大直径桩基旋挖钻海上施工工艺及质量控制.pdf

大直径桩基旋挖钻海上施工 工艺及质 量控 制 董 涛 ，程建新 ， 张志伟 ， 曹向东 3 9 文 章编 号 ： 1 0 0 3 -4 7 2 2 ( 2 0 0 9 ) $ 1 -0 0 3 9 -0 4 大直径桩基旋挖钻海上施工工艺及质量控制 董涛 ， 程 建新 ， ( 中交第 二公 路工程 局 有限 张志伟 ， 曹向 东 公 司 ， 陕西 西安 7 1 0 0 6 5 ) 摘要 ：结合青岛海湾大桥大沽河航道桥大直径桩基础施工， 对冲击钻 、 回旋钻及旋挖钻 3种 类型钻机进行钻孔工艺比选 ， 该桥 3 0 1号辅助墩 1 9根钻孔灌注桩采用旋挖钻施工。介绍旋挖钻机 钻 孔 的工作 原理及 施 工x - 艺。针对 成孔过 程 中出现 的孔 壁坍 落造成 孔底 积 泥 、 钻孔 漏浆 、 缩孔 及成 孔偏斜 问题提 出相 应 的质量控 制措 施 。分析 旋挖 钻施 工的优 缺点 ， 经功 效成 本分析 可 知 ， 旋挖 钻 的 施 工速度 及施 工成 本 明显优 于 回旋 钻 。 关键词 ： 青岛海湾大桥 ； 自锚式悬索桥； 桩基础 ； 钻孔灌注桩 ； 旋挖钻； 施工工艺； 质量控制 中图分类 号 ：u4 4 8 2 5 ； u4 4 3 1 5 文献标 志码 ：a co n s t r u c t i o n te c h n o l o g y a n d qu a l i t y co n t r o l o f ro t a t i n g ex c a v a t i o n o f la r g e di a me t e r pi l e fo u n d a t i o n s i n s e a dong ta o，cheng ji a n - xi n，zhang zh i we i ，cao xi a ng do ng ( th e 2 n d hi g h wa y en g i n e e r i n g co ，lt d ，ch i n a co mm u n i c a t i o n c o n s t r u c t i o n co r p o r a t i o n，xi a n 7 1 0 0 6 5 ，c h i n a ) ab s t r a c t ：fo r t h e c o ns t r uc t i on of t he l a r g e d i a me t e r p i l e f ou nd a t i o ns o f t he da gu ri v e r shi p p i n g c h a n n e l br i d g e o f qi n g d a o ba y b r i d g e ，t h e b o r i n g c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y f o r t h r e e t y p e s o f t he b or i n g m a c hi ne s l i ke t h e pe r c us s i o n b or i n g，r o t a t i ng bo r i n g a n d r o t a t i ng e x c a va t i o n we r e c orn pa r e d a n d i t wa s de t e r mi n e d t h a t t h e 1 9 b or e d pi l e s o f t he a ux i l i a r y pi e r no 3 01 o f t he br i d ge wou l d be c o ns t r uc t e d b y t he r o t a t i n g e xc a v a t i o n th e wo r k i ng p r i nc i pl e s a nd t h e c o ns t r uc t i o