檳城二橋樁基礎(chǔ)施工掉鉆事故分析及打撈技術(shù)

詹文訊 趙耀璞 黃容平

1 概況

1.1 工程概況

馬來西亞檳城第二跨海大橋是東南亞最大的跨海大橋，受到中馬兩國政府的高度重視，具有重大的政治意義。檳城二橋線路總長約23 km，其中跨越海峽的跨海大橋長約17 km。

檳城二橋主橋?yàn)?117.5+240+117.5)m三跨雙塔斜拉橋，對應(yīng)墩號為P024，P025，P026，P027四個(gè)墩，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ);P025，P026每個(gè)主墩樁基礎(chǔ) 3列 7排共 21根，為直徑2 300 mm(2 000 mm)變徑樁，成孔樁長約122 m～133 m，嵌微風(fēng)化花崗巖6 m～8 m;P024，P027每個(gè)邊墩樁基礎(chǔ)2列6排共12根，為直徑2 300 mm(2 000 mm)變徑樁，成孔樁長約107 m～126 m，嵌微風(fēng)化花崗巖2 m;樁基礎(chǔ)為矩形排列布置。

1.2 事故概況

檳城二橋主橋鉆孔灌注樁基礎(chǔ)施工中共發(fā)生了兩次掉鉆事故，掉鉆發(fā)生在嵌巖施工鉆進(jìn)階段。第一次是在P026-20樁，嵌巖2.5 m時(shí)發(fā)生掉鉆事故，這次事故最終鉆頭沒打撈上來，導(dǎo)致本根樁按廢樁處理，在其旁邊增加一根P026-20A樁。第二次是在P027-06樁，嵌巖1.5 m時(shí)發(fā)生掉鉆事故，這次事故打撈成功。兩次事故鉆孔灌注樁鉆進(jìn)成孔使用的是同一種鉆孔樁機(jī)設(shè)備KP3500鉆機(jī)。

1.3 地質(zhì)資料

橋區(qū)位于海域的深槽段，施工平臺面標(biāo)高+2.89 m，水下泥面高程 －8.5 m～－ 9.2 m，水深 6.8 m～10.5 m，海床上表層為0 m～8.0 m的淤泥，覆蓋層為砂層及粘土層，巖層為微風(fēng)化巖層。P024，P025，P026墩樁基底設(shè)計(jì)標(biāo)高巖層強(qiáng)度35 MPa～38 MPa，P027墩樁基底設(shè)計(jì)標(biāo)高巖層強(qiáng)度77 MPa。P026-20樁基入微風(fēng)化巖層標(biāo)高為－119.45 m，終孔標(biāo)高－125.95 m;P027-06樁基入微風(fēng)化巖層標(biāo)高為－104.24 m，終孔標(biāo)高－106.24 m。

2 鉆樁設(shè)備配置

上述兩根鉆孔灌注樁鉆進(jìn)成孔使用的是同一種鉆孔樁機(jī)設(shè)備KP3500鉆機(jī)(見表1)，施工工藝為氣舉反循環(huán)鉆進(jìn)工藝。

根據(jù)地質(zhì)情況，現(xiàn)場配備三種形式的鉆頭:刮刀鉆頭、滾刀鉆頭及鑲齒鉆頭，分別對應(yīng)用于土層(砂層)、全～強(qiáng)風(fēng)化巖層及中等～微風(fēng)化巖層的施工。

3 事故過程及分析

3.1 P026-20樁掉鉆過程與分析

P026-20樁設(shè)計(jì)終孔標(biāo)高為－125.95 m，平臺面標(biāo)高+2.89 m，成孔深度128.84 m。自2010年4月4日開孔，先用小鉆機(jī)GPS25-D鉆至護(hù)筒角標(biāo)高，4月19日開始從護(hù)筒角正式鉆進(jìn)，4月29日至標(biāo)高－113.07 m換KP3500鉆機(jī)入巖，5月3日下午14:30鉆進(jìn)至標(biāo)高－121.90 m，距終孔標(biāo)高還有4 m時(shí)(此時(shí)經(jīng)確認(rèn)已嵌微風(fēng)化巖層2.5 m)，鉆桿在92 m～93 m深度扭斷，8節(jié)鉆桿和一個(gè)鉆頭共計(jì)31.65 m長度掉入孔底，重約23 t。此時(shí)鉆進(jìn)地層為微風(fēng)化花崗巖。

