超深大直徑鉆孔灌注樁組合工法技術的應用

付連紅 沈海姣 吳夢迪 雷青濤 趙美祥

（浙江易通特種基礎工程股份有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

超深大直徑鉆孔灌注樁的成孔工藝主要有2 種：RCD 工法、阿斯特利工法，2 種工法各有優、缺點，其中RCD 工法成孔垂直度好、泥漿護壁能力強、全斷面入巖效率高，阿斯特利工法覆蓋層，成孔進尺速度快、移動方便。如何將2 種工法有效組合，充分發揮各自優勢，是進一步提升超深大直徑鉆孔灌注樁的成孔效率和成孔質量的技術途徑之一。該文結合某大橋主墩樁基工程實例，在詳細分析地質、環境等施工條件的基礎上，對組合工法的可行性進行研究，取得了一定成果。

1 工程概況

1.1 設計特點

該橋主墩基樁設計樁徑Ф2.8m，樁數52 根，樁間距7m，設計樁長92.0m，施工孔深104.5m，持力層為中風化砂巖，基樁分布見圖1。

圖1 基樁分布示意圖

1.2 地質水文特點

該橋主墩處于長江北岸漫灘上，施工期間水深0.2m～0.5m。地面高程在3m～4m 覆蓋層厚3m 左右，主要為粉質黏土夾粉土。

基巖為粉砂質泥巖和弱膠結含礫砂巖，巖面埋深在3m左右，高程0m 左右，巖體較完整，為極軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ級。

該河段水位受長江徑流與潮汐雙重影響，主要受長江徑流控制，最大水位變幅7.81m，歷年最高潮位8.31m，平均漲潮歷時為3.9 h，落潮平均歷時為8.5h。

1.3 施工條件

1.3.1 施工條件

樁基施工采用鋼棧橋、鋼平臺，平臺標高+8.5m，承載力5t/m2。

1.3.2 工期要求

原計劃工期5 個月，采用ZJD4000/350 全液壓回轉鉆機的RCD 工法，第一個月實現單機單臺工效1.8 根/月，但因總進度計劃調整，工期要求縮短至4 個月，須進行方案優化。

2 組合工法研究

根據地質條件和設計特點，結合現場工作面、用電量供應等實際情況，若按原定的RCD 工法去搶工期，還需要增加2 套設備，現場變壓器增容1000kW，投入大，歷時長，且不利現場組織管理。經研究決定，對RCD 與阿斯特利組合工法進行研究與應用，以達到減少投入、提高效率的目的。

2.1 RCD 工法、阿斯特利工法特點分析

2.1.1 RCD 工法

工藝優點：①孔底加壓，全孔段減壓鉆進，垂直度好；②大扭矩、大提升力，動態泥漿護壁，地層適用范圍廣；③氣舉反循環排渣，鉆進效率較快；⑤液壓動力系統，鉆進平穩，孔壁穩定。

工藝缺點：①用電量大；②機械化程度低，勞動強度大；③無自行走系統，移動性差。

2.1.2 阿斯特利工法

工藝優點：①自動化程度高，鉆進效率高；②機械化程度高，勞動力強度低；③自帶動力，移動靈活、方便。

工藝缺點：①孔口加壓，垂直度稍差；②靜態泥漿護壁，地層適用范圍小；③自重大，對施工場地要求高；④短期投入大，價格高。

2.2 組合工法可行性分析

2.2.1 設備選擇

對直徑2.8m，深度達104.5m 的深長大直徑鉆孔灌注樁，根據國內現有設備性能和實際應用情況[1]，選擇SWDM550與ZJD4000 進行組合。

2.2.2 平臺承載力的分析

施工平臺按液壓鉆機最大提升力200t 來設計，其標準承載力為5t/m2，極限承載力按10t/m2；若采用旋挖鉆機，則須對其承載能力進行校核，結果滿足要求，見表1。

表1 施工平臺承載能力分析表

2.2.3 搭接最佳深度的分析

2.2.3.1 設備工效分析

根據2 種設備的性能和地質條件[2]，結合各自工法應用的以往經驗[3]，對其工效進行分析，見表2。

表2 設備施工工效分析表

2.2.3.2 搭接深度與設備配置分析

總成孔深度按105m 計，根據2 種工法不同孔深的成孔歷時來匹配設備數量，以達到流水施工目的，分析見表3。

表3 組合工法實施深度和設備數量匹配分析表

根據SWDM550 在已實施的東莞濱海灣大橋（φ2.5m，孔深55m，入中風化花崗巖10m～16m）、南玉鐵路郁江特大橋（φ3.0m，孔深69m，入中風砂巖40m 左右）、虎門二橋（φ2.5m，孔深35m，入中風化泥質砂巖15m～20m）等施工情況，結合平臺尺寸，最終確定搭接深度為旋挖鉆機成孔60m，液壓鉆機成孔45m，設備配置數量為1︰5。

2.2.4 工法組合相關技術措施

工法組合相關技術措施如下：1）旋挖成孔工藝。采用二級成孔，一級孔徑φ2.0m，二級孔徑φ2.8m；2）泥漿性能指標控制標準。泥漿性能指標統一按易塌地層控制：比重1.1kg/cm3～1.15kg/cm3，黏度18s～22s，pH 值8～9，以確保護壁效果，同時實現2 種工法泥漿性能的統一。3）垂直度控制標準。為了防止成孔的不同心而導致錯臺、偏孔和擴孔，2 種工法的垂直度均按1/200 控制，同時嚴格控制鉆具中心一致性，在工法搭接部位減壓慢鉆，待鉆具全斷面進入下臥基巖后，進入正常鉆進階段。

