大直径钻孔桩施工关键技术

付国平

（中铁大桥局集团第二工程有限公司，江苏 南京 210015）

近年来，我国桥梁事业正从“大”向“强”转变，作为超级工程桥梁中的“定海神针”，桥梁桩基逐渐向着桩径大、桩长深的方向发展，2013 年通车的嘉绍大桥采用了φ3.8m 的钻孔桩（无承台）技术，2020 年通车的平潭海峡公铁大桥钻孔桩更是达到了φ4.5m。本文结合新建巢马城际铁路马鞍山公铁两用大桥项目，总结主桥Z3 号和Z4 号大直径钻孔桩施工关键技术。

1 工程概况

新建巢湖至马鞍山城际铁路全线位于安徽省境内，其中马鞍山公铁两用长江大桥在常合高速马鞍山长江公路大桥上游约2.3km 处姑孰桥位跨越长江。（图1）

图1 新建马鞍山公铁两用大桥效果图

主桥采用四线铁路+六车道城市快速路的公铁合建桥梁，桥跨布置为（112+392+2×1120+392+112）m。（图2）。

图2 主桥桥跨布置图（单位：m）

2 钻孔桩概况

主桥Z3 号墩基础承台采用哑铃型承台，平面尺寸为（81.8×36.8）m（横×纵），厚为9.5m；承台下设36 根φ4.0m 的钻孔灌注桩，按端承桩设计，行列式布置，桩长68m。

Z3 号墩桥址区位于和县岸大堤与牛屯河边滩之间，该段位于新近淤积的浅滩。覆盖层厚度45.7～46.6m，覆盖层上部为流塑状淤泥质粉质黏土及松散砂层，为近年来长江淤积而成，中下部主要为稍密～中密状粉细砂层，底部可见粗砂及砾砂层。下伏基岩为葛村组（K1g）粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂岩、砾岩，岩体较完整～较破碎。（图3）

图3 Z3 号墩基础结构图

主桥Z4 号墩基础承台平面尺寸为（89.2×54.7）m（横×纵），厚为10m，承台下设60 根φ4.0m 的钻孔灌注桩，行列式布置；钻孔桩桩长最长72m，最短60m。

Z4 号墩位于长江主航道，距离西侧牛屯河边滩约270m，距离和县长江大堤约1360m。覆盖层厚约48.5～53.0m，覆盖层主要为松散～中密状粉、细砂层，底部较薄的细圆砾土及残坡积粉质黏土，下伏基岩为葛村组（K1g）粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂岩。基岩整体较完整，局部裂隙较发育，局部裂隙间充填泥质，少量岩石呈碎裂状，局部后期有胶结。

图4 Z4 号墩基础结构图

3 关键施工技术

3.1 总体施工方案

主桥Z3 号墩钻孔桩采用筑岛平台法施工，钢护筒利用200t 履带吊整节起吊，APE400B 型振动锤施振下沉，护筒下沉时设置导向架进行辅助。采用2 台XR700E+2 台XR600E+2 台XR580HD 旋挖钻机逐级扩孔钻进，泥浆护壁湿作业成孔，泥浆采用泥浆池收集并净化后进行处理。

主桥Z4 号墩钻孔桩采用水上栈桥+水上作业平台施工，钢护筒施工采用1000t 浮吊起吊，APE400B 型振动锤施振下沉，护筒下沉时设置导向架进行辅助。采用2台BG-46 型旋挖钻机+8 台KTY4000 型回旋钻机接力组合钻孔成孔。

钻孔完成后下放导管采用气举反循环法清孔。钻孔桩钢筋笼采用长线法在钢筋加工厂制作完成，利用平板车分12m 每节运至桩位。钢筋笼安装完成后，下放导管进行二次清孔。混凝土灌注采用垂直导管水下混凝土灌注方法。

3.2 钻孔平台

Z3 号墩筑岛平台：顶面尺寸118（横桥向）×77.9（纵桥向）m，平面高程+8.0m。平台顶面采用混凝土预制板+填缝混凝土硬化，钻孔区四周硬化区域为主要施工通道，在施工中间区域钻孔桩时在混凝土预制板上铺设钢跑板用于钻机及履带吊走行及站位，履带吊及钻机走行需严格按照设计走行路线走行。

图5 Z3 号墩筑岛平台布置图

图6 Z3 号墩钻孔桩施工履带吊及钻机走行路线图

Z4 号墩水上平台：顶面尺寸99（横桥向）×61.6（纵桥向）m，平面高程+12.0m。平台采用钢管桩+贝雷梁的结构形式。（图7）

3.3 钢护筒插打

Z3 号墩钢护筒采用200t 履带吊+70t 履带吊空中翻身竖立；Z4 号墩钢护筒采用1000t 浮吊空中翻身竖立。钢护筒穿入导向架中，利用导向架上、下导向反复调整钢护筒平面位置及垂直度。钢护筒沉桩采用液压振动锤进行插打。（图8）

图8 钢护筒浮吊水上空中翻身竖立步骤图

导向架分两层，采用型钢制作，上层导向架四角设置4 台50t 机械千斤顶，底层导向架四角设置四个导向轮用于钢护筒平面位置及垂直度调整。

图9 导向架结构布置图（单位：mm）

3.4 泥浆循环系统

Z3 号墩开孔覆盖层钻进时，以补充新拌制浓浆为主；成孔灌注时，通过在灌注孔位安置泥浆回收泵，调整泥浆泵下放深度，以确保灌注时也有相应泥浆面高度。

Z4 号墩每台旋转钻机分别设置排渣管、回浆管和供风管。在钻头上增加风包，旋转钻机钻进时，将钻头按照风包进水口的方向进行旋转，泥浆通过风包进水口进入钻头，通过钻头的旋转，泥浆连续不断的与钻头中原有泥浆进行置换，增强泥浆利用效率，同时，泥浆的不断置换对钻头上的牙轮钻也进行冷却。（图10）

