反循環配合旋挖鉆在樁基工程中的應用

徐毅，韓鵬飛

（中交一航局第二工程有限公司，山東青島266071）

1 引言

中山東路道路橋梁工程路線途經汕頭市龍湖區新溪鎮、澄海區壩頭鎮和蓮下鎮，為2021年汕頭亞青會主場館與城市區的主干道，是一項國家重點工程，中砂大橋為該項目的控制性工程，橋梁樁基的順利施工顯得尤為重要。國內外學者對樁基成孔工藝、清孔工藝等方面已展開了較多的探討。裴迎春[1]介紹了旋挖鉆的技術優劣及注意事項，并與反循環工藝進行對比分析。雷斌[2]分析了旋挖鉆孔工藝樁底沉渣過厚的原因，介紹了6種清孔工藝，并對比分析了各種工藝的特點，提出旋挖樁清孔工藝的優化選擇方法。單慧川[3]對比分析了正循環沖擊鉆和反循環回旋鉆的鉆孔工藝及施工效果，就成孔質量、成孔效率、成本消耗等方面進行了詳細對比。

目前，對樁基鉆孔工藝及清孔工藝的研究較多，但對不同鉆機結合使用的研究較少，本文著重分析反循環配合旋挖鉆工藝的應用，該工藝較常規施工工藝能有效提高施工效率，保證成樁質量，為類似工程施工提供參考。

2 工程概況

中砂大橋全長1.325 km，主橋為80m+180m+80 m跨徑布置的雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，全橋樁基共212根，其中，φ1.2 m樁基28根，φ1.8 m樁基48根，φ2m樁基112根，φ2.5 m樁基24根（主墩樁基），基礎形式均為群樁，樁基類型以嵌巖樁為主。

3 方案比選

樁基鉆進方案主要有3種：沖擊鉆進、旋挖鉆進、反循環鉆進；清孔方案主要有4種：泥漿正循環、泵吸反循環、氣舉反循環、無泥漿循環。上述工藝優缺點見表1。

表1 樁基鉆進及清孔優缺點一覽表

因旋挖鉆進尺速度最快，反循環鉆機自帶有氣舉反循環清孔設備，經綜合考慮工程的工期、造價要求，最終采用反循環配合旋挖鉆的施工工藝，由反循環鉆進土層、旋挖鉆進巖層、再由反循環清孔。

4 施工工藝

4.1 施工流程

樁基施工流程圖如圖1所示。

4.1.1 施工準備

由于主墩樁基位于河道中，需在樁基施工前進行鋼平臺搭設，鋼平臺鋼管樁采用釣魚法打設，鋼平臺為上承式結構，從上至下依次為花紋鋼板面板、縱向分配梁、橫向分配梁、321型貝雷梁、主梁、鋼管樁基礎。

圖1 樁基施工流程圖

4.1.2 測量放樣

根據設計圖紙要求，用全站儀坐標放樣法確定樁中心位置，為后續鋼護筒打設提供依據。

4.1.3 鋼護筒打設

主墩樁基直徑為2 500 mm，采用外徑2 800 mm、壁厚22mm、長度30m的鋼護筒，通過打樁船進行打設。

4.1.4 鉆機就位

受現場條件影響，鋼護筒定位時存在誤差，鉆機就位前需重新復核樁中心位置，及時做好標記，保證鉆頭中心與樁中心重合。

4.1.5 泥漿制備

樁基施工采用輕質環保化學泥漿，泥漿制備采用原狀土，適量添加純堿及羧甲基纖維素鈉（CMC）以提高泥漿化學性能，不同土質應采用不同性能指標的泥漿，泥漿比重、黏度應隨土樣大顆粒的增多而增加。

4.1.6 反循環鉆進

鉆機安裝就位后，調整底座并保持平穩，鉆孔作業采用減壓鉆進，根據不同土層選擇與之相適應的進尺和轉速，每鉆進2m或地層變化時，在泥漿池中撈取鉆渣樣品，查明渣樣并記錄，以便與地質剖面圖核對，鉆進過程中需關注護筒內水位的變化，隨時準備泥漿泵進行補漿，保持護筒內水位高出自然水位的1～2m，以保持孔內水壓，穩定孔壁。

當反循環鉆進至強風化巖層時，進行鉆機設備的更換，采用旋挖鉆繼續鉆進，反循環設備進行下一樁位的鉆進。

4.1.7 旋挖鉆入巖

由現場實踐可知，對于中風化巖層，同設備進尺效率比約為：旋挖鉆∶反循環∶沖擊鉆=1∶0.33 ∶0.25 ；3種設備每米進尺的單價比約為：旋挖鉆∶反循環∶沖擊鉆=1∶1.15 ∶0.39 ；反循環擴孔系數最小，約為1.04 ；旋挖鉆次之，約為1.06 ；沖擊鉆最大，約為1.16 。

考慮工期的影響，優先采用旋挖鉆鉆進巖層。旋挖鉆采用牙輪或截齒筒鉆取芯鉆進成孔，由于主墩樁徑為2.5 m，需采取分級擴孔，擴孔級數為2級，按φ1m、φ2m和φ2.5 m分級成孔。鉆進過程中需保持鉆桿垂直，嚴格控制鉆頭在孔內的升降速度，避免塌孔。

