復雜地質中大直徑鉆孔灌注樁成孔施工技術分析

嚴燦富

（龍巖交通建設集團有限公司，福建 龍巖 361000）

0 引言

隨著機械設備和工程技術的高速發展，大直徑鉆孔灌注樁被廣泛地應用到橋梁建設中，樁徑由原先的2.5m不斷擴大到4.5m，采用大直徑鉆孔灌注樁不僅直接有效地提高樁基的承載力，還可以減少設計樁數，從而縮短樁基施工工期。由于樁基所在區域的施工環境較為惡劣，風浪較大，潮差影響較大，地質復雜，巖面傾斜度較大，大直徑鉆孔灌注的成孔難度極大，成孔中容易出現塌孔、漏漿、卡鉆和斜孔等質量問題，尤其樁徑為4.5m的鉆孔灌注樁，如果采用全斷面鉆進法進行成孔，樁孔很容易出現不同程度的斜孔質量問題；采用常規的水下混凝土灌注方法進行處理時，不僅影響工期還大大增加了工程造價，對樁基施工極其不利。因此，在復雜地質情況下如何提高大直徑鉆孔灌注樁成孔質量成為施工中的難題。本文結合工程實例，對復雜地質情況下大直徑鉆孔灌注樁成孔施工技術進行分析。

1 工程概況

某項目橋墩基礎采用鉆孔灌注樁，樁徑為4.5m，混凝土強度為C45，平均樁長為58.6m，總樁數為50根。樁基施工環境處于水深、浪高和風大等典型海洋條件，根據統計數據顯示，平均潮差達4.28m。樁基所處區域的地質情況較為復雜，主要巖土層有中砂、碎塊狀強風化花崗巖和微風化花崗巖等，地質起伏較大。覆蓋層厚度約7～20m，碎塊狀強風化花崗巖厚度為10～30m，微風化花崗巖巖面陡峭和傾斜度較大，巖面高差高達4m，巖體強度較高，要求樁端嵌入微風化花崗巖7m。

2 樁基施工方案的確定

根據樁基設計和地質分布情況，項目部選擇特制的動力頭回旋鉆機，型號為KTY5000型，該鉆機動力充足，總重為286t（不含鉆頭），標準節鉆桿長度為4m，鉆桿直徑為330mm，最大鉆孔深度為180m，鉆機采用大型起重船進行運輸。鉆孔灌注樁成孔工藝采用常規的全斷面鉆孔方法，前期施工中發現，鉆頭進入微風化花崗巖時，由于巖面強度較大，采用鉆壓較低和鉆速較快的方法繼續鉆進，在成孔質量檢查中發現樁孔的傾斜度較大。為了保證孔壁的垂直度，采用水下混凝土灌注法將C45混凝土灌注到斜孔內，待混凝土達到一定強度再繼續鉆進。鑒于混凝土自身的硬度較大，回旋鉆機鉆進困難，每天約鉆進0.5m，混凝土灌注高度約7m，使成孔時間無形中又增加約半個月，極大地影響樁基的施工進度。項目部召集參建各方專家對鉆孔灌注樁斜孔的原因進行分析，結果如下：在軟硬交接巖層位置由于巖面的傾斜度較大，在扭矩力的作用下，鉆頭較容易往強度較弱的一側偏移，從而形成斜孔；由于樁基的成孔深度較大，在鉆頭鉆進基巖時產生較大的扭矩，使鉆桿的穩定性無法得到保證，從而形成偏孔現象；微風化花崗巖本身巖面高差較大，傾斜較為嚴重，產生斜孔的概率大大增加；巖層中存在較為明顯的裂隙，裂隙中夾雜碎石等物質，巖層被鉆穿時，碎石跟著掉落下來，使該位置形成強度較為薄弱的部位，鉆頭容易偏向該位置，形成斜孔現象。

專家組在充分分析斜孔成因的基礎上，為了提高樁基的成孔效率和質量，提出大直徑樁基采用二次成孔技術方案，即先采用直徑為3m的鉆頭施鉆至設計高程，再將3m的鉆頭換成4.5m的鉆頭進行擴孔直至設計高程，以確保樁基的施工質量符合設計要求。

3 大直徑鉆孔灌注樁成孔施工技術分析

3.1 鉆孔設備確定

樁基鉆孔設備繼續選用先前成樁的回旋鉆機，型號為KTY5000型，該鉆機動力頭設計巧妙，能夠有效地鉆孔破巖。首次開孔選用直徑為3m鉆頭的主要原因是后續的直徑為4.5m的鉆頭的中心體能夠嵌入已成孔的孔洞，首次開孔的鉆頭為W底型，鉆具總重量約為95t；第二次擴孔的鉆頭為鍋底型，鉆具總重量約為150t，所選擇鉆具的直徑和重量均滿足鉆具的鉆壓要求，能夠有效地鉆進微風化花崗巖。

