旋挖钻机在多瑙河水域砂性土成孔工艺研究

胡青��

摘要：为了解决多瑙河流域某桥梁基础工程中存在的工期、施工效率和成本问题，结合当地施工经验和地质条件创新性地制定了大长直径桩旋挖钻机的成孔工艺，确定了一套新的钻孔方法以及泥浆的性能参数，并进行了泥浆循环系统和钻渣处理系统的设计，来达到深水水域砂性土成孔目的。实践证明，泥浆护壁配合旋挖成孔成桩质量好，能够取得较好的经济效益和社会效益，此工艺成果可供在环保要求较高的深水水域桥梁工程施工技术人员参考。

关键词：大直径长桩；旋钻机；泥浆护壁；泥浆循环系统

中图分类号：U445.57 文献标志码：B

Abstract： According to the drilling operation platform of the foundation piles construction and the buried depth of the pile casing of the Zemun-Bolza Bridge in Danube water area， the drilling method and performance parameters of mud were designated. The mud recycling system and disposal system were designed， and the boring technology of piles on sandy soil in deep water area was introduced. The fine quality of piles with the combination of mud dado and rotary drilling rigs makes good economic and social benefits. This technology can serve as reference for technical staff in the case of deep-water bridge project with high environment requirements.

Key words： large-diameter long pile； rotary drilling rig； mud dado； mud recycling system

0 引 言

旋挖钻机是一种适合在建筑基础工程中进行成孔作业的施工机械。尤其在硬土地层中，由于传统钻机的自重有限，不可能给钻头施加更大的进给压力，而旋挖钻机由于采用动力头装置，动力头的给进力加上钻杆的重量，可保证其具有较强的钻进能力，因此旋挖钻机具有广泛的适应性[1]。旋挖钻机的工作原理是用短螺旋钻头或旋挖斗，通过强大的扭矩对土或砂砾等钻渣进行旋转挖掘，然后快速将钻渣提出孔外，在不需要泥浆支护的情况下，实现干法施工；即使在特殊地层施工需要泥浆护壁时，泥浆也只起支护作用，钻削中的泥浆含量相当低。这种施工工艺大大减少了污染源，改善了施工环境，进而降低了施工成本，且成孔效率高[2]。

1 工程概况

泽蒙—博尔察大桥修建在塞尔维亚多瑙河上，桥梁全长1 481.8 m，采用预应力混凝土变截面连续梁技术，双向四车道高速公路标准，设计行车速度为80 km·h-1，桥梁宽度为29.38 m，其中主跨为95 m+172 m+95 m的预应力混凝土连续箱梁。

大桥所在地的地质状况复杂，施工条件差，环保要求高，且该区域无任何船机设备，加上该处冬季河面会结冰。使用当地传统施工工艺无论工期还是成本均不能满足本项目施工需要。在多次试验研究的基础上，施工方决定采用旋挖钻机完成大直径长桩施工。

2 施工工艺选择

在多瑙河流域，传统钻孔桩施工采用全护筒施工，一般由船舶运送钻机到桩位处进行钻孔施工，成孔后再用船舶将钢筋笼及混凝土运送至孔位进行灌注桩施工，整个钻孔桩施工无需搭设平台，钻渣直接存放至驳船上随后运送至指定位置处理。由于采用全护筒施工，钻孔作业可以间断进行，不存在塌孔、缩颈等问题。但该工艺的船机使用量大、功效低，而且全护筒钻机成本高。项目部根据国内外旋挖钻施工的成功应用，结合桥址处地质情况及项目特点进行科技攻关，制定了适合本项目的施工工艺：采用“钓鱼法”搭设施工栈桥和钻孔平台，施工设备、材料均可通过栈桥到达现场，解决无船机设备，尤其是无水上起重设备的困扰；合理设计钻孔平台，通过履带吊完成护筒沉放及钻孔桩作业；完善钻孔泥浆循环系统，节约成本的同时，满足环境保护要求。

3 施工工艺控制

3.1 钻孔平台设计

由于笔者所在公司在当地没有自有船舶，并考虑到多瑙河有洪水期和冰冻期，因此采用搭设水上钢栈桥和工作平台的方法进行钻孔作业。钻孔平台设计为梁柱式结构，下部采用Φ720 mm钢管桩，面板采用方钢，安拆速度比较快。平台平面布置及大型机具施工区域划分见图1。

