大跨越基礎復雜地質鉆孔灌注樁成孔機械選用及質量控制

鐘文 萬華翔 湯小兵 單長孝

摘 要：【目的】對±800 kV白浙線長江大跨越工程復雜地質下的樁基施工難題進行分析，并提出解決方案，為今后同類型工程施工提供建議。【方法】本研究從優化施工機械選用、細化施工方法、合理運用長護筒、采用新型制漿材料等方面入手，充分發揮旋挖鉆機對包含流沙的復雜地質適應性好、對深層巖石掘進效率高等顯著優勢，同時輔以北斗導航樁基信息化系統及超聲波成孔檢測裝置等技術手段。【結果】在采取有效措施優化施工方案后，大跨越樁基施工效率及成孔質量均得到顯著提高。【結論】經工程實際驗證，優化施工方法后的旋挖鉆機在復雜地質樁基施工中全部實現預期目標。

關鍵詞：旋挖鉆機；鉆孔灌注樁；復雜地質；大跨越工程；北斗導航系統

中圖分類號：TU753.3? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-5168（2023）08-0045-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.08.009

Selection and Quality Control of Drilling Machine for Large Span

Foundation Complex Geological Bored Pile

ZHONG Wen WAN Huaxiang TANG Xiaobing? SHAN Changxiao

（Anhui Electric Power Transmission and Transformation Co.， Ltd.， Hefei 230022， China）

Abstract： [Purposes] To analyze the difficulties and solutions of pile foundation construction under complicated geology of ±800 kV Baizhe Line Yangtze River span project， and to provide suggestions for the construction of similar projects in the future. [Methods] Starting from optimizing the selection of construction machinery， refining construction methods， rational use of long guard drum， adopting new pulping materials， etc.， the rotary drilling rig has the significant advantages of better adaptability to complex geology including quicksand and higher efficiency for deep rock excavation compared with traditional circulating drilling rig. At the same time， Beidou navigation pile foundation information system and ultrasonic hole detection device and other technical means are adopted. [Findings] After taking effective measures to optimize the construction scheme， the construction efficiency and pore-forming quality of large-span pile foundation are significantly improved. [Conclusions] Through the actual engineering verification， the rotary drilling rig with optimized construction method has achieved all the expected objectives in complex geological pile foundation construction.

Keywords： rotary drilling rig; bored pile; complex geology; large span; Beidou Navigation System

0 引言

在電網建設中，特高壓直流輸電技術在長距離和大容量輸電、大區聯網方面表現出顯著優勢，極大地提高我國大規模優化配置資源的能力，將助力達成“碳達峰、碳中和”的環境保護和能源結構升級目標早日達成［1-3］。

白鶴灘-浙江±800 kV特高壓直流輸電工程池州段長江大跨越基礎采用“鉆孔灌注樁+承臺”的形式。按照原定方案使用反循環鉆機進行樁基施工時，在中風化粉砂巖的鉆進效率較低，繼續施工會對工程總體進度造成較大影響。經勘查研究，決定改用ZR360C-3型旋挖鉆機進行施工。使用前，要對現場復雜地質給出有效措施，在提升施工效率的同時，確保成孔質量。

1 工程概況

該長江大跨越線路基本走向為南北走向。跨越處長江江面寬約為1 913 m、兩岸大堤堤距約為2 090 m。跨越塔塔型為ZKT-280、呼高為280 m、全高為345 m。跨越塔基礎采用“鉆孔灌注樁+承臺”的結構形式，并附帶連梁。包括主樁、井架樁、連梁支撐樁在內，北跨越塔共計158根樁，最深者達50 m，單基灌注樁總方量達5 700余 m3。北跨越塔基礎結構立面如圖1所示。

大跨越工程北跨越塔位于銅陵市樅陽縣 山鎮，地貌單元為長江沖積平原（河漫灘），地勢平坦，目前為秸稈收儲站廠區。地基巖土主要由上部的第四系全新統沖積、湖積形成的黏性土、淤泥質土、粉砂、細砂、碎石土和下伏白堊系基巖組成。地質勘探成果表明，16.3 m以淺以粉土、粉砂、細砂及粉質黏土為主，16.3～40.5 m以粉砂、粉土、中粗砂為主，40.5 m以下則為卵石層及粉砂巖層。

2 成孔機械選擇

在以往大跨越樁基施工中，常選用成本更低的循環鉆機。在初版技術方案中，原定采用反循環鉆機進行施工，其工作示意如圖2所示。反循環鉆機是由其旋轉盤通過分節加長的空心鉆桿來帶動鉆頭切削成孔，預先配置好的泥漿從泥漿池泵入，通過鉆桿與孔壁間的縫隙中流入孔底，在冷卻鉆頭的同時，裹挾切削下來的巖土鉆渣，從鉆桿內部返回地面沉淀池。與此同時，新的泥漿又送入孔內形成循環。由于鉆桿內徑比井孔直徑小，鉆桿內水頭上升速度較正循環模式更快，鉆渣隨之帶到鉆桿頂端，并進入泥漿沉淀池，凈化后的泥漿可循環使用。