表1 KP3500型全液壓工程鉆機(jī)參數(shù)表

從鉆探地質(zhì)資料可看出，BHB7鉆探孔位在P026-16樁位，ABH2鉆探孔位在 P026-21樁位，兩者縱向距離6.9 m。其中BHB7鉆探孔位在－118.79 m入微風(fēng)化花崗巖，ABH2鉆探孔位在－121.51 m入微風(fēng)化花崗巖，6.9 m的距離同一巖層高差為2.72 m，按此比例P026-20樁孔內(nèi)直徑2.0 m微風(fēng)化花崗巖巖層高差為0.79 m(見圖1)，屬于巖面嚴(yán)重傾斜狀態(tài)，這也是此次卡鉆頭斷鉆桿的主要原因。縱觀全局，樁基成孔樁長太長，鉆機(jī)鉆進(jìn)垂直度較難控制，再加上巖面嚴(yán)重傾斜狀態(tài)，更容易出現(xiàn)卡鉆頭斷鉆桿情況。

3.2 P027-06樁掉鉆過程與分析

2010年11月24日20:00進(jìn)行P027-06樁基鉆進(jìn)施工時(shí)，在鉆進(jìn)至標(biāo)高－105.72 m時(shí)(微風(fēng)化花崗巖巖層)發(fā)生異常情況，此時(shí)經(jīng)確認(rèn)已嵌微風(fēng)化巖層1.5 m。工區(qū)領(lǐng)導(dǎo)在接到現(xiàn)場管理人員報(bào)告后立即趕到施工現(xiàn)場，經(jīng)對現(xiàn)場鉆機(jī)機(jī)長及工人的詢問，出現(xiàn)的異常情況是:在巖層鉆進(jìn)中泥漿分離器出現(xiàn)有中粗砂，鉆機(jī)跳動(dòng)厲害。鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤壓力從正常鉆進(jìn)的4 MPa～5 MPa急降至2 MPa左右穩(wěn)定，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速變慢。經(jīng)技術(shù)管理人員現(xiàn)場分析后，決定立即提鉆檢查，以確定異常原因。11月25日提完鉆桿后發(fā)現(xiàn)，鉆桿的連接螺桿扭斷，發(fā)生了嚴(yán)重的掉鉆事故。

經(jīng)詳細(xì)的調(diào)查分析，掉鉆事故的發(fā)生原因有以下幾點(diǎn):1)鉆桿螺桿經(jīng)長期使用，已經(jīng)有部分發(fā)生疲勞磨損，繼續(xù)使用時(shí)發(fā)生螺桿剪切斷裂;2)現(xiàn)場施工人員最近有所松懈，沒有嚴(yán)格控制鉆進(jìn)過程;3)現(xiàn)場管理人員失職，發(fā)現(xiàn)異常情況沒有及時(shí)匯報(bào)，造成事故的發(fā)生得不到有效的控制。經(jīng)分析掉鉆的直接原因是螺桿疲勞磨損發(fā)生剪切斷裂，也是主要原因;間接原因是現(xiàn)場施工安全質(zhì)量管理松懈，施工過程沒有得到有效控制。針對以上事故原因制定了以下對應(yīng)整改措施:1)在后續(xù)使用的鉆桿螺桿中，對每一套進(jìn)行仔細(xì)檢查，如有磨損立即更換。并在當(dāng)?shù)夭少?00套全新螺桿，到位后更換所有舊螺桿，以保證鉆桿連接安全。2)對現(xiàn)場鉆機(jī)施工人員進(jìn)行施工技術(shù)安全再交底，組織現(xiàn)場施工人員再學(xué)習(xí)現(xiàn)場施工技術(shù)相關(guān)知識，以提高現(xiàn)場施工人員的施工水平。3)對現(xiàn)場施工管理人員的再教育，并加強(qiáng)布置現(xiàn)場施工管理人員，管理人員現(xiàn)場24 h點(diǎn)對點(diǎn)管理，明確各自責(zé)任，出現(xiàn)異常情況停止一切施工，及時(shí)上報(bào)項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)，把事故控制在萌芽狀態(tài)，杜絕事故的再次發(fā)生。

4 打撈技術(shù)

