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1、多机成孔工艺在复杂地质条件下大直径超长桩中的施工应用马重刚 谢小飞 李建勇 敬翔 粟周毅（中建三局建设工程股份有限公司 湖北 武汉 430070）摘要：武汉江汉六桥工程主桥为双塔双索面自锚式悬索桥，主墩桩基为大直径超长桩，最大成孔深度高达120m，穿越地层复杂，施工难度大，工期紧，若采用单一的成孔工艺很难保证进度及成桩质量，为此结合本工程特点选用“多机成孔工艺”，即覆盖层采用旋挖钻，岩层采用气举反循环回转钻机“接力施工”，不仅提高了施工效率，且保证了成桩质量，为今后其他工程提供了可借鉴之处。Abstract：The main bridge of the sixthhanjiang bridge
2、 in Wuhan is a self-anchored suspension bridge with double pylons and double cable planes. The main pylon pile foundation with large diameters is extremely long.The maximum drilling depth is 120 m. The crossing formation is complex and the construction is very difficult and the construction periodis
3、 very short. The construction quality and time planning cannot be guaranteed if the single drilling technology was used in this project. So, based on the engineering characteristics of this project, we use the muti-machine drilling technology. That is the auger drilling overburden and airlifting rev
4、erse circulation rotary drilling strata. The muti-machine drilling technology not only can increase construction efficiency, but also can guanatee quality.It offers reference for dealing with similar problems in future.关键词：多机成孔工艺；大直径超长桩；旋挖钻；气举反循环回转钻；Key words：Muti-machine drilling technology; extrem
5、ely long and large diameter piles; auger drill; airlifting reverse circulation rotary drilling.1 概述随着国内桥梁、铁路事业的发展，钻孔灌注桩的应用越来越广泛，桩基施工工艺也日臻成熟。尤其近年来出现的旋挖钻机以其成孔效率高、成孔质量好、孔壁泥皮薄（孔壁呈螺旋线状，利于摩擦桩侧摩阻力）、可实现垂直度的自动调节和钻孔深度的精确计量、尘土泥浆污染少、地层适应性强等技术优势，逐渐取代了其他钻机，成为钻孔灌注桩施工首先考虑的机型。但对于大直径超长桩的施工，由于对钻杆强度的要求较高，国内在成孔深度90m以上的钻
