付連紅 沈海姣 吳夢迪 雷青濤 趙美祥

（浙江易通特種基礎(chǔ)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(yōu)、缺點(diǎn)，其中RCD 工法成孔垂直度好、泥漿護(hù)壁能力強(qiáng)、全斷面入巖效率高，阿斯特利工法覆蓋層，成孔進(jìn)尺速度快、移動方便。如何將2 種工法有效組合，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，是進(jìn)一步提升超深大直徑鉆孔灌注樁的成孔效率和成孔質(zhì)量的技術(shù)途徑之一。該文結(jié)合某大橋主墩樁基工程實(shí)例，在詳細(xì)分析地質(zhì)、環(huán)境等施工條件的基礎(chǔ)上，對組合工法的可行性進(jìn)行研究，取得了一定成果。

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

該橋主墩基樁設(shè)計(jì)樁徑Ф2.8m，樁數(shù)52 根，樁間距7m，設(shè)計(jì)樁長92.0m，施工孔深104.5m，持力層為中風(fēng)化砂巖，基樁分布見圖1。

圖1 基樁分布示意圖

1.2 地質(zhì)水文特點(diǎn)

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(zhì)黏土夾粉土。

基巖為粉砂質(zhì)泥巖和弱膠結(jié)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(zhì)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(biāo)高+8.5m，承載力5t/m2。

1.3.2 工期要求

原計(jì)劃工期5 個月，采用ZJD4000/350 全液壓回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的RCD 工法，第一個月實(shí)現(xiàn)單機(jī)單臺工效1.8 根/月，但因總進(jìn)度計(jì)劃調(diào)整，工期要求縮短至4 個月，須進(jìn)行方案優(yōu)化。

2 組合工法研究

根據(jù)地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場工作面、用電量供應(yīng)等實(shí)際情況，若按原定的RCD 工法去搶工期，還需要增加2 套設(shè)備，現(xiàn)場變壓器增容1000kW，投入大，歷時長，且不利現(xiàn)場組織管理。經(jīng)研究決定，對RCD 與阿斯特利組合工法進(jìn)行研究與應(yīng)用，以達(dá)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(diǎn)分析

2.1.1 RCD 工法

工藝優(yōu)點(diǎn)：①孔底加壓，全孔段減壓鉆進(jìn)，垂直度好；②大扭矩、大提升力，動態(tài)泥漿護(hù)壁，地層適用范圍廣；③氣舉反循環(huán)排渣，鉆進(jìn)效率較快；⑤液壓動力系統(tǒng)，鉆進(jìn)平穩(wěn)，孔壁穩(wěn)定。

工藝缺點(diǎn)：①用電量大；②機(jī)械化程度低，勞動強(qiáng)度大；③無自行走系統(tǒng)，移動性差。

2.1.2 阿斯特利工法

工藝優(yōu)點(diǎn)：①自動化程度高，鉆進(jìn)效率高；②機(jī)械化程度高，勞動力強(qiáng)度低；③自帶動力，移動靈活、方便。

工藝缺點(diǎn)：①孔口加壓，垂直度稍差；②靜態(tài)泥漿護(hù)壁，地層適用范圍??；③自重大，對施工場地要求高；④短期投入大，價(jià)格高。

2.2 組合工法可行性分析

2.2.1 設(shè)備選擇

對直徑2.8m，深度達(dá)104.5m 的深長大直徑鉆孔灌注樁，根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有設(shè)備性能和實(shí)際應(yīng)用情況[1]，選擇SWDM550與ZJD4000 進(jìn)行組合。

2.2.2 平臺承載力的分析

施工平臺按液壓鉆機(jī)最大提升力200t 來設(shè)計(jì)，其標(biāo)準(zhǔn)承載力為5t/m2，極限承載力按10t/m2；若采用旋挖鉆機(jī)，則須對其承載能力進(jìn)行校核，結(jié)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(shè)備工效分析

根據(jù)2 種設(shè)備的性能和地質(zhì)條件[2]，結(jié)合各自工法應(yīng)用的以往經(jīng)驗(yàn)[3]，對其工效進(jìn)行分析，見表2。

表2 設(shè)備施工工效分析表

2.2.3.2 搭接深度與設(shè)備配置分析

總成孔深度按105m 計(jì)，根據(jù)2 種工法不同孔深的成孔歷時來匹配設(shè)備數(shù)量，以達(dá)到流水施工目的，分析見表3。

表3 組合工法實(shí)施深度和設(shè)備數(shù)量匹配分析表

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

2.2.4 工法組合相關(guān)技術(shù)措施

工法組合相關(guān)技術(shù)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(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)。泥漿性能指標(biāo)統(tǒng)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(hù)壁效果，同時實(shí)現(xiàn)2 種工法泥漿性能的統(tǒng)一。3）垂直度控制標(biāo)準(zhǔn)。為了防止成孔的不同心而導(dǎo)致錯臺、偏孔和擴(kuò)孔，2 種工法的垂直度均按1/200 控制，同時嚴(yán)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(jìn)入下臥基巖后，進(jìn)入正常鉆進(jìn)階段。