设计平台时还要充分考虑大型施工机具作业区域及孔位特点，合理布置桩基及梁系，以达到实用又经济的良好效果。依据履带吊工作状态及履带宽度，在主墩两侧设置4.5 m宽的支栈桥，作为履带吊作业区，可覆盖整个施工区域。2个支栈桥与主栈桥正交，交汇处设置转角梁系，以解决钻机、挖机、吊车和运输车交叉作业的空间问题。

根据桩基设计要求，选择ZR250B型旋挖钻机，其主要性能参数见表1。

3.2 护筒加工及沉放

3.3 钻进施工

大桥桥位处的岩土层由淤泥、粉质砂、粉砂、细砂、粉质粘土、泥灰质黏土和泥灰岩组成。桩基范围内的地层主要为表层淤泥、粉质砂、粉砂及细砂，密度从中密实到密实，易垮塌，钻进过程需要重视护壁措施，防止塌孔。

选用摩擦钻杆和双底板捞砂钻斗钻进。将钻筒中心对准设计桩位中心，先稳定钻头垂吊，然后匀速下放至作业面，开始旋转钻进。钻进按轻压慢钻的原则缓缓进行。钻渣通过进渣口进入钻筒，同时向孔内注入泥浆，根据屏显深度，待确定钻筒内钻渣填满后，反转后即可关闭进渣口。提升钻杆带动钻筒，同时继续向孔内注泥浆，确保孔内水头后，将钻筒提出孔外，提钻开始时要缓慢，提离孔底数米后，如未遇到阻力，方可加速至正常速度提升至井口，利用液压系统，将筒门打开，排除钻渣，如此反复，直至离设计标高剩余最后1钻，即30～50 cm深时，等待5～10 min，待残渣沉淀后开始最后1钻，将残渣一并带出。

3.4 泥浆配制及循环系统设计

项目部经过功效和成本分析，决定采用泥浆护壁配合旋挖钻机的工艺进行钻孔施工。项目部备选泥浆分别为国产奈普顿聚合物泥浆和斯洛文尼亚产复合膨润土泥浆。对2种泥浆性能及成本进行比较，其结果见表3。

结果显示2种泥浆均能满足施工要求。奈普顿聚合物泥浆拌制简单、出浆率高，但桥位处的地质成分主要为粉砂和细砂，该泥浆渗透性差，护壁时间短，容易造成塌孔。斯洛文尼亚复合膨润土泥浆为当地优质钻井泥浆，适应当地地质情况，护壁时间可达8～10 h，很少出现塌孔、缩颈等问题，最终选定斯洛文尼亚复合膨润土泥浆为本项目施工泥浆。

泽蒙大桥设计桩径相对较小，所以护筒内外露容积小，在这种条件下如果采用国内常规工艺在护筒内拌制、循环泥浆，不仅施工组织困难，而且泥浆拌制、调整后性能得不到保证，将影响成孔。根据本项目特点，项目部决定在平台上设置泥浆池，有效地解决了泥浆拌制和循环问题。泥浆在泥浆池内拌制、调整，合格后采用泥浆泵泵送入钻孔。灌注混凝土时，在护筒内悬挂泥浆泵泵送泥浆至泥浆池存放。在送浆和出浆过程中，按照设定水头差控制泥浆泵开关，实现泥浆无缝隙循环。泥浆循环示意图如图2所示。

泥浆回收至泥浆池后，静态放置使悬浮物沉淀，之后用挖机清除池底沉渣以降低泥浆含砂率。下次钻孔前根据泥浆实测结果，添加适量膨润土及时调整泥浆各项指标，达到施工要求。如此循环，每池泥浆可重复利用4～6次，大大节省了施工成本。

3.5 钻渣处理

塞尔维亚环保要求高，钻渣不能直接排放到多瑙河中，需要外运。通过方案比选，最终采用在平台设置存渣池，再由挖机转装到运渣车内，通过栈桥外运的方案。钻渣处理示意见图3。

4 结 语

本工程从功效和成本的角度出发，未采用当地传统全护筒进行钻孔施工，通过施工技术研究，成功将深水钻孔平台、泥浆护壁配合旋挖成孔应用到多瑙河流域，完成大桥水上138根钻孔桩施工。成孔成桩效果好，施工质量验收合格，取得了较好的经济效益和社会效益，可为中国企业在多瑙河流域的桥梁施工提供宝贵的施工经验。

参考文献：

[1] 董 涛，程建新，张志伟，等.大直径桩基旋挖钻海上施工工艺及质量控制[J].桥梁建设，2009（S）：39-42.

[2] 赵吉庆.考虑桩底沉渣的旋挖成孔灌注桩沉降特性研究及控制[D].重庆：重庆大学，2014.

[责任编辑：杜卫华]