n t e c hn ol o g y f or t he r o t a t i ng e x c a va t i o n a r e d e s c r i b e d h e r e wi t hi n t he l i g h t o f t h e p r o bl e m s o f t he m u d de po s i t i ng a t t he b o t t o m o f bo r e d h o l e du e t o t he c o l l a p s e of h ol e wa l l ，t h e s l u r r y l e a k a ge ， ho l e s hr i n ka g e a n d ho l e o f f s e t t i n g i n t he ho l e f o r ma t i o n p r oc e s s，t he c or r e s po n di n g qu a l i t y c on t r o l me a s u r e s a r e f or m u l a t e d th e a d v a nt a ge a nd d i s a dv a n t a g e o f t he r o t a t i n g e x c a v at i o n a r e a n a l y z e d fr o m t he a n a l ys i s o f t h e c o s t e f f e c t i ve ne s s，i t c a n be s e e n t h a t t he c o ns t r uc t i o n s p e e d a nd c on s t r u c t i o n c o s t o f t he r o t a t i ng e xc a v a t i on a r e o bv i o u s l y s u pe r i o r ov e r t h os e o f t he r o t a t i n g b o r i n g ke y wo r d s ：qi n g d a o ba y b r i d g e ；s e l f - a n c h o r e d s u s p e n s i o n b r i d g e ；p i l e f o u n d a t i o n；b o r e d p i l e；r o t a t i ng e xc a v a t i o n；c o ns t r uc t i o n t e c hn ol o g y；q u a l i t y c o nt r o l 1工程概 况 青岛海 湾大 桥位 于胶州 湾北 部， 主线 全 长为 2 6 7 0 7 k m， 其 中跨海大桥长 2 5 8 8 0 k m。青岛海湾 大桥第 7 合同段为大沽河航道桥及 4 5跨非通航孔 桥下部工程 ， 全长为 3 3 1 0 k m。大沽河航道桥为不 对称独塔 四跨连续钢箱梁 自锚式悬索桥 ， 跨径组合 为 ( 8 o +l 9 o +2 6 o +8 o )m ， 见 图 1 。3 0 2号墩 为主 塔墩 ， 其基础为群桩基础 ， 采用 2 4根直径 2 5 m 的 收稿 日期 ：2 0 0 9 0 4 2 0 作者简介 ： 董 涛( 1 9 7 7 一) ， 男 ， 工程师 ， 2 0 0 1年毕业于长安大学路桥专业 ， 工学学 士( d t 1 2 6 c o rn) 。 4 0 桥梁建设 2 0 0 9年增刊 1 青 岛 8 0 0 0 3 2i_7 9 6 8 1 9 00 0 l 2 1 2 0 0 2 6 0 0 0 l 7 i 20 0 戤 。 标高 单 位： m 尺 寸单位 ：c m 图 1大 沽河 航 道桥 立 面布置 钻 孔 灌 注 桩 ， 行 列 式 布 置 ， 按 摩 擦 桩 设 计 ， 桩 间 距 6 2 5 m。