受循環鉆機工作原理的限制，其對巖石層的鉆進效率差強人意。位置較深的中風化泥質粉砂巖層，決定改用切削巖層更快、自動化程度更高的旋挖鉆機進行施工。

在施工前，預先埋設鋼護筒以防止塌孔，同時保持護壁泥漿水頭的高度。旋挖鉆機工作原理如圖3所示。伸縮桿驅動頂端焊有切削刀具的鉆斗，通過旋轉切削的方式來挖掘孔內巖土，形成的土渣會進入到旋挖鉆斗內，待其裝滿后會提出至孔外，并進行卸土，如此反復循環成孔。工程上采用膨潤土等造漿護壁，利用泥漿泵向護筒內注入泥漿。在鉆至設計孔深，并經驗收無誤后，旋挖鉆頭要空轉清孔，以去除孔底沉渣。

相較于傳統鉆機，旋挖鉆機有以下優勢。①面對巖層時鉆孔速度快，有利于加快施工進度、保證工期。②旋挖鉆機鉆頭在工作時能有效減少孔底成渣、提高樁基承載力［4］。③施工時正值當地雨季，場地泥濘，旋挖鉆機在場地內移動較方便，且工作不受不良天氣的影響，泥漿處理也相對容易，對環境影響較小，滿足工程環水保要求，便于現場組織安全文明施工。④旋挖鉆機自動化、智能化程度較高，便于加強對樁位的控制，配備相應計算機系統可顯示入孔深度、垂直度等信息，可避免出現縮徑、塌孔等現象。

3 流沙復雜地質旋挖鉆機施工關鍵技術

該工程大跨越塔基礎所處位置的表層屬流沙地層，在此地質利用旋挖鉆機成孔難度較大［5］。這是因為旋挖鉆頭對孔壁施加荷載后會造成土層失穩，而流沙層黏性不足，穩定性較低，很容易因自身重力而形成塌孔現象。加之旋挖鉆機與傳統鉆機（循環鉆、沖擊鉆等）在掘進方式上有著根本性不同，需要從以下三個方面優化旋挖鉆孔灌注樁施工方案。

3.1 高護筒埋設

護筒埋設能增強孔壁穩定性，有效防止塌孔，也是保證樁基垂直度偏差符合要求的措施之一。針對流沙層等特殊地質條件，應適當加大護筒尺寸及埋深，確保其能穿過不穩定地層，防止地層坍塌失穩［6］。

根據地質勘查結果，訂制8 m長的鋼護筒，選用加厚鋼板卷制，為保證其在鉆頭沖擊下不易變形，在護筒端口、接縫處通過補焊進行加強。根據前期定樁位來確定位置，護筒挖設直徑比護筒外徑大100 mm左右，挖設深度應低于護筒高度，確保其頂端高出地表。埋設護筒應保證護筒中心與灌注樁中心同心度。護筒設置時應對好水口方向，埋設應穩定、牢靠，采用黏土或素混凝土均勻填補護筒與坑口縫隙。

護筒埋設需注意以下控制要點。①護筒堅實、不漏水，以保持水頭高度。②護筒埋設深度需穿過流沙層進入穩定土層［7-8］。③護筒內徑要大于鉆頭直徑約200 mm。④護筒埋設位置要準確，露高、平面位置誤差、垂直度誤差等要滿足設計要求。⑤護筒埋設高度要保證孔內水頭高度。

護筒埋設好后，應及時將樁中心用十字軸線標識在護筒內側。護筒固定并經驗收合格后，方可進行鉆機就位。旋挖鉆機底盤為伸縮式自動整平裝置，操作室內有儀表用于準確顯示各項參數，就位時鉆頭中心對準護筒中心，保證誤差不大于20 mm。

3.2 新型制漿材料及泥漿配比

旋挖鉆機在工作時，孔內泥漿會在孔壁上產生一層泥皮，這對提升孔壁的穩定性、預防塌孔起到一定作用［9］。合理配比并使用好泥漿是保證復雜地質樁基工程質量的重要因素。優質泥漿可確保孔壁穩定，且具有良好的攜帶巖粉能力，比重、年度、失水量過大的泥漿必然會降低鉆進速度，導致泥皮過厚，直接影響鉆進阻力。

鑒于樁基施工現場的地層造漿能力相對較弱，因此采用人工膨潤土造漿法，并加入適量分散劑，每立方米加入不超過1 kg纖維素助漿劑，從而保證泥漿性能，泥漿配比及性能指標見表1。地層含有粉砂層，通過循環、攜帶巖粉，泥漿中的含砂率會迅速增加，泥漿的比重增加、黏度降低、性能下降。因此，要及時補充膨潤土等化學液調制泥漿，降低泥漿失水率。

