大跨越基础复杂地质钻孔灌注桩成孔机械选用及质量控制

钟文 万华翔 汤小兵 单长孝

摘 要：【目的】对±800 kV白浙线长江大跨越工程复杂地质下的桩基施工难题进行分析，并提出解决方案，为今后同类型工程施工提供建议。【方法】本研究从优化施工机械选用、细化施工方法、合理运用长护筒、采用新型制浆材料等方面入手，充分发挥旋挖钻机对包含流沙的复杂地质适应性好、对深层岩石掘进效率高等显著优势，同时辅以北斗导航桩基信息化系统及超声波成孔检测装置等技术手段。【结果】在采取有效措施优化施工方案后，大跨越桩基施工效率及成孔质量均得到显著提高。【结论】经工程实际验证，优化施工方法后的旋挖钻机在复杂地质桩基施工中全部实现预期目标。

关键词：旋挖钻机；钻孔灌注桩；复杂地质；大跨越工程；北斗导航系统

中图分类号：TU753.3    文献标志码：A    文章编号：1003-5168（2023）08-0045-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.08.009

Selection and Quality Control of Drilling Machine for Large Span

Foundation Complex Geological Bored Pile

ZHONG Wen WAN Huaxiang TANG Xiaobing  SHAN Changxiao

（Anhui Electric Power Transmission and Transformation Co.， Ltd.， Hefei 230022， China）

Abstract： [Purposes] To analyze the difficulties and solutions of pile foundation construction under complicated geology of ±800 kV Baizhe Line Yangtze River span project， and to provide suggestions for the construction of similar projects in the future. [Methods] Starting from optimizing the selection of construction machinery， refining construction methods， rational use of long guard drum， adopting new pulping materials， etc.， the rotary drilling rig has the significant advantages of better adaptability to complex geology including quicksand and higher efficiency for deep rock excavation compared with traditional circulating drilling rig. At the same time， Beidou navigation pile foundation information system and ultrasonic hole detection device and other technical means are adopted. [Findings] After taking effective measures to optimize the construction scheme， the construction efficiency and pore-forming quality of large-span pile foundation are significantly improved. [Conclusions] Through the actual engineering verification， the rotary drilling rig with optimized construction method has achieved all the expected objectives in complex geological pile foundation construction.

Keywords： rotary drilling rig; bored pile; complex geology; large span; Beidou Navigation System

0 引言

在电网建设中，特高压直流输电技术在长距离和大容量输电、大区联网方面表现出显著优势，极大地提高我国大规模优化配置资源的能力，将助力达成“碳达峰、碳中和”的环境保护和能源结构升级目标早日达成［1-3］。

白鹤滩-浙江±800 kV特高压直流输电工程池州段长江大跨越基础采用“钻孔灌注桩+承台”的形式。按照原定方案使用反循环钻机进行桩基施工时，在中风化粉砂岩的钻进效率较低，继续施工会对工程总体进度造成较大影响。经勘查研究，决定改用ZR360C-3型旋挖钻机进行施工。使用前，要对现场复杂地质给出有效措施，在提升施工效率的同时，确保成孔质量。

1 工程概况

该长江大跨越线路基本走向为南北走向。跨越处长江江面宽约为1 913 m、两岸大堤堤距约为2 090 m。跨越塔塔型为ZKT-280、呼高为280 m、全高为345 m。跨越塔基础采用“钻孔灌注桩+承台”的结构形式，并附带连梁。包括主桩、井架桩、连梁支撑桩在内，北跨越塔共计158根桩，最深者達50 m，单基灌注桩总方量达5 700余 m³。北跨越塔基础结构立面如图1所示。

大跨越工程北跨越塔位于铜陵市枞阳县 山镇，地貌单元为长江冲积平原（河漫滩），地势平坦，目前为秸秆收储站厂区。地基岩土主要由上部的第四系全新统冲积、湖积形成的黏性土、淤泥质土、粉砂、细砂、碎石土和下伏白垩系基岩组成。地质勘探成果表明，16.3 m以浅以粉土、粉砂、细砂及粉质黏土为主，16.3～40.5 m以粉砂、粉土、中粗砂为主，40.5 m以下则为卵石层及粉砂岩层。

