橋梁樁基鉆孔數字化施工方法及工程管理

摘要 橋梁樁基數量眾多，成孔效率直接影響鉆機設備合理配置及基礎工程進度。目前，橋梁樁基成孔普遍存在鉆孔深度記錄滯后、鉆孔效率統計不準確等問題，嚴重影響管理質量。文章研發了一套簡易、經濟的鉆機動力頭位移測量裝置，可實現測量參數的實時、遠程傳輸。將裝置應用于某長江公鐵大橋主墩樁基鉆孔項目上，得出如下結論：（1）利用動力頭位移—時間參數可快速獲取鉆孔鉆進深度，計算每根鉆桿鉆進效率；（2）在3號主墩樁基鉆孔項目中，3號鉆機和5號鉆進成孔效率最高，1號鉆機和4號鉆機成孔效率較高，2號鉆機成孔效率最低；（3）根據3號主墩不同鉆機成孔效率，調整了鉆機隊伍，使4號主墩鉆孔項目提前21天完成，顯著提高了管理水平和工程

進度。

關鍵詞 橋梁；樁基；鉆機；鉆孔；效率

中圖分類號 TU997 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）01-0079-03

0 引言

中國鐵路基礎遵循“以橋代路”的發展趨勢[1]，橋梁基礎通常以樁基的形式深入土體甚至巖體以內，依靠樁基的摩擦力或端承力給橋梁基礎提供支撐力，有效避免基礎的變形和沉降[2]。目前，橋梁樁基鉆孔主要包括兩種施工工藝，一種是旋挖鉆孔[3]，通過底部帶有活門的桶式鉆頭回轉破碎巖土，并直接將其裝入鉆頭內，然后再由鉆機提升至孔外卸土，該工藝具有適用地層廣泛、成孔速度快的優點，但是存在孔壁穩定性和成孔垂直度不易控制的問題。另一種是回旋鉆孔[4]，通過高速旋轉的刮刀或滾刀鉆孔回轉破碎巖體，并通過循環泥漿將土體或巖屑帶出孔外，該工藝成孔速度略慢，但是適用于深度大、對垂直度要求高的樁基鉆孔，因此經常作為橋梁樁基施工的首選工藝。

在回旋鉆鉆孔過程中，需要實時記錄鉆孔深度、統計鉆孔效率。目前橋梁鉆孔普遍存在鉆孔深度記錄滯后、鉆孔效率統計不準確，或鉆遇巖土體類別判別嚴重依賴鉆機操作手的工作經驗等問題。鑒于此，越來越多的回旋鉆機配備了數字化鉆孔監測手段，包括在鉆機上安裝動力頭位移、鉆壓、扭矩、轉速、提升力及液面高度監測元件，以實時、全面獲取鉆機的工作性能[5-7]。如何利用這些數字化工具，化繁為簡，幫助檢查人員判別鉆機的工作狀態、鉆進效率等信息是目前的研究難點。

該文依托某長江公鐵大橋數字化鉆孔項目，選擇回轉鉆機動力頭位移作為研究指標，結合回轉鉆機的工作規律，探索通過記錄的動力頭位移－時間數據來判別鉆機鉆進深度、鉆進效率，為樁基鉆孔管理、鉆機配置和鉆孔優化提供決策依據。

1 測量原理

1.1 動力頭位移測量裝置

（1）位移傳感器

目前常用的位移傳感器主要包括三類，分別為拉繩位移傳感器、激光位移傳感器及超聲波位移傳感器。其中，激光位移傳感器測量長度大、受天氣環境影響小，且對鉆孔施工無干擾，該文采用激光位移傳感器。

（2）供電裝置

傳統數字化鉆孔儀器通過外接線路給裝置供電，線路安裝成本較高，且存在斷電風險。該研究采用2塊可充電鋰電池供電，交替使用。為了減少電池的更換次數，選擇26 000 mAh大容量鋰電池，該電池持續供電時間在15 d以上。此外，設置了電池簡易更換裝置，將電池更換時間控制在最小范圍內。

（3）數據傳輸

傳統數字化鉆孔儀器采用外接線路、數據傳輸至顯示屏的模式，必須在現場才能采集數據，需要通過U盤反復從鉆機顯示器導出數據。該研究采用“有人”的數據傳輸模塊（DTU）實現位移－時間數據的遠程傳輸。數據傳輸至“有人云”平臺上，并實時以圖形的方式展示數據的變化，監測人員通過手機、電腦直接觀測數據的變化，實時導出數據，對數據進行分析與處理。

（4）位移監測

將位移傳感器、鋰電池和DTU組裝在一個金屬箱內，金屬箱固定在鉆機左側油缸上，與右側動力頭保持同頻上下運動。箱底預留激光發射和接收孔，激光以每5 s一次的頻率發射，到達底部的金屬平板以后，反射至箱底被接收，完成一次位移記錄。

