大直径深长变径桩成孔施工技术及入岩效率的研究与应用

付连红 巫晓林 徐新战 沈海姣 杜 鹏

（浙江易通基础工程有限公司，浙江 宁波315800）

做为基础主要承载力的钻孔灌注桩，其桩径向大、桩长向深、结构向多样化发展，这对桩基的成孔施工要求越来越高，如何保证孔壁稳定、成孔垂直度[2]，以及提高入岩效率和加快施工进度，是大直径深长桩急需解决的技术难点。

1 工程概况

鱼山大桥位于浙江省舟山市岱山岛上，项目全长8.815Km，桩基为钻孔灌注变径桩，桩径φ5.0-3.8，桩长110m，具体设计参数如下表。

2 地质条件

场地范围内地基土自上而下分布大概为：

①淤泥质黏土（Q43m）：灰色、黄灰色，流塑，厚层状，土质较为均匀，局部为薄层状粉砂或粉土，干强度高，韧性高，无摇震反应，局部顶部有淤泥，分布于海积平原区、潮间带和滨海区域。顶板埋深0.00～7.90m。层厚1.20～19.30m。

②淤泥质粉质黏土（Q41m）：灰色，流塑，鳞片状，土质较均匀，局部夹有少量粉砂团块，局部为软塑状黏土，干强度高，韧性高，无摇震反应。分布于滨海区域。顶板埋深15.00～33.60m。层厚2.50～15.80m。顶板埋深15.00～33.60m。层厚2.50～15.80m。

③粉砂（Q32a1+m）：灰绿色、灰黄色、灰色、浅灰兰色，中密～密实，饱和，厚层状，砂质较均匀，干强度低，韧性低，摇震反应迅速，局部夹砾砂、砂卵石和可塑状黏性土。分布于潮间带和滨海区域。顶板埋深46.80～8.30m。层厚0.70～42.60m。

④黏土（Q3la1+m）：灰色，可塑，厚层状，土质均匀，干强度高，韧性高，无摇震反应，局部为粉质黏土。分布于滨海区域。顶板埋深73.30～7.50m。层厚7.80～16.60m。

⑤砾砂（Q31a1）：灰色，饱和，中密一密实，厚层状，土质不均匀，多为黏性土及粉细砂填充，局部黏性土长度可达10～30cm，碎石最大粒径可达5cm 以上。分布于滨海区域。顶板埋深85.30～124.50m。层厚0.60～12.10m。

桩基参数 钢护筒 混凝土 桩端岩层分析 墩号 桩径 （m） 桩顶 标高 （m） 桩底 标高 （m） 桩长 （m） 顶标 高 （m） 底标 高 （m） 长度 （m） 单桩 钢护 筒（t） 单桩 C 40 入岩标高（m） 入岩 深度 （m） 持力层、 饱和抗压 强度 56# 2 -92 94 2.0 -60.0 62.0 297.1 1580.3 -80.77 11.23 83MPa 57# 2 -100 102 2.0 -60.0 62.0 297.1 1671 -90.01 9.99 8 9.80MPa 58# 2 -106 108 2.0 -60.0 62.0 297.1 1739.1 -97.13 8.87 9 2.30MPa φ5.0-3.8 59# 2 -108 110 2.0 -60.0 62.0 297.1 1761.7 -99.93 8.07 1 00.08MPa 60# 2 -108 110 2.0 -60.0 62.0 297.1 1761.7 -99.93 8.07 1 00.08MPa

图1 多功能拼装式刮刀钻头结构设计图

⑥全风化凝灰岩（Klc）：浅黄色、灰白色，岩石风化剧烈，原岩结构基本遭破坏，岩芯呈砂土状，手捏易碎成砂土，遇水易软化、崩解。分布于潮间带和滨海区域。顶板埋深71.00～109.10m。层厚1.40～1.70m。

⑦强风化凝灰岩（Klc）：青灰色、浅黄色、灰色，浅灰绿色，紫红色，凝灰结构，块状构造，岩石风化强烈，节理裂隙发育，岩芯多以3～7cm 的碎块状为主，岩石强度中等，锤击可碎，锤击声较清脆。分布于潮间带和滨海区域。顶板埋深53.20～110.80m。层厚0.50～2.50m。

⑧中风化凝灰岩（Klc）：浅灰色、紫红色、浅黄色，凝灰结构，块状构造，岩石中等风化，节理裂隙较发育，岩芯多以柱状或碎块状为主，节理裂隙较发育，岩质较硬，用力锤击可碎，锤击声较脆。分布于潮间带和滨海区域。顶板埋深54.00～112.50m。层厚4.40～14.30m。