2 成孔机械选择

在以往大跨越桩基施工中，常选用成本更低的循环钻机。在初版技术方案中，原定采用反循环钻机进行施工，其工作示意如图2所示。反循环钻机是由其旋转盘通过分节加长的空心钻杆来带动钻头切削成孔，预先配置好的泥浆从泥浆池泵入，通过钻杆与孔壁间的缝隙中流入孔底，在冷却钻头的同时，裹挟切削下来的岩土钻渣，从钻杆内部返回地面沉淀池。与此同时，新的泥浆又送入孔内形成循环。由于钻杆内径比井孔直径小，钻杆内水头上升速度较正循环模式更快，钻渣随之带到钻杆顶端，并进入泥浆沉淀池，净化后的泥浆可循环使用。

受循环钻机工作原理的限制，其对岩石层的钻进效率差强人意。位置较深的中风化泥质粉砂岩层，决定改用切削岩层更快、自动化程度更高的旋挖钻机进行施工。

在施工前，预先埋设钢护筒以防止塌孔，同时保持护壁泥浆水头的高度。旋挖钻机工作原理如图3所示。伸缩杆驱动顶端焊有切削刀具的钻斗，通过旋转切削的方式来挖掘孔内岩土，形成的土渣会进入到旋挖钻斗内，待其装满后会提出至孔外，并进行卸土，如此反复循环成孔。工程上采用膨润土等造浆护壁，利用泥浆泵向护筒内注入泥浆。在钻至设计孔深，并经验收无误后，旋挖钻头要空转清孔，以去除孔底沉渣。

相较于传统钻机，旋挖钻机有以下优势。①面对岩层时钻孔速度快，有利于加快施工进度、保证工期。②旋挖钻机钻头在工作时能有效减少孔底成渣、提高桩基承载力［4］。③施工时正值当地雨季，场地泥泞，旋挖钻机在场地内移动较方便，且工作不受不良天气的影响，泥浆处理也相对容易，对环境影响较小，满足工程环水保要求，便于现场组织安全文明施工。④旋挖钻机自动化、智能化程度较高，便于加强对桩位的控制，配备相应计算机系统可显示入孔深度、垂直度等信息，可避免出现缩径、塌孔等现象。

3 流沙复杂地质旋挖钻机施工关键技术

该工程大跨越塔基础所处位置的表层属流沙地层，在此地质利用旋挖钻机成孔难度较大［5］。这是因为旋挖钻头对孔壁施加荷载后会造成土层失稳，而流沙层黏性不足，稳定性较低，很容易因自身重力而形成塌孔现象。加之旋挖钻机与传统钻机（循环钻、冲击钻等）在掘进方式上有着根本性不同，需要从以下三个方面优化旋挖钻孔灌注桩施工方案。

3.1 高护筒埋设

护筒埋设能增强孔壁稳定性，有效防止塌孔，也是保证桩基垂直度偏差符合要求的措施之一。针对流沙层等特殊地质条件，应适当加大护筒尺寸及埋深，确保其能穿过不稳定地层，防止地层坍塌失稳［6］。

根据地质勘查结果，订制8 m长的钢护筒，选用加厚钢板卷制，为保证其在钻头冲击下不易变形，在护筒端口、接缝处通过补焊进行加强。根据前期定桩位来确定位置，护筒挖设直径比护筒外径大100 mm左右，挖设深度应低于护筒高度，确保其顶端高出地表。埋设护筒应保证护筒中心与灌注桩中心同心度。护筒设置时应对好水口方向，埋设应稳定、牢靠，采用黏土或素混凝土均匀填补护筒与坑口缝隙。

