近海河口环境大直径、超深钻孔桩施工技术

刘传志

摘要：文章以福建琅岐闽江大桥4#墩钻孔桩施工为例，从钻机选型、钻进参数控制、泥浆性能控制、钻孔垂直度控制等方面介绍了近海河口环境大直径、超深钻孔桩结构的施工特点，为类似工程提供可借鉴的经验。

关键词：钻孔桩；钻进参数；泥浆性能；垂直度

中图分类号：TU753 文献标识码：A文章编号：1009-2374（2012）01-0093-04

一、概述

琅岐闽江大桥4#主墩32根φ2.8m钻孔桩工程，从2011年4月19日开工至9月24日顺利完成，历时5月余。施工期间，克服了大潮汐、复杂地质、海水拌浆和强台风等困难，施工工序复杂，在桥梁建设的近海环境大直径、超深钻孔桩结构中具有较强的代表性，本文通过介绍4#墩钻孔桩的施工方案选型及主要控制措施，叙述近海环境大直径、超深钻孔桩结构的

施工。

二、工程概况

4#墩为主塔墩，基础结构为整体式基础，采用32根φ2.8m钻孔桩，桩基呈行列式布置，纵桥向布置4排，横桥向布置8列，顺桥向桩距8.0m，横桥向桩距6.0m，桩基础按柱桩设计。钻孔桩桩顶标高为+0.0m，桩底标高根据地质情况不同各孔位并不相同，最大设计桩长103.5m，4#墩结构示意见图1：

4#墩岩面标高-57～-60.7m，主要为花岗岩局部穿插辉绿岩岩脉。强风化层厚11.4～37.2m，上部为砂砾状，下部为碎块状，以砂砾状为主，其层厚为6.1～37.2m；碎块状层厚分布不均且变化较大，局部缺失，最大厚度可达19.1m；中风化层面标高-69.3～-97.8m，分布均，厚度变化大，局部钻探孔位缺失，最大中风化层厚为14.8m。微风化岩面起伏较大，标高-70.7～-101.5m，整体上微风化岩面由下游向上游逐渐抬升。

根据设计图纸资料统计，桥位处：平均高潮位：+4.828m；平均低潮位：+0.728m；最低潮位：-0.622m；最大潮差：6.48m；平均潮差：4.09m。

三、施工特点及难点

（一）施工特点及难点

1．钻孔桩数量多、深度深、孔径大。琅岐闽江大桥4#墩共有32根φ2.8m钻孔桩，最大设计桩长103.5m，至钻孔平台深度达到110m。

旋转钻钻杆长细比变大，刚度变柔，动力头传递到钻头上的扭矩损失大，有效扭矩变小；钻杆易摆动变形，容易因弯扭组合作用而导致钻杆疲劳断裂。

2．地质条件差。基岩面倾角大，同一根桩断面内半边硬半边软，基岩单轴抗压极限强度最高达到128MPa，孤石多，软硬夹层多，中风化夹层厚。旋转钻钻孔易形成斜孔与S形弯孔；旋转钻钻杆摆动大，弯扭组合引起钻杆疲劳断裂。

3．近海河口受河流水流与潮汐相互影响水文环境复杂。琅岐闽江大桥桥址河段受径流与潮汐两方面的共同影响，汛期上游洪水径流来量的大小，对桥址的流量、流速、水位影响显著，非汛期以潮汐特征水流现象出现。

根据设计图纸资料统计，桥位处：最大潮差：6.48m；平均潮差：4.09 m；最大流速达到2.93m/s。

桥址河段水流流速大，河床冲刷严重，根据实际观测，在钻孔期间最大河床冲刷深度达到3～5m。

4．近海河口位置海水制浆，泥浆性能差。由于桥址位置淡水资源紧缺，需用桥址河段河水造浆，桥址位置受潮汐影响，此段水体为上游来水和海水的混合，用此类水体制出的泥浆粘度小，胶体率低，泥浆护壁质量差，易沉淀。

