近海河口環境大直徑、超深鉆孔樁施工技術

劉傳志

摘要：文章以福建瑯岐閩江大橋4#墩鉆孔樁施工為例，從鉆機選型、鉆進參數控制、泥漿性能控制、鉆孔垂直度控制等方面介紹了近海河口環境大直徑、超深鉆孔樁結構的施工特點，為類似工程提供可借鑒的經驗。

關鍵詞：鉆孔樁；鉆進參數；泥漿性能；垂直度

中圖分類號：TU753 文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2012）01-0093-04

一、概述

瑯岐閩江大橋4#主墩32根φ2.8m鉆孔樁工程，從2011年4月19日開工至9月24日順利完成，歷時5月余。施工期間，克服了大潮汐、復雜地質、海水拌漿和強臺風等困難，施工工序復雜，在橋梁建設的近海環境大直徑、超深鉆孔樁結構中具有較強的代表性，本文通過介紹4#墩鉆孔樁的施工方案選型及主要控制措施，敘述近海環境大直徑、超深鉆孔樁結構的

施工。

二、工程概況

4#墩為主塔墩，基礎結構為整體式基礎，采用32根φ2.8m鉆孔樁，樁基呈行列式布置，縱橋向布置4排，橫橋向布置8列，順橋向樁距8.0m，橫橋向樁距6.0m，樁基礎按柱樁設計。鉆孔樁樁頂標高為+0.0m，樁底標高根據地質情況不同各孔位并不相同，最大設計樁長103.5m，4#墩結構示意見圖1：

4#墩巖面標高-57～-60.7m，主要為花崗巖局部穿插輝綠巖巖脈。強風化層厚11.4～37.2m，上部為砂礫狀，下部為碎塊狀，以砂礫狀為主，其層厚為6.1～37.2m；碎塊狀層厚分布不均且變化較大，局部缺失，最大厚度可達19.1m；中風化層面標高-69.3～-97.8m，分布均，厚度變化大，局部鉆探孔位缺失，最大中風化層厚為14.8m。微風化巖面起伏較大，標高-70.7～-101.5m，整體上微風化巖面由下游向上游逐漸抬升。

根據設計圖紙資料統計，橋位處：平均高潮位：+4.828m；平均低潮位：+0.728m；最低潮位：-0.622m；最大潮差：6.48m；平均潮差：4.09m。

三、施工特點及難點

（一）施工特點及難點

1．鉆孔樁數量多、深度深、孔徑大。瑯岐閩江大橋4#墩共有32根φ2.8m鉆孔樁，最大設計樁長103.5m，至鉆孔平臺深度達到110m。

旋轉鉆鉆桿長細比變大，剛度變柔，動力頭傳遞到鉆頭上的扭矩損失大，有效扭矩變小；鉆桿易擺動變形，容易因彎扭組合作用而導致鉆桿疲勞斷裂。

2．地質條件差。基巖面傾角大，同一根樁斷面內半邊硬半邊軟，基巖單軸抗壓極限強度最高達到128MPa，孤石多，軟硬夾層多，中風化夾層厚。旋轉鉆鉆孔易形成斜孔與S形彎孔；旋轉鉆鉆桿擺動大，彎扭組合引起鉆桿疲勞斷裂。

3．近海河口受河流水流與潮汐相互影響水文環境復雜。瑯岐閩江大橋橋址河段受徑流與潮汐兩方面的共同影響，汛期上游洪水徑流來量的大小，對橋址的流量、流速、水位影響顯著，非汛期以潮汐特征水流現象出現。

根據設計圖紙資料統計，橋位處：最大潮差：6.48m；平均潮差：4.09 m；最大流速達到2.93m/s。

橋址河段水流流速大，河床沖刷嚴重，根據實際觀測，在鉆孔期間最大河床沖刷深度達到3～5m。

4．近海河口位置海水制漿，泥漿性能差。由于橋址位置淡水資源緊缺，需用橋址河段河水造漿，橋址位置受潮汐影響，此段水體為上游來水和海水的混合，用此類水體制出的泥漿粘度小，膠體率低，泥漿護壁質量差，易沉淀。

