復雜條件下大直徑深長嵌巖灌注樁全套管全回轉鉆機與RCD鉆機組合鉆進施工技術

黃 凱

(深圳市工勘巖土集團有限公司，廣東 深圳 518063)

0 引言

在濱海灘涂、人工填海造地，或具有深厚淤泥、砂層，周邊環境存在建(構)筑物、橋梁等復雜地層中施工大直徑深長嵌巖灌注樁時，經常出現塌孔、頸縮、灌注混凝土充盈系數過大等一系列問題，為了更有效、快速、安全地在以上地層條件下進行灌注樁施工，通常情況下會采用深長套管隔絕不良地層，并選擇常規旋挖鉆機鑿巖鉆進，但振動錘壓拔鋼套管的激振力、旋挖嵌巖振動力和旋挖鉆機來回行走產生的擠壓力對地基及周邊環境會造成較大不利影響，因此施工方案的選擇尤為重要。

1 工程概況

1.1 工程位置及規模

珠海橫琴某項目新建匝道橋梁總長754m，共計26跨，橋墩采用獨柱墩加小蓋梁形式，樁基設計采用鉆孔灌注樁，為2根φ1.8m或φ2.0m灌注樁，澆灌C45水下混凝土，樁端持力層為中風化或微風化巖層，其中φ1.8m樁進入持力層≥3.6m，φ2.0m樁進入持力層≥4.0m，平均樁長77.5m(樁成孔深度超過既有橋樁長)。

場地原始地貌單元屬濱海灘涂地貌，原地勢低洼，后經人工填土、吹砂填筑而成，巖石上部覆蓋層平均厚度約71.8m，主要地層包括素填土厚3.86m、沖填土厚2.76m、淤泥厚14.62m、粉質黏土厚10.90m、淤泥質土厚6.88m、礫砂厚37.28m，下伏基巖為燕山三期花崗巖，其中強風化花崗巖厚1.89m、中風化花崗巖厚10.66m(巖石飽和單軸抗壓強度標準值frk=25.8MPa)。

1.2 現場施工情況

2020年6月，該橋梁改造工程開工。針對此類不良地層條件及特殊周邊環境的樁基礎工程施工，提出一種灌注樁全套管全回轉鉆機與氣舉反循環鉆機(以下簡稱“RCD鉆機”)全斷面入巖組合鉆進成樁的施工方法，針對上部土層采用全套管全回轉鉆機下入套管護壁、沖抓出土成孔，防止成孔過程中出現頸縮、塌孔問題，確保周邊建(構)筑物安全穩定；針對大直徑硬巖則采用RCD鉆機進行全斷面研磨破碎，再通過氣舉反循環排渣系統配合清渣；最后，采用全回轉鉆機平臺灌注樁身混凝土，并起拔護壁全套管，保證了在場地情況苛刻的條件下高效、安全、環保地完成灌注樁施工。

2 工藝原理

2.1 適用范圍

該方法適用于大直徑、嵌巖深、地質條件及周邊環境復雜的樁基礎施工，尤其是處于無法利用旋挖鉆機進行入巖成樁的地理環境下，如旋挖鉆機施工作業面不足、不具備旋挖鉆機進場通道、海上作業、周邊場地承載力不足、嚴格控制施工操作振動影響等情況。

2.2 技術路線

2.2.1施工關鍵問題

1)實現超深孔上部覆蓋層(淤泥、砂等)超深超長的鉆孔護壁(平均厚度71.8m)，防止塌孔影響鄰近既有橋梁樁和周邊地面沉降。

2)實現大斷面硬巖的高效鉆進，并有效減少入巖振動對周邊環境的干擾。

3)采用超長套管護壁的情況下，采用起重機起拔困難，利用振動錘產生的激振力大，對周邊的負面影響大。

2.2.2解決技術方法

1)鉆進過程中同步下入全套管護壁，采取全套管全回轉鉆機鉆進邊抓斗取土邊旋入套管，完成上部土層鉆進。

2)大直徑硬巖鉆進采用RCD鉆機配置牙輪鉆頭全斷面一次性入巖成孔，利用RCD鉆機的大扭矩和鉆頭研磨入巖，無振動影響；同時，采用RCD鉆機配置的氣舉反循環排渣系統，實現對超深孔底清孔。

