大直径嵌岩桩旋挖钻成孔技术改进及应用

魏朝西，杨 勇

（保利长大工程有限公司 广州510620）

关键字：基础工程；大直径钻孔灌注桩；旋挖钻；冲击钻；成孔技术

0 前言

随着我国桥梁建设事业的迅速发展，新建桥梁的跨径越来越大、结构越来越复杂，桩基的设计直径越来越大、桩长也越来越长，相应的嵌岩深度及岩石强度越来越大。钻孔灌注桩传统的成孔工艺有冲击钻成孔、回旋钻成孔和人工挖孔等，但对于大直径嵌岩桩基施工，成孔困难，质量难以得到保证，且工期较长，桩基施工往往成为制约工程进展的关键控制性工序。近年来，旋挖钻在桩基施工中的应用逐渐推广，其施工工效也得到了业界的普遍认可［1］，但也暴露出一些施工质量问题，如桩底沉渣清理不彻底，在桩底与基岩之间形成夹层，或者混凝土灌注前二次清孔时，直径30～50 cm 的钻渣易堵塞导管，对施工造成诸多不利影响。以珠海市某大桥工程3#主墩桩基施工为背景，探索了一种旋挖钻与冲击钻组合成孔的施工方法。

1 工程概况

珠海市某大桥主航道桥为双塔双索面叠合梁斜拉桥，其跨径布置为（73+162+500+162+73）m，如图1所示。3#主墩基础设计为20根直径φ 2.5 m 的钻孔灌注桩，桩中心间距6.5 m，设计桩长介于40～65 m［2］。地下基岩为中微风化灰岩，岩面起伏较大，基岩饱和抗压强度平均值为53 MPa，最高达到84 MPa，设计要求桩端全断面嵌入中风化或微风化岩层深度不小于2倍桩径。由于桥位附近渔港进行清淤疏浚、绞吸吹填施工，分阶段地将绞吸吹填的流态淤泥堆载在桥位区域，淤泥面标高约+3.0 m。3#主墩施工前，采用筑岛的方式形成施工场地，筑岛范围自承台边缘往外延伸80 m，筑岛顶面标高按+3.5 m 控制。筑岛填料为工程性能良好的砂性土、黏土或石粉，分层填筑、压实，以排挤桥梁施工范围内的流态淤泥。

图1 主航道桥总体布置Fig.1 General Layout of the Main Channel Bridge （m）

根据地质勘探资料显示，3#主墩桥位处工程地质情况具体如下。

〈1〉地表人工填筑的砂性土、黏土或石粉：厚度3.5～6.0 m。

〈2〉灰褐色素填土：主要由粘性土组成，含少量植物根茎，该层系新近堆填而成，其密实程度不均匀，尚未完成自重固结，结构呈松散状态，该层厚约4.0 m。

〈3〉淤泥：呈饱和、流塑状态，层厚12.9～20.8 m。

〈4〉粉质粘土：由灰岩原地风化残积而成，干强度及韧性中等，呈稍湿、硬塑状态，层厚2.9～7.2 m。

〈5〉粉质粘土：系砂岩或灰岩原地风化残积而成，主要由粘粒及粉粒组成，局部区域含少量石英碎石，粒径1～3 cm，呈稍湿、硬塑状态，层厚2.60～16.40 m。

〈6〉全风化砂岩：属极软岩，绝大部分矿物已风化成土状，岩体完整程度为极破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ类，岩芯呈土柱状，合金钻具易钻进，层厚4.2～14.5 m。

〈7〉强风化砂岩：属极软岩，大部分矿物已显著风化，节理裂隙极发育，岩体完整程度为极破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ类，岩芯呈土夹碎块状或碎块状，合金钻具钻进较难，层厚1.8～15.0 m。

〈8〉中风化灰岩：块状构造，结构部分破坏，节理裂隙稍发育，岩体完整程度为较完整，岩体基本质量等级为Ⅲ类，岩芯呈柱状或短柱状，岩芯采取率约95%，节长1～50 cm，RQD≈90%，金刚石钻具方可钻进。揭露厚度较大，部分区域灰岩已被溶蚀，形成溶洞，揭露层厚10.5～15.5 m。

2 施工方案优化

由于桥梁施工区与渔港吹填堆载区交叉，需让渔港吹填先行施工，导致3#主墩开工时间比相邻主墩滞后11个月，桩基础施工时间异常紧迫。为了确保桩基成孔效率和施工质量，通过对桩基成孔工艺的深入对比与研究，拟采用大吨位的旋挖钻作为桩基主要成孔设备，但对旋挖钻施工暴露的质量问题需采取有效措施予以解决，故而创新地应用大功率旋挖钻与冲击钻组合成孔的工艺。