泥漿護壁質量差，鉆孔過程中容易產生塌孔埋鉆；灌注樁身混凝土過程中易塌孔斷樁。

泥漿穩定性差，泥漿中的固、液兩相容易分離，鉆渣沉淀太快，清孔困難，稍有不慎極易引起沉碴厚度超標。灌樁過程中混凝土上翻包裹沉渣易形成軟弱夾層而斷樁

（二）研究的關鍵技術問題

針對本橋主塔鉆孔樁的施工特點和技術難點，施工技術重點研究以下四個方面：

1．如何確保大孔徑、深度深鉆孔樁成孔質量、進度。

2．如何確保成孔的垂直度（不彎孔、斜孔）。如何避免因彎孔、斜孔而引起卡鉆、別鉆、扭斷鉆桿等事故。

3．如何在近海河口受河流水流與潮汐相互影響復雜水文環境，確保成孔安全。

4．如何確保鉆孔泥漿性能，提高泥漿護壁質量，保證成孔和混凝土灌注質量。

四、主要施工方案

（一）成孔設備及配合機械選型

1．成孔設備選型。瑯岐閩江大橋4#墩鉆孔樁直徑大，深度深，選用KTY-4000型旋轉鉆成孔。

該鉆機可滿足Φ2.8m鉆孔樁施工，最大鉆孔深度可達130m。該鉆機底盤較重，鉆孔穩定。該型號的鉆機為國內比較先進的鉆機，可實現電控或液控恒壓自動給進，無級變速，密封性能好，能保證成孔質量，并能大幅減輕工人的勞動強度，提高工效。

2．配重、穩定器的設置。因4#墩孔深、巖硬、地層多、傾角大，如配重過輕則鉆進效率低、成孔的垂直度不易控制，所以決定增設配重，總配重達到60t，另加鉆頭、穩定器、風包等鉆具總重約為90t，另在鉆頭穩定器外再增設一個鉆桿穩定器，以確保孔的垂直度。

（二）鉆進施工控制

1．出護筒前清水鉆進。鉆具下放到位后通過鉆桿中心管將孔內海水置換為底潮位時河水。由于護筒的保護作用，在護筒內采用清水鉆進。

2．孔內拌漿。護筒底口標高在-25米左右，為保證出護筒后安全護壁，在-22米處開始孔內拌漿，待泥漿性能滿足規范要求后再進行鉆進。

3．出護筒底口鉆進控制及出護筒后水頭控制。鉆頭邊刀出護筒底口時將轉速降低，減小鉆壓，平穩鉆進，觀察是否有刮擦護筒現象。當邊刀、鉆頭護圈依次安全出護筒后，謹慎緩慢提進護筒內，進出自如后方可繼續鉆進。

根據2011年閩江潮汐表中的數據，動態控制護筒內泥漿面的高度，時刻保持高于江面水位2～4m。

4．淤泥以及粉質粘土層鉆進。淤泥和粉質粘土質軟，鉆進容易，但是極易糊鉆或裹鉆。故此層鉆進過程中需對于泥漿的和鉆壓的嚴格控制。經過試驗和調節，鉆進參數：鉆壓20～25t，轉速到 7～9r/min，每小時進尺能達到0.5～0.7m/h，出渣效果良好，均為小塊狀泥團，后期提鉆觀察無糊鉆或裹鉆情況出現。

5．卵石土層鉆進。各孔在標高-55～-61m之間出現卵石土層。因卵石層間隙大不易護壁，宜將泥漿調濃。卵石土中，經實踐得到鉆進參數為：鉆壓20t，轉速5r/min，進尺能達到0.3～0.4m/h左右，且孔型良好。

6．強風化花崗巖鉆進。各孔在-60m左右開始進入強風化花崗巖，強風化花崗巖呈散粒狀夾泥質，巖質軟。入巖初期繼續采用卵石土層鉆進參數，進尺在0.25～0.3m/h左右，鉆進平穩，同時加大垂直度監測力度，效果較為理想。在進入強風化巖4m以后，即鉆頭穩定器已完全進入強風化層，開始調節鉆進壓力以便取得最佳進尺效果，經實踐鉆進參數調整為：鉆壓45～50t，轉速7～9r/min，進尺可達到0.6～0.7m/h，且能保持良好孔型。

7．中風化花崗巖鉆進。該層強度相對于強風化巖質堅硬，鉆進困難，鉆機晃動大，易憋鉆。調節鉆進參數到鉆壓55～60t，轉速4～5r/min，進尺可達0.08～0.12m/h，同時堅持每節鉆桿的垂直度測量與掃孔達到標準后再接下節鉆桿鉆進，確保成孔垂直度。

8．微風化花崗巖鉆進。微風化花崗巖層強度明顯高于中風化花崗巖，更換球齒鉆頭鉆進，通過實驗和調節，球齒鉆頭相對楔齒鉆頭有明顯優勢。當鉆進參數調節為：鉆壓65～70t，轉速3～4r/min，每小時進尺0.05～0.08m左右。

