软弱松散地层中桥桩钻孔稳定性分析及关键技术研究*

李向前，吴柯娆

(1.湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南 长沙 410004； 2.湖南大学土木工程学院，湖南 长沙 410082)

0 引言

近年来随着我国交通基础设施迅速发展，一大批标志性桥梁正在高质量建设，作为桥梁重要组成部分，桥桩施工质量直接影响桥梁整体结构特性。因此，在特殊地质条件下保证桥桩施工质量，成为研究热点[1-3]。

复杂地质条件下，桥桩施工质量与钻进过程孔壁稳定性密切相关，故部分学者对自稳性较差地层中的桩基施工质量问题。陈维超等[4]利用有限元数值模拟方法，分析砂土地区钻孔桩孔壁稳定性问题，并从内摩擦角、孔径与泥浆密度等角度提出改进意见。刘细军等[5]以广东地区某机场高速工程为例，研究深厚软土地区高架桥桩基开挖深度、软土弹性模量与深度、桩径等因素在开挖过程中的影响规律。周外男等[6]基于旋挖钻机施工成孔工艺，在坚硬地层成孔过程中使用优质膨润土化学泥浆护壁，可有效缩短平均成孔时间，且钻杆强度在一定程度上影响该工艺的成孔效率与经济性。张震[7]针对不同溶洞高度设置相应的护壁方案，以保证桩基顺利成孔。

结合上述研究发现，目前桥桩钻孔稳定性的研究大多针对高透水砂层、高强度岩层及山区溶岩地带，而关于软弱松散地层的研究尚待完善。因此，结合杨梅西江特大桥7号墩桩基施工，在分析地质条件和孔壁稳定性的基础上，研究气举反循环回旋钻孔工艺在软弱松散地层桥桩施工中的应用。

1 工程及地质概况

1.1 工程概况

杨梅西江特大桥位于广东省西北部，大桥跨越西江，主桥采用预应力混凝土连续刚构桥，建成效果如图1所示。桥梁全长2 473.2m，桥梁上部结构采用预应力混凝土箱梁、T梁、刚构箱梁，下部结构采用柱式墩、薄壁墩、桩基础，桥台采用柱式台、座板台。主桥最长桩基在7号墩，位于近丘间谷地西南侧斜坡上，附近岸坡无明显地质问题，受外界自然环境干扰因素小。故选择7号墩作为主要分析对象，桩基参数如表1所示，桩基平面布置如图2所示。

图1 杨梅西江特大桥效果

图2 7号墩桩基平面布置

表1 7号墩桩基参数

1.2 工程地质条件

7号墩附近土层自上而下主要为中砂和中风化砂岩，如图3所示，土质软弱松散，自稳性极差，结合现场取样结果进行分析，该断面成分以石英、长石为主，含少量粉细砂，砂质较均匀，分选性一般，呈散砂状，较难保证钻孔稳定性及桥桩施工质量。

图3 7号墩典型地质纵断面

2 孔壁稳定性分析

2.1 孔壁稳定力学条件分析

桥桩在钻孔作业中，孔壁周围土层受挤压，原始相对稳定结构被打破，所承受的原始应力发生重分布，孔壁周围土体产生径向位移，迫使土体向孔内移动，在不采取固孔措施的情况下易引起孔壁失稳破坏坍塌。而软弱松散地层成孔时因内摩擦角较大，更易发生坍塌现象，因此研究孔壁稳定条件及其影响因素对软弱松散地层中施工桥桩至关重要。

结合土力学圆孔稳定原理可知，钻孔过程中，孔壁径向受力有主动土压力Pa、圆拱支撑力Pz，孔内浆液压力Pn、孔外地层水压力Pw、孔外地下水向孔内渗流时产生的渗透力Fw、孔内浆液向孔壁渗流时产生的渗透力Fn、孔口地面荷载产生的侧压力Pq，基本受力原理如图4所示。

图4 孔壁稳定基本受力原理

为使孔壁稳定，必须满足如下条件：

Pz+Pn≥Pa+Pw+Pq

(1)

Fn≥Fw

(2)

P0=Pa-Pz

(3)

Pn-Pw≥P0+Pq

(4)