3)終孔后，再次利用全套管全回轉鉆機灌注樁身混凝土，并通過液壓起拔超長鋼套管；現場采用1臺全套管全回轉鉆機配置2臺RCD鉆機，可確保現場鉆機設備合理利用。

2.3 原理分析

針對不良地層和復雜周邊環境的大直徑深長嵌巖灌注樁，采用全套管全回轉鉆機與RCD鉆機組合鉆進成樁施工工藝，即首先采用全套管全回轉鉆機全長套管護壁，配合抓斗進行硬巖上部樁體開挖成孔作業，然后換用RCD鉆機就位進行全斷面破巖鉆進至設計樁底標高，吊放安裝鋼筋籠，再重新使全回轉鉆機就位，完成樁身混凝土澆灌及套管起拔，全流程如圖1所示(①全套管全回轉鉆機沖抓取土→②RCD鉆機破巖→③鋼筋籠吊裝 →④一邊灌注樁身混凝土一邊起拔套管)。

圖1 施工全流程

以下原理分析以珠海橫琴某橋梁改造項目樁基礎工程為例進行說明。

2.3.1超長鉆孔全套管護壁原理(全套管全回轉+抓斗鉆進土層成孔)

由前述場地地層情況可知，該項目填土、淤泥、黏土、礫砂不良地層總厚度約為55m，地層條件極不穩定，灌注樁在此類地層中鉆進施工時易發生塌孔、頸縮等質量事故，需采取全套管護壁輔助鉆進施工，以全套管全回轉鉆機旋轉下壓套管至基巖面，利用管壁支撐土體，套管后續在RCD鉆機鉆進作業時，也對鉆桿起到定位引導作用，然后利用起重機起吊釋放抓斗落入套管內土層中實現沖抓取土，如圖2所示。

圖2 全套管全回轉+抓斗鉆進土層成孔

2.3.2全斷面硬巖研磨鉆進原理(RCD鉆機牙輪鉆減振鉆進硬巖成孔)

2.3.2.1RCD鉆機研磨巖體鉆進

1)RCD鉆頭結構 RCD鉆機的鉆桿底部連接RCD鉆頭(見圖3)，相關結構特征及參數具體為：①RCD鉆頭底部為平底式設計，底部布置球齒滾刀，滾刀底部設置基座與鉆頭底部相連，基座固定相對于鉆頭底部不可移動，滾刀可沿基座中心點轉動，如圖4所示；②RCD鉆頭頂部連接中空鉆桿(見圖5)，單根鉆桿長3.0m，采用法蘭式結構，中心管為排渣通道，管壁外側有2根通風管，鉆桿法蘭間采用高強螺栓和銷軸連接；③RCD鉆頭底部設置2個圓形送氣孔和1個方形排渣孔(見圖4)，其中空壓機產生的壓縮空氣通過通風管，經送氣孔吹入孔底，切削巖石產生的碎屑則混合泥漿經過方形排渣孔，沿鉆桿中空通道上返至地面；④鉆頭上部可根據需要設置2～3塊圓柱體配重塊(見圖3)，每個配重塊重約2.3t，配重為鉆頭提供豎向壓力，加強研磨破巖效果。

圖3 RCD鉆頭

圖4 RCD鉆頭進漿、進氣孔

圖5 鉆桿

2)RCD鉆頭研磨巖體原理 RCD鉆機利用動力頭提供的液壓動力扭動鉆桿并帶動鉆頭旋轉，鉆進過程中鉆頭底部的各球齒滾刀繞自身基座中心點持續轉動，滾刀上鑲嵌有金剛石顆粒，金剛石顆粒在軸向力、水平力和扭矩作用下連續研磨、刻劃、犁削巖石，逐漸進入巖石，并對巖石造成擠壓，當擠壓力超過巖石顆粒間的連接力時，部分巖石從巖層母體中分離出來成為碎巖，隨著鉆頭的不斷旋轉壓入，碎巖被研磨成細粒狀巖屑隨著泥漿排出樁孔，整體破巖鉆進效率大幅度提高，顯著縮短施工工期。

2.3.2.2氣舉反循環清渣排土

大幅度提升嵌巖鉆進施工效率除了有賴于鉆頭對巖體的研磨破碎作用，還需結合高效的吸排渣系統設計。在該項技術中，采用空壓機產生的高風壓通過RCD鉆機頂部連接接口沿通風管沖入孔底，空氣與孔底泥漿混合導致液體密度變小，此時鉆桿內壓力小于外部壓力形成壓差，泥漿、空氣、巖屑碎渣組成的三相流體經鉆頭底部方形排渣孔進入鉆桿內腔發生向上流動，排出樁孔至沉淀箱；沉淀箱分為3級分離，第1級采用篩網初分氣體和固體，第2，3級采用沉淀分離，進一步分離出混合液體中的氣體和固體；最終，氣體排入大氣，巖屑碎渣集中收集堆放，泥漿則通過泥漿管流入孔內形成氣舉反循環，完成孔內沉渣清理。RCD鉆機氣舉反循環清渣排土如圖6所示。