現場泥漿配置及使用需注意以下控制要點。①泥漿性能必須滿足規范要求，保證在鉆機工作、清孔時的孔壁穩定。②應經常測定，并保證泥漿池中泥漿性能。在開始鉆孔前、鉆孔過程中和清孔后至少各測一次泥漿性能。③應經常清理泥漿池沉淀物，定期檢查清洗泥漿泵。④在泥漿池周圍應挖設排水溝，以防施工污水、雨水污染泥漿，澆注時應注意防止混凝土灑落泥漿池內。⑤旋挖鉆機就位后，利用泥漿泵向護筒內注入泥漿，直到旋挖不外溢為止。在旋挖過程中每挖一斗向孔內注一次泥漿，使孔內始終保持一定水頭。注入泥漿和旋挖要相互配合，以保證成孔質量。

3.3 二次清孔

考慮工程的實際情況，并結合現場地質，決定采用二次清孔法，即在達到設計深度后靜置，利用鉆斗進行第一次清孔，在下入鋼筋籠、澆筑導管后進行第二次清孔，以清除吊放鋼筋籠期間掉落的雜質［10］。二次清孔后的泥漿性能及孔底沉渣要滿足設計要求，否則將繼續清孔，直至達到要求。

當鉆進至設計孔底標高后，經現場相關人員用測具準確測量孔深、孔徑等，確認各項參數符合設計要求后，可開始第一次清孔。旋挖鉆機靜置30～60 min，讓孔內雜質充分沉降至孔底，再空轉清渣，將堆積的沉渣雜物清理干凈。在清孔排渣時，要嚴格控制鉆桿姿態，不可隨意加深鉆進，同時保持孔內水頭，以防止坍孔。第二次清孔是利用混凝土導管進行的。二次清孔質量的好壞將直接影響沉渣厚度和孔壁質量，進而影響樁體的承載力［11］。清孔時要勤動導管，但不得猛拔猛插，防止破壞孔底結構。清孔后孔內應保持一定的水頭高度，應在半小時內澆筑。若超過時間，則重新測定沉渣厚度。

清孔作業時需注意以下控制要點。①清孔前孔深要滿足設計要求。②清孔后沉渣要滿足設計要求，孔內泥漿性能良好，便于后續水下混凝土澆筑作業。

4 成孔質量控制

為保證大跨越工程鉆孔灌注樁施工質量，要注重鉆機工作過程控制及成孔后監測兩方面工作。

在過程控制方面，采用樁基綜合信息化系統，旨在從過程中提高鉆孔灌注樁的成孔質量，主要從以下三個方面來實現。①樁基北斗系統。可實現旋挖鉆機姿態調整與位置監測，對樁位及成孔垂直度進行實時監測，及時修正。②傾角傳感器。可對施工過程中鉆孔深度、樁身垂直度等進行實時監測，并在一定范圍內自動調整，在孔深不足、垂直度異常時及時進行現場提示。③電流傳感器。旋挖鉆機在不同地層工作時，要采取不同的鉆進模式。電流傳感器可對鉆進的地層地質條件進行實時監測，判斷是否入巖及入巖深度。特別是在進入新的地層時，要自動放慢鉆進速度，對巖層先磨后壓，平穩過渡不同地層，以免出現偏孔。

在成孔檢測方面，除常規水文測繩及驗孔器（孔規）檢測外，可采用聲波檢測法來嚴控樁基成孔質量。通過在孔口設置超聲波成孔檢測儀，利用其下放的超聲探頭可快速在移動終端形成波形，從而準確判定是否有塌孔、縮徑、錯孔等情況出現。

5 結語

將旋挖鉆機應用于包含流沙層復雜地質下的特高壓大跨越工程基礎灌注樁施工中，通過應用高護筒及新型制漿材料，對不同地層選擇對應的鉆進方法，并運用高科技手段來保證成孔質量。經現場實際應用，施工效率大幅提高，樁基質量符合要求，全部達到預期目標。事實證明，運用旋挖鉆機有助于提高基礎施工的自動化程度，在加強成孔控制的同時，降低對環境的污染。白浙線長江大跨越樁基施工的順利完成，有效保障了總施工進度，為以后同類型樁基施工方法的改良提供參考經驗，研究成果有助于其他類似工程建設和施工設計等方面的工作，具有廣闊的應用前景。

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收稿日期：2022-12-05

作者簡介：鐘文（1998—），男，本科，工程師，研究方向：輸電線路施工技術管理；萬華翔（1992—），男，本科，工程師，研究方向：輸電線路施工技術管理；湯小兵（1992—），男，本科，工程師，研究方向：輸電線路施工技術管理；單長孝（1979—），男，本科，高級工程師，研究方向：輸電線路施工技術管理。