超大直径超深嵌岩桩成孔施工新技术

贾优秀 张 炬 张德献

1. 中铁十二局集团第四工程有限公司 陕西 西安 710021；

2. 南阳市市政工程总公司 河南 南阳 473200；

3. 河南一基基础工程有限公司 河南 南阳 473200

1 工程概况

广东省汕头市汕北大道东里河特大桥工程，桥梁全长1 261.6 m，主跨为148 m的变截面连续箱梁，桥梁单个主墩采用9根直径为2.5 m的钻孔灌注桩基础，设计桩长125 m，成孔全长133.75 m。

东里河特大桥水文地质情况复杂，主墩位于水上，采用钢平台作业。其中，空桩总长8.9 m，淤泥质黏土、粉质黏土、粗砂等高液限土总长104.35 m，弱风化微晶花岗岩地层总长20.5 m。

2 施工技术现状

此种超大直径超深嵌岩桩在国内外均比较少见。沪通长江大桥5#、6#主墩桩长117 m，为全土层地质，采用气举反循环钻机即可快速成孔。港珠澳大桥主墩平均桩长100 m，直径2.5 m，土质地层平均深度40 m以内，岩石地层平均深度60 m；嘉绍大桥N1#—主墩直径3.8 m，设计桩长105 m，全长118 m，土质地层为96 m，岩石地层为22 m。以上2座特大桥均采用全液压钻机配合刮刀钻头（适用土质地层）和牙轮钻头（适用岩石地层），钻杆带动钻头刮土钻进或依靠钻机自重和额外配重对牙轮加压钻进，采用空气气举反循环排渣方式。

该施工技术的优点为只需采用单一机械使用不同钻头便可完成成孔作业。缺点为牙轮钻头的作用机理是和岩石产生摩擦，继而碾碎岩石进行钻进作业，其在岩石地层中成孔缓慢，钻头磨损速度快、成本高。

3 新技术应用状况

广东省潮州市潮汕环线高速韩江特大桥桩基直径2.0 m、深92 m，其中嵌岩深度6 m，原技术采用冲击钻成孔，新技术采用回旋钻成孔泵吸反循环排渣＋冲击钻成孔气举反循环排渣的多机联合成孔工艺，较传统工艺工期节约70%，成本节约30%。

汕头市汕北大道东里河特大桥工程，桩基直径2.5 m，深度133.75 m，嵌岩深度20.5 m，根据项目缩短工期、节省成本的要求，在韩江特大桥施工技术的基础上，创新采用了回旋钻成孔泵吸反循环排渣、回旋钻成孔气举反循环排渣、冲击钻成孔气举反循环排渣相配合的施工新技术，充分利用了回旋钻成孔泵吸排渣的效率优势、气举反循环排渣的超深孔适用性、冲击钻岩石地层的经济性，成孔快速，成本低，可流水施工，节约总工期。

4 新技术特点

正常地质条件及深度范围下，采用回旋钻机泵吸反循环排渣，钻进效率高；根据离心泵效率的影响因素可知，适当地降低泵吸的高度可以有效地增大排水量。当施工中深度达到70 m以上时，将钻杆每次接长3 m，改为每次接长1.5 m，降低泵吸的高度可以有效地增大排水量，将泵吸反循环的适应深度从70 m提高到了100 m。

钻进深度超过100 m以后，采用相同的回旋钻机正循环压入泥浆钻进，同时下放排渣管进行气举反循环排渣，一条排渣管道排渣速度不足时，可采用多条排渣管同时排渣的工艺。钻进过程和排渣过程相互独立且同时进行，效率可以得到极大的保障。

钻进到岩石地层时，撤出回旋钻机至其他桩位施工，冲击钻机就位钻进，若按照传统方法采用传统悬浮钻渣的排渣工艺需要置换近600 m3泥浆，成本巨大，费工费时，新技术采用和回旋钻气举反循环排渣相同的设备和原理进行排渣，钻进和排渣同时进行，原有泥浆无需置换即可继续进行钻进作业[1-5]。

新技术的经济性表现在：牙轮钻头每成孔40 m需更换钻头合金牙齿，每换一次牙轮钻头钻牙的维修费用为12万元，折合钻具维修费用3 000 元/m；相同情况下采用冲击钻施工技术，每成孔40 m对钻头钻牙进行更换，每次更换费用为1万元，折合钻具磨损的费用为250 元/m。由此可知，相比传统的牙轮钻头，新技术的钻具维修成本降低90%，综合费用降低30%以上。