3 0 0 号和 3 0 4号墩 为过 渡墩 ， 3 0 1号 和 3 0 3 号墩为辅 助墩 。辅助墩和过渡墩基 础均采 用 1 9根直 径 2 5 m 的钻 孔灌 注 桩 ， 桩 间距 6 2 5 r n 。根据 地质 情 况 ， 青 岛 侧 的辅 助墩 和 过渡 墩 桩基 础按 摩 擦 桩设 计 ， 黄 岛侧 的辅 助墩 和过 渡墩 桩基 础按 嵌 岩桩 设计 。 其 中 3 0 1 号辅 助墩 1 9根桩 全部采用旋挖钻施工 。 该桥 桥 位处 地 质情 况 相对 比较复 杂 ， 岩 土层 为 淤 泥 、 淤 泥质 亚 粘 土 、 中砂 、 粗 砂 、 砾砂 、 强 风化 含 角 砾 质 泥 岩 、 弱 风 化 泥 质 砂 岩 、 弱 风 化 角 砾 岩 等 。 中 砂 、 粗砂 和砾砂层 颗 粒 大小 混 杂 ， 分 选性 差 ， 密 度 为 中密到密 实 。桥 址处岩层 主要 为泥 质砂岩 和含 角砾 质砂 岩 ， 在 弱风化 层 中局 部夹 弱风化 角砾岩 。3 0 1 号 辅助 墩地 质情况 见 图 2 。 一 2 9 9 3 3 3 3 9 3 41 2 5 6 5 松散层 强风 化 弱 风化 弱风 化 弱风 化 单位 ：m 图 2 3 0 1号辅助墩地质情 况 2工 程 难 点 本 工程施 工 主要 难 点 有 ： 工 期 紧 张 ， 桩 基 数 量多； 海上施工难度大 ， 操作空间小； 胶州湾 环保 要求 高 ； 受 潮汐 影 响较 大 ； 桥位 处 大风 天 气 影 响旋 挖钻 正常施 工 ( 大 于六级 风不允许 施工 ， 必 须 把桅杆 放倒 ) 。 3 钻机选 型 针对 施 工 现场 的施 工 环境 及上 述 施工 难 点 ， 为 满足 工期及 施工 质量 要 求 ， 主要 对 3种 类 型钻 机钻 孔工 艺 进 行 了研 究 比选 ， 3种类 型钻 机钻 孔 工 艺 的 区别 l_ 2 见表 1 。 根据 比选结 果 ， 决 定将徐 工 xr 2 8 0型旋挖 钻机 首次 应用 于 3 0 1号辅助 墩直 径 2 5 m、 孔 深 6 3 0 m 的桩 基施 工 中 。徐 工 x r 2 8 0型 旋 挖钻 采 用 履 带式 底盘 ， 工作 装 置 主要 包 括 桅 杆 、 动 力 头 、 钻 杆 、 钻具 等 。采用平 行 四边形 变 幅 机构 、 自行 起 落折 叠 式桅 杆 ； 自动控 制监测 主机 功率 、 回转 定 位及 安 全保 护 ； 自动 检测 、 调 整 钻杆 的垂 直 度 ； 自重 达 8 0 t ， 最 大输 出扭 矩 2 8 0 k n r n ， 最大 成孔直 径 2 5 m。 4旋挖钻 机施 工工艺 4 i工作原 理 旋挖钻 成孑 l 首 先是通 过钻 机 自有 的行走 功能和 桅杆 变幅机 构使钻 具 迅 速 达到 桩 位 ， 利用 桅 杆 导 向 下放 钻杆将 底部 带有 活 门的筒 式 钻 头置 放 到孔 位 ， 钻机 动力头 装置 为钻 杆 提供 扭 矩 ， 加 压装 置 通 过加 压动力头的方式将加压力传递给钻杆、 钻头 ， 钻头回 旋破 碎岩土 ， 并直接 将其装 入钻 头 内， 然后再 由钻机 提升装 置和 伸缩式 钻 杆将 钻 头 提 出孔 外 卸土 ， 这 样 循 环往 复 ， 不 断取 土 、 卸 土 ， 直至 钻到设计 孔深 。 4 2海水泥 浆配置 钻 孔 阶段 采 用海 水 泥浆 ， 清孑 l 阶段采 用 优质 淡 水 泥浆 ， 泥浆 各项性 能指标 均满 足规范要 求 ， 海 水泥 表 1 3种类型钻 机钻孑 l 工艺 区别 项 目 冲击钻 回旋钻机 旋挖钻机 成 l 工艺 就位方式 施工需求能源 泥浆使用 利用冲击锤冲击 钻进成孔 ， 通过 循环泥用梳齿钻头 、 滚刀 钻头 等将 土切削 ， 通用筒式钻头成孔 ， 将斗 齿切削下来 的土直 浆带出孔 l： l 过循环泥浆 带出 l 口 接装进筒式容器内 ， 然后 由钻杆提出 通过吊车或人工 简易方法就位 ， 对原地通过吊车或人工 简易方法就位 ， 对 