高速铁路大直径深水钻孔灌注桩施工工艺探讨

王刚

(上海天佑工程咨询有限公司，上海 200092）

1 引言

截至2020 年年底，我国高铁运营里程为3.8×104km，居世界第一。钻孔灌注桩基础为桥梁主要基础之一，桩基施工质量直接影响桥梁安全以及高铁运营速度。本文以某高铁东江特大桥76 m+160 m+76 m 连续梁拱桥水中墩桩基施工为例，探讨冲击钻成孔、旋挖成孔和反循环成孔工艺的优缺点，为大直径超深水中桩基施工提供技术借鉴和经验。

2 工程概况

某高速铁路东江特大桥跨东江设计，主桥为（64 m+64 m）T 构+（76 m+160 m+76 m）连续梁拱桥+（64 m+64 m）T 构，河面宽462 m，测时水位27.26 m，平均水深约15 m，桩基原地面以下地质情况主要为砂卵石、泥质粉砂岩、砂砾岩为主。76 m+160 m+76 m 连续梁拱桥主墩桩基础设计各16 根，桩径2.5 m，孔深超过70 m。主墩每根桩基设置4 根声测管用于超声波检测桩身完整性。

3 钻孔灌注桩施工工艺

3.1 栈桥平台施工

根据工程施工需求，施工平台采用钢栈桥，基础采用529 mm×10 mm 钢管打入岩层摩擦桩基础。单排柱顶部设置双支I40 工字钢横向分配梁，上面架设单层贝雷梁，跨度不大于12 m，贝雷梁上直接铺设钢筋混凝土预制面板（厚×宽×长为18 cm×200 cm×800 cm）。栈桥由两岸向江心采用钓鱼法搭设，预留通航通道120 m，上下游设置防护桩。

3.2 护筒埋设

水中墩护筒施工流程：在钻孔平台上拼装钢护筒导向架，测量放线定桩位→对接钢护筒→整体起吊钢护筒入水→调整护筒倾斜度及位置缓慢入床至稳定→安装振动打桩锤振动下沉→安装钻机开始水中钻孔桩施工。钢护筒顶面高出钻机作业平台至少0.5 m，并进入稳定岩层0.5～1.0 m。施工过程中严格控制护筒入岩深度，避免由于入岩深度不足出现漏浆。

3.3 泥浆制备

不同钻机、不同岩层对泥浆性能有不同的要求，尤其是泥浆相对密度，参照高速铁路桥涵施工技术规程要求，旋挖钻成孔泥浆相对密度宜为1.1～1.3；冲击钻成孔泥浆相对密度不宜大于：黏土、粉土1.3；大漂石、卵石层1.4；岩石1.2；反循环成孔泥浆相对密度宜为1.05～1.15[1]。施工过工程中根据现场地质条件及相应的成桩工艺调整泥浆比重等参数。

3.4 钻机工艺对比

76 m+160 m+76 m 连续梁主墩直径为2.5 m，孔深平均72 m，实际岩层57 m，水深15 m。桩基施工面临孔深、大直径、工作面狭窄等不利因素，采用何种工艺施工很难抉择。桩基施工过程中，该桥主墩桩基施工过程中尝试3 种不同工艺分别进行施工，对各种工艺分别进行改进，最后确定一种合适工艺。

3.4.1 冲击钻施工工艺

连续梁主墩桩基施工首先采用3 台冲击钻施工，但是由于施工进度滞后，平均成孔需要18 d，清孔需要4～5 d 才能满足灌桩要求。另外，施工过程中极易斜孔，一台钻机正常情况下23 d（包括清孔）才能施工1 根桩，其中一台钻机施工过程中由于斜孔回填，该桩基施工长达3 个月，严重影响进度同时保证不了桩基质量，冲击钻陆续退场。

冲击钻工艺最大优点为适用各种地质条件，各种场地，成本低。钻机进场后对钻机进行了改进，将成本再次压缩。传统的冲击钻需要人工操作，一台钻机需要3 人24 h 轮班，改进后的钻机利用现代化智能操作系统及装备，1 个人可同时盯控3 台钻机，大大节省人力成本。冲击钻工艺缺点为成孔速度慢。另外，成孔后清孔时间长，通过现场清孔并实测需要4～5 d 方能达到规范要求，严重制约冲击成孔工艺的工效。

