水中软土地层中超长钻孔灌注桩的施工

薛旭涛 李世平 阙正义 唐 飞 刘 润 郑伯钟

1. 中国建筑第四工程局有限公司 广东 广州 510665；2. 中建四局第一建筑工程有限公司 广东 广州 510800

由于交通荷载的增加，为加大桥梁的承载能力，桥梁桩基在设计时出现了大直径桩、超长桩的趋势[1]。广东地区存在大量软土地层，水中桥梁施工时，桩基穿越深厚软土地层，下部无基岩支撑，桩基多采用摩擦桩。为了加大摩擦桩的承载力，部分不良地质桩基的桩长超过90 m，成为超长桩。

水中软土地层超长桩在施工中易出现坍孔、颈缩、漏浆等事故，结合前人的工程实践探索，气举式反循环钻机和泵吸式反循环钻机可以满足超长桩的施工要求。前人对超长桩的研究主要集中在施工技术和现场管理经验方面[2-3]。在水中软土地质条件下，本文对2种设备因原理不同而导致的施工工效上的差异进行研究，结合工程地质情况，选择合适的施工机械设备进行钻孔施工，从而达到保证桩基工程施工质量和加快施工进度的目的。

1 工程概况

广东省汕头市莲阳河特大桥全长1 459.6 m，桥梁左右幅单幅标准宽度13.75 m，跨河部分因设置人行道加宽至17.75 m。该桥12#—26#墩柱位于莲阳河水中，水下桩基共计126根，采用C35钢筋混凝土钻孔桩基，桩基受力形式为摩擦桩。其中12#—21#墩、26#墩桩径2.0 m，桩长95.3～100.0 m；23#、24#墩桩径2.0 m，桩长115 m；22#、25#墩桩径2.0 m，桩长81～83 m。

根据地质勘探结果，场区覆盖层由第四系填土、淤泥、粉质黏土、砂类土组成，桥位位于抗震设防烈度Ⅷ度地震区，场地土类别为Ⅳ类，砂土在地震力作用下严重液化。

2 施工机具选择

2.1 钻孔灌注桩设备选择

根据本工程场地内地质情况，参考文献[4]的要求，项目同时选用气举式反循环钻机和泵吸式反循环钻机进行施工，在施工中通过对2种设备的施工进度、质量进行统计，通过对比分析后选用更为经济、安全可靠的施工设备。本项目桩基施工所选用的反循环钻机工作参数如表1所示。

表1 反循环钻机工作参数

2.2 气举式反循环钻机工作原理

气举反循环钻机的工作原理是将压缩空气由进气管输入到混合器中，通过混合器将压缩空气送入到钻杆内，将压缩空气和钻杆内的液体互相融合，达到降低钻杆内压强的目的，使钻杆和桩孔之间形成压差，将孔底泥浆吸入钻杆中，向上通过排渣口排入泥浆沉淀池中，经过沉淀后的泥浆流入泥浆池中循环利用[5]。气举反循环原理如图1所示。

气举式反循环钻机的工作效率和其沉没比有极大关联，沉没比a的计算公式为：

式中：a——气举式反循环钻机沉没比；

h1——导管插入泥浆深度；

h2——泥浆出口距离泥浆顶面高度。

2.3 泵吸式反循环钻机工作原理

泵吸式反循环钻机是通过砂石泵的抽吸作用，在钻机的钻杆内腔形成负压，通过孔内液柱和大气压的共同作用，孔壁与环状空间的泥浆流向孔底，将钻头切削下来的钻渣，带进钻机的钻杆内腔中，再经由砂石泵排至现场设置的沉淀池内。在沉淀钻渣后，冲洗液流向孔内，形成反循环，成孔后经过一次清孔及二次清孔，最终完成桩基施工。泵吸反循环原理如图2所示。

图1 气举式反循环钻机工作原理示意

图2 泵吸式反循环钻机 工作原理示意

3 超长钻孔灌注桩施工

3.1 施工条件

莲阳河特大桥钻孔灌注桩施工位于水中，施工时需先搭设水上作业平台。作业平台要满足桩基施工时钻机荷载、钢筋笼吊装荷载、混凝土运输和灌注荷载等要求。同时，在设计时需要考虑通航情况。

