超大直徑超深嵌巖樁成孔施工新技術

賈優秀 張 炬 張德獻

1. 中鐵十二局集團第四工程有限公司 陜西 西安 710021；

2. 南陽市市政工程總公司 河南 南陽 473200；

3. 河南一基基礎工程有限公司 河南 南陽 473200

1 工程概況

廣東省汕頭市汕北大道東里河特大橋工程，橋梁全長1 261.6 m，主跨為148 m的變截面連續箱梁，橋梁單個主墩采用9根直徑為2.5 m的鉆孔灌注樁基礎，設計樁長125 m，成孔全長133.75 m。

東里河特大橋水文地質情況復雜，主墩位于水上，采用鋼平臺作業。其中，空樁總長8.9 m，淤泥質黏土、粉質黏土、粗砂等高液限土總長104.35 m，弱風化微晶花崗巖地層總長20.5 m。

2 施工技術現狀

此種超大直徑超深嵌巖樁在國內外均比較少見。滬通長江大橋5#、6#主墩樁長117 m，為全土層地質，采用氣舉反循環鉆機即可快速成孔。港珠澳大橋主墩平均樁長100 m，直徑2.5 m，土質地層平均深度40 m以內，巖石地層平均深度60 m；嘉紹大橋N1#—主墩直徑3.8 m，設計樁長105 m，全長118 m，土質地層為96 m，巖石地層為22 m。以上2座特大橋均采用全液壓鉆機配合刮刀鉆頭（適用土質地層）和牙輪鉆頭（適用巖石地層），鉆桿帶動鉆頭刮土鉆進或依靠鉆機自重和額外配重對牙輪加壓鉆進，采用空氣氣舉反循環排渣方式。

該施工技術的優點為只需采用單一機械使用不同鉆頭便可完成成孔作業。缺點為牙輪鉆頭的作用機理是和巖石產生摩擦，繼而碾碎巖石進行鉆進作業，其在巖石地層中成孔緩慢，鉆頭磨損速度快、成本高。

3 新技術應用狀況

廣東省潮州市潮汕環線高速韓江特大橋樁基直徑2.0 m、深92 m，其中嵌巖深度6 m，原技術采用沖擊鉆成孔，新技術采用回旋鉆成孔泵吸反循環排渣＋沖擊鉆成孔氣舉反循環排渣的多機聯合成孔工藝，較傳統工藝工期節約70%，成本節約30%。

汕頭市汕北大道東里河特大橋工程，樁基直徑2.5 m，深度133.75 m，嵌巖深度20.5 m，根據項目縮短工期、節省成本的要求，在韓江特大橋施工技術的基礎上，創新采用了回旋鉆成孔泵吸反循環排渣、回旋鉆成孔氣舉反循環排渣、沖擊鉆成孔氣舉反循環排渣相配合的施工新技術，充分利用了回旋鉆成孔泵吸排渣的效率優勢、氣舉反循環排渣的超深孔適用性、沖擊鉆巖石地層的經濟性，成孔快速，成本低，可流水施工，節約總工期。

4 新技術特點

正常地質條件及深度范圍下，采用回旋鉆機泵吸反循環排渣，鉆進效率高；根據離心泵效率的影響因素可知，適當地降低泵吸的高度可以有效地增大排水量。當施工中深度達到70 m以上時，將鉆桿每次接長3 m，改為每次接長1.5 m，降低泵吸的高度可以有效地增大排水量，將泵吸反循環的適應深度從70 m提高到了100 m。

鉆進深度超過100 m以后，采用相同的回旋鉆機正循環壓入泥漿鉆進，同時下放排渣管進行氣舉反循環排渣，一條排渣管道排渣速度不足時，可采用多條排渣管同時排渣的工藝。鉆進過程和排渣過程相互獨立且同時進行，效率可以得到極大的保障。