4.1 打撈設(shè)備

鉆孔樁施工掉鉆事故的打撈設(shè)備有錨鉤、錐形滑動(dòng)牙打撈器、偏心鉤等。三種不同的設(shè)備各有優(yōu)劣，錨鉤打撈時(shí)容易入鉤，但孔內(nèi)需有足夠的空間下錨鉤，入鉤后提升打撈容易脫鉤，造成再次掉鉆事故;錐形滑動(dòng)牙打撈器在鉆頭掉落面沒有鉆桿連接在上面時(shí)最合適，鉆頭中心在孔中心，可以保證入鉤，但有鉆桿時(shí)卻難以入鉤，入鉤后不會脫鉤;偏心鉤專門用于鉆頭連接鉆桿掉落時(shí)使用，利用鉆桿上的法蘭盤受力，在鉆桿傾斜及側(cè)靠時(shí)一樣可以順利入鉤，無鉆桿連接在鉆頭上時(shí)卻無法使用。

4.2 打撈工藝

打撈施工工藝流程見圖2。

4.3 打撈方法

4.3.1 P026-20樁掉鉆打撈過程方法

1)打撈過程。第一階段:KP3500型鉆機(jī)打撈。在KP3500型鉆機(jī)開始鉆孔前已經(jīng)安排做過打撈預(yù)案演練，當(dāng)時(shí)KP3500型鉆機(jī)委托當(dāng)?shù)卮瑥S設(shè)計(jì)加工偏心鉤，并將鉆頭扔在護(hù)筒內(nèi)試打撈，可成功撈起。5月6日用預(yù)先加工的偏心鉤進(jìn)行打撈，受力后鉤尖折斷，第一次打撈失敗。將偏心鉤進(jìn)行改進(jìn)再送廠加工新的偏心鉤，5月9日進(jìn)行第二次打撈，由于孔底阻力太大，當(dāng)鉆機(jī)起重力達(dá)到16 MPa時(shí)(約128 t)，底節(jié)鉆桿與打撈鉤鉆桿連接法蘭盤的螺桿滑落，打撈鉤及一節(jié)鉆桿(長2.4 m)也掉進(jìn)孔內(nèi)，第二次打撈也告失敗。第二階段:從5月9日開始，我工區(qū)開始整合資源，組織ZJD3000型鉆機(jī)及一批管理操作人員參與方案制定及打撈工作，工區(qū)牽頭協(xié)調(diào)工作，技術(shù)管理人員全程跟蹤指導(dǎo)，兩個(gè)隊(duì)伍同時(shí)分兩班24 h進(jìn)行打撈。在這段時(shí)間多次進(jìn)行清孔及打撈，同樣采用偏心鉤方案，提升壓力10 MPa(約80 t)時(shí)，鉆頭能起高1.1 m，但其后提升力激增達(dá)到15 MPa(約120 t)時(shí)而不敢繼續(xù)起鉆，打撈工作沒有決定性進(jìn)展。為防止發(fā)生更大的事故停止打撈。

2)目前狀況。a.目前P026-20樁基孔內(nèi)有8節(jié)鉆桿和一個(gè)鉆頭(共長31.65 m)、1號打撈鉤的半截鉤嘴、2號打撈鉤及一節(jié)鉆桿(共長2.4 m)、一個(gè)0.5 m高的二腳錨鉤(由直徑32 mm鋼絲繩連接掛在鋼護(hù)筒上)。b.孔內(nèi)鉆頭鉤住后只可提升1.1 m高，然后卡住壓力激增至15 MPa而停止提升。為保持孔壁的穩(wěn)定，我工區(qū)對孔內(nèi)泥漿各性能指標(biāo)進(jìn)行很好的控制，目前樁底沉碴不多，孔壁狀態(tài)暫時(shí)穩(wěn)定。對于P026-20樁掉鉆事件，經(jīng)過前一段時(shí)間的打撈工作，表明傳統(tǒng)打撈方法已經(jīng)沒有效果，雖然其他工程還有一些其他的打撈實(shí)例，但具體到此工程來說，就算借鑒也并沒有成功的把握。無論采用其他何種方案，都會對現(xiàn)場施工工期造成不利影響，同時(shí)因?yàn)闃犊走^深和鉆頭過重，孔內(nèi)物件過多等原因，整體打撈出鉆頭和全部鉆桿的可能性已經(jīng)為零。至此P026-20樁掉鉆打撈終止，宣布掉鉆事故打撈失敗。

