[工作精品论文]浅析超大直径、超深桩基中回旋钻与冲击钻联合施工的技术

中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集浅析超大直径、超深桩基中回旋钻与冲击钻联合施工的技术马占生、陈刚（中交四航局第二工程有限公司，广东广州510300）摘要通过贵广铁路13标博爱路连续梁桩基工程施工实例，重点介绍大直径、超长钻孔灌注桩施工时，采用回旋钻与冲击钻联合成孔的技术。关键词钻孔灌注桩冲击钻与回旋钻气举反循环成孔控制1前言钻孔灌注桩是在我国现阶段的铁路桥梁基础施工中应用非常广泛的一种桩基施工技术，一般分为钻孔桩在钻孔、清孔、吊放钢筋笼、灌注混凝土这四个工序。钻孔灌注桩一般采用旋挖钻、回旋钻、冲击钻成孔，对于大直径超深桩基施工中各种成孔方法都有不同的优势，同时也有着各自的不足，而联合施工使各种机械优势互补，既能保证孔深质量，又能节约实际施工中遇到的问题。本文结合现场施工经验,以贵广铁路13标北江特大桥西引桥博爱路连续梁主墩148桩基础施工为例,浅析回旋钻与冲击钻联合施工的技术。2工程概述21工程概况贵广铁路北江特大桥西引桥博爱路连续梁位于佛山市南海区丹灶镇八甲村，施工里程DK783634550DK783871950，为6410864M连续梁，墩位146149。主墩147、148桩长88M，为1225M桩，单孔钢筋笼总重255T。采用C40水下混凝土，单桩灌注量达496M3（按115扩孔系数计算）。22地质条件本工程涉及地质自上而下主要有粉质粘土，厚2M；粉砂，厚6M；中沙，厚19M；淤泥质粉粘土，厚7M；细圆砾土，厚4M；强风化泥质砂岩，厚46M。3施工难点及施工中的主要技术指标（以主墩148桩基施工为例）31148桩基靠近民房，施工对周边环境影响大，单一的施工工艺不能满足要求。32钻孔施工工期紧，博爱路连续梁是本段施工中的重点难点工程，桩基施工工期110天。33设计要求高，设计单桩承载力大，对桩成孔垂直度和成桩的质量相应要求高钻孔垂直度1/100，泥浆比重11GCM3，含沙率2，灌注前孔底沉渣厚10CM。作者简介马占生（1985），男，助理工程师，从事铁路施工技术管理工作。318中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集34孔径大、钻孔深、泥浆容量大，泥浆循环时间长，施工过程中容易坍孔、粘锤。35单桩的钢筋笼重量大，首灌混凝土方量多，对施工设备的要求高。36回旋钻向冲击钻施工时，两次钻头中心对位精准性的控制，及两种施工中泥浆浓度变化的控制。4施工方案的选择2010年3月20日，148桩基开始使用冲击钻冲孔，冲击钻型号CK2500，锤重10T。因148距离民房较近（最短距离66M），对房屋影响较大（房屋不同程度出现裂缝），对此我部积极展开调研并调整施工工艺。10T的钻锤以3M冲程，68次/MIN频率进行冲击，得出对不同范围内的震动程度如下（见表1）表1CK2500冲击钻在不同深度不同范围内的地震烈度作用范围M进尺深度（M）3070110160020度度度度2025度度度度2527度度度度28度度度无29度度无无30度无无无31无无无无说明度；无感仅仪器能记录到；度；微有感个别敏感的人在完全静止中有感；度；少有感室内少数人在静止中有感，悬挂物轻微摆动；度；多有感室内大多数人，室外少数人有感，悬挂物摆动，不稳器皿作响；度；惊醒室外大多数人有感，家畜不宁，门窗作响，墙壁表面出现裂纹。