复杂地质条件下南京五桥主墩大直径超长钻孔桩成孔质量控制

姚 斌

中交二航局第四工程有限公司

1 引言

1.1 工程概况

南京五桥工程路线从浦口五里桥出发，向东南方向穿越长江，经梅子洲下穿夹江，再与南岸已完成的青奥轴线地下工程（隧道工程）连接，路线全长约10.3km。项目位于第三南京桥下游约5km，南京桥上游约13km，距长江口约330km。本文主要研究南京五桥钻孔桩成孔技术，通过有效措施对桩基钻孔施工的各道工序进行严格控制，加强工程质量管控，使得超长钻孔桩的成孔质量最终达到预期的设计及规范的相关技术要求。

2 质量目标要求

根据相关规范及图纸要求，钻孔灌注桩成孔质量标准详见表1。

表1 成孔质量控制标准

3 成孔质量控制过程

3.1 钻机选择

由于钻具具有特殊构造特点及其所能适应的流体力学特性，从而导致了大直径、深孔桩基动工选用正循环工作体系钻机效能不高并且排除孔底钻渣的能力低下。南京五桥主墩基础为φ2.8m钻孔灌注桩，单根桩桩长为90m、113m，对钻机的扭矩及钻杆质量提出了较高要求，Z3#墩布置1 台LTY-4000 型、3 台AD40-200 型钻机成孔，Z4#墩布置3 台ZJD-4000 型、2 台ZDZ-4000型钻机成孔。钻机能在岩石平均单轴抗压强度σc≤120MPa的基岩中任选孔径下进行钻进工作，钻孔直径可达4.0m，钻孔深度可达130m。

3.2 影响成孔质量因素分析

通过收集类似案例的具体数据及相应的参考文献并进行具体分析，最终总结出影响桩机成孔质量的末端因素，其中主要包括钻机选型、钻具配备、钻机平整度、护筒埋设、测量、垂直度控制、泥浆指标控制、钻进参数控制、机械效率及技术攻关。

通过对以上影响桩基成孔质量的末端因素进行严格分析及最终总结，确定在钻孔桩成孔施工时以下关键因素，其中包括垂直度控制、钻进参数控制、泥浆指标控制。

3.3 质量控制对策

3.3.1 垂直度控制

根据相关的国家标准及工程技术，要求必须对设计钻孔桩的垂直度控制在1%范围内，鉴于本桥工程长度超过100m 的长钻孔，若现场控制方法不能有效实施就会引起结果超差，不能满足工程技术要求。因此在具体施工过程中,必须通过全面有效的管控措施将成孔垂直度控制在工程技术要求的具体范围内，一旦出现偏差孔的情况，必须采取相应的措施进行及时纠正，具体措施如下。

（1）在钻孔过程中严格控制钻头的稳定性。钻机的工作平台由C20混凝土制成，并同时进行相应的硬化处理，钻机平台的厚度为15cm，必须增加钻机平台的支撑表面积和锚固加固，以确保钻机的稳定性和位移，钻架必须由专业技术人员检查，主要是检查钻架是否水平，钻杆是否垂直；在任务移交过程中，还需要检查钻头是否移位、是否需要再次固定锚点，转盘是否水平以及同时记录移交。

（2）在由两名质检工程师负责检测垂直度工作，在钻孔过程中每钻孔深度20 cm，必须及时使用JJC-1D 型倾斜仪进行垂直度检测工作，如发现不符合钻孔的工程技术要求，应及时停止钻孔并及时纠正偏差，对于新的桩孔，该孔必须采用增加不同检测频率的方法，确定相应钻进参数下的钻头孔位偏差，作为相似地质下的钻进依据。

3.3.2 控制相应的钻进参数

根据施工的具体地质条件，需要根据具体情况对相应的钻进参数及钻进方法进行具体调整，当出现硬岩的情况时，必须及时将钻头进行相应的更换，从而增加成孔的质量与功效，具体控制措施如下。

（1）小钻压钻进应当在刚开钻过程中体现，此时进尺速度一定要低，控制好钻压，保证在一个较低的钻压进行。在同一地层中进行钻进工作时，必须进行减压钻进。根据相应的工程技术要求及规范，需要保证孔底的压力不能超过钻具总重与浮力的80%的差，这就要求在进行钻进的过程中全程都需要进行减压钻进，同时工程技术与操作人员进行对应的跟班检测与控制。