泥浆护壁质量差，钻孔过程中容易产生塌孔埋钻；灌注桩身混凝土过程中易塌孔断桩。

泥浆稳定性差，泥浆中的固、液两相容易分离，钻渣沉淀太快，清孔困难，稍有不慎极易引起沉碴厚度超标。灌桩过程中混凝土上翻包裹沉渣易形成软弱夹层而断桩

（二）研究的关键技术问题

针对本桥主塔钻孔桩的施工特点和技术难点，施工技术重点研究以下四个方面：

1．如何确保大孔径、深度深钻孔桩成孔质量、进度。

2．如何确保成孔的垂直度（不弯孔、斜孔）。如何避免因弯孔、斜孔而引起卡钻、别钻、扭断钻杆等事故。

3．如何在近海河口受河流水流与潮汐相互影响复杂水文环境，确保成孔安全。

4．如何确保钻孔泥浆性能，提高泥浆护壁质量，保证成孔和混凝土灌注质量。

四、主要施工方案

（一）成孔设备及配合机械选型

1．成孔设备选型。琅岐闽江大桥4#墩钻孔桩直径大，深度深，选用KTY-4000型旋转钻成孔。

该钻机可满足Φ2.8m钻孔桩施工，最大钻孔深度可达130m。该钻机底盘较重，钻孔稳定。该型号的钻机为国内比较先进的钻机，可实现电控或液控恒压自动给进，无级变速，密封性能好，能保证成孔质量，并能大幅减轻工人的劳动强度，提高工效。

2．配重、稳定器的设置。因4#墩孔深、岩硬、地层多、倾角大，如配重过轻则钻进效率低、成孔的垂直度不易控制，所以决定增设配重，总配重达到60t，另加钻头、稳定器、风包等钻具总重约为90t，另在钻头稳定器外再增设一个钻杆稳定器，以确保孔的垂直度。

（二）钻进施工控制

1．出护筒前清水钻进。钻具下放到位后通过钻杆中心管将孔内海水置换为底潮位时河水。由于护筒的保护作用，在护筒内采用清水钻进。

2．孔内拌浆。护筒底口标高在-25米左右，为保证出护筒后安全护壁，在-22米处开始孔内拌浆，待泥浆性能满足规范要求后再进行钻进。

3．出护筒底口钻进控制及出护筒后水头控制。钻头边刀出护筒底口时将转速降低，减小钻压，平稳钻进，观察是否有刮擦护筒现象。当边刀、钻头护圈依次安全出护筒后，谨慎缓慢提进护筒内，进出自如后方可继续钻进。

根据2011年闽江潮汐表中的数据，动态控制护筒内泥浆面的高度，时刻保持高于江面水位2～4m。

4．淤泥以及粉质粘土层钻进。淤泥和粉质粘土质软，钻进容易，但是极易糊钻或裹钻。故此层钻进过程中需对于泥浆的和钻压的严格控制。经过试验和调节，钻进参数：钻压20～25t，转速到 7～9r/min，每小时进尺能达到0.5～0.7m/h，出渣效果良好，均为小块状泥团，后期提钻观察无糊钻或裹钻情况出现。

5．卵石土层钻进。各孔在标高-55～-61m之间出现卵石土层。因卵石层间隙大不易护壁，宜将泥浆调浓。卵石土中，经实践得到钻进参数为：钻压20t，转速5r/min，进尺能达到0.3～0.4m/h左右，且孔型良好。

6．强风化花岗岩钻进。各孔在-60m左右开始进入强风化花岗岩，强风化花岗岩呈散粒状夹泥质，岩质软。入岩初期继续采用卵石土层钻进参数，进尺在0.25～0.3m/h左右，钻进平稳，同时加大垂直度监测力度，效果较为理想。在进入强风化岩4m以后，即钻头稳定器已完全进入强风化层，开始调节钻进压力以便取得最佳进尺效果，经实践钻进参数调整为：钻压45～50t，转速7～9r/min，进尺可达到0.6～0.7m/h，且能保持良好孔型。

7．中风化花岗岩钻进。该层强度相对于强风化岩质坚硬，钻进困难，钻机晃动大，易憋钻。调节钻进参数到钻压55～60t，转速4～5r/min，进尺可达0.08～0.12m/h，同时坚持每节钻杆的垂直度测量与扫孔达到标准后再接下节钻杆钻进，确保成孔垂直度。

8．微风化花岗岩钻进。微风化花岗岩层强度明显高于中风化花岗岩，更换球齿钻头钻进，通过实验和调节，球齿钻头相对楔齿钻头有明显优势。当钻进参数调节为：钻压65～70t，转速3～4r/min，每小时进尺0.05～0.08m左右。

