0.5 m。墩台在钻进过程有4个孔出现串孔现象，排渣时出现大量中粗砂混贝壳，夹杂极少量中风化颗粒，钻进速度极其缓慢。这种情况，现场采用压浆封堵的方法护孔。串孔形成原因：桩尖没有完全进入强风化岩层，致使桩端与岩面形成约30 cm的缝隙，钻进工艺采用气举反循环排渣，导致桩外中粗砂顺着缝隙流入桩内，在桩端外侧形成较大的漏斗串孔区。处理方法：采用压浆处理方案，用φ5 cm常见钢水管人工顺着桩内壁插入桩底，在桩底浇筑2 m厚素混凝土封堵桩底，待混凝土强度达到70%后，采用压浆工艺顺着预埋水管在桩底压浆，同条件压浆试块强度达到70%后开钻。问题分析及处理方法详见图2。

4.3 中风化岩层很浅或裸露，采用人造地基稳桩

工作平台及4号靠船墩岩层较薄，基本处于裸露状态，需抛填碎石及砂作为稳桩层。出现钢管桩尖卷边，这些卷边的钢管桩进行水下切割后均出现塌孔现象。

造成串孔主要原因：覆盖层为松散层，摩擦力小，再加上打桩船采用D180锤，在很少的击数下桩尖即达中风化岩层，导致钢管桩卷边。采用反循环法清除桩内砂土后，潜水员进行水下切割。由于水下很难准确控制切割块体尺寸，切割尺寸普遍偏大，形成较大的漏斗塌孔区。

经试验，采用泥浆、压浆、旋喷等方法无效后，采用钢内护筒的护孔方法。由嵌岩钻机把钢内护筒钻进一定深度中风化岩层中，其中钢内护筒外径略小钢管桩内径15 cm，壁厚2 cm，底端加焊合金钻头，钢内护筒上部与钻杆加4个支撑焊接，钻杆下放完毕后钻机保持适当加压下钻，转动速度不宜过快，防止钻杆扭坏内护筒，待钢内护筒全截面进入中风化岩层50 cm后停止钻进，潜水员水下分离钻杆与内护筒，然后提起钻杆重新下钻头顺着钢内护筒开钻，从而阻断漏斗区的砂石落入孔内。具体处理方法见图3。

图2 压浆法处理串孔Fig.2 String hole grouting treatment

图3 钢内护筒护孔工艺Fig.3 Hole protecting technology of steel inner casting

个别孔在进入2 m中风化岩层后，还有1 m多的强风化岩夹层，采用回旋钻进法难以抵达下层中风化岩层。这种情况，现场采用跟管钻进的方法，即滚刀钻头与钢内护筒同时钻进，待钢内护筒到达下层中风化岩层后，滚刀钻头钻具与钢内护筒分离。

4.4 塌孔桩处理效果

4.4.1 泥浆护壁

1号、5号、8号系缆墩采用该工艺成孔比较顺利，未出现塌孔现象，平均15 d完成1根嵌岩桩，并且泥浆还可以部分重复使用，处理费用较低。

4.4.2 压浆法处理

该护孔工艺主要在压浆处理上花费约10 d时间，平均20 d完成1根嵌岩桩，过程中还出现个别桩一次压浆不成功还要再压一次，主要由于压浆量大小及压浆后强度很难掌控，处理费用较低、时间较长。

4.4.3 钢内护筒工艺

该工艺成孔比较顺利，钢内护筒下放时间约3 d，平均13 d完成1根嵌岩桩，其中需要潜水员在约40 m水下分离钻杆与钢内护筒工作，每根处理费用约10万元，处理时间较短。

4.4.4 塌孔桩处理后试验结果

塌孔桩处理后试验结果见表1。

检测结果表明，经过护孔处理后的嵌岩桩，满足设计及相关规范要求。

表1 塌孔处理后桩检测统计表Table1 Piletest after holecollapsetreatment

5 结语

本项目出现塌孔现象较多，主要是由于项目所在地的地质条件复杂造成。本项目的嵌岩钻孔过程中，由于对困难预测不充分，在前期花了大量时间摸索。为此建议在进行复杂地质条件下的钢管桩嵌岩施工时，应注意如下问题：

1）对钢管桩沉桩区域进行加密地质钻孔，以便摸清地层变化和各岩土层的物理力学性质。

2）在覆盖层较薄的情况下，钢管桩应以到达岩面控制沉桩标高，不能按贯入度控制，以免钢管桩发生卷边。

3）应根据不同的地质情况合理选用不同的护孔工艺，特别是在覆盖层较薄时，尽量避免采用气举反循环清渣，该清渣工艺在孔底形成较大负压区，极容易造成桩端覆盖层扰动。

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