深水裸岩旋挖钻清水桩基施工技术研究

庄艳伟，程永志，罗 勇

(中交二公局第三工程有限公司，陕西 西安 710016)

0 引 言

在大跨度桥梁的水中桥墩建设中，大直径钻孔灌注桩基础被广泛应用。除了合理地设计建设桩基施工平台，为水中桥墩钻孔桩基础施工提供前提条件，周祖清、丁峰 、苗国良、孙百锋等[1-4]通过工程实例对深水平台设计施工做了一系列研究。朱琪、刘爱林、金武、宋伟俊、于洪宾等[5-9]针对深水桩基清水法成孔做了一系列研究，在修建南京大胜关长江大桥、安庆长江铁路大桥时针对深水桩基采用了KTY-4000型和RC400型钻机气举反循环和KTY4000型液压动力头钻机清水法成孔。

国内目前针对在桥梁深水基础施工中应用旋挖钻清水成孔施工技术的相关研究较少，本文结合以上学者的研究成果，并查阅相关文献，以安岚高速汉江特大桥主墩施工为例，把主墩桩基成孔作为研究对象，通过方案比选，提出了旋挖钻和气举反循环方法，可为同类型桩基施工提供参考。

1 工程案例

汉江特大桥位于安康市建民镇与吉河镇之间的余家窑村和吉河坝村。该桥的上部结构为装配式预应力混凝土连续箱梁+波形钢腹板预应力混凝土连续刚构+装配式预应力混凝土连续箱梁。汉江特大桥主桥采用波形钢腹板预应力混凝土连续刚构，桥梁全宽为12.5 m，下部采用柱式桥墩、薄壁空心墩、柱式桥台及钻孔灌注桩基础。其中左3墩、左4墩、右3墩、右4墩均为水中基础，承台尺寸为9.6 m×17.1 m×4.0 m，每个承台下有8根直径为2.2 m的桩基，桩长分别为34 m和41 m。

2 施工特点

深水裸岩旋挖钻清水桩基施工工法主要将旋挖钻与气举反循环系统相结合，使传统的冲击钻施工方法变得更高效、更环保。配备系统的机械机具，通过技术创新、改进，达到降低生产成本、提高工作效率、保证安全、提升质量和缩短工期的目的。

3 施工流程

3.1 平台搭设

钢栈桥及施工平台专项施工方案通过专家论证后，采用钢管桩、贝雷片、型钢等搭设施工平台，要求施工平台安全可靠，留有充足的施工空间。

3.2 护筒安装

护筒安装是水中桩基施工的一个重要环节，安装质量的好坏对桩基施工质量、进度有着决定性的影响，安装时重点要控制护筒的平面位置、垂直度及密水性。

通过测量放样确定平面位置，平台及下方通过井字形限位器固定护筒，保证平面位置满足设计及规范要求。

垂直度通过垂线及激光竖直仪控制，护筒下放前先在空中静置一段时间，采用垂线法测量护筒垂直度，并通过激光竖直仪复测，确保护筒垂直度满足设计及规范要求后，在上下井字形限位器上焊接四角水平限位板，再下放护筒。

为了确保护筒的密水性满足施工要求，项目调查研究决定采用3种方法振设护筒。

(1)直接振设。护筒接长至设计长度，垂直度满足要求后振设入岩，至护筒轻微反弹即可；不宜长时间振设，防止护筒下口卷刃。振设后即可加水，水头能保持在水面以上2 m以上即可；若不能，则采用其他方法。

(2)扩孔复振。若水头不能保持，则采用直径为2.4 m、高1.0 m的钻头扩孔，扩孔至护筒底口下0.8 m处，若护筒自动跟进，即可继续扩孔，否则采用振动锤复振保持护筒跟进，再循环扩孔跟进；单次扩孔深度不超过0.8 m，以避免护筒自动下沉，卡住钻头。