调研结论在深度31M以下用CK2500冲击钻施工对周边无影响。单一的施工方法（冲击钻）已经不能满足现有施工条件，对于常见的施工机械我们进行了如下比较（见表2）表2超大超深桩旋挖钻、回旋钻和冲击钻的施工比较机械类型项目旋挖钻回旋钻冲击钻充盈系数一般为10一般为11115一般为115120环保噪音小，无扰动，费浆少，污染小噪音小，无扰动，费浆多，污染多噪音大，有扰动，费浆多，污染多粘土、砂层是冲击钻进尺速度的45倍是冲击钻进尺速度的1214倍以冲击钻钻进速度为准成孔速度卵石、泥岩部分坚硬卵石岩石层无法钻进部分坚硬卵石、岩石层无法钻进是回旋钻机钻进速度23倍粘土、砂层容易钻进、成本损耗小容易钻进、成本损耗小耗电量大、钢丝消耗大、搬运成本高成本损耗卵石、泥岩不易钻进、耗油大、研磨材料消耗大不易钻进，耗电大、研磨材料消耗大相对钻进速度快、成本相对节约施工成本成孔单价高、维修保养费用大成孔单价适中、维修保养费用小成孔单价低、维修保养费用小普及率设备成本高、不常见设备成本适中、常见设备成本低，多见结合以上比较和本工程的实际情况，虽然随着设备的发展旋挖钻可以满足超大超深桩成319中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集孔，但是成本过高、施工时间长容易塌孔、孔的质量难以保证，所以排除用旋挖钻施工。我们重点比选冲击钻和回旋钻施工。对于31M以下深度，地层主要是细圆砾土和强风化泥质砂岩，以强风化泥质砂岩为主。在此地层中回转钻机研磨材料消耗大,钻进速度慢,成本比冲击钻进大5倍以上,在硬度较高的岩层中回转钻机是无法钻进,只用冲击反循环钻机来完成。所以冲击钻在此地层中施工较为适用,优越性更加显着。对于31M以上深度，地层主要粘土层和砂层，以砂层为主。在此地层中冲击钻震动影响大，不满足施工条件，而回旋钻无震动、施工速度快，且成本比旋挖钻低等优点。所以在此地层当中回旋钻钻较为实用。综上所述148桩基施工中，31M以上选择回旋钻施工，31M以下采用冲击钻施工。5主要施工技术与工艺成桩采用GPS25D回转式钻机与CK2500冲击钻、自成泥浆护壁、正循环成孔和气举反循环清孔、钢筋笼采用长线台座法加工，主筋的连接采用剥肋滚扎直螺纹连接套筒连接、导管回顶法灌注水下混凝土。51钻孔钻机就位后检查钻机平台水平和对中，对中误差10MM，方杆垂直度1/300。开孔时压慢转，待钻到约4M后逐渐转入转速。孔深31M内主要是砂层，砂性土稳定性差，土体扰动后容易坍孔，回旋钻钻进时，易选用平底钻锥，控制进尺，轻压，低档慢速，大泵量，稠泥浆钻进。随着钻孔逐渐加深，钻杆自身找度逐渐增大，导向性能变差，因此每次加接钻杆之前均采用二次复钻修孔。钻进过程中随时注意观察钻机的工作状况，定时检查钻机平台水平和钻杆垂直度以及机架稳定性，根据实际情况及时调整或修正钻进参数。回旋钻成孔的质量控制关键点本工程回旋钻主要穿越砂层（粉砂、中砂），施工中容易发生塌孔，所以关键是控制回旋钻的进尺速度和泥浆的浓度，进尺要慢（每天35M）,泥浆要浓，以利于形成良好的泥浆护壁。当钻进深度达到31M后，安排下探笼，检查以成孔部分的垂直度和孔径，在满足要求的情况下移动冲击钻至此，为了避免冲击钻钻头入孔时刮伤孔壁，应严格控制钻头中心与孔位中心重合。