4.1.8 終孔、反循環清孔

經實踐證明，相同條件下，正循環清孔時間約為反循環清孔時間的4倍。另由于旋挖鉆鉆進過程中會產生較大的顆粒，采用泥漿正循環清孔無法滿足設計要求，因此，采用氣舉反循環進行清孔。

當孔深達到設計標高后，旋挖鉆繼續進行下一樁位鉆進，更換反循環進行清孔（見圖2），下放反循環鉆桿，同時，在反循環鉆頭上加設4根鋼絞線，以發揮掃渣的作用，保證清孔效果良好。當沉渣厚度及泥漿指標滿足設計要求后，撤出反循環設備進行鉆孔復測。

圖2 反循環清孔

4.1.9 孔徑、孔深、傾斜度復核

清孔完成后，需對孔深、孔徑、鉆孔傾斜度進行再次復核（見圖3），采用專用勘探設備進行檢測，檢測無誤后進行鋼筋籠下放。

圖3 樁基孔檢復核

4.1.10 鋼筋籠安裝

鋼筋籠采用長線法加工制作，分節倒運至施工現場。鋼筋籠下放前需再次復核樁中心，并通過樁基中心坐標反算樁頂鋼筋籠定位筋的長度，確保鋼筋籠安裝時，鋼筋籠中心與樁中心重合。

4.1.11 安裝導管

導管安裝前，需進行泌水性試驗，保證導管止水性良好；為保證首灌混凝土的密實性，要求導管底至樁底間距約為0.4 m。安裝導管后進行二次清孔，保證泥漿指標及沉渣厚度滿足設計要求。

4.1.12 灌注水下混凝土

首批灌注混凝土的方量（以下簡稱“首灌方量”）應能滿足首次埋深（≥1m）和填充導管底部的需要，所需方量可依據JTG/T F50—2011《公路橋涵施工技術規范》[3，4]中的首灌公式進行計算：

式中，V為灌注首批混凝土所需數量，m3；D為樁孔直徑，m；H1為樁孔底至導管底端間距，一般為0.4 m；H2為導管初次埋置深度，m；d為導管內徑，m；h1為樁孔內混凝土達到埋置深度H2時，導管內混凝土柱平衡導管外（或泥漿）壓力所需的高度，m。經計算，首灌方量約為8m3。

為保證首灌方量，首次灌注混凝土時，采用2輛罐車同時灌注，單罐車放料速度為4m3/min；經現場實踐，當灌注1m in時，料斗內混凝土不再滿布料斗底，料斗尺寸為5m3。經計算可知，采用兩罐車同時灌注時，當料斗內混凝土不再滿布料斗底時，所灌注方量總為5+4×2=13m3，滿足首灌方量要求。

首次灌注完成后，按照導管埋深2～6m的要求繼續灌注混凝土，需保證混凝土灌注的連續性，直至灌注超出樁頂標高0.5 ～1m，此時完成樁基施工。

5 施工中的創新點

樁基礎系橋梁結構的隱蔽性工程，且是橋梁的主要受力結構，其高質量對整個橋梁工程尤為重要，本橋梁主橋樁基通過優化鉆孔、清孔工藝，保證了成樁質量及工程進度，改進首灌方式，提高了灌注混凝土的靈活性：

1）對于中風化巖層，旋挖進尺效率為反循環的3倍，故采用反循環配合旋挖的鉆進工藝，由反循環鉆進樁基上部的軟弱土層，旋挖鉆進以中風化為代表的堅硬巖層，保證進尺效率，提供進度保障。

2）旋挖終孔后，采用反循環鉆機并于鉆頭加鋼絞線的方式對樁底進行掃孔清孔，以控制沉渣厚度，保證成樁質量。

3）采用兩罐車同時放料的方式保證首灌方量，間接地減小了料斗的體積，提高了混凝土灌注的靈活性。

4）采用旋挖鉆進中風化，進尺深度5m需要約27 h；采用反循環鉆機中風化層，進尺深度5m需要約76 h。對于主橋樁基，采用旋挖鉆替代反循環鉆進中風化層，可節約工期約25 d。

6 工藝實施效果

采用旋挖鉆配合反循環的施工工藝，提高了鉆進速度，為工程進度提供了保障。采用靈活的清孔方式及首灌方式，保證了樁基質量。經檢測，樁基合格率為100%，減少了鉆孔平臺等臨措的租賃時間，降低了成本，為后續分項的順利施工奠定了基礎。

7 效益評估

對于中風化巖層，旋挖鉆進尺速度約為反循環的3倍，采用旋挖鉆進硬質巖層，反循環鉆進軟弱巖層，能極大地發揮鉆機的優勢，節約工期約25 d。

較快的鉆進速度減少了鉆孔平臺的租賃時間，節約租賃費用約10萬元。

通過靈活的清孔方式及首灌方式能極大地保證了樁基質量，為后續分項的順利施工提供了保障。

8 結語

樁基礎是橋梁工程的承重部位，其施工工藝的優質、高效十分重要。本工程通過采用反循環配合旋挖鉆的施工工藝，對樁基鉆進及清孔進行優化，同時，改進了首次灌注混凝土的方式，提高了混凝土灌注的靈活性，保證了工程進度，提高了工程質量，可為后續類似工程施工提供參考。