3.4.2 旋挖钻成孔工艺

旋挖钻成孔工艺采用山河智能SWDM550 旋挖钻机，钻机参数见表1。旋挖钻机扭矩和发动机额定功率均优于反循环钻机。通过对比旋挖钻机与反循环钻机钻进速度，反循环钻机明显快于旋挖钻机。分析原因：一是桩基直径为2.5 m 接近旋挖钻机最大钻孔直径；二是孔深达70 m，钻杆取土时间明占比钻头钻进时间长；三是随着孔深增加，钻杆逐渐变长钻头处扭矩在不断减弱。综合各方面原因，旋挖钻机的钻进速度不如反循环钻机。现场直接采用2.5 m 钻头钻进时出现2 次断杆现象。

表1 钻机工艺参数对比

为提高旋挖钻机工效，对旋挖钻机成孔工艺进行改进，卵石层采用反循环钻机开挖，卵石层地质条件差，不适合旋挖钻，采用反循环钻机护壁效果好，同时钻进速度快。卵石层反循环钻进一般需要1 d 即可，卵石层钻进结束后采用旋挖钻机钻进，旋挖钻机依次采用1.5 m→2 m→2.5 m 钻头分别钻进，其工效明显加快，改进后的工艺与反循环成孔工艺工效不相上下。但是旋挖成孔容易出现漏浆问题，旋挖成孔工艺其泥浆护壁效果差，远不如反循环，不适合地质条件差或者是水中桩基施工。施工过程中为解决漏浆问题，钻进过程中需要利用振动锤下沉护筒，直至漏浆问题解决。在漏浆问题上曾采用改进泥浆比重、护筒外侧灌注水下混凝土等各种措施，均未解决漏浆问题，最终采取边钻进边下沉护桶方法直至不漏浆为止。虽然通过改进优化工艺明显加快了钻进速度，但是旋挖钻机在施工水中大直径、超深桩基过程中依然存在上文提到的问题。

3.4.3 反循环成孔工艺

反循环成孔工艺采用田野FXZ-500 型2 动力反循环钻机，钻机参数见表1。通过3 种工艺的对比（见图1 和表2），反循环成孔工艺优势比较明显，不论从经济还是工效方面，均占据一定优势。但也不排除采用更大功率和扭矩旋挖钻机其工效可能会优于反循环，但是其成本必然增加很多，因此，综合各方面因素，经济、工效等均适合采用反循环钻机。但是在反循环钻机施工过程中，面临的一个问题就是泥浆循环系统如何设置。该桩基施工利用栈桥平台作为作业平台，空间有限，不能像陆地上挖坑设置泥浆循环系统，通过工艺改进，在栈桥施工平台焊制钻渣沉淀过滤箱，该装置便于移动，并降低循环泥浆的含砂率，减短清孔时间，从钻孔中排出的泥浆能够及时补回，提高工作效率，同时保证施工现场达到环保要求。

图1 3 种工艺对比

表2 3 种钻孔工艺钻进速度及耗时对比

4 结语

本文以某高铁东江特大桥76 m+160 m+76 m 连续梁拱桥水中墩大直径钻孔灌注桩施工为例，探讨冲击钻成孔、旋挖钻成孔和反循环成孔3 种不同工艺各自优缺点。通过对比3 种工艺，冲击钻成孔成本低，但耗时长，而且容易出现斜孔等问题，不适合对工期要求高的钻孔桩施工，旋挖钻机成孔通过工艺改进与反循环工效不相上下，但是其泥浆护壁效果差，容易出现漏浆，处理起来也比较麻烦，同时其成本相对反循环和冲击钻成孔工艺要高得多，反循环成孔工艺不论从经济还是工效方面都适合于水中大直径超深桩基成孔，通过工艺改进避免了高栈桥施工平台场地狭窄、泥浆反循环系统不宜设置等问题，充分发挥其工效。