具体做法是移机至孔位，将钻头提到孔的上方约15M处，找05M长的10圆钢，切断两端有弯起部分，务必保持钢筋平直，将圆钢利用拐角尺垂直抵到钻头中心（此中心可以用十字拉线找到，用红油做好标记），焊接圆钢一端焊接在转锤上，待冷却后，利用多把拐角尺来复测圆钢筋的垂直度，若不垂直可以用手工调整，直至垂直为止。然后利用GPS找到护筒上直径线上的两对点，用十字线找出护筒中心（孔位中心），下放钻锤，观察圆钢头与十字线中心的偏差，利用勾机及人工配合移动桩机，直至钻头中心与孔位中心完全重合（误差不允许超过2CM）。一切正常后，开始钻进。孔深大于31M后，主要是泥质砂岩为主，因泥岩层易分解导致粘钻现象，故提钻要慢些，冲程不宜过大同时还应调整好泥浆性能，防止大程度扩孔和局320中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集部塌孔。冲程可为2535M，冲击频率可为67次/MIN，冲孔时要注意及时排渣，减小提锤时的阻力，可有效防止粘锤、埋锤。不断转动钻头，改变钻头在孔底的冲击位置，防止出现梅花形孔底或发生孔斜；在钻进过程中，钻孔作业连续进行，不得中断，因故停钻时，要将钻头提起距离孔底20M以上，防止埋钻；在岩石层钻头磨损较大，要时常修补，在十字钻头底部均匀分散加焊高度一致的钢块作为钻刀，有利于加快施工进度，并能保护钻锤本体。冲钻至设计孔深，用检孔器检孔，防止出现偏孔，保证成孔直径满足设计要求。回旋钻成孔的关键控制点在冲击钻进过程中,关键是冲击和吸渣量是否般配,也是确保孔壁稳定正常钻进最基本最重要前提。52泥浆调配和使用泥浆在钻进过程中起到冷却钻头、清孔排渣和形成泥皮保护孔壁等作用。泥浆过稠，会影响钻进速度（容易糊钻），同时形成的泥皮厚；泥浆过稀，容易坍孔，且孔底沉渣不易排除；泥浆含砂量过高，形成的皮疏松，孔壁摩阻力小，孔底的沉渣厚，因此调配性能适宜的泥浆对成桩质量有着至关重要的作用，本工程采用自成泥浆。回旋钻入孔时，主要经过杂填土层和粘土层，此地层有利于造浆，各项指标控制如下泥浆比重105115，粘度1925S，含沙率2。回旋钻钻进过程中，主要穿越粉砂和中砂层，此地层容易塌孔，且后续成孔时间长，应确保良好的护壁，所以加大泥浆比重，必要时可投粘土，各项指标控制如下泥浆比重12145，粘度1928S，含沙率4。当回旋钻施工完毕，进行冲击钻施工时。冲击钻首先穿过淤泥质粉质粘土，可以用来造浆，此时要向孔内多注入清水，以防止泥浆比重过大。此段泥各项指标控制如下泥浆比重1113，粘度1622S，含沙率4。冲击钻接着穿越卵石层，此层地层松散，应加大泥浆比重，此段泥各项指标控制如下泥浆比重1214，粘度1928S，含沙率4。冲击钻最后冲击泥质砂岩层，该地层泥岩容易分解，再者随着孔深的增大，钻锤提升的阻力增大，容易发生粘锤，所以钻进时要及时排渣，控制泥浆比重不宜过大，泥浆比重不宜大于12，粘度1622S，含沙率4。53清孔第一次清孔，当钻孔达到设计深度后，停止钻进，清孔采用反循环方式进行，配以泥浆分离器进行石渣分离，气举反循环清孔由于返浆速度快，清渣效果较好，沉渣层较薄，从而确保清孔速度和质量。气举反循环清孔工艺操作要领（1）导管下放深度以出浆管底距沉淤面300400MM为宜，风管下放深度一般以气浆混合器至泥浆面距离与孔深之比的055065来确定。