超深大直径钻孔桩施工
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作者: 王连
摘 要 岳口汉江二桥水中墩为18根φ2.30 m钻孔灌注桩，孔深达到100 m，地质情况主要为细砂层，介绍在在复杂地质情况下超深大直径桩基施工技术和质量控制。
关键词 钻孔桩；超深；大直径；复杂地质
中图分类号 U4 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2011)122-0140-02
岳口汉江二桥主桥作为岳口汉江二桥的关键部位，位于湖北省仙桃市和天门市交界的汉江段上。主桥从55#～60#墩，其起止桩号为K142+595～K143＋170，长575 m，共设6墩，55#、56#墩位于北岸，57#、58#位于水中，59#、60#位于南岸。上部结构为主桥73＋112＋150＋150＋90 m预应力连续箱梁桥。
水中墩57#、58#墩下部结构为18根φ2.30 m钻孔灌注桩,其中57#墩桩顶标高16.03 m，桩底标高-68.97 m，平台顶标高为+31.0，桩长85 m，成孔孔深要达到100 m。钻孔桩施工以插打钢管桩，安放工56形成钻孔平台。
1 工程地质概况
57#墩所处河床中分布地层为第四纪全新统到更新统冲击层，桥址处地质特征由上而下见表1。
2 施工准备工作
2.1 主要施工设备的选型
由于本工程桩成孔孔深要达到100 m，垂直度要求很高。在设备选择上，主要应考虑转盘扭矩大，自重大，能够满足桩径，桩深度的施工要求。经过比较，我们选择了4台GPS-20HA型工程钻机，5台4PNL砂石泵施工，6BS泥浆泵8台，ZX-500型泥浆处理器和美国寿力750HH型空压机两台。
2.2 正反循环成孔工艺比选
正循环工艺需大面积的泥浆池和沉淀池，且对泥浆指标要求较高。而循环施工进尺快，转盘所消耗动力较少，清孔速度快，根据本工程的地质和工期特点，决定采用反循环工艺。另外考虑到本工程地质情况和反循环施工的特点，采用泥浆处理器和优质膨润土人工造浆的方法，来解决钻孔过程中无泥浆储存场地和土质较差，不能自然形成泥浆护壁等问题。
2.3 工艺流程
采用泥浆护壁回转钻进成孔、反循环清孔排渣、二次换浆清孔、导管法灌注水下砼的施工工艺。其工艺流程为：安装钻孔平台→插打护筒→测定桩位→安装钻机就位→钻进成孔→第一次清孔→吊接钢筋笼→下放导管→第二次清孔→水下导管法灌注混凝土→清洗机具→移至新
桩位。
2.4 泥浆分析
由于估计单桩成桩周期较长，桩深度较深，必须采用优质泥浆以保持孔壁的稳定性。根据以前的经验，准备在施工中采用优质膨润土人工造浆结合原土造浆。在施工前，还进行了泥浆配合比的试验，其中优质膨润土人工造浆采用膨润土、CMC（羧基纤维素）、碳酸钠（又称碱粉或纯碱），PHP（聚丙烯酰胺）水解液调制而成的复合泥浆。在钻孔过程中泥浆指标应达到：相对密度1.08～1.13；粘度18 s～22 s，含砂率：≤4％，胶体率：≥98％。其中人造新泥浆相对密度达到1.02～1.05，粘度20 s～24 s。
2.5 地质情况分析
根据地质勘察报告分析，第2层和第9层绿灰色粉质粘土层粘聚力明显高于其他土层抗剪强度较高，液性指数很小，已达到硬塑状态，特别是第2层位于护筒埋设底部，钻进到这二层时，应适当降低转速，并反复进行扫孔，以保证孔形垂直。第5层是约30 m的砂性土层，且成分中还含有石英，云母等物质，不但在成孔过程中对泥浆性能指标控制较高，还对钻头会产生很大的磨损，所以在该地层不但要加强泥浆的性能，而且要使用泥浆处理设备，降低泥浆的含砂率，减小对钻头的磨损。
3 钻孔桩施工技术措施
3.1 安装钻孔平台和插打钢护筒
钻孔桩施工用型钢和钢管桩搭设钻机平台，平台应用钢管桩连接加固稳定，以确保钻机在钻孔过程中不产生位移和沉降。护筒顶桩位十字线已由测量组放好，调整平台中心与桩位中心重合。护筒钢板厚为12 mm，用卷板机制作加工，直径为φ2.5 m，护筒应严格注意平面位置、竖向倾斜和两节护筒连接的质量。准确测量桩位后，将护筒运至墩位处，钢护筒依靠导向架定位，钢护筒长度为24 m，平台标高为+31.0 m，打入土中
10 m～13 m，其中打入每2层（即绿灰色粘土层）1 m，。在钻孔过程中，要通过调整泥浆比重及孔内水位来平衡内外水压差，以保证钻孔过程中孔壁的稳定。
3.2 泥浆循环系统的设置
由于围堰上空间有限，设置一专门的泥浆船，负责拌制优质膨润土复合泥浆；两台空压机均布置上机驳上，通过高压风管送风至泥浆处理器；泥浆处理器则在围堰上下游各放置一台，将4个护筒用φ325 mm钢管两两相连，形成一个回路，实现泥浆的循环利用。泥浆循环的顺序为，在砂石泵的作用下，泥浆顺着钻杆从孔底抽出，沿出浆管进入泥浆分离器，将砂石分离，处理后的泥浆沿回浆管流入护筒内，经护筒循环后送回孔内，另外用两台6BS泥浆泵将在泥浆船上拌制好的优质膨润土复合泥浆抽入孔中，利用钻杆搅动，实现与原土泥浆的结合。