鉆進到巖石地層時，撤出回旋鉆機至其他樁位施工，沖擊鉆機就位鉆進，若按照傳統方法采用傳統懸浮鉆渣的排渣工藝需要置換近600 m3泥漿，成本巨大，費工費時，新技術采用和回旋鉆氣舉反循環排渣相同的設備和原理進行排渣，鉆進和排渣同時進行，原有泥漿無需置換即可繼續進行鉆進作業[1-5]。

新技術的經濟性表現在：牙輪鉆頭每成孔40 m需更換鉆頭合金牙齒，每換一次牙輪鉆頭鉆牙的維修費用為12萬元，折合鉆具維修費用3 000 元/m；相同情況下采用沖擊鉆施工技術，每成孔40 m對鉆頭鉆牙進行更換，每次更換費用為1萬元，折合鉆具磨損的費用為250 元/m。由此可知，相比傳統的牙輪鉆頭，新技術的鉆具維修成本降低90%，綜合費用降低30%以上。

新技術的成孔速度優勢表現在：正常鉆進情況下，在微晶花崗巖地層中，沖擊鉆的鉆進速度為1.0～1.3 m/d，全回旋牙輪鉆機的鉆進速度為0.3～0.6 m/d。

該組合施工新技術適用于各種橋梁、建筑物、水電站基礎的超大直徑超深嵌巖鉆孔灌注樁施工（直徑大于2 m、深度大于90 m）。

5 操作要點

5.1 鉆孔前準備

1）組織技術人員與施工相關的人員熟悉設計圖紙及相關規范，編寫專項施工方案。

2）提前對進場的施工專業隊進行技術、安全交底，熟悉現場環境，對施工的各種困難應做到充分了解。

3）準備好施工中所用的人員、機械、材料，制定電力供應計劃以及空壓機房、泥漿處理站的建設方案。

4）建立工地實驗室，配備相應的泥漿檢測設備。

5）施工場地“三通一平”。場地應平整堅實，防止鉆進過程中鉆機沉降造成質量事故。

5.2 安裝泥漿循環系統并制備泥漿

原則上，泥漿應采用優質膨潤土和專用的泥漿生產設備于孔外生產，但原地土質滿足造漿要求時可采用正反循環鉆機孔內造漿。鉆孔過程中泥漿質量的控制是至關重要的。泥漿配制好后，要有專人負責試驗工作，保證泥漿各項指標符合要求。主要測定泥漿的相對密度、含砂率、黏度、pH值和膠體率等，其中，微風化花崗巖地層中需特別注意與常規沖擊鉆參數有所不同，不符合使用要求時應及時進行調整。現場應儲備足夠的造漿材料和可靠的水源，以便調整泥漿參數。

5.3 長鉆桿接長反循環鉆進，泵吸排渣

此階段正反循環鉆機采用QY351型號，適用范圍為0～70 m。

5.3.1 鉆機就位

樁機就位前，先在鉆機轉盤中心位置放置鉛垂線，通過觀察鉛垂線與鋼護筒十字線的位置，調整鉆機位置。通過調整鉆機液壓支腿來保證鉆機整體處于水平狀態，用水平尺檢查轉盤水平度。在鉆機鉆架升起后應再次校正鉆機位置及水平度。鉆機就位后，要保證鉆桿中心、轉盤中心、樁的設計中心三者在同一直線上。

鉆機就位自檢合格后，由技術人員及監理工程師驗收就位情況，驗收合格后將鉆機與平臺進行固定、限位，保證在鉆進過程中不產生位移。

5.3.2 鉆進與排渣

初始鉆進的10 m內采用正循環鉆進為主，實時排放鉆渣，放慢鉆進速度并不大于2 m/h，使泥皮充分形成，阻斷泥漿與地下水之間的干擾，同時還可防止因孔邊應力集中造成縮孔、坍孔。

正常鉆進時應根據泥漿泵的出水量及鉆頭轉速，及時調整鉆進速度及鉆頭轉速。水頭大時可適當增加鉆進速度及鉆頭轉速，水頭小時減小鉆進速度及鉆頭轉速。正常鉆進速度宜為2～6 m/h，鉆頭轉速宜為2～4 r/min。