式中：P0为阻止孔壁坍塌所需的支护力。由上述分析可知，Pn与Pw的差值紧密影响孔壁稳定状态，当大于支护力和地面荷载侧压力之和时，孔壁处于稳定状态。在施工扰动下，孔壁产生一些附加作用力，从而影响孔壁稳定性，但此类作用力可通过工艺改进与相应技术措施进行消除或减小。

2.2 孔壁稳定性影响因素

结合孔壁稳定力学条件分析及文献[8]，可知影响软弱松散地层孔壁稳定的因素如下。

1)土层性质参数 不同地质条件的土层参数影响圆拱支撑力Pz大小。软弱松散地层土体内摩擦角大，随着挖孔深度增加，土体抗剪强度变化速率加快，使孔壁土体因受力状态改变形成一定塑性区后发生破坏，从而导致坍孔现象。

2)钻孔直径 钻孔周围的土拱效应随桩径增大越来越弱，使孔周围土发生破坏。

3)钻孔深度 钻孔深度越大，造成孔周围土水平应力与竖向应力差越大，进而造成土体产生剪切破坏。

4)地下水位 地下水位越高，孔外地层水压力Pw越大。另外，软弱松散地层透水性较好，水压力传递也较好，Pw随之增大。

5)泥浆相对密度 泥浆相对密度影响孔壁侧向压力，降低侧向卸荷量，当泥浆侧压力小于静止侧压力时，孔壁出现较明显塑性区，存在较大坍孔隐患。当泥浆侧压力不低于静止侧压力时，孔壁几乎无塑性区，稳定性较高。

综上分析可知，桥桩钻孔稳定性受土层性质参数、钻孔直径、钻孔深度、泥浆相对密度等综合因素影响较大，尤其是软弱松散地层更易发生坍孔问题，但可通过改变泥浆相对密度保证泥浆侧压力大于静止侧压力，以维持孔壁稳定性。

3 软弱松散地层钻孔工艺分析及方案设计

3.1 钻孔工艺分析

钻孔工艺的方案选择与孔壁稳定性有直接联系，选取不当易造成土体发生较大扰动，乃至发生坍孔、卡钻及挤毁套管等事故[9-10]。目前，在特殊地质条件下施工桥桩所采用的钻孔工艺主要有旋挖钻和冲击钻工艺[11-12]，但鉴于冲击钻成孔时钻头下落会对孔底及周围产生较大振动，这种振动会极大加剧软弱松散地层孔壁发生坍孔的风险，故结合该桥7号墩实际地质情况，拟采用旋挖钻进行桥桩施工，同时因该工程上跨西江，环保要求高，为提升排渣效率，综合考虑后选用气举反循环回旋钻孔工艺进行钻孔施工。

3.2 钻孔方案设计

3.2.1钻机平面布置

杨梅西江特大桥7号墩采用气举反循环回旋钻孔工艺，钻孔平台和泥浆循环池平面布置如图5所示，配备9台反循环回旋钻机，拟于2个循环内完成18根桩基施工。

图5 7号墩桩基钻机平面布置

3.2.2钻孔施工流程

根据7号墩桩基土层特点，施工过程中采用气举反循环回旋钻孔工艺，工艺流程如图6所示，主要工序如下。

继续积极争取监测经费，进一步提高监测点的代表性和覆盖率，完善浦口区耕地质量监测预警预报体系，动态监测全区的耕地质量状况和变化趋势，形成网络健全、层次分明、管理规范与现代高效农业相适应的耕地质量监测体系。常年性系统开展动态监测，全面掌握全区耕地质量变化趋势，建立耕地质量长期动态监测数据库。继续开展多层次的技术培训，加强监测队伍建设，提高耕地质量监管水平。

图6 反循环回旋钻孔施工流程

1)钻机安装及定位 先以100t履带式起重机将钻机吊至型钢底座上，再利用机械千斤顶微调就位，然后在钻机与底座间设置限位板，以保证钻孔过程中不发生位移。

2)钻进 先加设超前中心钻头，在钻杆上安装稳定器后，立即调节孔内泥浆指标，启动空压机运行泥浆反循环系统后，驱动牙轮钻头开始钻进，当破岩压力不足时适时增加配重，直至钻至设计孔底标高。