3 工程重点、难点

3.1大直径变径桩的结构型式，需要采取不同直径的钻具来完成，钻具的频繁更换，增加了作业的劳动强度，对现场的起重设备、工作面提出更高要求。

3.2地层中存在的硬塑黏土层极易发生糊钻现象；粉砂和砾石层，因其摇振反应迅速，极易发生孔壁失稳，从而引起漏浆、塌孔事故[4]。

3.3下卧基岩岩面倾斜，岩石强度高，且部分孔位直接入岩，其成孔垂直度控制难度大，入岩钻进效率低。

4 技术研究与应用

针对以上工程重点、难点，经对首轮桩基施工情况的分析和总结，制定了如下技术措施：

4.1 采用“一体多用”的多功能拼装式刮刀钻头，实现变径桩的分级成孔

钻头母体为φ3.8m 双挡圈六翼刮刀钻头，双层挡圈外侧配置不同直径的扩径块，以满足不同变截面的钻孔桩施工，同时钻头母体亦是拼装式的结构，解决了超大、超高、超宽钻头运输难题。

图2 多功能拼装式刮刀钻头结构示意图

4.2 优化入岩钻头底部结构，大幅提升入岩效率

常规滚刀钻头[5]为平底结构，能够保证钻头底部受力均匀，但当基桩桩径超过φ3.5m 后，其刀盘底部过水路径增大，排渣能力受到影响，在影响钻进效率的同时，钻具磨损加重。经研究决定，将滚刀钻头底部平底设计调整为锥底结构，利于孔底泥浆的循环流转，加速钻渣进入吸渣口，避免重复破碎，从而加快钻进效率。根据本项目钻孔实际数据分析，锥底钻头钻进工效比平底钻头钻进工效高18%。

4.3 优化刮刀钻头结构，控制钻进参数和泥浆性能，解决硬质黏土糊钻问题

首轮桩施工过程中，发生一次硬塑黏土层钻进糊钻问题，如图4 所示，针对实际情况，采取如下技术措施，成功能决了糊钻问题：

（1）将钻头的排渣口宽度由35CM 增大到45CM，保证排渣效果。

（2）降低风包钻杆位置，将沉没比由原来的0.65 调整为0.7～0.75，即在满足空压机压力的前提下，尽量降低风包钻杆位置，保证泥浆循环流速。

图3 入岩滚刀钻头底部结构示意图

（3）控制进尺速度，确保切削后的泥块排出孔底后再钻进。

（4）控制泥浆比重，黏土层控制在1.15 以内。

图4 硬塑黏土层糊钻示意图

4.4 分阶段控制泥浆性能指标，确保孔壁稳定和钻进效率

（1）护筒内采用清水钻进，将砂层直接过滤排放，可最大限度提高钻孔效率。

（2）土层钻进，高转速、慢进尺，制备充足合格的泥浆，确保后续地层泥浆的正常消耗。

（3）进入砂层前5m，将泥浆性能指标调整至：比重不小于1.1KG/M3，粘度18～21S，砂率不大于4%，PH 值8～10。

4.5 孔底加压、全程减压钻机，保证成孔垂直度

（1）进入全风化层、强风化层时，需严格控制孔底压力，杜绝盲目钻进，当进尺小于20cm/h 时，必须提钻更换滚刀钻头。

（2）控制钻进速度，在强风化与中风化层交界处，每小时进尺≤5cm，每进尺50cm 后必须提钻进行复钻扫孔一遍。

（3）控制钻进压力，在进入中风化层前每个滚刀压力控制值为2t，直到钻头完全进入中风化层后，调整每个滚刀压力控制值为3t。

（4）增设配重扶正器一道。

5 结论

5.1随着钻孔灌注桩桩型多样性的发展，采用拼装式钻具结构，可实现单一钻具、分级扩径的目的，特别对于大直径桩来讲，不但节约了投资，而且施工方便、操作简单、节能降耗。

5.2对于中、硬岩石的大直径嵌岩桩施工，将入岩平底钻头改为圆底钻头，利于钻渣及时排除，同时先导部分可提前创造临空面，大幅提高入岩钻进效率，入岩功效提高率在18%以上。

5.3钻孔垂直度的控制是一个系统工程问题，对于全液压回转钻机施工来讲，扶正器[5]的增设和减压钻进的控制，是垂直度控制的关键。