3.2 反循环钻机施工

3.2.1 钢护筒插打

钢护筒插打的关键是振动锤的选择。根据护筒下沉所需激振力的大小，选择振动锤型号。激振力计算原则为：激振力P＞土的动摩阻力R－护筒和振动锤自重G。

经计算可以得出P＞1 921.8 kN，DZJ300型双夹臂液压振动锤的最大激振力为2 185 kN，可满足完成钢护筒插打施工所需激振力。

3.2.2 泥浆制备及性能指标

本工程桩基直径大、桩孔深，穿越淤泥层、砂层，造浆性能差。本次桩基施工时选用了丙烯酰胺泥浆。该泥浆具有不分散、低固相、低密度、高黏度等优点[6]，被广泛应用于桩基施工，尤其是超长桩施工中。

为确保泥浆质量，达到反循环钻机顺利钻进成孔的目的，在开钻前对泥浆进行试配，优化泥浆配合比，确保钻进过程中及时调整泥浆指标，保证孔内泥浆密度，降低超长桩穿越不同地质时的坍孔风险。

为防止环境污染以及合理利用施工场地，在现场设置泥浆制备区，采集制备好的泥浆，经由泥浆泵泵送至钢护筒内。随着钻机的钻进，要对泥浆密度及时进行检测并随着钻进情况调整。泥浆各施工阶段的性能指标要求见表2。

表2 泥浆各施工阶段的性能指标

3.2.3 钻机钻孔施工

根据施工现场实际情况，钻进过程划分为2个阶段：护筒内钻进阶段；护筒外软弱地层钻进阶段。

护筒内钻进阶段：从护筒底口2.0 m以上，采用直径2.0 m刮刀钻头反循环加压清水钻进，每小时进尺控制在2～4 m。钻进时注意孔内补充清水保持水位，混合泥浆经沉淀池沉淀后，泥浆回流入护筒，钻渣转运至弃渣场。

护筒外软弱地层钻进阶段：护筒底口以上2 m至孔底，调换直径2.0 m的改进型机械钻头，开钻时钻头反循环空转，启动泥浆循环系统，置换孔内泥浆；当孔内泥浆指标符合要求后，优质泥浆护壁反循环减压钻进，在护筒底口附近慢速钻进，形成稳定孔壁，每小时进尺控制在0.3～0.8 m。钻头出护筒5 m后恢复正常钻进，根据不同地层的特点，在钻孔过程中及时调整护壁泥浆指标和钻进速度，每小时进尺为1.0～3.5 m，孔内补充优质泥浆。气举式反循环钻机和泵吸式反循环钻机施工参数如表3所示。

表3 钻机施工参数

3.2.4 清孔

当钻孔施工达到设计标高后，及时对桩孔深度和孔径进行复核，满足设计要求时进行清孔施工。清孔时将钻具提离孔底30～50 cm，缓慢旋转钻具，补充优质泥浆，进行反循环清孔，同时保持孔内水头，防止坍孔。清孔完成后及时停机提钻、移走钻机，尽快进行成桩施工。

4 桩基施工情况分析

莲阳河特大桥桩基施工安排3台气举式反循环钻机、3台泵吸式反循环钻机进行施工。施工过程中对6台反循环回旋钻机进行编号，分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ号钻机。同一墩台施工时必须隔孔施工。

根据设计对桩基工程量进行统计，本桥主墩23#、24#墩桩基数量最多，共计9根，选取主墩23#、24#桩基施工顺序进行示意，如图3所示。

图3 桩基钻孔顺序

施工过程中对23#、24#桩基的钻孔施工进度进行统计，取各步骤的施工平均时长，得出单桩施工工期（表4）。

施工完成后检测钻孔成孔质量，标高、垂直度、沉渣厚度控制均满足设计规范要求。对统计数据进行分析，可以得出以下结论：

表4 气举式反循环钻机与泵吸式反循环钻机单桩施工工期对比

1）泵吸式反循环钻机和气举式反循环钻机均可完成软土地层中水中超长桩钻孔施工，经检测，施工质量可靠。

2）气举式反循环钻机在超长桩钻孔施工过程中施工工期比泵吸式反循环钻机短。这是2种钻机工作原理不同导致的，随着钻孔深度的增加，泵吸式反循环钻机泥浆泵的泵吸力损失增大，泵吸效率下降；气举式反循环钻机的沉没比随钻进深度的增加而增加，沉没比越大，钻进效率越高。

5 结语

在软土地质条件下的超长桩施工时，选用气举式反循环钻机和泵吸式反循环钻机均可完成桩孔钻进施工。但选用气举式反循环钻机的施工速度、清孔效率超过泵吸式反循环钻机。在今后同类工程中，选用气举式反循环钻机施工，可以有效加快施工进度，达到节约工期和保证桩基施工质量的目的，对此类工程施工有较强的指导意义。