圖6 氣舉反循環清渣排土

2.3.2.3超長套管起拔

灌注樁身混凝土時，隨管內混凝土面的上升，采用全套管全回轉鉆機逐節起拔拆卸護壁套管。套管拔出過程中需保證管內混凝土面高于套管底口2～4m，且套管在混凝土中的埋置深度≤10m，否則可能無法拔出。

3 工藝流程與操作要點

復雜條件下大直徑深長嵌巖灌注樁全套管全回轉鉆機與RCD鉆機組合鉆進施工工序流程為：施工準備→孔口平臺吊放就位→全套管全回轉鉆機吊裝就位→土層段全套管全回轉鉆機全套管護壁抓斗取土鉆進→全套管全回轉鉆機移位、RCD鉆機吊裝就位→終孔后RCD鉆機移位→吊放鋼筋籠→全套管全回轉鉆機吊裝就位→安放灌注導管及二次清孔→全套管全回轉鉆機灌注樁身混凝土及起拔護壁套管。

3.1 施工準備

1)平整場地，土質疏松地段回填砂礫石壓實處理，必要時在場地內鋪設厚鋼板，保證施工區域內起重機、混凝土運輸車等重型設備行走安全。

2)樁中心控制點采用全站儀測量放樣，使用油漆噴出樁邊緣線，便于后續擺放孔口平臺，并拉十字交叉線對樁位進行保護。

3)考慮到樁位難免存在被破壞的情況，個別樁位在擺放孔口平臺前可進行復測。

3.2 孔口平臺吊放就位

1)因全套管全回轉鉆機和RCD鉆機自重和尺寸大，為防止機械設備放置地面的集中荷載對地基造成沉降，同時也為了避免全套管全回轉鉆機因不均勻沉降傾斜作業導致起拔套管損壞已灌注的樁身混凝土及鋼筋籠，設計采用一種擴大地基接觸面積的孔口平臺(見圖7)，形成全套管全回轉鉆機和RCD鉆機的統一公共作業面，其尺寸及結構應適用于2種鉆孔設備共同使用。

圖7 孔口平臺

2)孔口平臺由I56c制成，主龍骨“井”字形為雙拼形式，其余為單根加強，如圖8所示；平臺接地面側使用16mm厚鋼板分散壓應力，鋼板與龍骨工字鋼分段焊接，間距500mm/道焊縫，焊縫長100mm，平臺底板布置如圖8所示。

圖8 龍骨及底板布置、平臺尺寸

3)采用起重機將平臺緩慢起吊放置于樁位上，使平臺中心與樁中心重合，并通過拉十字交叉線進行定位復核，如平臺中心與樁中心未能重合，則重新起吊平臺人工移動對中后下放，直至中心重合為止。

3.3 全套管全回轉鉆機吊裝就位

1)首先吊放定位平衡板(定位平衡板為全套管全回轉鉆機配套的支撐定位平臺)，在平衡板上設置十字交叉線形成板中心點，并在中心點引出1條鉛垂線對齊樁中心，即可保證平衡板中心與樁中心重合。

2)定位平衡板上設有4個固定位置和尺寸的限位圓弧，當全套管全回轉鉆機安置于平衡板上時，兩者即可滿足同心同軸狀態，則鉆機中心、平臺中心及樁中心“三點一線”重合。

3.4 土層段全套管全回轉鉆機全套管護壁抓斗取土鉆進

1)全套管全回轉鉆機就位后，起吊首節鋼套管對位樁中心放入鉆機卡盤內部，夾緊卡盤固定鋼套管，全套管全回轉鉆機通過左、右兩側回轉油缸的反復推動使套管轉動，首節鋼套管下方頭部帶有合金刃腳，加壓使套管一邊旋轉切割土體一邊向下沉入地層。

2)下放時采用全站儀對準鋼套管外側進行垂直度調整及檢測，當發生套管傾斜應立即停止作業，取土回填，將套管重新拔起后再次下放，如底部出現不明障礙物使套管傾斜，則采用沖擊錘或以人工的方式將障礙物破除后再進行套管糾偏處理。

3)首節套管固定后進行平面位置及垂直度復測和精調工作，確保套管對位準確、管身垂直。

4)采用起重機配合抓斗抓取套管內土體，提升抓斗至距離土面4～5m，通過起重機快速下放的功能使抓斗迅速下落，利用抓斗的自重和沖擊力貫入土層，提升吊索使抓斗頭部夾片回扣夾緊土體提出管外。

