复杂地质中大直径钻孔灌注桩成孔施工技术分析

严灿富

（龙岩交通建设集团有限公司，福建 龙岩 361000）

0 引言

随着机械设备和工程技术的高速发展，大直径钻孔灌注桩被广泛地应用到桥梁建设中，桩径由原先的2.5m不断扩大到4.5m，采用大直径钻孔灌注桩不仅直接有效地提高桩基的承载力，还可以减少设计桩数，从而缩短桩基施工工期。由于桩基所在区域的施工环境较为恶劣，风浪较大，潮差影响较大，地质复杂，岩面倾斜度较大，大直径钻孔灌注的成孔难度极大，成孔中容易出现塌孔、漏浆、卡钻和斜孔等质量问题，尤其桩径为4.5m的钻孔灌注桩，如果采用全断面钻进法进行成孔，桩孔很容易出现不同程度的斜孔质量问题；采用常规的水下混凝土灌注方法进行处理时，不仅影响工期还大大增加了工程造价，对桩基施工极其不利。因此，在复杂地质情况下如何提高大直径钻孔灌注桩成孔质量成为施工中的难题。本文结合工程实例，对复杂地质情况下大直径钻孔灌注桩成孔施工技术进行分析。

1 工程概况

某项目桥墩基础采用钻孔灌注桩，桩径为4.5m，混凝土强度为C45，平均桩长为58.6m，总桩数为50根。桩基施工环境处于水深、浪高和风大等典型海洋条件，根据统计数据显示，平均潮差达4.28m。桩基所处区域的地质情况较为复杂，主要岩土层有中砂、碎块状强风化花岗岩和微风化花岗岩等，地质起伏较大。覆盖层厚度约7～20m，碎块状强风化花岗岩厚度为10～30m，微风化花岗岩岩面陡峭和倾斜度较大，岩面高差高达4m，岩体强度较高，要求桩端嵌入微风化花岗岩7m。

2 桩基施工方案的确定

根据桩基设计和地质分布情况，项目部选择特制的动力头回旋钻机，型号为KTY5000型，该钻机动力充足，总重为286t（不含钻头），标准节钻杆长度为4m，钻杆直径为330mm，最大钻孔深度为180m，钻机采用大型起重船进行运输。钻孔灌注桩成孔工艺采用常规的全断面钻孔方法，前期施工中发现，钻头进入微风化花岗岩时，由于岩面强度较大，采用钻压较低和钻速较快的方法继续钻进，在成孔质量检查中发现桩孔的倾斜度较大。为了保证孔壁的垂直度，采用水下混凝土灌注法将C45混凝土灌注到斜孔内，待混凝土达到一定强度再继续钻进。鉴于混凝土自身的硬度较大，回旋钻机钻进困难，每天约钻进0.5m，混凝土灌注高度约7m，使成孔时间无形中又增加约半个月，极大地影响桩基的施工进度。项目部召集参建各方专家对钻孔灌注桩斜孔的原因进行分析，结果如下：在软硬交接岩层位置由于岩面的倾斜度较大，在扭矩力的作用下，钻头较容易往强度较弱的一侧偏移，从而形成斜孔；由于桩基的成孔深度较大，在钻头钻进基岩时产生较大的扭矩，使钻杆的稳定性无法得到保证，从而形成偏孔现象；微风化花岗岩本身岩面高差较大，倾斜较为严重，产生斜孔的概率大大增加；岩层中存在较为明显的裂隙，裂隙中夹杂碎石等物质，岩层被钻穿时，碎石跟着掉落下来，使该位置形成强度较为薄弱的部位，钻头容易偏向该位置，形成斜孔现象。

专家组在充分分析斜孔成因的基础上，为了提高桩基的成孔效率和质量，提出大直径桩基采用二次成孔技术方案，即先采用直径为3m的钻头施钻至设计高程，再将3m的钻头换成4.5m的钻头进行扩孔直至设计高程，以确保桩基的施工质量符合设计要求。

3 大直径钻孔灌注桩成孔施工技术分析

3.1 钻孔设备确定

桩基钻孔设备继续选用先前成桩的回旋钻机，型号为KTY5000型，该钻机动力头设计巧妙，能够有效地钻孔破岩。首次开孔选用直径为3m钻头的主要原因是后续的直径为4.5m的钻头的中心体能够嵌入已成孔的孔洞，首次开孔的钻头为W底型，钻具总重量约为95t；第二次扩孔的钻头为锅底型，钻具总重量约为150t，所选择钻具的直径和重量均满足钻具的钻压要求，能够有效地钻进微风化花岗岩。

