復雜地質區大直徑超長樁多機聯合成孔技術

劉向榮，施 飛，趙小軍

（中建三局基礎設施事業部，湖北 武漢 430070）

1 工程概況

1.1 項目概況

武漢江漢六橋位于長豐橋與知音橋之間，是武漢市第六座跨漢江大橋。主橋為三跨自錨式懸索橋，橋長682 m。主塔共有橋墩2座（3#、4#），采用分離式承臺，每個承臺分布9根直徑2.5 m的鉆孔灌注樁，共36根。3#橋墩樁基設計樁長110 m，4#橋墩樁基設計樁長96 m。

1.2 地質概況

據主橋墩鉆孔揭露，上覆層上部為松散～稍密的粉細砂，中部為中密～密實狀態的細中砂，下部為中密狀態的卵礫石土、半成巖?；鶐r為二疊～泥盆系泥質粉砂巖、石英砂巖、灰巖、炭質頁巖。主橋墩地層自上而下主要由8個單元層組成，根據各單元層內物理力學性質差異又可分為若干亞層，具體見圖1所示。

圖1 地層分布圖

1.3 樁基施工難點分析

（1）地質條件復雜。砂層厚度達到35～60 m，與漢江有水力聯系，容易發生坍塌變形，砂層中泥漿指標控制、鉆壓及鉆進速度控制為施工過程中的難題；基巖巖性變化大，軟硬不均，入巖深度高，根據現場實際施工情況，最大入巖深度達19 m。

（2）樁基屬于大直徑超長樁，成孔過程中垂直度的控制、泥漿指標控制、沉渣厚度控制均為成孔過程中的重點和難點。

（3）工期緊。樁基于2011年11月開始施工，為搶占枯水期進行下部結構施工，樁基施工工期須控制在3個月以內，施工工期緊張。

2 施工工藝分析及選擇

目前，沖擊鉆機、回旋鉆機、旋挖鉆機是最常見的樁基施工機械。這三種施工方法各有特點，見表1所列。

該工程樁基地質條件復雜，樁徑大，樁長深，工期緊，經過對地質條件及工程特點研究分析后決定，采取旋挖鉆和回旋鉆機聯合成孔的施工工藝。在土層中施工，可以充分發揮旋挖鉆機成孔速度快、質量高的特點；在巖層中施工，由于常規沖擊鉆受到鉆孔直徑和孔深的限制，因此采用回旋鉆機進行巖層施工。

3 多機聯合成孔技術特點

該項工程采用旋挖鉆和氣舉反循環回旋鉆機聯合成孔工藝，根據不同的地層采用不同工作原理的鉆機進行施工，充分利用不同鉆機針對不同地層的優勢，達到提高效率、縮短工期、保證質量安全、節約成本的目的。

4 機械選型及參數

4.1 旋挖鉆機選型

根據該項工程施工的實際需要，旋挖鉆機采用國內領先的TR400C型旋挖鉆機進行施工。主要參數如表2所列。

表1 三種鉆機比較表

表2 旋挖鉆機技術參數一覽表

4.2 回旋鉆機選型

回旋鉆機采用GYD300液壓式回旋鉆機，主要參數如表3所列。

表3 回旋鉆機技術參數一覽表

5 多機聯合成孔施工流程及操作要點

5.1 施工流程（見圖2）

5.2 操作要點

5.2.1 測量放樣

圖2 施工流程圖

樁基的平面定位采用坐標法，復核后在樁中心位置釘以木樁，并在鋼護筒范圍以外設置4根護樁。施工中要妥善保護護樁，不得移位或丟失。

5.2.2 護筒埋設

樁基施工采用筑島的方式形成樁基施工平臺，3#墩筑島平臺標高+20.5 m，樁頂標高+13 m，4#段筑島平臺標高+19.5 m，樁頂標高+8 m。鋼護筒直徑2 800 mm，長度5 m，采用挖坑埋設法實測定位，埋設應準確、水平、垂直、穩固。護筒底部和四周應采用黏質土回填并分層夯實，護筒中心豎直線應與樁中心重合，平面允許誤差為50 mm，豎直線傾斜不大于1%。為確保樁位質量，樁位采用全站儀定位，護筒埋設后，再次進行復測。護筒就位后，在護筒口上焊十字鋼筋架（檢查完后割除），在其中心掛一線錘校核護筒的安設位置。

5.2.3 泥漿配置

泥漿制備時采用優質膨潤土和泥漿攪拌機在孔外制漿。設置專門的貯漿池保證泥漿的循環利用，同時避免了泥漿對環境的污染。

在該項工程施工過程中，不同階段泥漿作用不同。由于該項工程樁基施工穿越厚砂層，旋挖鉆機在施工過程中采用靜態泥漿護壁濕法施工工藝，泥漿主要起到護壁和固孔作用，而在氣舉反循環回旋鉆機在巖層中鉆進時，泥漿除了護壁固孔作用外，還有排渣作用。對于旋挖鉆機的泥漿指標控制，目前還沒有相應的規范，該項工程鉆進過程中，泥漿主要指標如表4所列。

