深水大直径超长钻孔灌注桩施工技术

白海洋 冯辉

摘要：以头门港支线灵江特大桥深水墩钻孔灌注桩工程为背景，从钻机选型、钻进参数控制、泥浆性能控制、钻孔垂直控制等方面介绍了近海河口环境大直径、超长钻孔灌注桩施工，采用气举反循环施工工艺，面对复杂地质情况下，成功完成深水墩桩基施工，为中国深水群桩施工积累了宝贵的经验。

关键词：深水墩；钻孔灌注桩；控制；气举反循环

1 工程概况

本工程项目头门港支线灵江特大桥是新建金华到台州铁路的控制性及重难点工程，位于浙江省台州市境内，起讫里程TDK3+573.96-TDK8+523，线路长度4.949km。灵江特大桥在TDK6+501.08-TDK7+143.08处以（92+3*152+92）m连续梁-拱跨越灵江，线路与水流方向右前角为82°。灵江目前通航1000t级海轮，Ⅳ级航道，远期规划为Ⅲ级航道。通航净空高度22.5m，单向通航净宽118m。

2 施工特点及难点

2.1 钻孔桩数量多、深度深、孔径大

灵江特大桥共有7个水中墩，分别为61#-67#墩。共有86根φ2.0m，56根φ1.25m钻孔桩，最大设计桩长79m，至钻孔平台深度达96.5m。

2.2 水文环境复杂

桥址位于灵江河口区的进口段下游，近海口，桥址处河段受径流与潮汐的共同作用，平时江水由感潮水流控制，每天两次涨退，退潮时，水面比降变大，洪水下滞快，最大涨潮流速为2.32m/s，最大落潮高差为18m。

2.3 地质条件复杂

地址表层河床以下依次为第四系全新统海积淤泥质粉质粘土达35m左右，粗圆砾土达45m左右，岩层达10m。

2.4 近海河口位置海水制浆，泥浆性能差

桥址位置受潮汐影响，此段水体为上游来水和海水的混合物，用此类水体制出的泥浆粘度小，胶体率低，泥浆护壁质量差，易沉淀。泥浆护壁质量差，钻孔过程中容易产生塌孔埋钻；灌注桩身混凝土过程中易塌孔断桩，泥浆稳定性差，泥浆中的固、液两相容易分离，钻渣沉淀太快，清孔困难，稍有不慎极易引起沉渣厚度超标。灌桩过程中混凝土上翻包裹沉渣易形成软弱夹层而断桩。

3 研究的关键技术问题

根据本桥水中主墩钻孔桩的施工特点和技术特点，施工技术重点研究以下四个方面：

（1）如何确保大孔径、深度深钻孔桩成孔质量、进度。

（2）如何确保成孔的垂直度（不弯孔、斜孔）；如何避免因弯孔、斜孔而引起卡钻、别钻、扭断钻杆等事故。

（3）如何在近海河口受河流水流与潮汐相互影响复杂水文环境条件下，确保成孔质量。

（4）如何确保钻孔泥浆性能，提高泥浆护壁质量，保证成孔和混凝土灌注质量

4 主要施工方案

4.1 成孔钻机及配套设备选型

4.1.1 成孔钻机选型

针对本工程复杂的地质水文情况，结合施工工期、施工工艺、施工成本以及类似施工案例等因素，最终选择ZD-3000型气举反循环钻机施工。主要考虑因素如下：

（1）冲击钻虽然施工成本低，但施工进度缓慢，根据本工程实际的地层条件，正常情况下，成桩周期约25d左右，由于本工程工期较紧，无法满足工期要求，故无法选用冲击钻。

（2）履带式旋挖钻适用于各种土质层和砂类土、碎（卵）石土或中等硬度以下岩基的桥墩桩基施工。但由于本工程受潮水涨落影响，孔壁不稳定，孔内容易发生漏浆，尤其是卵石层，根据类似工程采用旋挖钻成孔极易塌孔，不适合在水上或地下水丰富的地层中施工，故本工程不选用旋挖钻。（3）回旋钻分为正循环钻和反循环钻。