图10 风包钻头结构图

3.5 成孔工艺

Z3 号墩采用旋挖钻逐级扩孔工艺：a. 覆盖层采用φ3m 直径钻头开孔，φ4m 直径扩孔；b.采用φ3×3m 长筒钻继续钻进至入岩约1.5m；c. 利用φ3-φ1.5×3m 上导正筒钻继续钻进至φ3m 孔底；d. 采用φ1.5m 长筒钻继续钻进至设计桩底高程；e. 采用特制φ1.5×8m 修孔钻头修孔；f.采用φ1.5-2m 下导正钻头开始扩孔，后续以每0.5m 孔径递增逐级扩孔，直至完成全断面φ4m 桩径成孔。（图11）

图11 旋挖钻逐级扩孔步骤图

Z4 号墩采用旋挖+旋转组合接力工艺：上部覆盖层采用旋挖钻机成孔，下部岩层采用旋转钻机成孔。

3.6 清孔

第一次清孔采用气举反循环法；二次清孔时，将二清高压射水器放入孔中，上端由导管接长，待射水器穿过钻孔桩覆盖层，进入岩层时，接通电源开始工作，空压机同时开始工作。高压射水器将孔内的泥浆抽入潜水泵，并加压后由布置在管道之上的射水口均匀射出，清洗钢筋笼与孔壁之间以及孔底的钻渣；随后携带钻渣的泥浆通过空压机的作用由射水器底口伸出的导管从孔内抽出，直到孔底沉渣符合规范要求。（图12）

图12 二次清孔装置结构图

3.7 钢筋笼制安

Z3 号墩钢筋笼节段长12m，采用150t 履带吊+70t 履带吊空中翻身竖立。

Z4 号墩钢筋笼先预接长至24m，再采用1000t 浮吊空中翻身竖立。

3.8 水下混凝土灌注

混凝土灌注采用常规垂直导管水下混凝土灌注方法。

Z3 号墩钻孔桩共历时4 个月，平均成孔17.5 天/根；Z4 号墩钻孔桩共历时6 个月，平均成孔13.7 天/根。经超声波及取芯检验，全部为Ⅰ类桩。

4 施工创新

4.1 优化钻孔平台设计，节省施工成本

Z3 号墩位于新近淤积的浅滩，覆盖层厚，如采用水上平台法施工成本高，采用简单筑岛法则地基承载力很难满足要求。本项目采用吹砂筑岛+铺设混凝土板作为施工平台，对地基承载力要求低，减少地基沉降的影响，更易控制施工质量，同时降低了施工成本。

4.2 底导向架精确控制大直径、长钢护筒插打精度

主桥Z4 号墩钻孔桩钢护筒内径4400mm，长度46m，护筒插打桩顶平面位置允许偏差50mm，倾斜度要求不大于3‰。本项目钢护筒导向架设计为双层，层高仅为2m，通过采取导向架精确定位钢护筒插打平面位置，过程中跟踪检测垂直度的施工工艺保证钢护筒施工精度。

4.3 两种成孔方式确保成孔进度

主桥Z3 号墩采用旋挖钻机逐级扩孔成孔：岩层采用φ1.5m 长筒钻钻孔至设计高程，再依次利用φ1.5-2m、φ2-2.5m、φ2.5-3m、φ3-3.5m、φ3.5-4m 下导正钻头以每0.5m 孔径递增逐级扩孔，直至完成全断面φ4m 桩径成孔。

主桥Z4 号墩采用旋挖钻机及旋转钻机接力组合成孔：上部覆盖层旋挖钻机成孔，下部岩层采用旋转钻机成孔。充分发挥两种钻机在各自地层中的施工优势。

4.4 优化钻头设计，提高大直径钻孔桩施工中旋转钻机钻进效率和泥浆使用效率。

大直径钻头在钻进过程中通常会出现，钻头被覆泥包裹，牙轮钻头切割岩面摩擦导致过热，导致钻孔桩钻进效率不高，并且在钻进过程中，泥浆的使用效率也不高。本项目通过在钻头上增加风包来实现泥浆的更好利用，钻进过程中，钻头在旋转的过程中，泥浆可通过风包进入钻头内部，冲洗钻头上的覆泥，同时还可以冷却钻头。

4.5 改进清孔设备，确保二次清孔质量

当前大直径钻孔桩的二次清孔一般采用气举反循环法，效率较低，且对于大直径钻孔桩，无法很好的清理钢筋笼与孔壁之间的钻渣。本项目通过高压射水器实现钻孔桩二次清孔，射水器中设置两台潜水泵，由潜水泵加压过后的泥浆通过管道射出，换浆的同时冲洗钢筋笼与孔壁之间的废渣，废浆连同废渣通过导管抽出，清孔效率高质量好。

5 结论

新建巢湖至马鞍山城际铁路马鞍山公铁两用大桥主桥Z3 号和Z4 号墩钻孔桩施工地质条件差、工艺复杂，在大直径钻孔桩工程中具有很好的代表性。本文重点介绍了其钻孔桩施工平台、钢护筒插打、泥浆循环装置、钻机成孔、二次清孔装置等关键技术，通过多次论证、不断优化改进方案，现场施工取得了很好的施工效果，总结出一套完整的大直径钻孔桩施工技术及经验，可为同类型桥梁施工提供参考。