反循环配合旋挖钻在桩基工程中的应用

徐毅，韩鹏飞

（中交一航局第二工程有限公司，山东青岛266071）

1 引言

中山东路道路桥梁工程路线途经汕头市龙湖区新溪镇、澄海区坝头镇和莲下镇，为2021年汕头亚青会主场馆与城市区的主干道，是一项国家重点工程，中砂大桥为该项目的控制性工程，桥梁桩基的顺利施工显得尤为重要。国内外学者对桩基成孔工艺、清孔工艺等方面已展开了较多的探讨。裴迎春[1]介绍了旋挖钻的技术优劣及注意事项，并与反循环工艺进行对比分析。雷斌[2]分析了旋挖钻孔工艺桩底沉渣过厚的原因，介绍了6种清孔工艺，并对比分析了各种工艺的特点，提出旋挖桩清孔工艺的优化选择方法。单慧川[3]对比分析了正循环冲击钻和反循环回旋钻的钻孔工艺及施工效果，就成孔质量、成孔效率、成本消耗等方面进行了详细对比。

目前，对桩基钻孔工艺及清孔工艺的研究较多，但对不同钻机结合使用的研究较少，本文着重分析反循环配合旋挖钻工艺的应用，该工艺较常规施工工艺能有效提高施工效率，保证成桩质量，为类似工程施工提供参考。

2 工程概况

中砂大桥全长1.325 km，主桥为80m+180m+80 m跨径布置的双塔双索面钢箱梁斜拉桥，全桥桩基共212根，其中，φ1.2 m桩基28根，φ1.8 m桩基48根，φ2m桩基112根，φ2.5 m桩基24根（主墩桩基），基础形式均为群桩，桩基类型以嵌岩桩为主。

3 方案比选

桩基钻进方案主要有3种：冲击钻进、旋挖钻进、反循环钻进；清孔方案主要有4种：泥浆正循环、泵吸反循环、气举反循环、无泥浆循环。上述工艺优缺点见表1。

表1 桩基钻进及清孔优缺点一览表

因旋挖钻进尺速度最快，反循环钻机自带有气举反循环清孔设备，经综合考虑工程的工期、造价要求，最终采用反循环配合旋挖钻的施工工艺，由反循环钻进土层、旋挖钻进岩层、再由反循环清孔。

4 施工工艺

4.1 施工流程

桩基施工流程图如图1所示。

4.1.1 施工准备

由于主墩桩基位于河道中，需在桩基施工前进行钢平台搭设，钢平台钢管桩采用钓鱼法打设，钢平台为上承式结构，从上至下依次为花纹钢板面板、纵向分配梁、横向分配梁、321型贝雷梁、主梁、钢管桩基础。

图1 桩基施工流程图

4.1.2 测量放样

根据设计图纸要求，用全站仪坐标放样法确定桩中心位置，为后续钢护筒打设提供依据。

4.1.3 钢护筒打设

主墩桩基直径为2 500 mm，采用外径2 800 mm、壁厚22mm、长度30m的钢护筒，通过打桩船进行打设。

4.1.4 钻机就位

受现场条件影响，钢护筒定位时存在误差，钻机就位前需重新复核桩中心位置，及时做好标记，保证钻头中心与桩中心重合。

4.1.5 泥浆制备

桩基施工采用轻质环保化学泥浆，泥浆制备采用原状土，适量添加纯碱及羧甲基纤维素钠（CMC）以提高泥浆化学性能，不同土质应采用不同性能指标的泥浆，泥浆比重、黏度应随土样大颗粒的增多而增加。

4.1.6 反循环钻进

钻机安装就位后，调整底座并保持平稳，钻孔作业采用减压钻进，根据不同土层选择与之相适应的进尺和转速，每钻进2m或地层变化时，在泥浆池中捞取钻渣样品，查明渣样并记录，以便与地质剖面图核对，钻进过程中需关注护筒内水位的变化，随时准备泥浆泵进行补浆，保持护筒内水位高出自然水位的1～2m，以保持孔内水压，稳定孔壁。

当反循环钻进至强风化岩层时，进行钻机设备的更换，采用旋挖钻继续钻进，反循环设备进行下一桩位的钻进。

4.1.7 旋挖钻入岩

由现场实践可知，对于中风化岩层，同设备进尺效率比约为：旋挖钻∶反循环∶冲击钻=1∶0.33 ∶0.25 ；3种设备每米进尺的单价比约为：旋挖钻∶反循环∶冲击钻=1∶1.15 ∶0.39 ；反循环扩孔系数最小，约为1.04 ；旋挖钻次之，约为1.06 ；冲击钻最大，约为1.16 。

考虑工期的影响，优先采用旋挖钻钻进岩层。旋挖钻采用牙轮或截齿筒钻取芯钻进成孔，由于主墩桩径为2.5 m，需采取分级扩孔，扩孔级数为2级，按φ1m、φ2m和φ2.5 m分级成孔。钻进过程中需保持钻杆垂直，严格控制钻头在孔内的升降速度，避免塌孔。