6、孔灌注桩一般不采用旋挖钻施工工艺。对于施工工期紧、施工难度大的大直径超长桩，采用单一的施工工艺已不能满足当前的施工要求，“多机成孔工艺”概念的提出应运而生。“多机成孔工艺”是指根据不同地层在同一孔段内选用两种或者两种以上的施工工艺而有效成桩的工艺。目前，“多机成孔工艺”在少数工程中已得到应用，多选用旋挖钻与冲击钻的“接力钻进”施工工艺，效果明显，但对于其他钻机的组合应用工艺仍处于摸索与探讨的阶段，技术尚不成熟，本文结合武汉江汉六桥主塔桩基施工实际情况，针对旋挖钻与气举反循环回转钻机的“接力钻进”在大直径超长桩中的施工应用作分析研究。2 工程概况及地质条件武汉江汉六桥工程主桥为钢混结合梁双塔双索
7、面自锚式悬索桥，全长682m，桥跨布置为110+452+110m，两侧增设48+57m压重跨。主塔基础采用分离式承台，承台尺寸16.9m16.9m5.5m，单幅承台行列式布置9根2.5m的钻孔灌注桩，桩长110m，设计为摩擦端承桩。桥址临近河道微弯处，北岸为淤积岸，南岸为冲刷岸，地质条件复杂，地层分布不均匀，表层2.7m范围内以素填土、杂填土为主；2.7m13.9m以粉质黏土为主，局部夹粉土、粉砂；13.9m28m以粉砂层为主；28m31.5m以细砂层为主；31.5m54.1m以中粗砂为主；54.1m62m以细砂层为主，局部夹杂粉质黏土；62m66.5m以卵石层为主；66.5m100m以粉质黏
8、土为主，局部夹杂强风化泥质粉砂岩、泥质粉砂岩；100m120m以石英砂岩为主，局部地层覆盖中风化泥质粉砂岩、中风化碳质页岩、强风化泥质粉砂岩、灰岩等。图2.1.1 武汉江汉六桥主桥正面图3 多机成孔工艺确定主桥3#、4#墩基础采用筑岛施工，枯水期结束前施工必须完成，桩基工期要求75天，施工工期紧，桩基直径大，成孔深度深，穿越土层复杂，嵌岩深度大、且岩石轴心抗压强度高达100MPa，成桩质量要求高，成孔难度大。结合桥位处地质条件，覆盖层钻进施工选用旋挖钻施工，其具有施工工效快，自动化程度高，可自动检测钻孔深度及垂直度的特点。考虑到旋挖钻受功率及钻杆的限制，在深度超过90m的岩层上钻进施工，其成孔
9、效率及成孔质量，特别是垂直度无法得到保证，因此岩层钻进施工不考虑旋挖钻。常规的岩层成孔可采用冲击钻反循环、气举反循环回转钻机、泵吸反循环回转钻机这三种工艺，我们对这三种工艺在岩层中施工功效进行比较分析，具体见表3-1所示：表3-1 三种钻机在岩层中施工工艺对比分析序号工艺工艺分析比较1冲击反循环（1）工艺设备简单，操作方便，成本投入少，但岩层进尺难度大，平均进尺在0.1m/d0.2m/d，成孔周期长，耗电量大、钢丝绳磨损大。（2）冲击反循环行程无法达到施工要求，成孔深度无法满足要求。2泵吸反循环回转钻机（1）管路容易漏气、钻头钻杆容易堵塞，冬季施工真空管路容易冻结、真空表接头堵塞或真空表易损坏
10、等，影响施工。（2）泵吸反循环在孔深超过80m后，效率大幅降低。（3）在岩层平均进尺0.3m/d0.5m/d，进尺效率不高，工期压力大。3气举反循环回转钻机（1）钻杆内水流上升速度与钻杆内外液柱压力差有关，只需相应地增加和供气压力就可保持理想的上升速度。（2）气举反循环在孔深超过50m后，钻进效率高而稳定。（3）在岩层中平均进尺在1m/d1.2m/d，可满足工期要求。通过以上分析，若成孔采用气举反循环进行施工，那么在覆盖层钻进施工工期较长，若采用旋挖钻施工，那么成孔深度超过90m后效率低，且旋挖钻在岩层中成孔难度较大，功效较低，垂直度无法保证。因此本工程结合两种工艺的优势，桩基采用大功率旋挖钻
11、+气举反循环“接力钻进”工艺。图4-1 多机成孔工艺施工流程4 多机成孔工艺施工流程采用旋挖钻+气举反循环回转钻多机成孔工艺，即先采用旋挖钻施工覆盖层，旋挖钻施工至接近岩层处时，换机为气举反循环钻机继续施工，直至达到设计孔底标高。其施工流程如图4-1所示。5 多机成孔工艺关键技术5.1 多机成孔工艺泥浆配置本工程对泥浆指标主要依据公路桥涵施工技术规范规范（JTJ041-2000）中提到的泥浆性能指标选择进行取值。结合旋挖钻施工泥浆属于静态泥浆护壁及减少泥浆配置次数，泥浆配置以气举反循环回转钻机施工为主，参考规范（JTJ041-2000）中对反循环施工泥浆性能指标，本工程桩基施工泥浆性能如下表所