（2）主要参数空压机的风量69M3/MIN，导管出水管直径200MM，送风管直径（水管）25MM，浆气混合器用25MM水管制作，在1M左右长度范围内打6排孔、每排321中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集4个8MM孔即可。本桩清孔时所需风压PSH0/1000PS泥浆比重（KN/M3），一般取12；H0混合器沉没深度（M）；P供气管道压力损失，一般取00501MPA。桩基终孔后下笼前的清孔非常关键，第一次清孔泥浆性能指标主要控制两个方面，比重控制在12左右，含砂率在05甚至03，一清控制在10小时以内。第二次清孔，用双泥浆泵从导管内输入优质泥浆清洗孔底。二清过程中逐步调稀泥浆比重，直至孔内泥浆比重小于11，孔底沉渣厚度小于10CM为止。二清时间一般控制在6H左右。54钢筋笼安装本连续梁桩钢筋笼共89M，分7节制作，标准段6节，每节12M。钢筋笼采用25作为主筋，内置同径的加强箍筋，外层为10箍筋。主筋采取双筋，线密度达到029T/M，单节钢筋笼重35T,整条钢筋笼重255T；钢筋笼采用长线台座法加工，主筋的连接采用剥肋滚扎直螺纹连接套筒连接。由于钢筋笼重量大，下笼采用120T履带吊安装。钢筋笼主筋对接一定要保持预制和安装的统一，即预制时对接在一起的两根主筋，在安装时必须保证也是这两根主筋对接（在钢筋车间分节拆除接头时应事先做好对应的标记）；主筋对接时，同一接头两个丝头之间的间隙不得超过1MM，若间隙太大，可用导链葫芦将这两根主筋进行对拉。由于钢筋笼直径大、重量大，钢筋笼对接时不可能采用常规的设置孔口扁担梁的方式来支撑已放入孔内的钢筋笼。为此，需设计“钢筋笼悬挂环”来解决钢筋笼的支撑及悬挂定位问题。“钢筋笼悬挂环”由卡板和支撑圆环两部分组成。支撑圆环由两个半圆环通过螺栓连接成一个完整的圆环，卡板可在支撑圆环内前后抽动。安装钢筋笼时，先将“钢筋笼悬挂环”安装在孔口顶面，将吊入孔内的钢筋笼通过加强后的加劲箍支撑在“钢筋笼悬挂环”上，然后，起吊下一节。55混凝土灌注551导管承受压力计算水下混凝土用钢导管灌注，导管内径为300MM，导管使用前应进行水密承压和接头抗拉试验。进行水密试验的水压不应小于孔内水深13倍的压力，也不应小于导管壁和焊缝可能承受灌注混凝土时最大内压力P的13倍。泥浆比重的加权平均值按115考虑，则导管的试压压力不应小于195MPA。本工程使用双密封圈丝扣连接导管，导管内径300MM，厚10MM，实际试压均大于20MPA，无漏水现象。552初灌量控制初灌量是水下混凝土灌注的关键指标，初灌后导管埋深不应少于10M，按照导管底口距孔底3050CM，首批混凝土需要量V（D2H1D2HC）/4。式中V首批混凝土所需数量，（M3）；322中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集H1W井孔混凝土面达到HC时，导管内混凝土柱体，平衡导管外泥浆压力所需的高度，即H1HWW/C，（M）；HC灌注首批混凝土时所需井孔内混凝土面至孔底的高度，HCH2H3，（M）；HW井孔内混凝土面以上水或泥浆的深度，（M）；D导管直径，取D032M；D桩孔直径（考虑11的扩孔系数），（M）；W、C为水（或泥浆）、混凝土的容重，取W11KN/M3，C24KN/M3；H2导管初次埋置深度（H210M），（M）；H3导管底端至钻孔底间隙，约03M；本工程最大的桩径为25M，孔深为94363M