原地履带式行走体系移 动方 便， 就位仅需几 分 面要求高 ， 辅助工作时 间长 面要求高， 辅助工作时间长 钟 ， 钻机整体置于履 带上进行钻孔作业 依靠现场提供 大 功率 电源来 完成 钻孔依靠现场 提供 大功率 电源 来完 成钻孔由 自带 的柴油发 动机输 出 动力来 完成 钻 工作 工作 机的行走移动和钻进工作 泥浆循环使用， 造浆 材料一般为桩 体 自 泥浆循环使用 ， 造浆材 料一般为桩体 自 泥浆为静态泥浆 ， 由膨润土 、 烧 碱、 纤维素 身土质 身土质， 遇到砂性土加粘土或膨润土 根据不同地质按一定 比例 组成 ， 并 可重复 利 用 曰 i 重量 1 8 7 大直径桩基旋挖 钻海上施工工艺及质量控制 董涛 ，程建新 ， 张志伟 ， 曹向东 4 1 浆配 比为 海 水 ：膨 润 土 ：羧 甲基 纤 维 素 ： 纯 碱 一 1：0 08 ：0 0 6 ：0 0 09。 在 护筒 内直 接配 制 旋挖 钻 泥 浆 ， 钻孔 过 程 中 由 专人根据孔深及钻渣情况及时补充泥浆 。泥浆可重 复利用 ， 在泥浆性能降低时进行调制 ， 以使泥浆技术 指 标符合 要求 。不 同钻孔 地层所 需要 的泥浆指 标见 表 2 ， 施 工 时根据具 体地 层条 件确定 。 表 2不 同地层所需泥浆性能指标 4 3钻进工 艺 旋 挖钻 钻进采 用静 态泥 浆护壁 钻孔 。施 工首根 桩时 ， 要 慢速 运转 ， 掌 握 地层 对 钻 机 的影 响情 况 ， 以 确定在该 地层 条 件 下 的钻 进 参 数 。在 钻进 过程 中 ， 不 可进尺 太快 ， 要 留有一定 的护 壁时 间 。 ( 1 )首先 以 2 5 m 钻头钻 穿覆 盖淤 泥层 、 砂 层 到弱 风 化 角 砾岩 ， 换 声 1 8 m 钻 头 钻 至 设 计 孔 底 标 高 ， 然后用 2 5 m 钻 头扩孔 。 ( 2 )对于 较 松 软 的淤 泥 质 亚 粘 土 层 ， 选 用 摩 擦 钻杆和双底板捞砂钻斗钻进以便于捞取钻渣 。对于 中砂 、 粗砂 、 砾砂 等 易坍 塌 地 层 ， 采 用双 底 板 捞 砂钻 斗钻进 。对 于强 风化 含 角砾 泥质 砂 岩 、 弱 风 化 泥质 砂 岩这 类地层 选用 截齿钻 斗钻 进工 艺成孔 。 ( 3 )对 于硬 度 较 大 的 弱 风化 角 砾 岩 、 弱 风 化 泥 质砂 岩 、 弱风化 含 角砾 泥 质 砂 岩这 类 地 层 采用 短 螺 旋 钻头钻 进 。 ( 4 )以 1 8 m 钻 头钻 进时 ， 根据地 层 选 用钻 斗 的同时， 还要注意进尺的控制。在使用旋挖斗时依 据斗体的容量 ， 一般在斗体 2 3为宜。一般淤泥和 淤泥质亚粘土层 ， 每钻进 5 0 c m 提钻 1次， 砂层每 5 0 6 0 c m提钻 1次， 岩层每 3 0 5 0 c m提钻 1次。 ( 5 )利用 2 5 m钻头扩孔， 第 1次扩孔到约 4 0 4 5 m 深时 ， 换 用 1 8 m 双底 板捞砂 钻 斗捞渣 ； 再 次利 用 4 , 2 5 m 钻头继 续 扩孔 1 0 1 5 m， 换 用 1 8 m 双底 板捞砂 钻 斗捞渣 ； 如此 循环 ， 完成 整个孔 深 。 ( 6 )钻孔 过 程 中根 据 地 质 情 况 控 制 进 尺 速度 ， 由硬地层钻到粘土地层时 ， 可适当加快钻进速度 ； 由 软地 层变为 硬地层 时 ， 要减速 慢进 ； 在易 缩径 的地 层 中， 应适当增加扫孔次数， 防止缩径 ； 对硬塑层采用 快转速钻进 ， 以提高钻进效率 ； 对于砂层则采用慢转 速钻进 并适 当增加 泥浆 比重 和粘度 。 旋挖钻施工现场见图 3 、 图 4 。 图 3旋挖钻机就 位 图 4旋 挖 钻 钻 孔 施 工 4 4清孔 ( 1 )第 1次孔底处理 ： 钢筋笼下放前 ， 采用带挡 板 的钻 斗来清 除沉 渣 ， 绝 对不 能扰 动孔底 土层 。 ( 2 )第 2次 孔 底 处 理 ： 浇 注 混凝 土前 根 据 沉 渣 的多 少 ， 采 用正 循环 法或 者反循 环法 清孑 l 。 