深水大直徑超長鉆孔灌注樁施工技術

白海洋 馮輝

摘要：以頭門港支線靈江特大橋深水墩鉆孔灌注樁工程為背景，從鉆機選型、鉆進參數控制、泥漿性能控制、鉆孔垂直控制等方面介紹了近海河口環境大直徑、超長鉆孔灌注樁施工，采用氣舉反循環施工工藝，面對復雜地質情況下，成功完成深水墩樁基施工，為中國深水群樁施工積累了寶貴的經驗。

關鍵詞：深水墩；鉆孔灌注樁；控制；氣舉反循環

1 工程概況

本工程項目頭門港支線靈江特大橋是新建金華到臺州鐵路的控制性及重難點工程，位于浙江省臺州市境內，起訖里程TDK3+573.96-TDK8+523，線路長度4.949km。靈江特大橋在TDK6+501.08-TDK7+143.08處以（92+3*152+92）m連續梁-拱跨越靈江，線路與水流方向右前角為82°。靈江目前通航1000t級海輪，Ⅳ級航道，遠期規劃為Ⅲ級航道。通航凈空高度22.5m，單向通航凈寬118m。

2 施工特點及難點

2.1 鉆孔樁數量多、深度深、孔徑大

靈江特大橋共有7個水中墩，分別為61#-67#墩。共有86根φ2.0m，56根φ1.25m鉆孔樁，最大設計樁長79m，至鉆孔平臺深度達96.5m。

2.2 水文環境復雜

橋址位于靈江河口區的進口段下游，近海口，橋址處河段受徑流與潮汐的共同作用，平時江水由感潮水流控制，每天兩次漲退，退潮時，水面比降變大，洪水下滯快，最大漲潮流速為2.32m/s，最大落潮高差為18m。

2.3 地質條件復雜

地址表層河床以下依次為第四系全新統海積淤泥質粉質粘土達35m左右，粗圓礫土達45m左右，巖層達10m。

2.4 近海河口位置海水制漿，泥漿性能差

橋址位置受潮汐影響，此段水體為上游來水和海水的混合物，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渣厚度超標。灌樁過程中混凝土上翻包裹沉渣易形成軟弱夾層而斷樁。

3 研究的關鍵技術問題

根據本橋水中主墩鉆孔樁的施工特點和技術特點，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條件下，確保成孔質量。

（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

4 主要施工方案

4.1 成孔鉆機及配套設備選型

4.1.1 成孔鉆機選型

針對本工程復雜的地質水文情況，結合施工工期、施工工藝、施工成本以及類似施工案例等因素，最終選擇ZD-3000型氣舉反循環鉆機施工。主要考慮因素如下：

（1）沖擊鉆雖然施工成本低，但施工進度緩慢，根據本工程實際的地層條件，正常情況下，成樁周期約25d左右，由于本工程工期較緊，無法滿足工期要求，故無法選用沖擊鉆。

（2）履帶式旋挖鉆適用于各種土質層和砂類土、碎（卵）石土或中等硬度以下巖基的橋墩樁基施工。但由于本工程受潮水漲落影響，孔壁不穩定，孔內容易發生漏漿，尤其是卵石層，根據類似工程采用旋挖鉆成孔極易塌孔，不適合在水上或地下水豐富的地層中施工，故本工程不選用旋挖鉆。（3）回旋鉆分為正循環鉆和反循環鉆。

正循環鉆由于鉆具結構特征和流體力學動力特點，決定了大直徑樁基施工采用正循環體系低下和難以清除孔底鉆渣，故不選用正循環鉆。

反循環鉆進在國際上是從20世紀50年代開始發展起來的。反循環鉆機有射吸反循環，氣舉反循環，泵吸反循環，各有特點。氣舉反循環鉆機，是鐵路和公路橋梁等大型基礎工程鉆孔施工最理想的施工設備，可在孔徑φ1.5～φ3.0m，巖石單軸抗壓強度σc≤200MPa的基巖中任選孔徑下鉆進，鉆進深度可達130m，在覆蓋層中的鉆孔直徑可達6.0m。該設備成功的使用在福建青州大橋等施工。根據本工程特點，故選用氣舉反循環鉆施工。