4.3.2 P027-06樁掉鉆打撈過程方法

1)現(xiàn)狀。發(fā)生掉鉆事故時(shí)，共加鉆桿30節(jié)，每節(jié)3.5 m，及一個(gè)鉆頭5.65 m，鉆桿每節(jié)1 t，鉆頭重量24 t，發(fā)生掉鉆時(shí)鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤上鉆桿余0.77 m，轉(zhuǎn)盤離平臺面1.27 m，平臺面標(biāo)高 +2.89 m。提完鉆桿共24節(jié)，孔內(nèi)有6節(jié)鉆桿及一個(gè)鉆頭，重量為30 t。2)測探準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)計(jì)算孔內(nèi)鉆桿理論位置及各個(gè)參數(shù)，首先用測繩測探孔深，測得準(zhǔn)確的孔深數(shù)據(jù)，推算孔內(nèi)鉆頭配置塊面的沉碴厚度，鉆頭配置塊面如有沉碴需立即進(jìn)行清孔，如無沉碴應(yīng)在第一時(shí)間進(jìn)行打撈工作。其次，下放探測盤，探測鉆桿的具體位置及高度，以推算出準(zhǔn)確的打撈位置。3)孔內(nèi)打撈。根據(jù)測探的準(zhǔn)確打撈位置，安裝偏心鉤，偏心鉤安裝完成后采用KP3500鉆機(jī)加鉆桿至計(jì)算入鉤位置，并準(zhǔn)確擺放入鉤的鉤嘴方向，偏心鉤加載到位后進(jìn)行入鉤工作，偏心鉤將按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)入鉤，若轉(zhuǎn)盤壓力無變化，說明沒有將底下鉆桿成功入鉤，需加深偏心鉤繼續(xù)入鉤工作，直到轉(zhuǎn)盤壓力增加并轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)穩(wěn)定，可確定偏心鉤已經(jīng)成功入鉤。

偏心鉤入鉤后向上提升鉆桿，讓底下的鉆桿法蘭作用在偏心鉤上，由偏心鉤承受底下鉆桿及鉆頭的重量;若提升鉆桿提升壓力無變化，則需重新入鉤打撈，直到提升鉆桿的提升壓力增加并提升過程穩(wěn)定，方可確定底下鉆桿及鉆頭已經(jīng)牢固作用在偏心上，接著逐根拆除鉆桿，將偏心鉤提升至護(hù)筒口，將偏心鉤及掉鉆力系轉(zhuǎn)換至護(hù)筒上，并鎖止安全鋼絲繩;移除KP3500鉆機(jī)，用65 t吊機(jī)吊除偏心鉤，再把KP3500鉆機(jī)移回孔位，用300 t吊機(jī)吊起底下鉆桿及鉆頭，將鉆桿裝入KP3500鉆機(jī)，繼續(xù)拆除鉆桿至最終把鉆頭吊出孔內(nèi)，打撈完成。

5 結(jié)語

1)海上超深嵌巖鉆孔灌注樁成孔施工中，本項(xiàng)目成孔樁長已達(dá)到122 m～133 m，而KP3500鉆機(jī)鉆孔最深深度為120 m，選擇KP3500鉆機(jī)已超過其鉆孔最深深度，能否順利成孔是個(gè)很大的風(fēng)險(xiǎn)，鉆機(jī)性能已經(jīng)達(dá)到極限，在鉆機(jī)選型方面不當(dāng)。建議采用鉆孔最深深度為150 m的ZJD3000或ZJD3500鉆機(jī)。2)超深嵌巖鉆孔灌注樁成孔施工的大型鉆機(jī)操作必須配備非常有經(jīng)驗(yàn)的施工技術(shù)人員，鉆機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中對油泵壓力、鉆機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)及泥漿循環(huán)狀況作出準(zhǔn)確判斷，對有異常情況必須提鉆檢查，找出異常所在。兩次掉鉆事故事前都有異常情況發(fā)生，一個(gè)是轉(zhuǎn)速變慢油壓持續(xù)增大，另一個(gè)是巖層施工時(shí)，泥漿分離器有大量的中粗砂出現(xiàn)，在此時(shí)若及時(shí)提鉆檢查，可避免掉鉆事故的發(fā)生。3)掉鉆事故的處理應(yīng)及時(shí)進(jìn)行，在查清原因、掌握準(zhǔn)確數(shù)據(jù)后，選定打撈方法第一時(shí)間進(jìn)行打撈，以降低打撈難度及避免發(fā)生更大的事故。

致謝:在此非常感謝寧波易通建設(shè)有限公司相關(guān)技術(shù)專家給予的技術(shù)支持。

［1］莫毅舟.淺談鉆孔灌注樁施工的質(zhì)量控制［J］.山西建筑，2010，36(6):221-222.