5)沖抓作業時，起重機操作員要注意觀察抓斗鋼絲繩的下放距離，計算土面至套管底的距離≥1.5倍管徑，否則可能出現過度超挖情況，導致套管底部下方土層不穩形成塌陷。

6)現場一邊沖抓取土一邊采用挖掘機配合渣土清運出場，防止泥土堆積過多，保持現場文明施工。

7)完成首節套管內土體抓取后進行套管接長，使用螺旋鎖扣件連接，套管間設置定位銷，使套管準確對位并承受旋轉時的剪力作用，錐形環焊接在鋼套管上，套管對接后使用六角扳手扭緊承托環，鎖緊套管，完成對接。

8)完成第2節鋼套管壓入土層后，繼續抓斗沖抓取土，重復以上抓土、接長下入鋼套管等步驟，直到將鋼套管壓入巖層頂面，此時抓斗無法繼續進行抓土操作，樁孔上部土層完成全部清挖。

3.5 全套管全回轉鉆機移位、RCD鉆機就位

全套管全回轉鉆機吊離樁孔，移位后樁孔如圖9所示；將RCD鉆機吊運放置于樁位正上方，鉆機中心與樁位中心重合。

圖9 全套管全回轉鉆機移位后樁孔

3.6 RCD鉆機全斷面破巖鉆進

1)啟動空壓機，打開球閥，在鉆頭中通入壓縮空氣。

2)開動鉆機鉆進，鉆機利用動力頭提供的液壓動力扭動鉆桿并帶動鉆頭旋轉，依靠鉆頭底部的球齒合金滾刀與巖石摩擦鉆進，泥漿攜空氣及破碎巖屑經由中空鉆桿被舉升到沉淀箱，分離出氣體和巖屑后流回至鉆孔中實現循環。

3)鉆進時注意鉆孔平臺保持水平，以保證鑿巖鉆進垂直度。

4)在正常施工過程中，為保證鉆孔垂直度，采用減壓方式鉆進，始終使加在孔底的鉆壓小于鉆具總重(扣除泥漿浮力)的80%。

5)升降鉆具應平穩，尤其是當提升鉆頭至鋼套管底端附近位置時，必須防止鉆頭勾掛鋼套管。

6)破巖過程中隨著進尺入深需加接鉆桿，接長鉆桿時先停止鉆進，將鉆具提離孔底15～20cm，維持沖洗循環10min以上，以完全除凈孔底鉆渣并將管道內泥漿攜帶的巖屑排凈，再停機進行鉆桿接長操作。

7)鉆桿連接螺栓須擰緊牢固，認真檢查密封圈，以防鉆桿接頭漏水、漏氣，使反循環清渣無法正常進行。

8)破巖鉆進過程中，認真觀察進尺和排渣情況，鉆孔深度可通過鉆桿長度進行測算，因此每次鉆桿接長都要求詳細記錄鉆桿長度，并通過排出的碎屑巖樣判斷入巖地層情況。

9)鉆進過程中應連續操作，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，嚴禁將鉆頭留于孔內。

3.7 RCD鉆機移位

1)當RCD鉆機完成入巖鉆進至設計樁底標高時，移開RCD鉆機。

2)由監理工程師對孔深進行檢查簽證，并提取水樣確認清孔質量，達到相關標準要求后方可吊裝鋼筋籠。

3.8 吊放鋼筋籠

1)鋼筋籠吊點設于與鋼筋籠重心同一垂直線上，且吊點應在重心紙上(吊點與鋼筋籠重心的連線和重物的橫截面垂直)，使鋼筋籠垂直起吊，禁止斜吊。

2)當采取多點起吊鋼筋籠時，應使各點的合力作用點在鋼筋籠重心的位置之上，且須正確計算每根吊索長度，使鋼筋籠在吊裝過程中始終保持穩定位置。

3)采用起重機吊運鋼筋籠至孔口上端，機械吊運時要密切配合、統一指揮。

4)鋼筋籠入孔后，觀察籠體豎直度，將其扶正徐徐下放，下放過程中嚴禁籠體歪斜碰撞孔壁。

5)下放至籠體上端最后1道加強箍筋接近鋼套管頂沿時，使用2根型鋼穿過加強箍筋的下方，將鋼筋籠勾掛于鋼套管上，進行孔口接長操作。

6)完成鋼筋籠孔口接長后，繼續吊放籠體至孔底。

3.9 全套管全回轉鉆機吊裝就位

1)重新將全套管全回轉鉆機放置于孔位平臺上，使鉆機中心與平臺中心、樁中心重合。

2)完成全套管全回轉鉆機就位后，準備進行樁身混凝土灌注。

3.10 安放灌注導管及二次清孔

1)灌注樁身混凝土前，對灌注導管進行水密試驗及接頭抗拉試驗，根據相關規范要求，水密試驗水壓應不小于孔內泥漿壓力的1.5倍，并在下放導管前檢查管體是否干凈、暢通、有無小孔眼及止水型密封圈完好性。