护筒埋设需注意以下控制要点。①护筒坚实、不漏水，以保持水头高度。②护筒埋设深度需穿过流沙层进入稳定土层［7-8］。③护筒内径要大于钻头直径约200 mm。④护筒埋设位置要准确，露高、平面位置误差、垂直度误差等要满足设计要求。⑤护筒埋设高度要保证孔内水头高度。

护筒埋设好后，应及时将桩中心用十字轴线标识在护筒内侧。护筒固定并经验收合格后，方可进行钻机就位。旋挖钻机底盘为伸缩式自动整平装置，操作室内有仪表用于准确显示各项参数，就位时钻头中心对准护筒中心，保证误差不大于20 mm。

3.2 新型制漿材料及泥浆配比

旋挖钻机在工作时，孔内泥浆会在孔壁上产生一层泥皮，这对提升孔壁的稳定性、预防塌孔起到一定作用［9］。合理配比并使用好泥浆是保证复杂地质桩基工程质量的重要因素。优质泥浆可确保孔壁稳定，且具有良好的携带岩粉能力，比重、年度、失水量过大的泥浆必然会降低钻进速度，导致泥皮过厚，直接影响钻进阻力。

鉴于桩基施工现场的地层造浆能力相对较弱，因此采用人工膨润土造浆法，并加入适量分散剂，每立方米加入不超过1 kg纤维素助浆剂，从而保证泥浆性能，泥浆配比及性能指标见表1。地层含有粉砂层，通过循环、携带岩粉，泥浆中的含砂率会迅速增加，泥浆的比重增加、黏度降低、性能下降。因此，要及时补充膨润土等化学液调制泥浆，降低泥浆失水率。

现场泥浆配置及使用需注意以下控制要点。①泥浆性能必须满足规范要求，保证在钻机工作、清孔时的孔壁稳定。②应经常测定，并保证泥浆池中泥浆性能。在开始钻孔前、钻孔过程中和清孔后至少各测一次泥浆性能。③应经常清理泥浆池沉淀物，定期检查清洗泥浆泵。④在泥浆池周围应挖设排水沟，以防施工污水、雨水污染泥浆，浇注时应注意防止混凝土洒落泥浆池内。⑤旋挖钻机就位后，利用泥浆泵向护筒内注入泥浆，直到旋挖不外溢为止。在旋挖过程中每挖一斗向孔内注一次泥浆，使孔内始终保持一定水头。注入泥浆和旋挖要相互配合，以保证成孔质量。

3.3 二次清孔

考虑工程的实际情况，并结合现场地质，决定采用二次清孔法，即在达到设计深度后静置，利用钻斗进行第一次清孔，在下入钢筋笼、浇筑导管后进行第二次清孔，以清除吊放钢筋笼期间掉落的杂质［10］。二次清孔后的泥浆性能及孔底沉渣要满足设计要求，否则将继续清孔，直至达到要求。

当钻进至设计孔底标高后，经现场相关人员用测具准确测量孔深、孔径等，确认各项参数符合设计要求后，可开始第一次清孔。旋挖钻机静置30～60 min，让孔内杂质充分沉降至孔底，再空转清渣，将堆积的沉渣杂物清理干净。在清孔排渣时，要严格控制钻杆姿态，不可随意加深钻进，同时保持孔内水头，以防止坍孔。第二次清孔是利用混凝土导管进行的。二次清孔质量的好坏将直接影响沉渣厚度和孔壁质量，进而影响桩体的承载力［11］。清孔时要勤动导管，但不得猛拔猛插，防止破坏孔底结构。清孔后孔内应保持一定的水头高度，应在半小时内浇筑。若超过时间，则重新测定沉渣厚度。