表4 泥漿主要性能指標一覽表

在氣舉反循環施工過程中，為了控制含砂率，利用泥沙分離裝置降低泥漿中的含砂率。

5.2.4 旋挖鉆機定位及鉆進

5.2.4.1 旋挖鉆機定位

對于旋挖鉆機，在進行鉆孔作業時，由鉆機自身的回旋自動定位控制系統自動、快速、平穩地對正孔位，不需要人工對準孔位。

5.2.4.2 旋挖鉆機鉆頭選擇

旋挖鉆機在砂層中鉆進，普通鉆斗經常會“跑空”，撈不到砂子，因此，選用撈砂式封底鉆斗（見圖 3）。

圖3 斗齒雙底撈沙斗實景

5.2.4.3旋挖鉆機鉆速控制

旋挖鉆機啟動后，初始采用低速鉆進，主卷揚機鋼絲繩承擔不低于鉆桿、鉆斗重量之和的20%，保證孔位不產生偏差。在亞黏土層中鉆進時，考慮到亞黏土塑性好、土質硬、穩定性好，采用中等壓力高檔鉆速鉆進，每鉆進尺控制控制在60 cm左右。砂層鉆進時由于砂土穩定性差，土體經擾動后易坍孔，采取增壓低速鉆進，每鉆進尺深度控制在40 cm以內，并加大泥漿泵入量，減小對土體的擾動以防坍孔。在軟硬土層換界面處注意控制鉆速和鉆壓.并采用二次復鉆掃孔，避免產生孔斜。

5.2.4.4 垂直度控制

旋挖鉆機施工，在其駕駛室內裝有桅桿垂直度儀、鉆塔垂直度及鉆孔深度由電腦控制，使鉆機水平就位，垂直調平時具有非常高的準確性。鉆進過程中操作人員可隨時了解鉆機的平穩狀態，提高成孔效率、確保成孔質量。

5.2.5 鉆機轉換

在旋挖鉆機鉆進接近巖層頂面時，更換回旋鉆機在巖層中繼續鉆進至設計孔深。該項工程選用GYD300回旋鉆機，主體總重量約33 t。為提高效率，利用70 t履帶吊整機移位，利用全站儀進行定位，底座和頂端應平穩，利用鉆機自身液壓系統調整立臂垂直度，保證孔位中心、鉆頭中心在同一直線上。

5.2.6 回旋鉆機鉆進

5.2.6.1 鉆頭選擇

對于回旋鉆機，主要在巖層中進行施工，因此采用針對巖層施工的滾刀鉆頭進行施工（見圖4）。

圖4 滾刀鉆頭實景

5.2.6.2 配重及鉆進速度控制

由于施工區域巖性變化大，軟硬不均，對于不同類型的巖層，采取不同的鉆壓及轉速（見表5）。每隔1 h必須認真觀察鉆渣一次，以判斷鉆孔所在位置。

表5 在不同巖層中鉆進的技術指標一覽表

5.2.6.3 垂直度控制

回旋鉆機施工過程中，鉆機就位后要準確、水平、穩固，定位后要墊實，以保證鉆機的平衡運行；成孔過程中，鉆機塔架頭部滑輪組邊緣、轉盤中心、鉆孔中心應始終保持在同一鉛垂線；為保證鉆孔的垂直度，必須采用減壓鉆進，即鉆機的主吊鉤始終要承受部分鉆具的重力，而孔底承受的鉆壓不超過鉆具重力之和（扣除浮力）的80%；鉆頭入巖時，要輕壓鉆進，待鉆進0.2～0.3 m后，提起鉆桿掃孔，在沒有任何阻力即電流表沒反映或回旋壓力表沒有變化時再繼續鉆進。當巖層位發生變化時，需要重復上述操作。鉆進過程中當發現孔斜時，應立即進行上下掃孔，直到將孔掃直，方可繼續鉆進，嚴禁發生孔斜時，強行鉆進至終孔。

5.2.7 成孔檢測

成孔是灌注樁施工中的第一個環節，成孔的質量直接影響到成樁質量。因此，在混凝土澆注前對灌注樁成孔進行質量檢測顯得十分重要。該項工程采用超聲波技術對成孔質量進行控制，主要檢測孔徑測量、垂直度測量、沉渣厚度測量。成孔質量檢測很好地將施工隱患消除于成樁前，有效地避免了可能給投資者造成的巨大經濟損失和不良社會影響，為工程進度提供了有利的保障。

6 經濟效益比較

采用多機聯合成孔的施工工藝，在砂土層中采用旋挖鉆機鉆進，巖層中采用回旋鉆機鉆進，與常規的一種鉆機施工工藝相比，具有如下優勢。

6.1 施工效率高

以該項工程為例，在相同的綜合地質條件下，施工90 m深土層，采用回旋鉆機，施工時間需要10 d；采用旋挖鉆機僅僅1 d即可完成。統計表明，旋挖鉆機施工效率是普通回旋鉆機的10～14倍，是普通沖擊鉆機的20～28倍。

6.2 施工質量好

旋挖鉆機自帶有自動測斜裝置，鉆塔垂直度及鉆孔深度均有儀表顯示，其底盤可伸縮并自動整平，鉆進時非常平穩，可以隨時監測并調整垂直度，有效保證其垂直度。氣舉反循環回旋鉆機施工，自帶反循環系統進行一次清孔，清空效率高，效果好，且配置泥沙分離裝置，能有效控制含砂率和沉渣厚度。

6.3 良好的環保性

旋挖鉆機靜態泥漿施工工藝，施工過程中噪音低、震動小，且樁渣子集中地方外運，機械化程度高，利于現場文明施工管理。

7 小結

該項工程樁基施工，采取旋挖鉆機和氣舉反循環回旋鉆機聯合成孔的施工工藝，有效地縮短了工期，保證施工質量，同時具有環保性，總體來說此施工工藝經濟效益和社會效益顯著，具有較高的推廣價值。

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