靈江特大橋選用的ZD-3000型氣舉反循環鉆機，該鉆機可滿足φ2.0m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，無極變速，密封性能好，能保證成孔質量，并大幅減少工人的勞動強度，提高工效。在實際施工中，正常情況下，成樁周期約7d，遠快于沖擊鉆成孔周期25d，滿足本工程工期要求。

4.1.2 配套設備選擇

4.1.2.1除砂泵

泥漿處理設置與泥漿系統相關聯的ZX-250黑旋風旋流除砂裝置，迅速降低泥漿中的含沙量、凈化泥漿、確保泥漿復合本工程要求，提高成孔質量及效率。

4.1.2.2空氣壓縮機

氣舉反循環鉆進效率主要取決于混合器的沉沒深度、空氣壓縮機的送往孔內的空氣壓力、送風量。為了獲得足夠的上返速度，當地下水位較深、沉沒比較小，鉆孔口徑和雙臂鉆桿內徑較大時，應選用大風量的空壓機，以提高鉆進效率。反之，可選擇小風量的空壓機，以節約能源及降低成本。

4.1.2.3鉆頭

不同的地層采用不同的鉆頭，靈江特大橋上部第四系地層采用雙腰帶三翼刮刀鉆頭，基巖采用滾刀鉆頭。

4.2 鉆孔泥漿控制

靈江特大橋鉆孔深度達96.5m，鉆孔土層主要含淤泥、砂層等，松散、易塌孔，另外如此長的樁成孔、接長鋼筋籠、下導管、二次清孔、澆筑砼等的時間相當長，造成晾孔時間長，對孔壁穩定相當不利，根據已有的施工經驗，用好泥漿是孔壁穩定、成孔順利、混凝土灌注質量好的重要保證。

4.2.1 泥漿配合比確定

由于靈江特大橋地處靈江河口區的進口段下游，近海口，受潮汐影響大，漲潮時海水倒灌進入靈江中。海水中的大量鹽分和礦物質隊泥漿性能會造成極大破壞，成孔質量無法保證。經過現場技術人員反復試驗，利用漲潮海水拌漿不可取，只有當靈江水位降至-2.5m以下之后的底潮江水才符合要求。以膨潤土、CMC、FCLS為原料，與底潮江水配制高級復合泥漿，以保證泥漿良好的護壁效果。

4.3 鉆孔垂直度控制

4.3.1地質分析

根據本工程的地質報告和樁基實際鉆進情況的統計研究，總結出靈江特大橋地質類型在鉆孔施工中容易形成斜孔的地層：強風化巖層交接面、強風化與中風化交接巖面。從本工程實際施工中總結出，氣舉反循環在淤泥質粘土層和卵石層中鉆進可以很好的保證鉆孔的垂直度。

4.3.2 控制方法

充分利用鉆頭穩定器和鉆桿穩定器，在進入巖層交接面時，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。

4.4 二次清孔選擇

相對于正循環清孔而言，采用氣舉反循環清孔工藝更為普遍。氣舉反循環清孔的物理學原理和成孔原理一樣，只是在操作或者某些設備上有細微差別，其攜渣能力強，清孔徹底，可進一步減小孔底沉渣厚度，提高樁端承載力，清渣速度快，可縮短工期，降低施工成本。

結語

頭門港支線靈江特大橋水中墩鉆孔灌注樁工程采用氣舉反循環工藝，解決了很多其他鉆機鉆進無法解決的技術難題，其鉆孔灌注樁工程的成功實踐證明，對于大直徑超長樁應根據地質條件選擇相應的鉆進工藝和鉆頭，采用優質泥漿護壁，根據樁孔狀況優選鉆進參數。鉆進方法應根據切實可行、經濟、高效的原則進行優化選擇，并制定相應的技術措施，可以取得很好的實施效果。

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