浅谈大型反循环回旋钻机在虎门二桥索塔桩基施工中的应用

范鹏

【摘要】主要介绍了虎门二桥坭洲水道桥超高索塔桩基础钻孔灌注桩施工的基本情况，并以东塔索塔（以下简称坭洲东塔）桩基钻孔施工为例，总结了一些实用的施工经验，为今后在珠三角地区泥质粉砂岩中钻孔施工提供借鉴。

【关键词】超高索塔桩基础；反循环钻机；泥浆；球齿钻头

FanPeng

（Guangdong Provincial ChangDa Highway Engineering Co.，Ltd.，Guangzhou 510075，China）

1.工程概况

虎门二桥坭洲水道桥跨越珠江坭洲水道主航道，桥跨布置为658m+1688m+522m（钢箱梁长度为548+1688），全长2868m，为双跨钢箱梁悬索桥，塔高252m。其中过渡墩、东索塔、西索塔、东引桥1～3#墩均位于珠江河道中。

索塔采用圆端哑铃型承台，平面总尺寸为90.43（横桥向）×34.8（顺桥向），承台厚7m，承台系梁宽14m，与承台等厚，承台顶标高为+4.0m。根据桥塔塔位的地形、地质、水文和环境等自然因素以及岩层情况，设计采用群桩基础，单桩直径为φ2.8m，东、西索塔共计128 根。桩基鋼护筒采用壁厚18mm的Q235钢板卷制而成，钢护筒内径为3.0m，西侧索塔单根桩基钢护筒长度为20m，东侧索塔单根桩基钢护筒长度为16m。

2.总体施工布置

2.1施工场地布置

2.1.1施工栈桥及平台

由于是水上施工，因此需搭设水上施工平台来施工，施工平台分栈桥、辅助平台和钻孔平台三部分。栈桥及辅助平台承担起重设备及施工运输车辆等荷载，采用φ820×8mm螺旋管作管桩基础，其上依次包括I45工字钢垫梁、贝雷承重梁、I25工字钢分布梁以及反扣[28槽钢面板；钻孔平台则承担钻孔设备及材料堆放荷载，亦采用φ820×8mm螺旋管作管桩基础，其上依次包括HM588型钢承重梁、I25工字钢分布梁及8mm厚钢板面板。

2.1.2施工机械布置

桩基成孔设备采用大型反循环钻机施工，布置武桥重工制造的KTY3000B型、KTY4000型以及宁波中锐制造的ZJD4000型等钻机8台（后期为加快施工进度，增加至9台）。参考其钻机技术参数，结合钻机移机、提钻等吊装需要，起重设备考虑布置80T龙门吊两台，S1200塔吊一台，另外配置一台80T履带吊作机动起重设备。

2.2桩基施工顺序安排

根据总体进度计划安排、钻孔平台空间以及钻桩平台受力要求等因素，主墩

桩基施工必须按既定顺序进行。为方便施工将各墩桩基划分为8 个施工区域，每个区域内各投入1 台钻机，各个区域内的数字表示钻孔的先后顺序，主墩桩基按顺序1～8#依次进行桩基施工。特殊情况下需调整时，必须满足相邻桩位不同时施工的原则，以防止窜孔、塌孔等事故发生。各墩桩基钻孔施工顺序详见下图所示：

2.3施工工艺概述

2.3.1反循环钻机工作原理

施工所用反循环钻机均为液压动力钻机，具体工作原理如下图：

由动力头驱动钻杆，钻杆带动钻头回转钻进，采用气举反循环的排渣方式，其动力传递路径为：电动机→液压泵→液压马达→动力头。

2.3.2成孔施工工艺流程

钻孔施工基本工艺流程为：测量并设定桩位中心→钻机就位对中→下放刮刀钻头→正循环造浆开钻→反循环钻进→入岩前更换滚刀钻头→钻孔至设计标高→终孔检测→清孔→提出钻头移机→下放钢筋笼及导管→二次清孔→灌注水下混凝土。