（三）鉆孔泥漿控制

1．泥漿配合比確定。由于瑯岐橋地處閩江入海口，受潮汐影響大，漲潮時海水倒灌進入閩江中。海水中的大量鹽分和礦物質對泥漿性能會造成極大破壞，威脅成孔安全。

經過技術人員反復試驗證明直接利用漲潮海水拌漿不可取，只有當閩江水位降至+2米以下之后的底潮江水才符合拌漿要求。以湖南膨潤土為原料，用閩江底潮水試驗得到最佳配合比為：水1000︰土100︰純堿3︰聚丙烯酰胺0.015。靜置12h后泥漿性能參數為：比重1.06，粘度18s，pH11，膠體率100%，此泥漿能夠滿足本工程地質鉆孔施工的要求。

2．拌漿水儲備。充分利用現場未開鉆的護筒，將護筒內原有海水抽干，待到江水落潮到+2米以下之后，再補入底潮閩江水，以備各孔鉆進時補水制漿，而不破壞孔內泥漿性能。

3．出護筒泥漿控制。出護筒前，按照原始配合比拌漿，確保出護筒時孔內泥漿性能滿足要求。

4．淤泥以及粉質粘土層泥漿控制。結合粉質粘土層造漿能力強以及容易糊鉆的特點，泥漿粘度控制在17～17.5s之間，pH 8，比重1.08～1.15均可。泥漿通過補水和添加添加劑實現調節。

5．強風化花崗巖以及強風化輝綠巖層泥漿控制。強風化花崗巖和強風化輝綠巖，均為泥質結構，有一定造漿能力，特別是強風化花崗巖中含有大量砂礫，鉆進時泥漿比重、粘度迅速上升。此時開啟泥漿分離器進行清砂，同時向孔內注入底潮河水來補充因降砂而流失的水頭，在降砂、降低比重的同時，還降低了粘度，能有效加快進尺效果，減少刀具磨損。

6．中風化層以及微風化巖層泥漿控制。中風化和微風化巖層孔壁密實，保持泥漿17～17.5s之間，pH8，比重1.08～1.15即可。

7．終孔和一次清孔泥漿調節。終孔前，開啟泥漿分離器，分離出泥漿粉砂和細砂，同時投放純堿以及聚丙烯酰胺調節，確保提鉆時泥漿指標：比重：1.09～1.10，粘度≥17.8s，膠體率≥95%，含砂率≤0.05%。

（四）鉆孔垂直度控制

1．地質分析。結合第一輪中個別孔出現斜孔，以及地層多、傾角大、交接處軟硬不均、輝綠巖夾層巖體易碎等因素，針對地質報告以及各機鉆進情況的統計研究，總結出瑯岐大橋地質類型在鉆孔施工中容易形成斜孔的地層：

（1）強風化巖層交接面。強風化巖面自身都有一定斜面傾角（一般為東南方向傾斜），極為容易由于進尺過快，形成偏斜，進一步導致斜孔。

（2）強風化與中風化交接巖面。中風化花崗巖強度相對強風化花崗巖明顯增大，而且一般帶有較大傾角斜面。此段入中風化巖面容易形成大角度斜孔。

（3）中風化與微風化交接巖面。中風化進微風化巖面從地質圖上分析，巖面傾角很大，傾斜角度達到70°，且微風化花崗巖的強度相對于中風化花崗巖強度又大大增強，此段入微風化巖面容易形成大角度斜孔。

2．控制方法。充分利用鉆頭穩定器和鉆桿穩定器，在進入如上各個交接層面時，及時調整鉆進壓力，采用進二退一方法鉆進。

入強風化巖面鉆壓在20～30t之間，入中風化在30～35t之間，在進入各地層4米之后，即鉆頭穩定器進入下個巖面，再適當加壓增加進尺速度。

在進入-50m到入微風化花崗巖之后的每一節鉆完，提起整節鉆桿用吊線法測量鉆桿垂直度，然后空轉掃孔觀察扭矩表指針變化情況和鉆桿晃動情況，如果鉆桿晃動大以及扭矩指針跳動急促，則孔型有可能偏斜，將提升鉆頭到不晃的位置，輕壓慢轉，反復掃孔，直至基本無晃動和扭轉變化值小于2個或以

下為止。

五、結語

瑯岐閩江大橋4#墩鉆孔樁具有近海河口環境、大直徑、超深、大傾斜基巖地質條件等特點，使得施工非常困難。實踐證明，在此類結構施工通過優化施工方案、加強施工過程控制等措施，確保整個施工過程安全順利完成。

（責任編輯：趙秀娟）