1.2 鉆進深度計算方法

鉆機每鉆進一根鉆桿，動力頭會往返循環一次，因此通過記錄動力頭的位移行程，即可判別鉆桿數量，進而判斷鉆進深度，具體步驟如下：

（1）鉆桿就位，啟動鉆機開始鉆進，同時打開激光測距儀，獲取初始距離X初；

（2）實時獲取鉆機動力頭位移－時間數據，當動力頭下降至最低點時，一定時間內監測距離保持不變（擰卸接頭螺栓），獲取最小距離Xmin；

（3）計算初始鉆進深度X1=X初-Xmin；

（4）動力頭上升至一定高點保持不變（動力頭接鉆桿），之后動力頭上升至一定高點保持不變（鉆桿接鉆桿），獲取初始距離X0；

（5）實時獲取鉆機動力頭位移－時間數據，當動力頭下降至最低點時，一定時間內監測距離保持不變（擰卸接頭螺栓），獲取最小距離Xmin；

（6）計算推進深度X2=X0-Xmin；

（7）重復步驟（4）～（5），得到最終鉆進深度Xmax=X0-Xmin+X1+X2+X3+…+Xn（n為鉆桿數量）；

（8）鉆孔完成，泥漿循環，清孔（鉆進至設計深度，位移保持不變）；

（9）鉆桿回撤。

2 案例分析

2.1 工程概況

某長江公鐵大橋按照“公路+城際鐵路+城市軌道交通”合并過江的標準建設。上層作為寧樅高速公路的過江通道，按雙向6車道布設，設計時速100 km/h；下層承載兩線合池城際鐵路，設計時速250 km/h；預留兩線池銅市域鐵路，設計時速160 km/h。大橋共設計有42個橋墩，其中3號、4號墩為主塔墩，均位于離岸長江水域。

主墩承臺為矩形，平面外輪廓尺寸為75.6 m×47.6 m，厚7.0 m，承臺頂標高為-13 m。設置77根φ 2.8 m樁基，設計樁長約120 m。現場配置了5臺回轉鉆施工，鉆進至設計深度后終孔。

2.2 鉆桿有效鉆進效率

以1號鉆孔為例，由測距儀獲取的鉆進時間－動力頭位移曲線如圖1所示?？芍?，圖中存在一定斜率的斜線為一根鉆桿的鉆進軌跡，通過判斷斜線數量、斜率即可判斷鉆進深度及鉆進效率。

1號鉆孔鉆進深度約120 m，每根鉆桿長3 m，共鉆進了40根鉆桿。去除每根鉆桿的接桿時間，從該鉆桿開始鉆進（圖1曲線中的最高點）到鉆進完畢（圖1曲線中的最低點）為一根鉆桿的鉆進過程，每根鉆桿鉆進時間如圖2所示，鉆進效率如圖3所示。

如圖3可知，開始的前5根鉆桿（前15 m），鉆進速率均較大，約4 m/h。之后鉆速降低，直至第10根鉆桿降至最低，約1 m/h。操作員將所有鉆桿回撤，取出鉆頭（如圖1中曲線密集部分），發現鉆頭糊鉆，清除鉆頭上的黏土后下放鉆頭繼續鉆進，鉆速得到恢復。

2.3 鉆孔有效鉆進效率

計算1號孔所有鉆桿鉆進效率平均值，即得到1號鉆孔有效鉆進效率為3.47 m/h。它扣除了鉆孔過程中出現的停機檢修、清理/更換鉆頭和停歇時間，綜合反映了鉆機性能和操作手的工作經驗。

樁基平臺范圍相對較小，可以認為地層均勻分布?，F場共77個鉆孔，分別由5臺回旋鉆施工完成，利用測距儀獲取的鉆進時間－動力頭位移參數，按照每臺鉆機成孔速率排布，繪制五臺鉆機的成孔效率分布，如圖4所示。

由圖4可知，3號鉆機和5號鉆機鉆孔效率明顯高于其他鉆機，因而在有限時間內成孔數量較多；1號鉆機和4號鉆機成孔速率相近，而2號鉆機成孔效率比較低下，大大低于其他鉆機，成孔數量少。其中，3號鉆機平均成孔效率3.89 m/h，5號鉆機平均成孔效率3.90 m/h，1號鉆機平均成孔效率3.61 m/h，4號鉆機平均成孔效率3.64 m/h，3號鉆機平均成孔效率3.31 m/h。

3號主墩完成鉆孔效率統計后，得到鉆機成孔速率排布為5號鉆機gt;3號鉆機gt;4號鉆機gt;1號鉆機gt;2號鉆機。在4號主墩鉆孔鉆機隊伍的選擇中淘汰3號鉆進隊伍，鉆孔項目提前21 d完成，確保鉆進工效控制在合理水平，提高了管理水平。

3 結論

該文研發了一套簡易、經濟的鉆機動力頭位移測量裝置，實現了測量參數的實時、遠程傳輸。將裝置應用于某長江公鐵大橋主墩樁基鉆孔項目上，得出如下結論：

利用動力頭位移－時間參數可快速獲取鉆孔鉆進深度，計算每根鉆桿鉆進效率；

在3號主墩樁基鉆孔項目中，3號鉆機和5號鉆進成孔效率最高，1號鉆機和4號鉆機成孔效率較高，2號鉆機成孔效率最低；

根據3號主墩不同鉆機成孔效率，調整了鉆機隊伍，使4號主墩鉆孔項目提前21 d完成，顯著提高了管理水平和工程進度。

參考文獻

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[2]王昆，張召彬，韓文永，等.灌注樁的承載性狀分析研究[J].西部探礦工程， 2024（1）：20-23.

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析[J].甘肅科學學報， 2010（3）：153-156.

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收稿日期：2024-08-14

作者簡介：陳冬梅（1974—），女，本科，副教授，從事鐵道工程方向研究工作。