鉆進過程中應根據不同土層選擇與之相適應的進尺、轉速及鉆壓，每鉆進2 m或地層變化時在鉆渣出口處撈取鉆渣樣品，查明渣樣并記錄。當鉆進至鋼護筒底口上下2 m范圍時，須采用低鉆壓、低轉速、低進尺鉆進。當鉆頭鉆出鋼護筒底口2 m后，恢復正常鉆進狀態。

鉆進過程中保證鋼護筒內水位穩定，隨時進行補漿，保持鋼護筒內水位高出地下水位2 m以上。發現斜孔時，應采用掃孔辦法，及時進行糾偏。鉆孔內嚴禁掉入雜物。鉆桿連接時，檢查鉆桿接頭是否有漏水漏氣情況。

鉆孔作業應連續進行，不宜中途長時間停止，盡可能縮短成孔周期。因故停止鉆進時，嚴禁鉆頭留在孔內，每隔8 h徹底抽換一次，保證泥漿指標符合穩定孔壁的要求。

5.4 短鉆桿接長反循環鉆進，泵吸排渣

此階段正反循環鉆機采用QY351型號，適用范圍為70～100 m。短鉆桿接長反循環鉆進的核心在于適當降低渣漿泵吸渣的最大高度，提高工作效率。

短鉆桿不利于保證鉆孔的垂直度，因此在用短鉆桿接長并鉆進完成后，應用長鉆桿替換，即先用短鉆桿接長，鉆進完成后拆除短鉆桿，再用長鉆桿接上并繼續鉆進，依次替換接長鉆進。鉆進時根據渣漿泵出水量確定鉆進速度，短鉆桿接長鉆進時的鉆進速度宜為1～3 m/h。

5.5 正循環鉆進，氣舉法排渣

此階段仍然采用QY351型號的正反循環鉆機，適用范圍為100～113.25 m。

5.5.1 排渣系統選擇

排渣系統主要技術參數：空氣壓縮機功率100 kW，排氣量＞10 m3/min，氣壓＞1.6 MPa；排渣管總長120 m，直徑200 mm，鋼管和鋼絲膠管壁厚≥3 mm；氣管直徑30 mm，最大承壓3 MPa，長度80 m。采用泵吸反循環泥漿循環系統。

5.5.2 鉆進

鉆進時通過正循環泵將鉆渣懸浮至距孔底3～5 m，利用排渣管進行氣舉法排渣。根據鉆孔深度實時下放排渣管。鉆進時先開動鉆機的正循環泵，再開動空氣壓縮機，最后開始緩慢鉆進。鉆頭轉速不大于2 r/min，以防止排渣管與鉆頭纏繞。進尺速度應與排渣速度相協調。

暫停鉆進并進行鉆桿接長時，繼續使正循環泵和氣舉排渣工作不少于5 min至不再有鉆渣排出，然后關閉正循環泵，再關閉空氣壓縮機。要控制鉆進速度，使鉆進速度與氣舉排渣速度相匹配。經常觀察排渣情況，排渣較多時應放慢鉆進速度或采用2套排渣設備進行排渣。

其他鉆進工藝同泵吸反循環成孔工藝。

5.5.3 排渣

排渣管尾管及氣漿混合室采用鋼管（圖1），可以作鋼絲膠管的配重，使排渣管順利沉入孔底3 m處（排渣管底部距鉆頭頂部不少于1 m）。開動空氣壓縮機，氣壓上升至標準氣壓并正常排渣后，開始正循環鉆進。

圖1 沖擊鉆鉆進時的氣舉排渣管安裝

尾管與氣漿混合室通過法蘭盤與鋼絲膠管連接，泥漿通過鋼絲膠管排入泥漿池。氣漿混合室的位置隨著鉆進深度的增加應進行調整，尾管長度不宜過大，氣漿混合室宜在孔深度的0.4～0.6倍處。

