外海钢管斜桩嵌岩混凝土芯柱成孔技术

远 航，任志杰，王保华，张仲民

(1.青岛港国际股份有限公司， 港建分公司，山东 青岛266001；2.中交水运规划设计院有限公司，北京100007；3.中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛266071)

随着船舶大型化发展，码头工程也日益向开敞化、大型化、深水化发展，外海开敞式大型码头和引桥桩基承受波浪力等水平荷载较大，为了有效抵抗水平荷载，桩基通常考虑设计斜桩；若工程所处区域桩基持力层为岩基，且岩基上覆盖层较薄，直接采用钢管桩沉桩困难，则需要通过在钢管桩下端增加钢筋混凝土嵌岩芯柱来提高桩基承载力，以满足桩基承载力要求[1-2]。此类大直径嵌岩斜桩的钢筋混凝土桩芯成孔一直以来是施工中的难题。经过不断探索，目前已经在钻具开发[3]、成孔工艺[4-6]、成孔质量控制[7]等方面取得了一定成果，积累了相关工程经验。

本文以青岛港董家口港区原油码头二期工程为例，对30万吨级泊位引桥桩基施工中不良地质条件下嵌岩芯柱斜向成孔、钻孔偏位、坍孔、硬质岩层钻孔进尺缓慢等施工难点及问题原因进行分析，并从成孔机具选型、增加导向装置、海水泥浆护壁、钻孔技术参数等方面提出相应解决技术措施，形成外海斜桩嵌岩成孔技术，为同类工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 桩基设计

青岛港董家口港区原油码头二期工程30万吨级油品泊位位于董家口嘴作业区西防波堤二期工程外侧，平面采用蝶型布置，工作平台、靠船墩与系缆墩与引桥呈T形布置，引桥长456 m、总宽12 m，上部结构采用预应力混凝土变截面连续箱梁形式，引桥墩采用高桩墩台结构，每个高桩墩台由8根φ1.5 m钢管桩组成，钢管桩斜度为4.5:1，钢管桩打入强风化岩面不少于4 m，岩面以下4.5 m芯柱嵌岩，引桥墩桩位布置见图1，引桥墩结构断面见图2。

图1 引桥墩桩位布置(单位：mm)

图2 引桥墩结构断面(高程：m；尺寸：mm)

1.2 工程地质条件

工程位于青岛市西海岸新区泊里镇的琅琊台湾董家口嘴作业区西防波堤二期工程外侧，泥面高程在-16.99～-15.41 m。在钻探深度范围内岩土层自上而下分布为：淤泥质粉质黏土、粉质黏土、中粗砂、夹层粉质黏土混砂及强风化花岗岩、中风化花岗岩等。其中粗粒强风化花岗岩为黄褐色，局部灰白色，原岩结构可见，主要成分为石英、长石，原岩已风化呈砂土状，手掰易碎，遇水易软化崩解，局部呈碎块状。该层连续分布，平均标贯击数N>50击。

2 施工技术难点

2.1 斜桩成孔难度大

本工程位于外海无掩护水域，浪大、水深，桩基受到的波浪等外部荷载大，为了有效抵抗水平荷载，钢管桩采用4.5:1的斜桩，因此钢管桩下端嵌岩芯柱为斜桩嵌岩。在斜桩嵌岩成孔时，由于孔位倾斜，钻头回旋钻进时，在自重作用下紧贴钢管桩内壁的下侧，如不采取相应措施则会造成咬桩，更为严重的是当钻头进入钢管桩刃脚以下位置，孔位将向下偏斜，严重影响成桩质量。

2.2 强风化粗粒花岗岩层中钻进易塌孔

本工程区域范围内岩层风化程度差异性较大，强风化岩层较发育区域厚度超过10 m，强风化上亚带原岩已风化呈砂土状，手掰易碎，遇水易软化崩解(图3)，在钻头的扰动下极易导致坍孔，斜孔与直孔相比，上部侧壁岩体软化崩解后在重力作用下更易发生坍孔。

图3 强风化粗粒花岗岩

2.3 硬质岩层钻孔进尺缓慢

工程所处区域中风化岩层最小单轴抗压强度均值为67.1 MPa，最大可达94.1 MPa，嵌岩成孔施工时，钻头在进入强度较高岩层时钻孔进尺缓慢。

2.4 施工场地局促

工程引桥墩为外海开敞式无掩护独立墩，施工环境恶劣，施工难度大；引桥墩施工时采用预制混凝土套箱作为墩台模板，在嵌岩芯柱成孔施工时存在施工场地局促、无造浆场地等困难。

3 采取的技术措施

3.1 合理选择斜桩成孔机具

目前专门用于斜桩嵌岩成孔的钻机多为顶置式，即钻机安装于钢管桩顶部，通过紧固装置与钢管桩固定，钻机门架可以旋转一定角度以实现不同斜率的钻进。主流产品有德国维尔特、宝峨或日本石川岛等系列钻机，国内于20世纪90年代开展了同类产品的研发，目前已经拥有XD、GPS等系列钻机，可专门用于大型码头等工程倾斜桩基的成孔。但此类钻机往往自质量较大，在桩机定位时需要大吨位起重设备辅助施工。

冲击钻成孔在码头斜桩嵌岩成孔施工中也有成功案例，但由于本工程强风化花岗岩层水下易崩解的特性，受到较大震动时容易坍孔，尤其是在钻至钢管桩刃脚以下高程时，坍孔将造成钢管桩刃脚外侧岩体掏空，严重影响钢管桩侧阻和端阻的发挥。