3.2 钻孔平台搭设

钻孔平台采用钢管桩+贝雷梁+预制混凝土板的结构体系，由于桩基所处区域具有浪高、风大和海浪流速较快等特点，钢管柱采用斜桩形式来保证钻孔平台的稳定性与承载力。根据钢管桩的桩位采用GPS定位系统测量放线[1]，钢管桩规格为1500mm×18mm，采用打桩船将钢管桩插打入海床，钢管桩的入土深度及振动锤的激振力应符合设计要求，斜桩的倾斜角度应符合设计要求。钢管桩插打后应及时安装横撑和斜撑，保证钢管桩的稳定性。加强对钢管桩的沉降及侧向位移的观测，如果个别钢管桩出现倾斜度超标情况，则应在桩顶加设双层分配梁进行调整。采用400T的浮吊将钢管桩上的横梁、分配梁、贝雷梁和连接杆件等吊运到位进行安装或者焊接，构件安装应牢固可靠。在钻孔平台上按照施工方案规定安装门式吊机，规格为200T，满足后续钻机移位和钢筋笼接长安装需求。

3.3 钢护筒插打

该工程钢护筒规格为4900mm×36mm，为了满足钢护筒插打与吊装需求，钢护筒两端4m范围的钢板厚度增厚到50mm，在顶部设置双吊耳，底部设置单吊耳，并在吊耳位置设置内支撑。在钻孔平台上将孔位测放出来，根据相关统计数据显示，桩基施工区域的风力长期＞6级，为了安全施工，待浪高＜2.5m和风力＜8级时即可进行钢护筒插打施工。为了控制钢护筒的垂直度，在桩位处的钢管桩上安装钢护筒的可调导向架[2]。采用浮吊将钢护筒吊至钻孔平台处的桩孔位置后进行下放安装，下放时应将内支撑和底部吊耳全部割除，由可调导向架辅助钢护筒进行准确定位。钢护筒进入覆盖层后，采用液压冲击锤将钢护筒插打进入稳定地层，钢护筒的垂直度偏差≤1%，捶打能量控制在450kJ之内，观测钢护筒的贯入度，待贯入度＜5mm，根据护筒插打的长度结合地质勘察报告可以推算出来，钢护筒底部嵌入碎块状强风化花岗岩达到1.5m，满足钢护筒进入稳定地层1～2m的施工要求[3]。

3.4 钻机安装

回旋钻机的相关组件采用运输船运送到钻孔平台处再现场进行拼装与调试。为了保证钻机底座的平稳与受力均匀，在钻机安放位置上增设工字钢框架，确保钢框架与钻机和钻孔平台能够连接牢固与可靠[4]。钻孔平台上的钻机采用龙门吊进行拼装，钻机的轴线偏差应控制在5mm之内，桩心、钻杆和钻头应保证处于同一直线上，钻机底座应稳定和水平，钻杆的垂直度偏差≤1%，确保桩孔位置准确。

3.5 泥浆循环系统

由于该工程地质情况较为复杂，中砂层和碎块状强风化花岗岩等地层在钻进过程中孔壁很容易出现坍塌现象，需要制备优质泥浆进行护壁。护壁泥浆采用PHP优质泥浆[5]。泥浆制备采用两种方式结合：一种是护筒内直接制浆，在护筒内注入一定量海水，将空压机的风管沉入孔底，接着打压空气使海水不断翻滚，按照6%～10%的比例掺入优质膨润土，使海水与膨润土充分混合形成膨润土泥浆，再按照0.3%～0.5%的比例掺入纯碱，继续搅拌，最后再根据泥浆性能需求掺入适量的PHP水解液，从而形成PHP优质泥浆；另一种是泥浆船上制浆，在泥浆船上放置泥浆制备桶，根据前面介绍的各种材料的比例和顺序采用海水制备泥浆，搅拌方式均为机械强制搅拌，制备好的泥浆再排放到船舱内，钻孔时需要泥浆护壁时即可采用泥浆泵将泥浆注入桩孔。各个钢护筒采用平联管进行连接互通，从而形成泥浆沉淀池。为了加快泥浆中钻渣分离，该工程在出浆管位置加设泥浆净化器，使泥浆中钻渣在通过旋流器时被旋分出来，钻渣再通过皮带运输机排放到准备好的泥浆船上，待达到一定数量再运至指定的弃渣点进行处理。经过处理后的泥浆流入钢护筒中进行沉淀，可用的泥浆通过连通槽回流到桩孔内使用，安排专人对泥浆的指标进行检测，确保泥浆性能符合护壁的需求。