12、示。泥浆原材料组成：自来水、膨润土（钙质）、碳酸钠。泥浆配合比由试验室配置，通过试验室的试验结果，本工程桩基泥浆膨润土掺入量为水的11%12%，碳酸钠掺入量为膨润土的10%40%，能够满足施工要求。表5.1-1 江汉六桥主墩桩基采用多机成孔工艺泥浆性能一览表钻孔方法比重含砂率（%）粘度（Pas）胶体率（%）失水率（ml/30min）泥皮厚(mm/30min)PH旋挖钻+气举反循环回转钻机1.081.1541825952038105.2 多机成孔工艺二次对中问题根据公路桥涵施工技术规范（JTG/T F50-2011）对钻孔灌注桩成孔质量标准的规定：孔的中心位置偏差不大于10cm，倾斜度1%。在实
13、际施工操作时，钻头中心与桩孔中心的偏差一般控制在5cm内。采用多机成孔工艺对钻孔中心存在二次定位，必然会引起二次偏差。覆盖层90m深度采用旋挖钻，偏差按1%考虑，则旋挖钻成孔到90m深度后，孔底平面中心与原桩中心偏差。换用气举反循环回转钻机继续钻进时，须重新对孔位对中。因气举反循环回转钻机对中还不能实现如旋挖钻自动调节钻杆垂直度、锁定孔中位置。在实际施工操作中，考虑钻头制作偏差、钻头磨损偏差、人为因素、钻机平整度、钻杆垂直度等，钻杆与桩孔重新对位时误差在5cm左右，若按此施工，最终成孔后孔底中心位置与桩中心的偏差为。 图5.2-1 未采取任何措施前的二次对中前后孔中心偏差在上述计算中因旋挖钻可
14、实现自动对中，所以并未计入其误差，若按此施工最终成孔垂直度仍不能满足规范要求，大于规范规定1%的要求。根据上述分析，须采取相应措施予以解决，具体如下：（1）因旋挖钻的对中可实现自动化控制，因此在施工时严格要求旋挖钻机操作人员作业时务必确保钻杆垂直度与对中，在地层变化处须减压、慢速钻进，保证孔壁的垂直度在1/200内，在换机操作时孔底中心偏差与桩中心偏差控制在45cm内；（2）在进行钻孔施工前，对施工场地进行平整夯实，并做适当的加固处理，以保证旋挖钻施工完毕后，气举反循环钻机的钻机机平整度确保在1%内，以减小因钻机底座不平造成钻孔中心偏位及孔倾斜过大问题。（3）采取以下两种措施以保证二次对中钻头
15、中心与桩中心的偏差控制在2cm内：旋挖钻进施工前，在场地平整过后，对控制点和水准点的精度进行复核，桩位放样时必须使用在木桩打钉的方式进行确认，以此保证放样的精确。桩位确定后应立即采用水泥砂浆对其进行保护，使得二次对中时直接利用首次放样桩位，避免人为误差。在气举反循环回转钻机底座上进行放样，调整钻机位置，使钻头对准桩中心，并准确调平，使钻锥起吊滑轮缘、钻锥中心和桩孔三者中心在同一垂线上，以保证钻头中心与首次钻进的桩中心的偏差控制在2cm内。（4）气举反循环回转钻机在岩层中施工作业时，利用滚刀钻头大气量、低压慢转钻进，适当控制钻压及钻具转速，控制进尺速度，确保成孔垂直度，使得垂直度控制在1/200内。图5.2-2 桩位偏差曲线表5.3 钻机交接施工段的确定钻机交接施工段的确定是采用“多机成孔工艺”施工的关键控制点。施工时若采用旋挖钻钻到到岩层，因岩层分布并不均匀，采用气举反循环回转钻机直接施工，会产生孔斜的施工隐患。因此为避免此类施工事故的发生，我们结合TR400旋挖钻成孔深度等特点，旋挖钻钻至90m深的覆盖层后，距离岩层以上10m改用气举反循环回转钻机施工，保持减压钻进，利用10m深的覆盖层作为回转钻机钻头的导向及纠偏措施，使得钻头平稳的从覆盖层进入至岩层，保证两种钻机“接力钻进”之间过渡平顺，确保孔壁的垂直度能够满