3 組合工法應用及成果

3.1 主要設備性能

3.1.1 旋挖鉆機主要性能

選用的SWDM550 旋挖鉆機，其最大輸出扭矩達550kN·m，最大鉆孔深度達135m，完全適用該項目施工，具體性能參數見表4。

表4 SWDM550 設備主要性能參數表

根據地質條件特點，考慮巖石為軟巖，鉆齒采用高強截齒，鉆頭采用截齒筒鉆和截齒撈渣斗配合，即先用筒鉆取出巖芯，再用撈渣斗配合撈渣，從而完成成孔鉆進。同時為減少鉆具在巖層鉆進過程中外壁磨損，以及增大筒壁與孔壁間泥漿過流量，在鉆具外側布置耐磨條板，具體鉆頭形式如圖2所示。

圖2 截齒筒鉆及截齒撈渣斗示意圖

3.1.2 液壓鉆機主要性能

選用的ZJD4000/350 液壓鉆機，其最大輸出扭矩達350kN·m，最大鉆孔深度達150m，完全適用該項目施工，具體性能參數見表5。

表5 ZJD4000/350 設備性能參數表

根據地質和設計特點，液壓鉆機的鉆具采用加強版的四翼刮刀鉆頭，翼板厚5cm，鉆齒采用高強合金鉆齒，齒間距11cm，鉆頭配重采用40t，與鉆頭拼接成一體，并在第二塊配合上設置扶正擋圈，具體結構形式如圖3 所示。

圖3 刮刀鉆頭結構示意圖

3.2 組合工法應用中遇到的問題及解決措施

3.2.1 問題一：孔斜

現象及原因：旋挖機施工至60m 左右時，經檢測下部偏孔超標頻現，影響整體垂直度。主要原因：①55m～60m 的砂巖層中存在硬度不均、交界面傾斜、破碎不一的地質；②旋挖機的鉆速與鉆壓控制不當。

解決措施與效果：通過控制鉆速與鉆壓[4]，垂直度偏差得到了改善，但工效與液壓不匹配，根據樁檢結果，調整接力深度為55m 左右，工效匹配，垂直度達標。

3.2.2 問題二：糊鉆

現象及原因：液壓鉆機在施工至80m 左右時，頻現鉆具糊鉆。主要原因：①地層中存在泥巖；②鉆具結構布齒過密，出刃過小，進水口排渣不暢；③液壓鉆機鉆進速度與排渣不匹配。

解決措施：①調整鉆具結構：間距由10cm 調為12cm，出刃長度由1/2 調為2/3，開封頭上移10cm；②該層泥漿黏度由18s～22s 調為17s～18s，pH 值由8～9 調至9～10；③控制鉆速，每進尺1.0m 左右上下提拉鉆具，充分排渣5min～10min。經過調整后，糊鉆問題解決。

3.2.3 鉆具磨損嚴重

現象及原因：鉆齒磨損嚴重，邊齒尤甚，導致提鉆維修次數頻繁。主要原因：①砂巖致密堅硬；②鉆具結構布齒問題[5]。

解決措施：①外圈1/3 長度的邊齒加密；②采用補償式合金（雙合金片）代替單片合金。經過調整，鉆具磨損及維修次數大幅降低。

3.2.4 擴孔嚴重

現象及原因：擴孔系數約為1.15，發生部位孔深90m～105m。主要原因：①地層為弱膠結含礫砂巖，巖體破碎松散；②鉆速與鉆壓控制不當。

解決措施：①加強泥漿性能控制；②放慢鉆進速度，平穩鉆進。經過調整，擴孔問題得到改善。

3.3 組合工法應用成果

通過采用組合工法的單樁成孔工效與單一的RCD 工法成孔工匯總對比，組合工法提升工效達38%，設備數量投入少25%，具體成果見表6。

表6 組合工法與RCD 工法施工成果對比表

4 結論

通過該組合工法技術的研究及應用，得出以下結論∶1）對超深大直徑鉆孔灌注樁的成孔施工，特別是樁徑≥φ2.5m、樁長≥100m 深厚覆蓋層的鉆孔樁或入巖超深（巖性復雜，入巖深不小于40m）的鉆孔樁，其旋挖+液壓組合工法能充分發揮2 種設備各自優勢，是大幅提高成孔效率和降低投入的有效途徑。2）組合工法應用應提前謀劃，關鍵是對地質條件、施工條件需做充分研究分析，特別是旋挖機對地層、作業面承載力的特殊要求。3）組合工法的應用應特別注意2 種工藝對成孔垂直度、孔徑、泥漿性能的控制的統一，減少施工過程中二次調漿、掃孔、糾偏等附加工作。4）組合工法的應用中，其施工中的漏漿、塌孔、垂直度超標等問題仍是防控的重點[4]，仍需對鉆壓、鉆速進行控制，特別對軟硬交接面或破碎帶、巖面傾斜的地層，需要不斷創新，避免因2 種工藝加壓方式不同而產生錯臺、偏孔、擴徑等質量問題。