3.6 钻进成孔

覆盖层和强风化岩层的钻头选用楔齿钻头，微风化岩层的钻头选用球齿钻头，一般待钻进速度＜6cm/h即可将钻头更换成球齿钻头。由于作业环境受到潮水涨落的影响较大，根据护筒外侧海洋面的高程来调整护筒内泥浆面的高程，要求护筒内泥浆高出护筒外水面约2.5m，从而保证孔壁的稳定性。由于直径为3m的钻头的稳定器直径大于钻头直径，拆除原配的稳定器，将刨管均匀地焊接在配重上，从而形成直径为3m的稳定器，加装钻头后采用钻压为100kN和钻速为5r/min进行钻进作业。钻至倾斜岩层时，适当地提高钻压至300kN，钻速调整为7r/min，采用低压快速的方法钻穿倾斜岩层[6]。待全断面进入微风化花岗岩时，将钻压调整为500～700kN，钻速调整为5r/min，钻进直至设计高程。在钻杆加接时，为了清除管内钻渣和孔底沉渣，将钻头往上提约0.1～0.2m，接着保持泥浆继续不断循环约5min，再对接钻杆。将直径为3m的钻头和稳定器更换成直径为4.5m的钻头和配置的稳定器，以钻压为150kN和钻速为6r/min进行钻孔，待稳定器发挥作用时，即可适当调整钻压和钻速，钻压调整为450～750kN，钻速调整为4r/min，在钻进成孔过程中，钻渣会掉入先前的钻孔中，待钻进至钻渣填满钻孔时，可能会出现跳钻等现象[7]，此时应适当减小钻速。待钻进距离设计高程约7m时，岩层质地坚硬和均匀，为了增强破岩能力，可以将钻压提高至1200kN，钻速控制为4r/min，直至钻至设计高程。终孔后采用超声波检测仪对孔径、孔深和垂直度偏差等指标进行检查，检查结果应符合设计和施工规范要求。

4 成孔施工中遇到的问题及解决对策

4.1 钻头和刀座出现开裂变形

由于直径为4.5m的钻头进行扩孔时，钻头外圈磨损较大，钻头和刀座之间容易出现开裂变形等问题。为了减少该问题的出现，采用钢板将钻头和刀座牢固地焊接在一起，在钻头外圈加焊加劲板，从而提高钻头与刀座的整体受力和耐磨损能力。

4.2 跳钻

直径为4.5m的钻头施钻时，容易和已成孔的直径为3m的孔壁内的钻渣发生碰撞现象从而演变成跳钻。在下钻之前应严格检查钻具的螺栓连接的牢固性与可靠性，严格按照审批好的施工方案中的钻压和钻速等施工参数控制钻进质量，遇到跳钻时应立即减小钻速，直至施钻正常。

4.3 钻头管道堵塞

直径为4.5m的钻头扩孔时，钻渣将会不断地掉入孔底，不可避免地会出现块径较大的石块，当石块在吸渣口被吸入时就会出现管道堵塞现象。为了防止出现钻头管道堵塞现象，在钻头吸渣口位置焊接1根直径为48mm的钢管。如果出现钻头管道被堵塞现象，可以采取调大钻压进行原位碾压，待石块被碾碎后再采用空压机输送风进行清理。

5 结束语

在碎块状强风化花岗岩与微风化花岗岩交界处存在软硬不均和岩面高差与倾斜较大等复杂地质情况，前期采用全断面成孔法出现斜孔严重等质量缺陷，成孔效率较低。项目部组织参建各方专家进行研究与讨论后，建议采用二次成孔方法。该方法实施后，桩孔未出现斜孔现象，成孔效率大大提高，经过超声波检测发现，成孔质量满足设计及施工规范要求。实践表明，二次成孔法能够有效解决大直径桩基在岩面高差与倾斜较大地质情况下的斜孔质量问题，值得在类似项目中进行推广。