（2）钻进控制方法遵守钻进分地层原则，对于不同的地质层需要采取不同的方法进行钻进工作，例如根据实际工作经验，在粘性土质层即粉砂层中钻进时应当采取的方法是低挡低速，使得泥浆在钻进的过程中有足够的固壁时间；在软土层或沙土层中即粉质粘土层中钻进时由于易出现塌孔现象，为有效减少这种情况带来的不良影响，采取的有效方法是控制进尺，低压低挡低速小泵量大比重进行钻进工作；当钻进工作在粉质黏土层中进行时，应当采取减压原则工作，把控钻压，避免因钻压过大或钻具自重造成钻锥切入土体过量，引发糊钻现象；如果在粘土质中钻进工作时，由于泥浆粘性较大，造成钻具在钻进过程所受到的钻进阻力相对于在其他土质层中较大，因此此时采用大泵量中钻速小比重的方法钻进；在地质层突然发生变化时，尤其是从软土层进入硬土层时（地表下约20m～30m处，也即新老淤积接触面），应当采取缓速钻进方式，同时上下来回进行扫孔，这样做的目的是为了防止出现斜孔，并且这其中前30m是成孔的关键。

（3）如果在硬石与胶结砂岩所占百分比较高的硬土层进行钻进工作时，必须将三翼刮刀钻头更换为牙轮钻头，同时采用慢档进行钻进，尤其是在变土层中位置采用低压慢转施工，从而达到对钻进速度与垂直度进行有效把控的效果。

3.3.3 泥浆指标控制

在钻孔桩工作施工时，成功成孔的关键点在于泥浆的性能与质量，对于泥浆的控制措施具体如下：

（1）在深桩施工中，复合泥浆是通过实验专门制备的。通过多次适配调制，再经过多种项目的指标参数进行比对，最终确定采用的泥浆类型为磷质膨润土泥浆。泥浆配置的材料主要包括膨润土6%～8%，黏土20% ，片碱0.3% ，CMC 0.5% ，PHP 0.05%，配制成优质泥浆。钻孔在整个工作过程中应当检测泥皮厚度、胶体率、泥浆比重与含砂率等相关指标，以此确保钻孔在极端条件下如极易坍塌的地层的安全性工作条件；当钻孔钻至黏土层或砂质层时，必须提高水头并同时加大泥浆比重，加强护壁，同时采用低挡低速减压进行作业，尽量的减少对周围砂层的扰动，防止孔坍塌现象发生。

（2）在开孔时，主要是利用造浆池完成造浆工作，由于在此过程中存在泥浆循环稀释，可以通过在钢护筒内按照一定比重要求添加相关配料如水、膨润土等进行人工造浆，同时通过加入纯碱以便实施钠化改良处理。

（3）在钻进过程中，必须根据孔位地质的柱状图确定不同土层中泥浆的特定性能指标。并根据泥浆原理，根据土壤分类控制，钻孔时必须随时取入钻渣样品，并与具体数据和设计数据及资源进行比较，以完成针对不同土壤和不同泥浆性能指标，在砂土层中，为了使泥浆具有一定的液柱压力从而平衡孔壁外围地层压力，同时达到孔壁稳定，满足逆循环施工技术要求，控制泥浆比重应在1.15～1.25的范围内；为了满足钻进护壁和二次孔清理的要求，清洁和保护泥浆的粘度控制应在20s～25s 的范围内；在粘性土壤中，泥浆的相对密度应控制在一定的要求范围内，粘度应控制在18s～20s之内，含砂率不应超过3%。这样，提高钻孔速度并加快钻孔进度，p值应控制在8～9左右，以使泥浆呈碱性，可以有效地改善粘土的分散度。

4 结束语

在具体施工过程中，通过对桩基钻孔施工各工序进行严格控制，实行有效的质量管控，超长钻孔桩的成孔质量达到预期设计及规范的相关工程技术要求，桩基成桩的质量合格率为100%，垂直度为1%以下，且小于50cm，桩顶在顺桥向和横桥向的偏差均应小于5 cm，满足预期的规范要求。南京五桥超长钻孔桩的具体施工案例证明，超长钻孔桩施工的质量主要在于成孔质量，在进行施工过程中必须对成孔质量的关键工序进行严格的控制，其中重点对垂直度、钻进参数、泥浆指标等关键环节进行控制，从而保证成孔质量能够达到预期的理想效果。