每根桩基成孔施工均按以上工序循环施工，每道工序紧密衔接，并派专人跟踪控制。

3.施工难点及要点

3.1 钻机选型

3.1.1钻机技术参数

武桥重工制造的KTY3000B型全液压动力头钻机是在KPG3000型全液压工程钻机的基础上结合当今国际先进技术经过两次优化设计而研制的，其技术参数主要为：岩石单轴抗压强度σc≤200MPa的基岩中任选孔径下钻进，钻进深度可达130m，钻孔直径可达3.0m；动力头转速0～7rpm时，扭矩200kN·m，动力头转速0～15rpm时，扭矩100kN·m。而武桥重工制造的KTY4000和宁波中锐制造的ZJD4000钻机在3000型钻机的升级版，在扭矩和钻孔直径上都有了较大提高，其技术参数主要为：岩石单轴抗压强度σc≤120MPa的基岩中钻孔直径可达4.0m，单轴抗压强度σc≤200MPa的基岩中钻孔直径可达3.5m，钻进深度均可达130m；动力头转速0～6rpm时，扭矩300kN·m，动力头转速0～15rpm时，扭矩120kN·m。根据本项目的地质情况和桩孔直径，以上三种钻机均满足施工要求。

3.1.2钻头钻压选择

钻压依据地质情况、设备提升能力、钻头类型等因素确定，一般以能压入岩石为下限，不损坏轴承为上限。覆盖层中钻进采用刮刀钻头时，仅钻具及钻机的自重提供的钻压就能满足钻进要求，因此一般不需要增加配重块。入岩后改换滚刀钻头在岩层中钻进时，钻压过低钻头滚刀齿刃在岩石上滑动，不仅不能破岩，还将加速齿刃的磨损；钻压过大，会过早损坏钻头滚刀轴承。为保证较高的钻进速度，必须选择合理的钻压，根据坭洲水道桥东塔桩基的实例经验，钻压宜为钻头上所有滚刀轴承设计承载力之和的80%。

另外在钻压应根据实际地层情况不断调整，在钻基岩时，应根据所选钻头类型和破岩比压调整钻压；在钻松散底层时，所施加给孔底的的压力应以保证泥浆反循环畅通，并以及时清除钻渣为前提，以免堵塞钻杆风包头。

3.1.3钻头类型选择

反循环钻机的钻头以滚刀钻头和刮刀钻头为主，滚刀钻头适应于岩层钻进，分楔齿型和球齿型，而刮刀钻头适用于覆盖层及强风化岩层钻进。选择一种适用的钻头，是保证钻进效率的重要措施。

以坭洲水道桥东塔试桩为例，桩底标高为-62～-65m，入岩深度平均在30m左右，岩层以风化泥质粉砂岩或微风化中砂岩为主，饱和单轴极限抗压强度为14.9～50.3Mpa，属极软岩或较软岩。该类岩层是由沙粒经过水搬运沉淀于河床上，经千百年的堆积坚固并经地质物理作用胶结而成的岩石，其成分主要为粉砂，含少量粘土矿物及胶结物。我们先在岩层中使用楔齿型滚刀钻头钻进，每天进尺为1.0～1.2m，进度不理想。为加快钻进功效，我们对钻齿进行以下分析：a.楔齿较为尖利，与岩面接触时能提供较大压强以破碎岩层，然而该岩层均为软岩，裂隙不发育，难以达到较好的破碎效果；b.岩层含砂量大，钻进中楔齿材质易磨损，需更换频繁，费时且不经济。鉴于以上几点，在多方研究调查后，决定采用球齿型钻头钻进，实践证明球齿钻进功效提高了30%～50%，磨耗更小，节省了更换钻齿所需提钻头、拆钻杆时间，保证了施工进度。

3.2泥浆调制及监控

3.2.1造浆材料

为保证泥浆质量，更好的配合桩基施工，项目部建立了工地泥浆试验室，调制适合现场水文地质条件的高级泥浆，其主要由水、膨润土和添加剂组成。造浆用水主要是自来水或低潮水，膨润土采用钙质膨润土，添加剂主要有纯碱、CMS、PAC141及PAC142等。其中纯碱用以增大PH值，提高泥浆胶体率及稳定性；CMS则增加泥浆抗盐性；PAC141和PAC141用来提高粘度和胶体率。

