平原区公路桥梁长大灌注桩成孔时效控制

许彬彬

（中交四航局第二工程有限公司，广东 广州 510300）

1 工程简介

目前北方地区特大桥施工的主要难点如下：主要有钻孔灌注桩施工，因冲积平原区地质条件限制，钻孔灌注桩类型主要为摩擦桩，造成超长桩的出现，而超长桩成孔时间长、清孔难度大、成桩质量控制难度极大，对于桩基施工来说时间越短风险越小，而超长桩的施工风险明显会随施工时间的增长而迅速放大[1]。在传统工艺中，使用斗齿齿钻具和钻杆使用摩擦杆进行成孔钻进，其中控制的关键参数为成孔时间及功效。文章围绕高速公路新线ZT8 合同项目，探讨钻杆的选型及钻具优化，以提高成孔效率，为类似工程积累一些经验。

1.1 工程概述

荣乌高速公路新线项目是雄安新区“四纵三横”高速公路网的重要组成部分，项目部承建的ZT8 标段全长5.7km，双向八车道，为全程高架高速公路，桩基础为钻孔灌注桩，按桩径共分Φ1.5m、Φ1.6m、Φ1.8m、Φ2.0m 四种，桩基统计见下表1。

表1 桩基统计表工程量

1.2 地质条件

路线经过地区地表出露地层为第四系松散层，下付地层依次为新近系、古近系、舆陶系、寒武系、中上元古界、太古界等。第四系平原组冲洪积黄土夹砂砾石层及砂层，未胶结或胶结程度极差，自上而下有细变粗，底部为红色含泥砾石层，20m 以下有多层黏土层，可做地下的天然隔水层。冬季平均冻土层约70cm。

本工程桥位区属冲洪积平原区，地势较平坦，地层主要为上部覆盖第四系全新统冲洪积形成的粉土、粉质黏土、黏土、粉细砂、中砂，下部为第四系上更新统冲洪积形成的粉土、粉质粘土、中细砂等。偶见软弱土，呈透镜体分布，顶板埋深1.9m，层厚2.4m。地下水位埋深2.0～17.6m。工程地质条件较复杂。

主要地层岩性及特性如下所述：

粉土：埋深0～5m 左右，呈褐黄色，稍密～中密，稍湿～湿，土质不均，干强度及韧性低，其间分布有黏性土、砂土、软土、软弱土。局部表层为素填土。

粉质黏土：埋深5～10m 左右，呈褐黄色，褐灰色，可塑，湿，土质不均，干强度及韧性低，其间分布有粉土、砂土、软土、软弱土。

粉土：埋深10～15m，呈褐黄色，密实，湿，土质不均匀，切面较粗糙，干强度及韧性低，其中还分布有黏性土、粉细砂，局部少量软弱土。

粉质黏土：埋深15～25m 左右，呈褐黄色，可塑～硬塑状，土质较均匀，切面较光滑，干强度及韧性中等，局部夹姜石。其中砂土呈灰黄色～灰色，中密～密实，砂质不均，级配中等，磨圆度较好。

粉土：埋深25～35m，呈褐黄色，密实，湿，土质不均，干强度及韧性低，其中还分布粉质黏土、黏土和砂土。

粉质黏土：埋深35～50m，呈褐黄色，可塑～硬塑状，土质较均匀，切面较光滑，干强度及韧性中等，局部夹姜石。其中分布有粉土、黏土、砂土。

粉质黏土：埋深50m 以下，呈褐黄色，硬塑状，土质较均匀，干强度及韧性高，局部夹姜石。其中分布有粉土、黏土、砂土。

2 主要施工方法

2.1 施工工艺

施工工艺流程具体为：施工准备→场地平整、测量放样、设备材料进场→埋设护筒→钻机就位→钻进成孔→一次清孔→成孔验收→钢筋笼安装→二次清孔→沉渣检验→水下混凝土灌注→指导管→拔护管→清理结束。

2.2 钻具结构形式

2.2.1 钻具选型

针对本项目情况以及地质的特殊性，采取旋挖钻孔灌注桩施工。根据以往钻孔灌注桩施工工艺，粘土层使用斗齿齿钻具进行成孔施工，但根据柱状图分析，成孔过程中并非全部粘土，变化层较大且中间夹杂砂层/且较密实，导致斗齿钻具在钻进过程中受阻、进尺困难，斗齿钻钻具如图1所示。

2.2.2 摩阻杆

摩阻杆传递轴压原理：钻斗底部的钻齿切削岩土形成扭矩负载，即反作用力，输出扭矩的钻杆遇到反作用力后便形成了正压力，即摩擦力，通过摩擦阻力传递加压力。因此，摩阻钻杆须依靠钻斗负载才能传递轴压，同时钻斗负载的大小决定着加压力大小，例如打滑时便无法传递加压力，钻杆使用摩擦杆，如图2所示。

图1 斗齿钻具示意图

图2 摩阻杆示意图

使用该工艺成孔耗时较长，首先在钻进成孔过程中，摩阻杆是靠自重进行钻进无加压点，不易剪切破碎较硬地质，斗齿钻头由于齿长适合钻进粘土层且进尺快，不会糊钻。截齿捞渣钻适合钻进砂层，因为截齿上面有合金，具有破碎性，进尺快，但是需要两个钻具配合使用，这就导致需要频繁更换钻具，从而使得耽误时间较多，导致成孔时间延长。

2.3 施工工艺优化

2.3.1 钻具优化

对于传统工艺，斗齿钻具不易破碎较硬地质，截齿捞渣钻与斗齿钻头搭配使用耗时长等相关问题进行优化。

经优化不再使用传统的斗齿钻具或截齿捞渣钻配合施工方法，只使用截齿捞渣钻，在原有的钻具基础上进行优化改进，更换钻具底座及原有的截齿，根据地质变化的特性定制特殊截齿，优化后新截齿比原截齿直径增大2cm，长度增加10cm，如图3所示。

2.3.2 钻杆优化

对于传统工艺，摩阻杆无加压点预硬层无法快速正常钻进等相关问题进行优化。

经优化使用机锁钻杆，在原有摩阻杆基础上进行了改进，调整锁键的位置和锁键方向，使其在钻进过程中有合适的加压点，增加钻进速度。如图4所示。

图4 钻杆示意图（优化后）

3 钻杆/钻具优化成果分析

3.1 工效分析

经优化在旋挖钻孔桩成孔过程中时间大量缩短，以桩径2m 桩长67m 钻孔灌注桩为例，优化前钻进时长达16h，经优化改进后成孔时长缩短至10h，主要减少了更换钻头所耽误的时间，同时优化改进钻杆后可以使用动力头加压钻进，不再出现糊钻、钻进困难、不进尺等情况的发生，大大减少了时间以及油料的损耗。

3.2 经济分析

钻具、钻杆优化改造成本费用测算如表1、表2所示。

表1 钻具优化改造一

表2 钻杆优化改造二

4 结束语

本工程在钻孔灌注桩施工中，主要对针对平原地区地质条件，旋挖钻机钻具钻杆选型，也因为工艺的优化不但保证了施工质量，而且提高了工作效率，加快施工进度，减少了大量的人力、时间消耗，同时节约了成本，希望能对同类工程钻孔灌注桩施工以及招投标有一点借鉴的作用。