综合考虑上述因素，本工程斜桩成孔选用气举反循环回旋钻机(图4)进行施工，通过调整钻机倾斜度以满足成孔斜率。

图4 气举反循环回旋钻机

施工时选用100 t浮吊配合钻机就位，基本就位后使用手拉葫芦进行细微调整，检查钻架、转盘、水龙头、卷扬机、排渣系统、钻杆夹持装置、钻杆指示装置、钻杆导向装置等构配件完好情况。随后下钻头、钻杆，并检查各部连接螺栓有无松动、各管路接头密封情况、钻机安装后吊钩中心是否对准孔位中心。钻机安装完毕后，接通空气反循环系统，经空车试运行20 min无异常后开始钻进。当第1节钻杆钻完时，先停止转动，使反循环系统延续工作至孔底沉渣排净后换接钻杆，并予以拧紧，以防漏气、漏水。施工过程中以角度仪测量复核误差，控制钻杆倾斜度在77.40°～77.50°，确保成孔斜率符合设计要求。

3.2 增加导向装置

为避免成孔过程中钻头咬桩及孔位偏斜，同时增加侧向约束以提高钻杆线刚度，减小钻杆在自重作用下的挠曲，便于在顶部施加竖向荷载以保证足够的钻压满足成孔效率，在钻杆上加设有效的导向扶正装置，保障钻头钻进过程中方向正确，减少卡钻、憋钻现象。本工程导向装置采用导向轮(图5)，导向轮采用环形钢带焊接而成，直径比钢管桩内直径小2 cm，固定于钻头上方2.5 m处。

图5 导向轮

增加导向装置后，保证了钻杆与桩的设计轴线始终保持同向，解决了在自重作用下钻头向下偏斜的问题，未再出现卡钻、断杆等情况，提高了钻进效率，保证成孔质量。

3.3 海水泥浆护壁

在成孔施工时，由于现场无制浆场地等施工条件限制，先期采用清水钻进工艺，结果坍孔严重导致埋钻。经分析研究后采用泥浆护壁工艺，根据现场施工条件利用工程钢管桩作为泥浆池。现场泥浆制备及循环见图6。

图6 泥浆制备及循环

由于本工程为海上施工，钢管桩底部存在裂隙与海水连通，无法采用淡水制浆。为克服海水中的阳离子使泥浆中黏土颗粒从悬浮分散状态向凝集状态转化，从而导致泥浆在施工过程中逐渐脱水絮凝[8-9]，失去护壁作用，在泥浆中按照1.5‰的比例掺入Na2CO3作为分散剂。

根据现场情况及勘察资料，考虑到强风化粗粒花岗岩密度为2.5～2.7 tm3，兼斜孔上壁自重影响的不利因素，同时为避免泥浆过浓导致糊钻，其参数初步确定为密度1.25 tm3、黏度20 Pa·s、砂率6%。开钻后坍孔现象得到一定改善，但仍未达到预期效果。调整浆液密度为1.3 tm3，并按1:10的比例掺入膨润土后，坍孔现象得到较好控制。

3.4 合理确定硬质岩层钻孔技术参数

根据钢管桩沉桩施工记录，桩底在进入强风化岩层后，贯入度小于2 mm击；勘察资料揭示地层为强风化下亚带及中风化粗粒花岗岩，岩体强度较高，钻孔时进尺缓慢，成孔难度大。

为保证钻进效率，采用牙轮滚刀钻头钻进。影响钻进效率最重要的因素为钻压大小。当钻压过小时，切削刃齿不能切入岩体，只能在岩石表面以摩擦方式破碎岩石，钻头磨损大，钻进效率低。只有当钻压超过界限钻压，切削刃齿侵入岩体产生体积破碎，此时破岩比功较小，破岩效果最好。但钻压过大，也会造成切削齿磨损过甚，施工成本增加，同时还会加大钻杆挠曲，影响钻孔斜率。因此，选择合适的钻压，是提高钻进效率、保证成孔质量的首要前提。

牙轮钻头在软岩中钻进时，通常情况下转速越大则钻进效率越高。但在硬质岩层中，当转速提高到一定数值后，若进一步提高转速，机械钻速反而下降。其原因在于钻头牙轮钻刃在压力作用下切入岩石后，需要一定接触时间以完成应力传递破碎刃前岩体，当转速过高时，钻刃还未完成切削动作便与岩体脱离，降低了钻头对岩体的侵彻力，造成岩体破碎不充分，使每次旋转完成的破碎深度减小，导致钻进效率下降。同时，转速过高，钻头对孔壁冲击也会加大，会造成扩孔甚至坍孔。

根据本工程现场实际情况，当钻至强风化花岗岩下亚带及中风化岩层时，应采用“两大一低”的钻进方式，即以大压力、大泵量、低转速的设置进行钻进，当钻机输出明显增加、并伴有跳钻现象时，应适当降低钻压，减轻钻头磨损，降低转速，尽可能充分破岩，保证钻进效率。

经不断调整钻孔参数，实际操作中钻压保持为170 kN，钻速为20 rmin，对于花岗岩强风化下亚带及中风化岩层进尺效率可分别保持为40、15 cmh左右，有效满足施工要求。

4 结语

1)采用气举反循环回旋钻机可满足大直径嵌岩桩芯的成孔施工，施工过程中通过安装导向装置，可有效保障成孔符合设计轴线。

2)采用牙轮滚刀钻头钻进，钻压保持在170 kN，转速保持为20 rmin，可以在强风化花岗岩下亚带及中风化岩层中实现40、15 cmh的钻进速度。

3)在易崩解的强风化粗粒花岗岩中进行钻孔，必须采用泥浆护壁。泥浆参数须综合考虑岩石密度、斜率大小等因素，对于自稳条件较差的岩层，应适当提高泥浆密度、黏稠度等参数。