3.2.2泥浆调制流程

在钻机开钻前，跟实际地质情况制定有针对性泥浆调制流程，并对施工作业人员进行技术交底，保证泥浆在可控范围内，具体流程如下图：

3.2.3钻进滤砂

泥浆中含砂率大，会导致粘度降低，沉淀增加，容易磨损泥浆泵及水龙头、钻头等钻具；长时间钻进，砂也会附着在孔内泥皮护壁上，增大泥皮厚度和密度，增加坍孔风险。在坭洲东塔的钻进过程中，为提高滤砂效率，选择黑旋风除砂器除砂。除砂时间应根据钻进进尺来确定，其中砂层钻进每天应不少于12个小时，砂岩层中钻进每天不少于2小时。另外，滤砂时大量砂粒从泥浆分离后，要及时补充孔内泥浆，以保证桩护筒内外水头差，防止坍孔。

3.4施工总结

3.4.1粉砂岩中钻进滤砂

泥质粉砂岩结构呈颗粒状，颗粒特别细小，其砂直径约为1/16-1/250mm，而目前市场上常用黑旋风除砂器分离粒度为D50=0.06mm，难以满足钻进要求。为此我们在各台钻机实际施工过程中，采集大量数据，分析比对后，发现适量降低泥浆比重，让砂粒自然沉淀能加快粉砂分离，另外还可以设置连通管与相邻桩基护筒连通，加长泥浆循环通道，保证粉砂自然沉淀所需时间，根据结果来看该办法经济而有效，值得类似后续工程借鉴。

3.4.2起重设备布置

根据坭洲东塔桩基施工的过程来看，配置两台80T龙门吊、一台S1200塔吊和一台80T履带吊是完全能滿足施工中的起重设备要求的。我们使用9台回旋钻机体型均较大，整机（除钻头及钻杆外）重量约40～50T左右，钻头及配重约36～40T。而80T龙门吊和S1200塔吊的起重能力为桩基终孔后钻头钻杆拆除及钻机整体移机就位提供方便，节省了因起重能力不足钻机构件安拆移机的时间；另外配置大型的起重设备也有利于处理钻进过程中坍孔埋钻、卡钻等突发事故，缩短处置时间，减少经济损失。

3.4.3施工用电配置

整套反循环回旋钻机钻进时，主要用电部件有液压站（为钻机提供动力输出）、空压机（气化泥浆，形成反循环系统）、泥浆处理器（分离钻渣及砂粒）。KTY3000B、KTY4000及ZJD4000型钻机的液压站均由3台大功率和1台小功率电动机组成，总功率分别为：240KW、285KW和285KW；空压机为每台钻机独立配置，功率为160KW，泥浆处理器可以两台钻机配一台，功率为55KW。坭洲东塔桩基施工电力配置上，使用的是5台630KW的变电站，考虑不是同时启动和不会满负荷运转，完全可以满足8套钻机同时施工。而实际上，为加快坭洲东塔桩基施工进度，高峰时期增加到9套钻机同时施工时，电力配置仍能满足施工需要，保证了桩基的顺利完成。

4.结束语

虎门二桥坭洲东索塔桩基通过使用KTY3000B、KTY4000及ZJD4000型等反循环回旋钻机施工，工程按原计划顺利完成。针对珠三角地区的泥质粉砂岩层的钻桩施工，在施工平台设计、钻机性能、钻头选择、泥浆控制、起重设备和用电配置等方面积累宝贵施工经验。

参考文献：

[1] 中交公路规划设计院有限公司、广东省公路勘察规划设计院股份有限公司

.虎门二桥工程施工设计图第二部分第一册--坭洲水道桥索塔施工设计图[R].广州：中交公路规划设计院有限公司、广东省公路勘察规划设计院股份有限公司，2014.

[2] 交通部第一公路工程总公司.公路施工手册-桥涵[M].北京：人民交通出版社，1999.

[3]广东省长大公路工程有限公司一分公司.虎门二桥S4标坭洲水道桥索塔桩基施工组织设计[R].广州：广东省长大公路工程有限公司一分公司，2014.