3.2 鉆孔平臺搭設

鉆孔平臺采用鋼管樁+貝雷梁+預制混凝土板的結構體系，由于樁基所處區域具有浪高、風大和海浪流速較快等特點，鋼管柱采用斜樁形式來保證鉆孔平臺的穩定性與承載力。根據鋼管樁的樁位采用GPS定位系統測量放線[1]，鋼管樁規格為1500mm×18mm，采用打樁船將鋼管樁插打入海床，鋼管樁的入土深度及振動錘的激振力應符合設計要求，斜樁的傾斜角度應符合設計要求。鋼管樁插打后應及時安裝橫撐和斜撐，保證鋼管樁的穩定性。加強對鋼管樁的沉降及側向位移的觀測，如果個別鋼管樁出現傾斜度超標情況，則應在樁頂加設雙層分配梁進行調整。采用400T的浮吊將鋼管樁上的橫梁、分配梁、貝雷梁和連接桿件等吊運到位進行安裝或者焊接，構件安裝應牢固可靠。在鉆孔平臺上按照施工方案規定安裝門式吊機，規格為200T，滿足后續鉆機移位和鋼筋籠接長安裝需求。

3.3 鋼護筒插打

該工程鋼護筒規格為4900mm×36mm，為了滿足鋼護筒插打與吊裝需求，鋼護筒兩端4m范圍的鋼板厚度增厚到50mm，在頂部設置雙吊耳，底部設置單吊耳，并在吊耳位置設置內支撐。在鉆孔平臺上將孔位測放出來，根據相關統計數據顯示，樁基施工區域的風力長期＞6級，為了安全施工，待浪高＜2.5m和風力＜8級時即可進行鋼護筒插打施工。為了控制鋼護筒的垂直度，在樁位處的鋼管樁上安裝鋼護筒的可調導向架[2]。采用浮吊將鋼護筒吊至鉆孔平臺處的樁孔位置后進行下放安裝，下放時應將內支撐和底部吊耳全部割除，由可調導向架輔助鋼護筒進行準確定位。鋼護筒進入覆蓋層后，采用液壓沖擊錘將鋼護筒插打進入穩定地層，鋼護筒的垂直度偏差≤1%，捶打能量控制在450kJ之內，觀測鋼護筒的貫入度，待貫入度＜5mm，根據護筒插打的長度結合地質勘察報告可以推算出來，鋼護筒底部嵌入碎塊狀強風化花崗巖達到1.5m，滿足鋼護筒進入穩定地層1～2m的施工要求[3]。

3.4 鉆機安裝

回旋鉆機的相關組件采用運輸船運送到鉆孔平臺處再現場進行拼裝與調試。為了保證鉆機底座的平穩與受力均勻，在鉆機安放位置上增設工字鋼框架，確保鋼框架與鉆機和鉆孔平臺能夠連接牢固與可靠[4]。鉆孔平臺上的鉆機采用龍門吊進行拼裝，鉆機的軸線偏差應控制在5mm之內，樁心、鉆桿和鉆頭應保證處于同一直線上，鉆機底座應穩定和水平，鉆桿的垂直度偏差≤1%，確保樁孔位置準確。

3.5 泥漿循環系統

由于該工程地質情況較為復雜，中砂層和碎塊狀強風化花崗巖等地層在鉆進過程中孔壁很容易出現坍塌現象，需要制備優質泥漿進行護壁。護壁泥漿采用PHP優質泥漿[5]。泥漿制備采用兩種方式結合：一種是護筒內直接制漿，在護筒內注入一定量海水，將空壓機的風管沉入孔底，接著打壓空氣使海水不斷翻滾，按照6%～10%的比例摻入優質膨潤土，使海水與膨潤土充分混合形成膨潤土泥漿，再按照0.3%～0.5%的比例摻入純堿，繼續攪拌，最后再根據泥漿性能需求摻入適量的PHP水解液，從而形成PHP優質泥漿；另一種是泥漿船上制漿，在泥漿船上放置泥漿制備桶，根據前面介紹的各種材料的比例和順序采用海水制備泥漿，攪拌方式均為機械強制攪拌，制備好的泥漿再排放到船艙內，鉆孔時需要泥漿護壁時即可采用泥漿泵將泥漿注入樁孔。各個鋼護筒采用平聯管進行連接互通，從而形成泥漿沉淀池。為了加快泥漿中鉆渣分離，該工程在出漿管位置加設泥漿凈化器，使泥漿中鉆渣在通過旋流器時被旋分出來，鉆渣再通過皮帶運輸機排放到準備好的泥漿船上，待達到一定數量再運至指定的棄渣點進行處理。經過處理后的泥漿流入鋼護筒中進行沉淀，可用的泥漿通過連通槽回流到樁孔內使用，安排專人對泥漿的指標進行檢測，確保泥漿性能符合護壁的需求。