（三）钻孔泥浆控制

1．泥浆配合比确定。由于琅岐桥地处闽江入海口，受潮汐影响大，涨潮时海水倒灌进入闽江中。海水中的大量盐分和矿物质对泥浆性能会造成极大破坏，威胁成孔安全。

经过技术人员反复试验证明直接利用涨潮海水拌浆不可取，只有当闽江水位降至+2米以下之后的底潮江水才符合拌浆要求。以湖南膨润土为原料，用闽江底潮水试验得到最佳配合比为：水1000︰土100︰纯碱3︰聚丙烯酰胺0.015。静置12h后泥浆性能参数为：比重1.06，粘度18s，pH11，胶体率100%，此泥浆能够满足本工程地质钻孔施工的要求。

2．拌浆水储备。充分利用现场未开钻的护筒，将护筒内原有海水抽干，待到江水落潮到+2米以下之后，再补入底潮闽江水，以备各孔钻进时补水制浆，而不破坏孔内泥浆性能。

3．出护筒泥浆控制。出护筒前，按照原始配合比拌浆，确保出护筒时孔内泥浆性能满足要求。

4．淤泥以及粉质粘土层泥浆控制。结合粉质粘土层造浆能力强以及容易糊钻的特点，泥浆粘度控制在17～17.5s之间，pH 8，比重1.08～1.15均可。泥浆通过补水和添加添加剂实现调节。

5．强风化花岗岩以及强风化辉绿岩层泥浆控制。强风化花岗岩和强风化辉绿岩，均为泥质结构，有一定造浆能力，特别是强风化花岗岩中含有大量砂砾，钻进时泥浆比重、粘度迅速上升。此时开启泥浆分离器进行清砂，同时向孔内注入底潮河水来补充因降砂而流失的水头，在降砂、降低比重的同时，还降低了粘度，能有效加快进尺效果，减少刀具磨损。

6．中风化层以及微风化岩层泥浆控制。中风化和微风化岩层孔壁密实，保持泥浆17～17.5s之间，pH8，比重1.08～1.15即可。

7．终孔和一次清孔泥浆调节。终孔前，开启泥浆分离器，分离出泥浆粉砂和细砂，同时投放纯碱以及聚丙烯酰胺调节，确保提钻时泥浆指标：比重：1.09～1.10，粘度≥17.8s，胶体率≥95%，含砂率≤0.05%。

（四）钻孔垂直度控制

1．地质分析。结合第一轮中个别孔出现斜孔，以及地层多、倾角大、交接处软硬不均、辉绿岩夹层岩体易碎等因素，针对地质报告以及各机钻进情况的统计研究，总结出琅岐大桥地质类型在钻孔施工中容易形成斜孔的地层：

（1）强风化岩层交接面。强风化岩面自身都有一定斜面倾角（一般为东南方向倾斜），极为容易由于进尺过快，形成偏斜，进一步导致斜孔。

（2）强风化与中风化交接岩面。中风化花岗岩强度相对强风化花岗岩明显增大，而且一般带有较大倾角斜面。此段入中风化岩面容易形成大角度斜孔。

（3）中风化与微风化交接岩面。中风化进微风化岩面从地质图上分析，岩面倾角很大，倾斜角度达到70°，且微风化花岗岩的强度相对于中风化花岗岩强度又大大增强，此段入微风化岩面容易形成大角度斜孔。

2．控制方法。充分利用钻头稳定器和钻杆稳定器，在进入如上各个交接层面时，及时调整钻进压力，采用进二退一方法钻进。

入强风化岩面钻压在20～30t之间，入中风化在30～35t之间，在进入各地层4米之后，即钻头稳定器进入下个岩面，再适当加压增加进尺速度。

在进入-50m到入微风化花岗岩之后的每一节钻完，提起整节钻杆用吊线法测量钻杆垂直度，然后空转扫孔观察扭矩表指针变化情况和钻杆晃动情况，如果钻杆晃动大以及扭矩指针跳动急促，则孔型有可能偏斜，将提升钻头到不晃的位置，轻压慢转，反复扫孔，直至基本无晃动和扭转变化值小于2个或以

下为止。

五、结语

琅岐闽江大桥4#墩钻孔桩具有近海河口环境、大直径、超深、大倾斜基岩地质条件等特点，使得施工非常困难。实践证明，在此类结构施工通过优化施工方案、加强施工过程控制等措施，确保整个施工过程安全顺利完成。

（责任编辑：赵秀娟）