4.1.8 终孔、反循环清孔

经实践证明，相同条件下，正循环清孔时间约为反循环清孔时间的4倍。另由于旋挖钻钻进过程中会产生较大的颗粒，采用泥浆正循环清孔无法满足设计要求，因此，采用气举反循环进行清孔。

当孔深达到设计标高后，旋挖钻继续进行下一桩位钻进，更换反循环进行清孔（见图2），下放反循环钻杆，同时，在反循环钻头上加设4根钢绞线，以发挥扫渣的作用，保证清孔效果良好。当沉渣厚度及泥浆指标满足设计要求后，撤出反循环设备进行钻孔复测。

图2 反循环清孔

4.1.9 孔径、孔深、倾斜度复核

清孔完成后，需对孔深、孔径、钻孔倾斜度进行再次复核（见图3），采用专用勘探设备进行检测，检测无误后进行钢筋笼下放。

图3 桩基孔检复核

4.1.10 钢筋笼安装

钢筋笼采用长线法加工制作，分节倒运至施工现场。钢筋笼下放前需再次复核桩中心，并通过桩基中心坐标反算桩顶钢筋笼定位筋的长度，确保钢筋笼安装时，钢筋笼中心与桩中心重合。

4.1.11 安装导管

导管安装前，需进行泌水性试验，保证导管止水性良好；为保证首灌混凝土的密实性，要求导管底至桩底间距约为0.4 m。安装导管后进行二次清孔，保证泥浆指标及沉渣厚度满足设计要求。

4.1.12 灌注水下混凝土

首批灌注混凝土的方量（以下简称“首灌方量”）应能满足首次埋深（≥1m）和填充导管底部的需要，所需方量可依据JTG/T F50—2011《公路桥涵施工技术规范》[3，4]中的首灌公式进行计算：

式中，V为灌注首批混凝土所需数量，m3；D为桩孔直径，m；H1为桩孔底至导管底端间距，一般为0.4 m；H2为导管初次埋置深度，m；d为导管内径，m；h1为桩孔内混凝土达到埋置深度H2时，导管内混凝土柱平衡导管外（或泥浆）压力所需的高度，m。经计算，首灌方量约为8m3。

为保证首灌方量，首次灌注混凝土时，采用2辆罐车同时灌注，单罐车放料速度为4m3/min；经现场实践，当灌注1m in时，料斗内混凝土不再满布料斗底，料斗尺寸为5m3。经计算可知，采用两罐车同时灌注时，当料斗内混凝土不再满布料斗底时，所灌注方量总为5+4×2=13m3，满足首灌方量要求。

首次灌注完成后，按照导管埋深2～6m的要求继续灌注混凝土，需保证混凝土灌注的连续性，直至灌注超出桩顶标高0.5 ～1m，此时完成桩基施工。

5 施工中的创新点

桩基础系桥梁结构的隐蔽性工程，且是桥梁的主要受力结构，其高质量对整个桥梁工程尤为重要，本桥梁主桥桩基通过优化钻孔、清孔工艺，保证了成桩质量及工程进度，改进首灌方式，提高了灌注混凝土的灵活性：

1）对于中风化岩层，旋挖进尺效率为反循环的3倍，故采用反循环配合旋挖的钻进工艺，由反循环钻进桩基上部的软弱土层，旋挖钻进以中风化为代表的坚硬岩层，保证进尺效率，提供进度保障。

2）旋挖终孔后，采用反循环钻机并于钻头加钢绞线的方式对桩底进行扫孔清孔，以控制沉渣厚度，保证成桩质量。

3）采用两罐车同时放料的方式保证首灌方量，间接地减小了料斗的体积，提高了混凝土灌注的灵活性。

4）采用旋挖钻进中风化，进尺深度5m需要约27 h；采用反循环钻机中风化层，进尺深度5m需要约76 h。对于主桥桩基，采用旋挖钻替代反循环钻进中风化层，可节约工期约25 d。

6 工艺实施效果

采用旋挖钻配合反循环的施工工艺，提高了钻进速度，为工程进度提供了保障。采用灵活的清孔方式及首灌方式，保证了桩基质量。经检测，桩基合格率为100%，减少了钻孔平台等临措的租赁时间，降低了成本，为后续分项的顺利施工奠定了基础。

7 效益评估

对于中风化岩层，旋挖钻进尺速度约为反循环的3倍，采用旋挖钻进硬质岩层，反循环钻进软弱岩层，能极大地发挥钻机的优势，节约工期约25 d。

较快的钻进速度减少了钻孔平台的租赁时间，节约租赁费用约10万元。

通过灵活的清孔方式及首灌方式能极大地保证了桩基质量，为后续分项的顺利施工提供了保障。

8 结语

桩基础是桥梁工程的承重部位，其施工工艺的优质、高效十分重要。本工程通过采用反循环配合旋挖钻的施工工艺，对桩基钻进及清孔进行优化，同时，改进了首次灌注混凝土的方式，提高了混凝土灌注的灵活性，保证了工程进度，提高了工程质量，可为后续类似工程施工提供参考。