3)下放钢筋笼 采用履带式起重机进行四点吊下放，吊点设在两端头第2道加劲箍和主筋连接处，且靠近加强圈位置。

4)浇筑水下混凝土 采用快速螺旋丝扣卡接头导管，在导管内放置隔水球，浇筑时割断隔水球吊绳进行润湿，然后连续浇筑，不得停顿，同时保证整桩在混凝土初凝前完成浇筑。

5)成桩无损检测 采用超声波埋管法检测成桩质量。

4 软弱松散地层桥桩施工

4.1 泥浆反循环系统设置

4.1.1泥浆制备

运行泥浆反循环系统前，需提前制备一定量的钻进泥浆，并通过现场搅拌钠质膨润土、纯碱、羟甲基纤维素和聚丙烯酰胺等材料进行调制，当相对密度、黏度、胶体率等技术指标达到如表2所示要求时，易于在孔壁表面形成化学膜，以降低失水量，经检测合格即可启动泥浆反循环系统。

表2 泥浆性能指标

根据如图7所示原理，在7号墩位两侧各布置1套泥浆系统，包含膨润土仓库、制浆站、造浆池、膨化池、回浆池和泥浆管等。当进行气举反循环钻进时，泥浆先经钻机水龙头进入粗滤装置以过滤较大颗粒，再流进泥浆净化器开展二次过滤，待净化完成后泥浆流入钻孔内，而钻渣则排入集渣坑内，以形成完整的泥浆循环路线。

图7 泥浆反循环系统原理示意

4.2 钢护筒打设装置设计

4.2.1导向架

杨梅西江特大桥7号墩桩基施工倾斜度和偏位要求高，故钢护筒打设时设计双层型钢定位导向架进行定位，通过调节导向架角位处的螺旋顶准确控制导向架定位精度，以满足设计要求，如图8所示。

图8 导向架

4.2.2对接装置设计

为保证钢护筒对接垂直度，采用单边V形坡口设计连接，上节坡口角度为45°～55°，以保证钢管接长处与内壁对齐。同时，在钢护筒外壁焊设钢楔及工字钢，借助钢楔契合工字钢，提高对接精度及平整度，如图9所示。

图9 钢护筒对接示意

4.3 钢筋笼悬挂架设计

钢筋笼下放过程中易存在支撑力不足及悬挂定位偏差等问题，故采用钢筋笼悬挂架连接钢筋笼上、下节，由活动卡板和支撑方形钢箱梁框架构成，其中支撑方形钢箱梁框架由4根三拼工字钢焊接而成，卡板可随时打开，如图10所示。

图10 钢筋笼悬挂架

钢筋笼下放时，先将钢筋笼悬挂架安装在钻孔平台顶面，再通过加劲箍支撑钢筋笼，然后起吊下节钢筋笼与之对接，待钢筋笼对接完成，打开悬挂架上的活动卡板，整体下放对接后的钢筋笼即可。

4.4 成桩质量控制措施

为确保钻孔过程顺利推进和成桩质量，提出以下控制措施。

1)孔内液位与孔外水位标高差控制 若孔内液位与孔外水位标高差过小，孔壁存在失稳风险，过大有反向失稳风险，可采用简易浮球标识，将内外水位标高差控制在1～2m，随时监控、及时调整。

2)斜孔、扩孔、坍孔控制 需严格控制泥浆质量及性能指标，同时控制钻进速度，保证孔壁化学膜充分形成，以维持孔壁稳定。

3)掉钻、卡钻、埋钻控制 重视质量检查，包括接头连接及钻杆质量检查，确保施工前有完整的检查记录，同时严禁高压、高速钻进。

4)混凝土浇筑时堵管控制 通过控制水灰比、使用外加剂等措施保证混凝土使用性能，加强现场物资管理，保证混凝土不因存储问题混入杂质。

5 结语

在杨梅西江特大桥7号墩桩基工程中，对软弱松散地层桥桩钻孔稳定性分析及关键技术开展深入研究。结合工程概况、地质条件分析项目难点，利用孔壁稳定性理论分析钻孔稳定的主要影响因素，以提供施工工艺选择的依据。经综合比选后，选取气举反循环回旋钻孔工艺施工桩基，并研究泥浆反循环系统、导向架装置及钢筋笼悬挂架设计等技术。研究结果表明，采用气举反循环回旋钻孔工艺可实现软弱松散地层桥桩的稳定钻孔。