(3)灌注混凝土。水头不能保持，也可直接灌注混凝土封堵，灌注混凝土分为3种情况：一是护筒内跟进后灌注混凝土，即在已振设、不能保持水头的护筒底口下1.5 m至护筒底口上1 m范围内灌注混凝土，灌注后等强3 d即可开孔钻进。钻进过程中先采用2.2 m锤头钻进至护筒底口下2 m处，观察水头是否保持，若能保持，即可正常钻进，否则需要继续采用其他方法处理护筒。二是护筒外灌注混凝土，即在护筒外做一个小型围堰，清理淤泥及卵石后即可灌注混凝土封水。三是先扩孔后安装护筒灌注混凝土，即在护筒安装前扩孔，在河床上开挖2.5 m深的基坑，将护筒吊放悬空30 cm，采用水下混凝土封底，确保护筒内混凝土高2.5 m，护筒外不高出封底混凝土面后释放护筒竖向约束，使其自由下落，等强后开挖，确保密水性能良好。

3.3 钻进成孔

为了保证施工进度及环保要求，项目采用旋挖钻清水桩基施工工艺，即不造浆，利用旋挖钻直接成孔。此工艺适用于护筒下无流沙层、无卵石层等复杂地质。钻孔前需要加工一个用于临时储存钻渣的渣箱，渣箱高度不能高于旋挖钻钻头的最大提升高度，一般不超过1.6 m。钻渣放置于渣箱内，利用挖机及拉渣车运至指定弃渣场，保证不污染水源。

汉江水域近20年洪水水位与常水位相差14 m，钢栈桥及平台面距离河床平均为24 m左右，桩长41 m，旋挖钻钻杆伸出较长，对成孔的垂直度、进尺速率均有影响。项目综合考虑岩石强度、岩石裂隙角度、岩石纹理等多个因素后，采用了先小钻后大钻、筒钻与齿钻相结合的方式钻进，根据实际地质情况选用合适的钻头，确保施工进度。同时安排专业测量工程师每天测量旋挖钻钻杆垂直度，旋挖钻技术人员检测钻机电脑数据，当垂直度发生偏差时采取如下措施纠偏。

(1)若小钻偏位，可采用大钻头纠偏，确保成孔垂直度满足设计及规范要求。

(2)若采取大钻头无法纠偏或垂直度超出设计及规范要求，及时灌注混凝土至垂直度合格区域，等强后继续钻进，确保施工质量。

3.4 气举反循环清孔

气举反循环是指利用空压机压缩空气，通过安装在导管上的风管送至导管内与循环液体混合，在导管内形成一种密度小于孔内浆液的浆气混合物，由于浆气混合物的密度小于浆液的密度，因此导管内会产生一个负压带，并在护筒内压力作用下使导管内的混合气液以较高的速度向上流动，从而将孔底或岩屑连续不断地排出护筒外，如图1所示。带上来的气、液、固三相混合物经软管流入储浆护筒内。清孔过程中应不断向护筒内加水，保持水头稳定，如此不断循环清孔。该方法具有清孔速度快、工效高、清孔质量好、泥浆排放量低、环境污染少等优点。

图1 气举反循环系统

成孔下放探孔器，经监理工程师检验合格后将钻机移至下一个桩位处作业，本桩静置约3～5 h，待悬浮的钻渣沉淀后采用旋挖钻清渣。使用气举反循环装置的清孔过程中必须时刻加水，保证水头不产生大的变化，严禁不加水直接清孔，防止内外水头差较大产生塌孔、负压带不足等情况。

3.5 钢筋笼安装

钢筋笼加工完成后，经监理工程师检测合格后运至现场，利用履带吊及大重量钢筋笼等设备下放钢筋笼，如图2所示。下放时必须检查钢筋笼的竖直度及直螺纹套筒连接安装质量，并留存工程隐蔽验收记录。