根据地质情况，在钻进上方覆盖层时，使用与桩径相等的捞砂斗钻一次钻进；钻入全风化岩层后，采用分级扩孔工艺，先充分利用旋挖钻机的扭力，在桩基中心钻一个小孔，破坏基岩的完整性，再分级钻进、逐级扩孔，以降低岩层内的成孔难度，提高钻孔效率。由于旋挖钻各级钻头的特点，旋挖钻扩孔钻进使岩层形成的粒径大小不一的钻渣，其中粒径在50 cm 以下的片石状钻渣则难以被清理出来，最终沉积在孔底，导致桩身与基岩之间形成夹层，影响桩基受力。为了彻底清除这些片石状钻渣，采用冲击钻对桩孔进行反复冲砸，将片石状钻渣砸碎成颗粒状钻渣，再利用反循环工艺将钻渣彻底清除，同时确保桩孔底面平整，使桩端与基岩平顺衔接。保证桩基质量。此工艺充分利用了旋挖钻成孔效率高的优势，同时也避免了旋挖钻清孔不彻底的缺点［3］。

3 桩基础施工

3.1 施工工艺流程（见图2）

图2 桩基础成孔施工流程Fig.2 Flow Chart of the Pile Foundation Hole Construction

3.2 施工准备

⑴施工场地需具有足够的承载能力，保证钻孔过程中地基稳定，确保旋挖钻机不发生倾斜。

⑵提前布置好泥浆循环系统，按照泥浆配比调配泥浆，并检测泥浆指标。

⑶检查旋挖钻机的机械性能，尤其是桅杆的垂直度，同时做好各类型钻头的检查。

⑷下放钢护筒，护筒直径比桩径大30 cm。

⑸检查冲击钻的冲锤直径和钢丝绳的状态，确保冲进过程中的安全。

3.3 钢护筒沉放

使用全站仪和水准仪进行测量放样工作，做好测量记录，并埋设十字护桩。

桩基钢护筒采用内径为2 800 mm，壁厚20 mm 的钢板卷制，单根护筒平均长度为22 m，以穿透淤泥质土层并进入粉质粘土层1 m 为准，采用70 t 履带吊机辅以2YZ-360 液压振动锤施打到位，施打过程中采用导向架进行护筒的定位及垂直度控制。

经测量放样出桩位中心，开挖直径约为3.0 m，深度为2.5～3.0 m 深的基坑，于基坑底部定位出桩中心点，并做好标识，平整基坑顶周边场地。导向架根据放样桩中心位置安放，用线锤使导向架中心与桩中心重合。起吊钢护筒下节喂入导向架，确保钢护筒中心与桩中心在同一垂线上。钢护筒在导向架的导向作用下垂直下沉到淤泥层中，并依靠其自重下沉至稳定。护筒下沉稳定后，可松开吊钩，然后把振动锤起吊到钢护筒顶口，用液压夹钳将钢护筒顶口夹住，缓慢下放吊钩，钢护筒在振动锤自重压力下继续往下沉，在此过程中应采用经纬仪实时监测护筒的垂直度是否满足要求。在振动下放过程中，通过两台全站仪垂直交汇监测，确保钢护筒中心与桩位中心重合，持续观测及时调节钢护筒的垂直度，要求钢护筒平面偏差不大于50 mm，垂直度小于1%。

3.4 泥浆制备及循环

采用膨润土和自来水制备成泥浆用于桩孔护壁。在3#主墩左侧设置储浆池，储浆量约为1 000 m3，分三级设置，供桩基施工过程中泥浆集中处理、储存。

3.5 旋挖钻成孔

钻机就位前，复核钢护筒中心的平面位置及垂直度是否满足前述控制要求，经确认无误后，再次测量放样桩基中心，并按测量点位拉好交叉线，通过旋挖钻自身的行走系统及对位系统，使钻头对准桩中心。

由于孔口段土层比较松软，开始钻进时要控制进尺速度，每次进尺控制在50 cm左右，提钻要稳、慢，防止孔口塌孔。同时因钻杆上的限位圈尚不能发挥作用，在孔口段孔深10 m 以内旋挖时要注意监控垂直度，发现偏差及时进行纠正［4］。

在钻孔过程中，根据地质情况，选用不同的钻头。在覆盖层内，采用与桩基等直径的斗钻，出渣快，便于覆盖层内旋挖的土质钻渣及时清出。入岩后，岩层对旋挖钻头的阻力大大增加，为克服大直径钻头旋挖钻进时扭矩不足的工况，以提高钻孔效率，采用分级钻进、逐级扩孔工艺。本项目桩基分三级进行扩孔施工，先采用1.5 m 牙轮筒钻取芯，再采用2.0 m 及2.5 m牙轮筒钻进行逐级扩孔，实现最终扩孔。筒钻钻头整体结构与挖土斗钻钻头基本一致，只是底部没有封口，通过筒钻的压剪作用，破坏岩层的整体性，从而达到进尺的目的［5］。

