砂卵层地质水中桩基长护筒配合旋挖钻施工技术

韩绍甫

摘  要：托坝黄河大桥由于桥位处纵坡大、冲刷严重，河床表面的卵石层无粘结力且易漏浆、塌孔严重;水中桩基施工泥浆护壁时，制造出的浆液均随流水从卵石缝隙中流出，难以护壁。结合实际情况采用长护筒配合旋挖钻施工，长护筒穿透卵石层进行护壁，解决了卵石层中施工的漏浆问题，旋挖钻确保了水中桩基的施工质量、安全和进度。

关键词：水中桩基  长护筒  旋挖钻  施工  技术

中图分类号：U445    文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）02（a）-0056-02

1  工程概况

托坝黄河大桥位于青海省循化县黄河黄丰水电站下游，桥位河床表面的卵石层透水性强，桥梁桩基础主要置于下面的泥岩层中。11#-15#墩位的水中桩基桩径为2m，桩长44～46m，采用搭设钢栈桥及施工平台进行组织施工。

2  水中桩基施工分析

2.1 施工方法确定

2.1.1 水文地质情况

大桥位于水电站下游3.1km处，受水电站影响，纵坡较大，水流湍急，冲刷严重，实测流速约6m/s。河床为卵石层、强风化泥岩、中风化泥岩和微风化泥岩，表层为3～5m厚卵石层，粒径为2～30cm，最大为50cm。

2.1.2 施工分析

常规方法插打钢护筒难以穿越表面的卵石层，采用泥浆护壁成孔施工时，卵石层内形成暗流，制造出的浆液均随流水从卵石缝隙中流出，塌孔严重，难以护壁。泥岩层整体性较好，强度高，采用冲击钻施工进尺慢，平均每天仅有150cm左右进尺，施工进度方面不能满足施工需求;且采用冲击钻施工需造浆，对脆弱的黄河水域生态环境是一个巨大的威胁。

2.1.3 解决措施

为保证施工质量、进度，减少对黄河水域的污染，决定采用长护筒配合旋挖钻进行水中桩基施工。

2.2 长护筒配合旋挖钻施工优点

在卵石层河床中长护筒配合旋挖钻施工工艺需要利用80T履带吊+DZ150振动锤插打钢护筒，然后再利用旋挖钻开挖，两工序配合重复施工。

（1）成孔速度快、扩孔率小。

旋挖钻机施工靠带有活门的斗齿旋挖钻头回转破碎岩土，并直接将其岩土装入钻斗之内，无需将岩土搅碎靠泥浆运出孔外，平均进尺可达4m/h左右。旋挖钻机机械化程度高、方便灵活、成孔速度快，正常情况下10h左右就可以成孔，施工效率比冲击钻机、潜水鉆等可提高10～20倍。

（2）施工精度高。

由于旋挖钻钻机为全液压驱动，电脑控制，能精确定位钻孔、自动校正钻孔垂直度和自动量测钻孔深度，最大限度地保证钻孔质量，进而工程的质量和进度得到了充分的保证。

（3）清水钻进工艺，无需造浆。

水中桩基地质为整体性较好的泥岩层，采用清水钻进工艺，无需泥浆护壁，因而施工现场整洁，对黄河水域实现零污染，并且节省了造浆和排污费用，降低了施工成本。

（4）清渣彻底。

在旋挖钻进过程中未采用泥浆护壁，孔底沉渣少，易于清孔，故成桩质量好;当旋挖钻回转钻进终孔后，停止进尺，用旋挖斗掏渣，保持孔内水位。在灌注水下混凝土前，用高压水吹底翻渣，进一步减少桩底沉碴厚度。

3  长护筒配合旋挖钻施工技术

3.1 工艺原理

本项目水中桩基的特殊地质需采用长护筒穿越河床表面的卵石层进行护壁，旋挖钻钻孔。中、微风化泥岩强度较高，旋挖钻配备加强型钻杆进行成孔，遇坚硬的泥岩层先采用直径为1m截齿筒式钻头钻进，再利用1.5m、2m双底双开门斗齿旋挖钻斗分别扩孔，钻头磨耗装置采用高强度钻头。

旋挖钻进成孔工艺：通过底部带有活门的桶式钻头回转破碎岩土，并直接将其装入钻头内，然后再由钻孔机提升装置和伸缩式钻杆将钻头提出孔外卸土，这样循环往复，不断地取土卸土，直至钻至设计深度。

3.2 长护筒施工

根据施工需要，采用壁厚20mm厚钢板卷制护筒。护筒直径比设计孔桩直径大40cm，每节高2m，在护筒上口和下口分别加焊一层10mm厚30cm宽钢板带予以加强，避免下沉过程遇到硬物而变形。在设计钢护筒时，综合考虑钢护筒的入土深度、外露高度及加固方式，确定每节长度，确保钢护筒在桥梁桩基施工过程中稳定性能满足施工的要求。精准放样后采用履带吊配合振动锤进行插打。