正循环钻由于钻具结构特征和流体力学动力特点，决定了大直径桩基施工采用正循环体系低下和难以清除孔底钻渣，故不选用正循环钻。

反循环钻进在国际上是从20世纪50年代开始发展起来的。反循环钻机有射吸反循环，气举反循环，泵吸反循环，各有特点。气举反循环钻机，是铁路和公路桥梁等大型基础工程钻孔施工最理想的施工设备，可在孔径φ1.5～φ3.0m，岩石单轴抗压强度σc≤200MPa的基岩中任选孔径下钻进，钻进深度可达130m，在覆盖层中的钻孔直径可达6.0m。该设备成功的使用在福建青州大桥等施工。根据本工程特点，故选用气举反循环钻施工。

灵江特大桥选用的ZD-3000型气举反循环钻机，该钻机可满足φ2.0m钻孔桩施工，最大钻孔深度可达130m。该钻机底盘较重，钻孔稳定。该型号钻机为国内比较先进的钻机，可实现电控或液控恒压自动给进，无极变速，密封性能好，能保证成孔质量，并大幅减少工人的劳动强度，提高工效。在实际施工中，正常情况下，成桩周期约7d，远快于冲击钻成孔周期25d，满足本工程工期要求。

4.1.2 配套设备选择

4.1.2.1除砂泵

泥浆处理设置与泥浆系统相关联的ZX-250黑旋风旋流除砂装置，迅速降低泥浆中的含沙量、净化泥浆、确保泥浆复合本工程要求，提高成孔质量及效率。

4.1.2.2空气压缩机

气举反循环钻进效率主要取决于混合器的沉没深度、空气压缩机的送往孔内的空气压力、送风量。为了获得足够的上返速度，当地下水位较深、沉没比较小，钻孔口径和双臂钻杆内径较大时，应选用大风量的空压机，以提高钻进效率。反之，可选择小风量的空压机，以节约能源及降低成本。

4.1.2.3钻头

不同的地层采用不同的钻头，灵江特大桥上部第四系地层采用双腰带三翼刮刀钻头，基岩采用滚刀钻头。

4.2 钻孔泥浆控制

灵江特大桥钻孔深度达96.5m，钻孔土层主要含淤泥、砂层等，松散、易塌孔，另外如此长的桩成孔、接长钢筋笼、下导管、二次清孔、浇筑砼等的时间相当长，造成晾孔时间长，对孔壁稳定相当不利，根据已有的施工经验，用好泥浆是孔壁稳定、成孔順利、混凝土灌注质量好的重要保证。

4.2.1 泥浆配合比确定

由于灵江特大桥地处灵江河口区的进口段下游，近海口，受潮汐影响大，涨潮时海水倒灌进入灵江中。海水中的大量盐分和矿物质队泥浆性能会造成极大破坏，成孔质量无法保证。经过现场技术人员反复试验，利用涨潮海水拌浆不可取，只有当灵江水位降至-2.5m以下之后的底潮江水才符合要求。以膨润土、CMC、FCLS为原料，与底潮江水配制高级复合泥浆，以保证泥浆良好的护壁效果。

4.3 钻孔垂直度控制

4.3.1地质分析

根据本工程的地质报告和桩基实际钻进情况的统计研究，总结出灵江特大桥地质类型在钻孔施工中容易形成斜孔的地层：强风化岩层交接面、强风化与中风化交接岩面。从本工程实际施工中总结出，气举反循环在淤泥质粘土层和卵石层中钻进可以很好的保证钻孔的垂直度。

4.3.2 控制方法

充分利用钻头稳定器和钻杆稳定器，在进入岩层交接面时，及时调整钻进压力，采用进二退一方法钻进。入强风化岩面钻压在20-30t之间，入中风化在30-35t之间。

4.4 二次清孔选择

相对于正循环清孔而言，采用气举反循环清孔工艺更为普遍。气举反循环清孔的物理学原理和成孔原理一样，只是在操作或者某些设备上有细微差别，其携渣能力强，清孔彻底，可进一步减小孔底沉渣厚度，提高桩端承载力，清渣速度快，可缩短工期，降低施工成本。

结语

头门港支线灵江特大桥水中墩钻孔灌注桩工程采用气举反循环工艺，解决了很多其他钻机钻进无法解决的技术难题，其钻孔灌注桩工程的成功实践证明，对于大直径超长桩应根据地质条件选择相应的钻进工艺和钻头，采用优质泥浆护壁，根据桩孔状况优选钻进参数。钻进方法应根据切实可行、经济、高效的原则进行优化选择，并制定相应的技术措施，可以取得很好的实施效果。

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