清孔作业时需注意以下控制要点。①清孔前孔深要满足设计要求。②清孔后沉渣要满足设计要求，孔内泥浆性能良好，便于后续水下混凝土浇筑作业。

4 成孔质量控制

为保证大跨越工程钻孔灌注桩施工质量，要注重钻机工作过程控制及成孔后监测两方面工作。

在过程控制方面，采用桩基综合信息化系统，旨在从过程中提高钻孔灌注桩的成孔质量，主要从以下三个方面来实现。①桩基北斗系统。可实现旋挖钻机姿态调整与位置监测，对桩位及成孔垂直度进行实时监测，及时修正。②倾角传感器。可对施工过程中钻孔深度、桩身垂直度等进行实时监测，并在一定范围内自动调整，在孔深不足、垂直度异常时及时进行现场提示。③电流传感器。旋挖钻机在不同地层工作时，要采取不同的钻进模式。电流传感器可对钻进的地层地质条件进行实时监测，判断是否入岩及入岩深度。特别是在进入新的地层时，要自动放慢钻进速度，对岩层先磨后压，平稳过渡不同地层，以免出现偏孔。

在成孔检测方面，除常规水文测绳及验孔器（孔规）检测外，可采用声波检测法来严控桩基成孔质量。通过在孔口设置超声波成孔检测仪，利用其下放的超声探头可快速在移动终端形成波形，从而准确判定是否有塌孔、缩径、错孔等情况出现。

5 结语

将旋挖钻机应用于包含流沙层复杂地质下的特高压大跨越工程基础灌注桩施工中，通过应用高护筒及新型制浆材料，对不同地层选择对应的钻进方法，并运用高科技手段来保证成孔质量。经现场实际应用，施工效率大幅提高，桩基质量符合要求，全部达到预期目标。事实证明，运用旋挖钻机有助于提高基础施工的自动化程度，在加强成孔控制的同时，降低对环境的污染。白浙线长江大跨越桩基施工的顺利完成，有效保障了总施工进度，为以后同类型桩基施工方法的改良提供参考经验，研究成果有助于其他类似工程建设和施工设计等方面的工作，具有广阔的应用前景。

参考文献：

［1］张福轩，邹强，赵森林，等.特高压直流双极线路间互感影响及控制策略改进［J］.电网技术，2017（11）：154-159.

［2］张天，龚雁峰.特高压交直流电网输电技术及运行特性综述［J］.智慧电力，2018（2）：87-92.

［3］周远翔，陈健宁，张灵，等.“双碳”与“新基建”背景下特高压输电技术的发展机遇［J］.高电压技术，2021（7）：2396-2408.

［4］徐志浩，郑云峰，马佳彪，等.旋挖钻机在山区复杂回填地层桩基工程实例［J］.中国建材科技，2022（3）：145-146，87.

［5］李志武，張浩，鞠军令.流沙地质旋挖钻孔灌注桩施工技术［J］.科技风，2020（33）：104-105.

［6］李正义，李俊龙，甘超，等.旋挖钻孔灌注桩在建筑桩基工程施工中的应用［J］.建筑技术开发，2022（13）：153-155.

［7］李永杰，姜杰松.旋挖机配套长护筒成孔技术在软土地层的应用［J］.科技创新与应用，2022（28）：177-180.

［8］杨晓菲.旋挖钻孔灌注桩施工常见问题及控制方法［J］.中国建筑金属结构，2022（8）：98-100.

［9］何光槐.不良地质条件下旋挖成孔灌注桩质量问题及防范措施［J］.工程技术研究，2022（2）：38-41.

［10］潘春地.旋挖机械成孔灌注桩施工要点探析［J］.科技视界，2022（21）：63-64.

［11］余呈水.软土地区旋挖钻孔灌注桩质量问题分析及预防处理措施［J］.福建建材，2022（10）：69-71.

收稿日期：2022-12-05

作者简介：钟文（1998—），男，本科，工程师，研究方向：输电线路施工技术管理；万华翔（1992—），男，本科，工程师，研究方向：输电线路施工技术管理；汤小兵（1992—），男，本科，工程师，研究方向：输电线路施工技术管理；单长孝（1979—），男，本科，高级工程师，研究方向：输电线路施工技术管理。