新技术的成孔速度优势表现在：正常钻进情况下，在微晶花岗岩地层中，冲击钻的钻进速度为1.0～1.3 m/d，全回旋牙轮钻机的钻进速度为0.3～0.6 m/d。

该组合施工新技术适用于各种桥梁、建筑物、水电站基础的超大直径超深嵌岩钻孔灌注桩施工（直径大于2 m、深度大于90 m）。

5 操作要点

5.1 钻孔前准备

1）组织技术人员与施工相关的人员熟悉设计图纸及相关规范，编写专项施工方案。

2）提前对进场的施工专业队进行技术、安全交底，熟悉现场环境，对施工的各种困难应做到充分了解。

3）准备好施工中所用的人员、机械、材料，制定电力供应计划以及空压机房、泥浆处理站的建设方案。

4）建立工地实验室，配备相应的泥浆检测设备。

5）施工场地“三通一平”。场地应平整坚实，防止钻进过程中钻机沉降造成质量事故。

5.2 安装泥浆循环系统并制备泥浆

原则上，泥浆应采用优质膨润土和专用的泥浆生产设备于孔外生产，但原地土质满足造浆要求时可采用正反循环钻机孔内造浆。钻孔过程中泥浆质量的控制是至关重要的。泥浆配制好后，要有专人负责试验工作，保证泥浆各项指标符合要求。主要测定泥浆的相对密度、含砂率、黏度、pH值和胶体率等，其中，微风化花岗岩地层中需特别注意与常规冲击钻参数有所不同，不符合使用要求时应及时进行调整。现场应储备足够的造浆材料和可靠的水源，以便调整泥浆参数。

5.3 长钻杆接长反循环钻进，泵吸排渣

此阶段正反循环钻机采用QY351型号，适用范围为0～70 m。

5.3.1 钻机就位

桩机就位前，先在钻机转盘中心位置放置铅垂线，通过观察铅垂线与钢护筒十字线的位置，调整钻机位置。通过调整钻机液压支腿来保证钻机整体处于水平状态，用水平尺检查转盘水平度。在钻机钻架升起后应再次校正钻机位置及水平度。钻机就位后，要保证钻杆中心、转盘中心、桩的设计中心三者在同一直线上。

钻机就位自检合格后，由技术人员及监理工程师验收就位情况，验收合格后将钻机与平台进行固定、限位，保证在钻进过程中不产生位移。

5.3.2 钻进与排渣

初始钻进的10 m内采用正循环钻进为主，实时排放钻渣，放慢钻进速度并不大于2 m/h，使泥皮充分形成，阻断泥浆与地下水之间的干扰，同时还可防止因孔边应力集中造成缩孔、坍孔。

正常钻进时应根据泥浆泵的出水量及钻头转速，及时调整钻进速度及钻头转速。水头大时可适当增加钻进速度及钻头转速，水头小时减小钻进速度及钻头转速。正常钻进速度宜为2～6 m/h，钻头转速宜为2～4 r/min。

钻进过程中应根据不同土层选择与之相适应的进尺、转速及钻压，每钻进2 m或地层变化时在钻渣出口处捞取钻渣样品，查明渣样并记录。当钻进至钢护筒底口上下2 m范围时，须采用低钻压、低转速、低进尺钻进。当钻头钻出钢护筒底口2 m后，恢复正常钻进状态。

钻进过程中保证钢护筒内水位稳定，随时进行补浆，保持钢护筒内水位高出地下水位2 m以上。发现斜孔时，应采用扫孔办法，及时进行纠偏。钻孔内严禁掉入杂物。钻杆连接时，检查钻杆接头是否有漏水漏气情况。

钻孔作业应连续进行，不宜中途长时间停止，尽可能缩短成孔周期。因故停止钻进时，严禁钻头留在孔内，每隔8 h彻底抽换一次，保证泥浆指标符合稳定孔壁的要求。

5.4 短钻杆接长反循环钻进，泵吸排渣

此阶段正反循环钻机采用QY351型号，适用范围为70～100 m。短钻杆接长反循环钻进的核心在于适当降低渣浆泵吸渣的最大高度，提高工作效率。

短钻杆不利于保证钻孔的垂直度，因此在用短钻杆接长并钻进完成后，应用长钻杆替换，即先用短钻杆接长，钻进完成后拆除短钻杆，再用长钻杆接上并继续钻进，依次替换接长钻进。钻进时根据渣浆泵出水量确定钻进速度，短钻杆接长钻进时的钻进速度宜为1～3 m/h。

5.5 正循环钻进，气举法排渣

此阶段仍然采用QY351型号的正反循环钻机，适用范围为100～113.25 m。

5.5.1 排渣系统选择

排渣系统主要技术参数：空气压缩机功率100 kW，排气量＞10 m3/min，气压＞1.6 MPa；排渣管总长120 m，直径200 mm，钢管和钢丝胶管壁厚≥3 mm；气管直径30 mm，最大承压3 MPa，长度80 m。采用泵吸反循环泥浆循环系统。

5.5.2 钻进

钻进时通过正循环泵将钻渣悬浮至距孔底3～5 m，利用排渣管进行气举法排渣。根据钻孔深度实时下放排渣管。钻进时先开动钻机的正循环泵，再开动空气压缩机，最后开始缓慢钻进。钻头转速不大于2 r/min，以防止排渣管与钻头缠绕。进尺速度应与排渣速度相协调。