5.6 沖擊鉆鉆進，氣舉法排渣

此階段采用沖擊鉆機，適用范圍為113.25～133.75 m。沖擊鉆機主要技術參數：電機功率180 kW，卷揚機額定起重量10 t，最大成孔深度150 m；鉆頭質量10 t，采用實心十字鉆頭；鋼絲繩同向捻制，安全系數不應小于1.5。

5.6.1 排渣系統選擇

排渣系統與5.5.1節的排渣系統相同。

5.6.2 鉆機就位

利用吊機將沖擊鉆機吊放就位，鉆頭和鉆桿中心與鋼護筒中心的偏差不得大于5 cm。

5.6.3 鉆進

向孔內投放石塊，使既有孔底平整，同時向孔內投放優質膨潤土，使泥漿相對密度保持在1.2～1.3。

開始鉆孔時應先采用小沖程，錘高宜為0.4～0.6 m。既有錐形孔底鉆進完成后，才可加快速度，將錘提高至1.0～2.0 m轉入正常沖擊。

鉆進過程中，應勤松繩和適量松繩，不得打空錘。鋼絲繩與鉆頭間需設轉動裝置并連接牢固，鉆孔過程中應經常檢查鉆頭狀態及轉動是否正常、靈活。隨時檢查鋼絲繩扭轉情況，避免產生十字孔。泥漿相對密度較高時，鉆頭無法正常轉動，可通過氣舉法清渣或利用錘頭上下活動攪拌的方法調整泥漿相對密度。

泥漿相對密度較低時，泥漿懸浮鉆渣能力降低，將造成沖擊鉆鉆進進尺較慢或不進尺，可通過投放優質膨潤土的方法來增加泥漿相對密度。每班應將鉆錘拉出水面檢查其磨損情況，同時檢查保護繩情況、鋼絲繩磨損情況，出現異常時應及時進行處理，以免出現卡錘。正常鉆進過程中宜優先采用全自動鉆進。

5.6.4 排渣

每鉆進0.7～1.3 m或每班，采用氣舉反循環排渣系統排渣2次，清渣時應停止鉆進，排渣管應下放至距孔底5 m處。開動空氣壓縮機，空氣壓力上升到一定壓力時排渣管開始排渣，排渣正常后逐漸下放排渣管至距鉆頭頂部1 m處，上下提放鉆頭，使泥漿與鉆渣沖起并通過排渣管排出。排渣完成后，將排渣管提出至距孔底5 m以上，即可繼續進行鉆進作業。

5.7 清孔

采用氣舉反循環法清孔。根據鉆孔樁樁底的設計標高和鋼護筒頂標高，計算出鉆孔深度，采用測量鉆桿總長及鉆頭高度的方法計算孔深，鉆進到位后進行清孔，保證清孔后的各項指標符合設計要求。在吊入鋼筋骨架后、灌注水下混凝土前，應再次檢查泥漿指標和沉淀層厚度，若超過規定，應利用導管進行二次清孔。

6 效益分析

通過對現場同時使用的2種施工工藝進行對比得出，多級聯合成孔新技術的成孔效率較傳統全回旋鉆機提高2倍，鉆具維修費用降低90%以上，綜合費用降低30%以上。

7 結語

超大直徑超深嵌巖樁施工的技術要求高、難度大、成本控制嚴格、工期影響大，如果在施工準備階段的施工工藝或鉆孔機具類型選擇不適，容易造成工程進展不順利、工期拉長、成本劇增，甚至引發施工質量事故。汕頭市汕北大道東里河特大橋施工中通過合理的鉆機選型、要素匹配，完善的施工工藝及過程控制措施，順利地完成了36根大直徑、超深長樁的施工，經檢測全部為Ⅰ類樁。基于該新技術的成功運用，在常規的短嵌巖樁基礎施工中，采用回旋鉆成孔泵吸反循環排渣＋沖擊鉆成孔氣舉反循環排渣技術代替傳統的沖擊鉆成孔施工，可以減少成本50%，節約工期40%以上，因此該新技術具備較好的推廣價值。