岩层第一级钻进采用φ 1.5 m牙轮筒钻，待钻头内岩芯填满钻头内筒时，利用钻头内设置的螺旋涨塞对岩芯产生的水平力和钻头旋转产生的的扭矩共同作用下将岩芯掰断，如图3 所示。岩芯掰断后利用钻头与岩芯摩阻力将岩芯柱取出，循环往复，直至将岩石钻成直径φ 1.5 m的小孔，如图4所示。

更换上φ 2.0 m牙轮筒钻，下部带φ 1.5 m导正钻头钻进至孔底，换用φ 1.5 m双底双开截齿捞砂斗扫孔清渣。更换上φ 2.5 m 牙轮齿钻，下部带φ 2.0 m 导正钻头钻进至孔底，再用φ 2.0 m双底双开截齿捞砂斗扫孔清渣，如图5 所示。最后换用φ 2.5 m 牙轮齿筒钻钻进到底，换用φ 2.5 m双底双开截齿捞砂斗扫孔清渣［6］。

图3 截齿取芯原理Fig.3 Principle of Pick Coring

图4 截齿取芯的芯样Fig.4 Core Sample of Pick Coring

图5 分级扩孔钻进示意图Fig.5 Schematic Diagram of Stepped Reaming Drilling

在钻进过程中，应根据地质变化情况，及时调整钻斗的升降速度，在提钻瞬间，钻头底部会出现短时负压，使孔壁承受径向内吸力，易导致地质条件较差的土层发生塌孔，因此在施工应注意防范，做好钻进记录，根据不同地质情况及时调整泥浆指标和旋挖速度。

3.6 冲击钻辅助清孔

旋挖钻钻孔到位并扫孔清渣后，移开至下一根桩位，冲击钻就位，采用直径φ 2.5 m的冲锤，冲锤中心对准桩孔中心，冲锤下放至孔底部，采用约1.0 m 的小冲程反复冲砸，将旋挖钻未清理干净的片石状的钻渣砸碎，同时可对孔型进行修整。冲砸过程中，泥浆采用正循环方式进行循环，泥浆稠度适当增大，以便充分起到浮渣的作用［7］。

当孔深达到设计深度后，停止冲砸。再采用反循环进行一次清孔，以便彻底清除钻渣。清孔后，采用超声波检孔仪对桩孔进行检测，合格后，进入后续工序施工［8］。

4 质量控制措施

泥浆采用淡水造浆，为避免有可能海水渗入，采用能适应20%海水的优质膨润土，保证在地质变化情况下的泥浆稳定性，不会出现离析现象。针对不同地质条件，及时调整泥浆性能要求［9］。

钻进时注意地质变化情况，及时调整旋挖速度，在砂质地层时降低钻进速度，采用短进尺钻斗，减少每次挖取量，同时降低提升速度，减少负压产生。成孔过程注意补充孔内的泥浆，防止泥浆面过低造成孔壁坍塌。钻机钻孔时，应根据土层类别、钻孔速度及供浆量来确定相应的成孔速度［10］。

旋挖钻机配备自动对中、孔深探测系统，开挖前进行一次对中，在钻进过程中即可保持位置不变；为了保证成孔的垂直度，开钻之前采用吊线法检查显示器数据的准确性；钻进过程应严格控制钻杆的垂直度，确保成孔垂直度满足设计要求。钻孔过程中若发现斜孔、弯孔、缩颈、塌孔或沿护筒周围冒浆以及地面沉陷等情况，应停止钻孔，经采取有效措施后，方可继续施工［11］。

5 结语

珠海市某大桥3#主墩桩基施工创新地采用旋挖钻、冲击钻组合成孔工艺，与钻孔灌注桩传统成孔工艺相比，充分利用了旋挖钻成孔效率高的优势，同时也避免了旋挖钻清孔不彻底的缺点。实际施工中，该大桥3#主墩20根直径φ 2.5 m的桩基施工时间仅70 d，平均3.5 d/根，其施工效率明显优于其他施工工艺，施工时间约只有冲击钻施工时间的1/4，大幅减少了施工成本，有效地保证了桩基施工质量。经超声波检孔仪检测，旋挖钻、冲击钻接力成孔孔壁顺直，垂直度满足文献［10］要求；成桩后经超声波无损检测和强制抽芯检测，桩底沉淀厚度满足规范要求，该大桥3#主墩20根桩基全部为Ⅰ类桩，桩基施工质量优良。相关施工工艺可供类似工程借鉴。