3.3 钻进成孔
3.3.1 钻头选择
根据工程的地质特点，采用双腰带式刮刀钻头，钻头均为四翼刮刀，顶面为开敞式结构，采用普通刀排，刀排轴线与相应翼板平行。经过现场实践表明，此种刮刀钻头的结构型式及刀排结构均存在问题，在细砂层钻进约20 m后，腰带和刀排即破损严重。
根据施工经验，对钻头进行调整，在钻头上腰带处设一盖板，将钻头形成封闭结构，采用较厚的钢板制成腰带。采用较宽、较厚的刀排，并设置约15°的倾角。后经实践表明，调整后的结构形式能满足钻孔的要求，且磨损较少。
3.3.2 钻进成孔
将组拼好的钻机吊装就位，并使第一节钻杆入转盘以便接第二节钻杆。钻机就位时，必须使钻机转盘中心与护筒十字线中心重合，且底架应用平台螺杆调平，龙门架应保持垂直，确保钻杆倾斜度1%（检查钻杆的起重滑轮和转盘上固定钻杆的卡孔是否位于同一垂直线上）。
1）开钻时应先输入护筒内一定数量优质膨润土复合泥浆，钻时应低档慢速钻进，至护筒底以下1 m后，再以正常速度钻进，其目的是为了保证护筒底口的护壁质量，避免护筒底口坍塌造成后患。
2）钻具放入护筒内后，开钻前应将钻头提离孔底20 cm～30 cm，然后操作砂石泵或空气吸泥机把管路中泥水混合物排到沉淀池，待反循环流动形成后，方可选择适当档位和减压钻进。
3）在硬土层钻进时，可用慢速钻进，在普通粘土或砂粘土、粘砂土中可用中、快速钻进，在砂土或含少量砾石中宜用慢、中速钻进，以免发生埋钻或发生砂石泵吸不出的情况，当遇到地下水丰富而易坍孔的粉砂土，宜用低速钻进，减少钻头对粉砂土的搅动，但钻进可稍快，以期较快通过粉砂土层。
4）起落钻头要均匀，避免撞击孔壁。
5）因故停钻时，应将钻头提离孔底3 m～4 m，避免因沉淀或坍孔埋住钻头。
6）孔内保持一定静水压力是反循环钻孔的基本原则，故应保持孔内水位，不足时应及时补充。
3.4 第一次清孔
各桩在终孔验收合格后立即进行第一次清孔，清孔采用换浆法，即钻孔完成后，提起钻头至距孔底约50 cm～80 cm，继续旋转，把孔内浮悬的钻渣吸至泥浆分离器中分离，再返回孔内，适当加部分清水，调节泥浆的比重。
3.5 钢筋笼安装
钢筋笼采用分段制作，用吊机分段起吊在孔口焊接的方法安装。考虑到钢筋笼安放时间过长，不但会导致孔底沉渣过厚，还会引发钻孔桩缩径，塌孔等问题，所以采用将2节钢筋笼先连接后，再用吊车一起吊放，节省焊接时间。
3.6 第二次清孔
灌注导管为φ300 mm的无缝钢管。钢筋笼及导管安放到位后，进行第二次清孔，采用正反循环相结合的方法，即用6BS泥浆泵从导管内向孔底输入合格泥浆，冲刷孔底，利用正循环将孔底泥浆连同部分钻渣带出孔口，等泥浆性能参数符合设计规范要求后再用泵吸反循环逐步吸净孔底的沉渣，直至孔底沉渣厚度符合要求。
3.7 水下砼灌注
砼运抵灌注地点时，检查其和易性、坍落度等情况，混凝土的坍落度控制在180 mm～220 mm，灌注首批砼时，导管下口至孔底的距离为
80 cm～100 cm（因钻头为锥形，孔底为锥形底），料斗首批砼储量保证灌注后导管埋入砼中的深度不小于1 m。灌注开始后，连续有节奏地进行，并应尽可能缩短拆除导管的间隔时间，当导管内砼不满时，放慢灌注速度，防止在导管内造成高压空气囊，压漏导管，在灌注过程中，应经常保持孔内水头，防止塌孔，定时控测孔内砼面的位置，及时调整导管埋深。导管埋深一般应2 m～6 m。
4 质量检测和工期控制
本工程在施工过程中实时调整泥浆性能至最佳，确保了桩基施工的顺利进行。每个桩成孔均进行100%孔形检测，成桩至强度后又对桩基100%的超声波检测，测试结果表明，全部孔的孔形、孔径、垂直度均一次通过，全部36根桩均为一类桩。
5 结论
1）采用泥浆处理器和优质膨润土人工造浆方法，对超深大直径，且地质情况以细砂为主的桩基施工作用很大，极大的提高了工程进度和质量。以本工程为例，第一批未采用泥浆处理器和优质膨润土人工造浆方法等辅助方法，结果第一批孔每孔成孔达到23～26天，在采取了泥浆处理器和优质膨润土人工造浆方法后，成孔时间平均为9～10天，最快的孔可达到8天成孔，节省钻孔时间约2/3，保质保量完成全部水上桩作业，工期总共仅3个月。
2）第二次清孔中采用的正反循环相结合的清孔方法具有清孔速度快，清孔质量好的特点，特别适合本工程孔底细砂容易沉淀，单独采用反循环长期泵吸泥浆清孔易造成孔壁坍塌的情况。
3）在本工程中地质情况下，钻头主要采用刮刀钻头，刮刀钻头采用半封闭结构，泥浆和钻渣只能沿盖板顶面和边板流动，减少了对钻头翼板和刀排的直接磨损。
参考文献
[1]范新岗,张国生,王耀邦.钻孔桩施工工艺及常见问题处理[J].中国水运(学术版),2007,05.
[2]王书军.钻孔灌注桩施工技术[J].科技咨询导报,2007,16.
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