3.3 钻进、成孔及水下砼灌注施工

3.3.1 钻进施工

水中桩基采用旋挖钻施工的钻进过程同一般桩基采用旋挖钻施工，对于松散易坍塌的卵石地层，采用深入泥岩层的长护筒进行护壁。而对于粘结性、完整性较好的泥岩层，采用清水钻进工艺。施工过程中注意控制钻斗的升降速度保持在0.75～0.80m/s，钻进时每回次进尺控制在60cm左右，刚开始要放慢旋挖速度，并注意放斗要稳，提斗要慢，特别是在孔口段旋挖过程中要注意通过控制盘来监控垂直度，如有偏差及时进行纠正。进入到中风化、微风化泥岩层时，无法一次用等桩径钻头施工，先用1m直径钻头钻孔4～5m后，再用1.5m直径钻头扩孔，最后再用2m直径钻头成孔;然后再换成1m直径钻头继续施工;以此类推直至终孔。

3.3.2 清孔

钻进至设计孔深后，将钻斗留在原处机械旋转数圈，将孔底虚土尽量装入斗内，起钻后仍需对孔底虚土进行清理。一般用沉渣处理钻斗（带挡板的钻斗）来排出沉渣，由于采用旋挖钻非造浆成孔沉渣较少，一次清孔完全能够满足设计要求。

3.3.3 水下砼灌注施工

水下砼灌注施工同一般桩基施工，重点控制首批砼的灌注方量，灌注的桩顶标高比设计高出80cm。

4  长护筒配合旋挖钻施工效益分析

4.1 节能环保

（1）旋挖钻机由自带的柴油发动机输出动力来完成钻机的行走移动和钻进成孔工作，摆脱了常规回旋钻机、冲击钻机等对大功率电源的依赖，资源利用率较常规回旋鉆、冲击钻提高。旋挖钻机成孔速度较快，施工周期较短，有利用降低施工管理成本。

（2）旋挖钻机成孔不用单独造浆可利用钻头在慢速旋挖过程中自造的泥浆，泥浆数量较少，且泥浆比重较小与钻渣相比基本上是等量带换，并可循环利用。当地质条件较好时，旋挖钻机还可以采用干作业不需要泥浆护壁。

（3）长护筒穿越河床表面卵石层，深入强风化泥岩2m以上，避免了钢护筒内浆液受到外围河水急速冲刷而外漏，污染黄河水域。

4.2 效益分析

托坝黄河大桥水中桩基12-0#、12-1#分别采用冲击钻和旋挖钻施工，桩径都为2.0m、桩长45m。根据实际施工过程进行施工效益分析：

旋挖钻机施工：纯钻进成孔时间约12h，托坝黄河大桥水中桩基施工采用清水钻进工艺，不需造浆。旋挖钻机施工折算单价约319元/m，施工内容包括机械设备进场移运、钢护筒制作插打、钻进成孔、钻渣清理运输等。

冲击钻机施工：纯钻进成孔时间约720h，清空时间约48h，合计用时约768h。需造浆约300m3，泥浆循环池需制作50m3的铁皮盒2个。冲击钻机施工折算单价约2130元/m（包括用电），施工内容仅包括施工设备进场移运、钢护筒制作插打、造浆、冲击成孔、清孔、泥浆处理等，其他施工内容与旋挖钻相同。

由此可以看出，采用旋挖钻比冲击钻可以节约1811元/m，同时还可以相应减少安全防护和环境保护方面的成本和安全生产隐患。此工艺安全高效，工程质量可靠，缩短工期，降低成本，减小污染，取得了较好的经济效益。

5  结语

托坝黄河大桥水中桩基采用的长护筒配合旋挖钻成孔的施工工艺，在确保质量安全的前提下有效提升了施工进度，减少了对黄河水域的污染。市场经济的发展要求施工企业在注重施工质量的同时，应大力采用新技术、新工艺，尽量缩短施工周期，提高经济效益。

本工艺也具有一定的局限性，地质结构应为泥岩层等完整性较好地层，若采用冲击钻施工进度方面不能满足要求，适用于桩长不大于50m，桩径1.5～3m。若在易坍塌的地层中需进行泥浆护壁，在非流动水中施工可考虑钢护筒循环利用。

参考文献

[1] S202线循化县城北过境线一阶段施工图设计（A合同段）[Z].

[2] S202线循化县城北过境线A合同段招投标文件[Z].

[3] 公路桥涵施工技术规范（JTG TF50‐2011）[S].北京：人民交通出版社.