图2 钢筋笼安装系统

3.6 二次清孔

钢筋笼安装完成后测量孔底沉渣，不满足设计及规范要求时要采用气举反循环法进行二次清孔。

3.7 混凝土灌注

清孔完毕后先安装灌注架和初灌料斗，严格按照气密性试验的顺序安装导管，并提前联系前后场。做好准备工作，确保施工过程的沟通顺畅；由于本施工场地位于省道附近，车流量较大，项目安排专人配合交警维持交通秩序。为保障水中主墩桩基灌注的连续性及各类现场问题的处理效果，要求必须保证6台罐车连续供应，且要求灌注时间控制在白天，以免出现突发情况时不利于沟通协调。

在初灌料斗底部用卡板塞住料斗底口，初灌时采用吊车提起卡板即可。封孔装置由专人负责安放及拔出。

根据施工规范要求及施工经验，拆除导管由埋管深度和混凝土埋管时间决定，混凝土的埋管深度宜控制在2～6 m之间。拆除时应对导管进行记录，与下导管时的原记录复核，确保导管拆除无误；导管拆除后要及时清洗，以备下次使用。混凝土的实际灌注标高要高于设计标高0.5～1.0 m，以保证桩顶混凝土的密实度。在灌注将近结束时，应核对混凝土的灌入数量，确定所测混凝土的灌注标高是否正确。

在混凝土的灌注过程中，根据规范要求制作混凝土试块，并随时对混凝土的和易性、坍落度进行检测，确保混凝土的质量。

灌注过程中，由记录员做好灌注记录，同时应组织好人力、物力，确保连续灌注。为保证钢栈桥及施工平台的稳定性，要求不得出现2辆罐车同时停在栈桥上的情况，等待罐车须停在栈桥头便道上，待前面的车离开后方可行驶到灌注位置。

3.8 检桩

灌注完成后，待强度满足要求后及时检桩，合格后进入下一道工序。

4 材料与设备

桩基施工过程中采用的主要设备见表1。

5 效益分析

5.1 社会效益

5.1.1 水质保护

本施工工法采用的旋挖钻清水桩基施工技术解决了水中造浆污染水质问题，钻渣均运至批准的指定弃渣场，未对国家一级保护水源的汉江水域造成污染。桩基采用旋挖钻成孔，效率高，采用气举反循环法清孔，清渣效果好，清孔速度快。本施工工法使施工进度、桩基质量有很大的提升。

表1 主要设备

5.1.2 施工质量

本工法实现了机械化、智能化施工，有效控制了桩基施工质量，提高了生产效率，保护了当地环境。

5.1.3 环保分析

经过分析可知，旋挖钻施工比冲击钻施工少排放526.17 t二氧化碳，极大地保护了当地的生态环境。环保分析见表2。

表2 环保分析对比

5.2 经济效益

5.2.1 机械设备

采用清水桩基施工节省了造浆材料费。水中桩基共有32根直径为2.2 m的桩基，孔深为53 m(16根)、57 m(16根)，按照1.05的扩孔系数，需要造浆约7 021.3 m3；施工中按照1.5倍排浆量计算，排浆量约为10 531.95 m3；需要使用膨润土约631.92 t，单价550元·t-1；烧碱约31.6 t，单价2 200元·t-1。采用旋挖钻清水桩基施工后，不需购买上述材料，节省了41.7万元。增加2套气举反循环装备，租赁费为22.2万元。

5.2.2 施工工期

旋挖钻施工周期约55 d，冲击钻正常施工周期约70 d，每个平台进度超前15 d，间接节约成本70.8万元，见表3。

6 结 语

本文结合项目实例，通过前期搜索大量的相关资料，针对深水裸岩地质桩基施工，创新性地采用旋

表3 施工工期、费用分析

挖钻清水成孔气举反循环清孔的方式施工，该施工方法成功解决了深水裸岩与环保要求高共存的难题，不仅推动和提高了水中桩基的施工技术水平，而且费用大大缩减。下一步可以结合实际工程，针对不同地质、不同设计要求，更加系统地研究旋挖钻清水成孔以及气举反循环清孔。让旋挖钻型号、空压机选型更加经济合理，使其对应的开挖、清孔方式形成工法，为同类工程施工提供有价值的参考。