3.6 鉆進成孔

覆蓋層和強風化巖層的鉆頭選用楔齒鉆頭，微風化巖層的鉆頭選用球齒鉆頭，一般待鉆進速度＜6cm/h即可將鉆頭更換成球齒鉆頭。由于作業環境受到潮水漲落的影響較大，根據護筒外側海洋面的高程來調整護筒內泥漿面的高程，要求護筒內泥漿高出護筒外水面約2.5m，從而保證孔壁的穩定性。由于直徑為3m的鉆頭的穩定器直徑大于鉆頭直徑，拆除原配的穩定器，將刨管均勻地焊接在配重上，從而形成直徑為3m的穩定器，加裝鉆頭后采用鉆壓為100kN和鉆速為5r/min進行鉆進作業。鉆至傾斜巖層時，適當地提高鉆壓至300kN，鉆速調整為7r/min，采用低壓快速的方法鉆穿傾斜巖層[6]。待全斷面進入微風化花崗巖時，將鉆壓調整為500～700kN，鉆速調整為5r/min，鉆進直至設計高程。在鉆桿加接時，為了清除管內鉆渣和孔底沉渣，將鉆頭往上提約0.1～0.2m，接著保持泥漿繼續不斷循環約5min，再對接鉆桿。將直徑為3m的鉆頭和穩定器更換成直徑為4.5m的鉆頭和配置的穩定器，以鉆壓為150kN和鉆速為6r/min進行鉆孔，待穩定器發揮作用時，即可適當調整鉆壓和鉆速，鉆壓調整為450～750kN，鉆速調整為4r/min，在鉆進成孔過程中，鉆渣會掉入先前的鉆孔中，待鉆進至鉆渣填滿鉆孔時，可能會出現跳鉆等現象[7]，此時應適當減小鉆速。待鉆進距離設計高程約7m時，巖層質地堅硬和均勻，為了增強破巖能力，可以將鉆壓提高至1200kN，鉆速控制為4r/min，直至鉆至設計高程。終孔后采用超聲波檢測儀對孔徑、孔深和垂直度偏差等指標進行檢查，檢查結果應符合設計和施工規范要求。

4 成孔施工中遇到的問題及解決對策

4.1 鉆頭和刀座出現開裂變形

由于直徑為4.5m的鉆頭進行擴孔時，鉆頭外圈磨損較大，鉆頭和刀座之間容易出現開裂變形等問題。為了減少該問題的出現，采用鋼板將鉆頭和刀座牢固地焊接在一起，在鉆頭外圈加焊加勁板，從而提高鉆頭與刀座的整體受力和耐磨損能力。

4.2 跳鉆

直徑為4.5m的鉆頭施鉆時，容易和已成孔的直徑為3m的孔壁內的鉆渣發生碰撞現象從而演變成跳鉆。在下鉆之前應嚴格檢查鉆具的螺栓連接的牢固性與可靠性，嚴格按照審批好的施工方案中的鉆壓和鉆速等施工參數控制鉆進質量，遇到跳鉆時應立即減小鉆速，直至施鉆正常。

4.3 鉆頭管道堵塞

直徑為4.5m的鉆頭擴孔時，鉆渣將會不斷地掉入孔底，不可避免地會出現塊徑較大的石塊，當石塊在吸渣口被吸入時就會出現管道堵塞現象。為了防止出現鉆頭管道堵塞現象，在鉆頭吸渣口位置焊接1根直徑為48mm的鋼管。如果出現鉆頭管道被堵塞現象，可以采取調大鉆壓進行原位碾壓，待石塊被碾碎后再采用空壓機輸送風進行清理。

5 結束語

在碎塊狀強風化花崗巖與微風化花崗巖交界處存在軟硬不均和巖面高差與傾斜較大等復雜地質情況，前期采用全斷面成孔法出現斜孔嚴重等質量缺陷，成孔效率較低。項目部組織參建各方專家進行研究與討論后，建議采用二次成孔方法。該方法實施后，樁孔未出現斜孔現象，成孔效率大大提高，經過超聲波檢測發現，成孔質量滿足設計及施工規范要求。實踐表明，二次成孔法能夠有效解決大直徑樁基在巖面高差與傾斜較大地質情況下的斜孔質量問題，值得在類似項目中進行推廣。