3 組合工法應(yīng)用及成果

3.1 主要設(shè)備性能

3.1.1 旋挖鉆機(jī)主要性能

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

表4 SWDM550 設(shè)備主要性能參數(shù)表

根據(jù)地質(zhì)條件特點(diǎn)，考慮巖石為軟巖，鉆齒采用高強(qiáng)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(jìn)。同時為減少鉆具在巖層鉆進(jìn)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(cè)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(jī)主要性能

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

表5 ZJD4000/350 設(shè)備性能參數(shù)表

根據(jù)地質(zhì)和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，液壓鉆機(jī)的鉆具采用加強(qiáng)版的四翼刮刀鉆頭，翼板厚5cm，鉆齒采用高強(qiáng)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(shè)置扶正擋圈，具體結(jié)構(gòu)形式如圖3 所示。

圖3 刮刀鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 組合工法應(yīng)用中遇到的問題及解決措施

3.2.1 問題一：孔斜

現(xiàn)象及原因：旋挖機(jī)施工至60m 左右時，經(jīng)檢測下部偏孔超標(biāo)頻現(xiàn)，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(zhì)；②旋挖機(jī)的鉆速與鉆壓控制不當(dāng)。

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(jù)樁檢結(jié)果，調(diào)整接力深度為55m 左右，工效匹配，垂直度達(dá)標(biāo)。

3.2.2 問題二：糊鉆

現(xiàn)象及原因：液壓鉆機(jī)在施工至80m 左右時，頻現(xiàn)鉆具糊鉆。主要原因：①地層中存在泥巖；②鉆具結(jié)構(gòu)布齒過密，出刃過小，進(jìn)水口排渣不暢；③液壓鉆機(jī)鉆進(jìn)速度與排渣不匹配。

解決措施：①調(diào)整鉆具結(jié)構(gòu)：間距由10cm 調(diào)為12cm，出刃長度由1/2 調(diào)為2/3，開封頭上移10cm；②該層泥漿黏度由18s～22s 調(diào)為17s～18s，pH 值由8～9 調(diào)至9～10；③控制鉆速，每進(jìn)尺1.0m 左右上下提拉鉆具，充分排渣5min～10min。經(jīng)過調(diào)整后，糊鉆問題解決。

3.2.3 鉆具磨損嚴(yán)重

現(xiàn)象及原因：鉆齒磨損嚴(yán)重，邊齒尤甚，導(dǎo)致提鉆維修次數(shù)頻繁。主要原因：①砂巖致密堅(jiān)硬；②鉆具結(jié)構(gòu)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(bǔ)償式合金（雙合金片）代替單片合金。經(jīng)過調(diào)整，鉆具磨損及維修次數(shù)大幅降低。

3.2.4 擴(kuò)孔嚴(yán)重

現(xiàn)象及原因：擴(kuò)孔系數(shù)約為1.15，發(fā)生部位孔深90m～105m。主要原因：①地層為弱膠結(jié)含礫砂巖，巖體破碎松散；②鉆速與鉆壓控制不當(dāng)。

解決措施：①加強(qiáng)泥漿性能控制；②放慢鉆進(jìn)速度，平穩(wěn)鉆進(jìn)。經(jīng)過調(diào)整，擴(kuò)孔問題得到改善。

3.3 組合工法應(yīng)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(dá)38%，設(shè)備數(shù)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(jié)論

通過該組合工法技術(shù)的研究及應(yīng)用，得出以下結(jié)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(fù)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(fā)揮2 種設(shè)備各自優(yōu)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(yīng)用應(yīng)提前謀劃，關(guān)鍵是對地質(zhì)條件、施工條件需做充分研究分析，特別是旋挖機(jī)對地層、作業(yè)面承載力的特殊要求。3）組合工法的應(yīng)用應(yīng)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(tǒng)一，減少施工過程中二次調(diào)漿、掃孔、糾偏等附加工作。4）組合工法的應(yīng)用中，其施工中的漏漿、塌孔、垂直度超標(biāo)等問題仍是防控的重點(diǎn)[4]，仍需對鉆壓、鉆速進(jìn)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(chuàng)新，避免因2 種工藝加壓方式不同而產(chǎn)生錯臺、偏孔、擴(kuò)徑等質(zhì)量問題。