5质 量控 制措 施 ( 1 )在成孔 过程 中孔壁坍 落 ， 造 成孔底积泥 。 当钻至砂类等强透水层时 ， 出现较强承压水时， 易导 致 孔底 翻砂 和孔 壁 坍 塌 。此 时 ， 随 时 调节 补 充 孔 内 水位 ， 孔 内水位必须稳定地高出孔外海水水位 2 5 m， 根据不 同土层采用不同的泥浆 比重， 易坍地层采 用 比重较 大 的泥浆 。同 时采 用 不 同的 钻进 速 度 ， 尽 量缩短成孑 l 至灌注混凝 土问的间隔时间， 合理安排 渣 土 的清运 速度 ， 做 到孔成 渣清 。 ( 2 )钻孔 漏 浆 。当钻 进 至 砂 类 等 强 透水 层 时 ， 若没有及时调整泥浆比重 ， 泥皮形成不到位 ， 则易发 生坍孔情况。成孔过程 中护筒 内应保持适当的静水 压 力 ， 并 加稠 泥浆 、 放慢 钻进 速度 、 反复 冲击 ， 增 强护 壁效果。当钻进至砂类等强透水层时 ， 加大泥浆 比 重 ， 同时及时向孔内补充泥浆 。 ( 3 )成孔后不垂直 ， 偏差值大于规定的 1 l o o 。 钻机 就位 时 ， 应 使转 盘 、 底座 水 平 ， 钻 杆 底 卡盘 和护 筒 的中心在 同一垂 直 线 上 ， 并 在 钻进 过 程 中 防止 移 位 。必须 随时调 整 ， 保证钻杆垂 直 。钻机 每次 出渣后 入孔时应保证位于孔位中心， 防止偏离轴线。钻进过 4 2 桥梁建设 2 0 0 9年增 刊 1 程 中， 随时检查钻杆 的垂 直度 ， 发现偏斜 应及 时调整 。 偏斜过大时 ， 及时从开始偏 斜的位置进行扫孔 。 ( 4 )缩 孔 。软 土 层 受地 下 水 位 和 周边 承 载 、 振 动 的影响 ， 会 造成松 坍缩孔 ； 塑性 土膨 胀也会 造成缩 孔 。发现钻 孔桩有 缩 径 现象 后 ， 采 用 钻 头上 下 反 复 扫孔 ， 将孔径 扩大 至设计要 求 。 6 旋挖钻 的优缺 点及 功效成本 分析 ( 1 )优点 。旋 挖 钻 桩 径 可选 择 范 围大 、 清 孔 彻 底 、 成孔质量 好 、 施 工速 度快 ， 可节省人 力资 源 、 提 高 工作 效率 、 降低施 工 成 本 ； 调整 各 项 技术 指 标 ， 可保 证钻 杆垂直 度 、 孔径 、 孔 深等各 项技术 指标 达到规 范 要求 ； 对各种 不 同的粘 土层 、 粉 砂层 、 角砾岩 、 泥岩 适 应性 较强 ， 钻 进效 率是 回旋钻 的 2 3倍 ； 环 境 适 应 性强 ， 自身 功 率 大 ， 适 用 于 海 上 供 电不 足 的施 工 现 场 ； 施工场地 比较 整洁 ， 是一种 在 同等条件 下可 以优 先使 用 的设 备 。 ( 2 )缺点 。旋挖 钻 不适 合 以下 情 况施 工 ： 弱 风化 、 微 风 化 硬 质岩 层 ， 粗 砂层 ； 地 层变 化 复 杂 ， 一 边 硬一边 软 的地层 ； 孑 l 深大 于 9 0 m。 ( 3 )功效成 本分 析 。对 现场 施工 的旋挖 钻及 回 旋钻各种指标进行统计与分析， 其施工功效成本对 比见 表 3 。对 比结 果 表 明 ， 旋 挖 钻 的施 工 速 度 是 回 表 3 旋挖钻与回旋钻单根桩施工功效成本分析 旋钻 的 2倍 ， 施 工总 成本是 回旋 钻 的 1 3 ， 使用 旋 挖 钻进行 钻孑 l 施 工是 正确 的选 择 。 7 结 语 旋 挖钻在青 岛海 湾大 桥大沽 河航道桥 3 0 1 号 辅 助墩桩 基施工 中 的成 功应 用 ， 率 先实 现 了旋挖 钻 直 径 2 5 m、 孔深 6 3 m 的海 上 群桩 钻 孔 施工 ， 在 旋 挖 钻钻孔 成桩施 工技术 上取 得 了较 大突破 。旋挖 钻的 钻孔过 程顺利 ， 成 孑 l 质 量 良好 ， 经过 第 三 方检 测 ， 各 项检测 指标均 满足 规 范 和设 计 的要 求 ， 并 取得 了较 好 的钻 孑 l 经验 ， 对 以后 同类 型 的旋 挖钻 施 工具 有 较 高 的参 考价值 。 参 考 文