暂停钻进并进行钻杆接长时，继续使正循环泵和气举排渣工作不少于5 min至不再有钻渣排出，然后关闭正循环泵，再关闭空气压缩机。要控制钻进速度，使钻进速度与气举排渣速度相匹配。经常观察排渣情况，排渣较多时应放慢钻进速度或采用2套排渣设备进行排渣。

其他钻进工艺同泵吸反循环成孔工艺。

5.5.3 排渣

排渣管尾管及气浆混合室采用钢管（图1），可以作钢丝胶管的配重，使排渣管顺利沉入孔底3 m处（排渣管底部距钻头顶部不少于1 m）。开动空气压缩机，气压上升至标准气压并正常排渣后，开始正循环钻进。

图1 冲击钻钻进时的气举排渣管安装

尾管与气浆混合室通过法兰盘与钢丝胶管连接，泥浆通过钢丝胶管排入泥浆池。气浆混合室的位置随着钻进深度的增加应进行调整，尾管长度不宜过大，气浆混合室宜在孔深度的0.4～0.6倍处。

5.6 冲击钻钻进，气举法排渣

此阶段采用冲击钻机，适用范围为113.25～133.75 m。冲击钻机主要技术参数：电机功率180 kW，卷扬机额定起重量10 t，最大成孔深度150 m；钻头质量10 t，采用实心十字钻头；钢丝绳同向捻制，安全系数不应小于1.5。

5.6.1 排渣系统选择

排渣系统与5.5.1节的排渣系统相同。

5.6.2 钻机就位

利用吊机将冲击钻机吊放就位，钻头和钻杆中心与钢护筒中心的偏差不得大于5 cm。

5.6.3 钻进

向孔内投放石块，使既有孔底平整，同时向孔内投放优质膨润土，使泥浆相对密度保持在1.2～1.3。

开始钻孔时应先采用小冲程，锤高宜为0.4～0.6 m。既有锥形孔底钻进完成后，才可加快速度，将锤提高至1.0～2.0 m转入正常冲击。

钻进过程中，应勤松绳和适量松绳，不得打空锤。钢丝绳与钻头间需设转动装置并连接牢固，钻孔过程中应经常检查钻头状态及转动是否正常、灵活。随时检查钢丝绳扭转情况，避免产生十字孔。泥浆相对密度较高时，钻头无法正常转动，可通过气举法清渣或利用锤头上下活动搅拌的方法调整泥浆相对密度。

泥浆相对密度较低时，泥浆悬浮钻渣能力降低，将造成冲击钻钻进进尺较慢或不进尺，可通过投放优质膨润土的方法来增加泥浆相对密度。每班应将钻锤拉出水面检查其磨损情况，同时检查保护绳情况、钢丝绳磨损情况，出现异常时应及时进行处理，以免出现卡锤。正常钻进过程中宜优先采用全自动钻进。

5.6.4 排渣

每钻进0.7～1.3 m或每班，采用气举反循环排渣系统排渣2次，清渣时应停止钻进，排渣管应下放至距孔底5 m处。开动空气压缩机，空气压力上升到一定压力时排渣管开始排渣，排渣正常后逐渐下放排渣管至距钻头顶部1 m处，上下提放钻头，使泥浆与钻渣冲起并通过排渣管排出。排渣完成后，将排渣管提出至距孔底5 m以上，即可继续进行钻进作业。

5.7 清孔

采用气举反循环法清孔。根据钻孔桩桩底的设计标高和钢护筒顶标高，计算出钻孔深度，采用测量钻杆总长及钻头高度的方法计算孔深，钻进到位后进行清孔，保证清孔后的各项指标符合设计要求。在吊入钢筋骨架后、灌注水下混凝土前，应再次检查泥浆指标和沉淀层厚度，若超过规定，应利用导管进行二次清孔。

6 效益分析

通过对现场同时使用的2种施工工艺进行对比得出，多级联合成孔新技术的成孔效率较传统全回旋钻机提高2倍，钻具维修费用降低90%以上，综合费用降低30%以上。

7 结语

超大直径超深嵌岩桩施工的技术要求高、难度大、成本控制严格、工期影响大，如果在施工准备阶段的施工工艺或钻孔机具类型选择不适，容易造成工程进展不顺利、工期拉长、成本剧增，甚至引发施工质量事故。汕头市汕北大道东里河特大桥施工中通过合理的钻机选型、要素匹配，完善的施工工艺及过程控制措施，顺利地完成了36根大直径、超深长桩的施工，经检测全部为Ⅰ类桩。基于该新技术的成功运用，在常规的短嵌岩桩基础施工中，采用回旋钻成孔泵吸反循环排渣＋冲击钻成孔气举反循环排渣技术代替传统的冲击钻成孔施工，可以减少成本50%，节约工期40%以上，因此该新技术具备较好的推广价值。