2)二次清孔在完成鋼筋籠吊放及灌注導管安裝后進行，目的在于清除下放鋼筋籠及導管時可能產生的刮壁掉落泥皮和停鉆后形成的沉渣，以達到灌注水下混凝土所需的要求。

3)二次清孔采用壓氣反循環法，出漿管為混凝土灌注導管，導管頂部安裝專門的清孔頭帽，使之既可接入高壓風管，又可接出漿管。

4)從灌漿管內部下入高壓風管進行清孔，清孔過程中要注意補充孔內泥漿，維持孔內水頭高度。

5)二次清孔完成后，立即報監理工程師檢驗復測沉渣厚度，達到要求后，隨即拆除清孔頭帽和高壓風管，準備進行樁身混凝土灌注作業，其間隔時間越短越好。

3.11 全套管全回轉鉆機灌注樁身混凝及起拔護壁鋼套管

1)完成清孔后，安裝灌注漏斗，準備進行樁身混凝土澆灌。

2)灌注過程中，每灌入1斗混凝土后即時測量孔深，測算混凝土高度和導管埋深，保證套管在混凝土中的埋置深度≥2m。

3)混凝土灌注面超過管底8m后準備起拔鋼套管，采用全套管全回轉鉆機緩慢扭動起拔頂節鋼套管。

4)鋼套管拔出前再次進行混凝土面測算，確認拆除鋼套管后灌注導管埋深在2～6m方可進行拆除作業。

5)如鋼套管拆除時出現無法正常拆卸情況，直接采用氧氣焊割除，避免造成混凝土中斷時間過長。

6)每節鋼套管完成整體拔除出孔后，采用起重機運離孔口集中堆放。

7)完成樁身混凝土澆筑后，及時采取孔口圍護措施。

4 工藝特點

4.1 組合鉆進工效顯著

采用全套管全回轉鉆機與RCD鉆機組合鉆進成樁施工工藝，充分發揮兩種機械設備的優勢，既能適用于現場存在不良地層的情況，又能有效保證入巖施工效率、加快施工進度，實現現場綠色文明施工，最大限度地降低對周邊環境的影響。

4.2 破巖效率高

采用RCD鉆機入巖施工，配置全液壓動力旋轉頭，提供大扭矩及推力通過鉆桿傳遞至鉆頭刀盤上，有效“攻克”堅硬巖層，鉆機可隨地質條件的不同選取不同配重進行孔底加壓，確保成孔垂直度，達到高效破巖目的。

4.3 質量有保證

入巖鉆進過程中，利用氣舉反循環系統將切削下來的破碎巖屑排出，通過泥漿過濾系統篩分氣體、固體、液體，達到排渣和清孔的目的，在混凝土灌注前再次利用導管二次清孔，確保孔底沉渣符合要求；同時，鉆進全過程采用鋼套管護壁，避免了地層條件不佳可能導致的塌孔影響，是一種保證優良施工質量的施工方法。

4.4 現場文明施工

采用RCD鉆機，體積相對較小，質量較小，拆裝鉆桿及鉆頭安全便捷，施工振動小，噪聲低；該項技術采用特制泥漿箱進行鉆渣沉淀排出及泥漿循環利用，泥漿流通過程中無外溢，避免了泥漿外運處理等泥漿造成的環境污染問題，環保效果顯著。

5 結語

在不良地層和復雜周邊環境的條件下，通過采用全套管全回轉與RCD組合鉆進的施工方法，以深長套管護壁有效克服了不良地層下易致的跨孔、頸縮等質量通病；全套管全回轉鉆機與RCD鉆機的組合使用，避免了傳統振動錘埋設、起拔鋼套管及常規旋挖鉆機鑿巖鉆進成孔所產生的較大振動，最大限度地降低了施工操作對周邊環境及既有結構的影響；同時，也發揮了RCD鉆機鑿巖清孔的優勢，大大提高了大直徑樁基鉆進成孔的施工效率，該項技術充分考慮了不良地層的影響及對周邊環境的保護，是一種成樁施工工藝的突破和創新。