回旋钻机在沉井下沉取土施工中的应用

林月妙 薛温瑞

摘要：针对施工址位深层存在较厚硬塑性黏土的地质条件下，大型沉井开挖下沉困难的技术难题，将钻孔灌注桩施工中的回旋钻机引入到沉井不排水开挖下沉施工中，通过在瓯江北口大桥南锚碇沉井第三次下沉取土施工中的成功运用，为以后此类工程地质条件下的大型沉井施工提供了一种有效的施工手段与解决思路。

Abstract： Aiming at the technical difficulty of the excavation of large open caisson under the geological conditions of thick hard plastic clay in the deep layer of construction site， the drilling rig in the construction of bored pile is introduced into the undrained excavation construction of open caisson. Though the successful application of the third excavation construction of open caisson of southh anchorage of North Bridge of Oujiang， an effective construction method and solution idea are provided for the large open caisson construction under such engineering geological conditions.

关键词：硬塑性黏土;沉井;回旋钻机

Key words： hard plastic clay;open caisson;drilling rig

中图分类号：TV554;TV53                              文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）23-0158-02

1  工程背景

瓯江北口大桥位于温州瓯江口，是甬台温高速复线和温州市南金公路两大项目跨越瓯江口的控制性工程，桥跨布置为230+2×800+358m，主桥桥宽33m，是国内首座三塔四跨双层钢桁梁悬索桥。

南锚碇为重力式锚碇，基础采用沉井结构形式。沉井长宽高分别为70×63×67.5m，首节沉井为钢壳混凝土结构，其余节段为钢筋混凝土结构。沉井共设有30个10.84×10m隔舱，井壁厚2m，隔墙厚1.2m。根据地勘报告，下沉期间将穿越厚度为3.30～10.30m的硬塑性黏土层，其粘聚力强、透水性差，极限承载力可达500kPa，是该项目中沉井基础施工的最大难点。目前针对该类地质条件下的沉井下沉施工在国内尚属首次，缺乏有效的施工实践可供参考，依托在建的瓯江北口大桥南锚碇沉井基础工程对硬塑性黏土地质条件下的沉井下沉取土关键技术进行研究，具有重大的理论价值和实际意义。

2  沉井基础开挖下沉设备选择

针对硬塑性黏土力学特性，传统的空气吸泥辅助高压射水施工工艺已不再适用，考虑沉井施工作业环境，本项目采用绞吸机和回旋钻机两种施工方案。

2.1 绞吸机

绞吸机以潜水电机作为驱动装置，带动端部绞刀回转将土体切削破碎形成泥浆，再通过潜水挖泥泵将泥浆吸入排泥管内，潜水挖泥泵每小时流量可达400m3以上，适用于砂层、淤泥质黏土等地质。

限制该设备作业效率的主要问题在于设备可靠性，在瓯江北口大桥南锚碇沉井第二次下沉施工中曾采用该设备取土助沉，在水深15～20m的条件下，电机、减速机进水频繁。第三次下沉水深达40m，该设备密封性能已不能满足本项目要求。此外，绞吸机无法施加钻进压力，当切削具有一定强度的硬塑状黏土，破土效果不理想。

2.2 回旋钻机

回旋钻机是钻孔灌注桩的常用施工设备之一，可适用于硬塑性黏土及含有部分卵石、碎石的地层[3]。针对本项目中的硬塑性黏土，采用气举反回旋钻机钻进速度快、破土范围大、取土效率高，采用反循环钻机可直接将钻杆上端与沉井顶面排泥管相连，施工布置简单，具有较强的技术可行性，且成本较低。

但回旋钻机一般用于单点持续钻进，将其应用于沉井基础开挖下沉施工时，为实现隔舱内全覆盖取土，需对钻机进行频繁移位。此外，硬塑性黏土极易包覆钻头刀齿形成“糊钻”现象，导致钻头进尺困难，需对钻头结构进行相应的优化以避免“糊钻”现象的产生。

3  回旋钻机取土方案研究

根据方案分析，针对较厚硬塑性黏土层地质条件下的沉井下沉取土施工，回旋钻机具有较好的优越性。但需对回旋钻机进行相应的改造，以解决钻机移位和钻头糊钻等问题。同时，需結合沉井下沉取土施工特点，设计合理的施工工艺，增大回旋钻机有效作业时间，提高取土效率。

3.1 钻机移位方式

为实现回旋钻机的快速移位，设计“回旋钻机+移动平台”结构形式，利用自行走移动平台搭载回旋钻机移位。移动平台由下部行走机构、箱型梁、P43钢轨和钢轨端档等构件组成，可沿沉井顶面铺设的P50钢轨进行横桥向移位;移动平台的箱型梁上安装有P43钢轨，回旋钻机以其作为顺桥向的移位轨道，轨道两端设有端档限位。为减轻结构重量，同时缓解钻头钻进造成的机体振动，增加钻机的稳定性，回旋钻机底座使用槽钢代替轮式行走机构，并在接触面设置减阻四氟滑板，通过手拉葫芦克服摩擦力使设备沿平台横滑动。

3.2 钻头优化形式

根据回旋钻机在钻孔灌注桩施工中的工程实践，成孔过程中钻头“糊钻”现象的产生原因主要有地质条件、钻头结构、泥浆性能和钻头转速等，而对钻头结构进行合理的改造是解决糊钻问题的关键所在[4]。针对硬塑性黏土地层，结合沉井下沉取土施工特点，对钻头结构的主要优化内容包括：

3.2.1 剑尖改造

回旋钻头钻进过程中，其剑尖结构首先与泥面接触，可起到导向定位作用。本工程中所需穿越的硬塑性黏土层土质较硬，为减小剑尖旋转钻进过程中的摩擦阻力，提高钻进速度，需适当调整剑尖中心角，减小摩擦阻力的同时也保证其导向定位效果不受影响。在沉井取土工况中，钻机单次进尺距离较短，相较于钻孔灌注桩工况，对成孔的倾斜率要求较低，因此剑尖中心角可相对较小。经过调整试验，本工程中剑尖中心角为80°时钻头钻进效果最佳。

剑尖的长短还决定了钻头吸泥口与泥面的相对位置。尖部过短则排渣间隙小排泥受阻，过长则钻渣无法被迅速排出，两者均会导致黏土包覆剑尖堵塞吸泥口。经过多次优化设计，吸泥口与剑尖垂向间距为60cm时吸泥效果最佳。

3.2.2 刀齿改造

在进尺过程中时，主要通过翼板上的合金刀齿对土体进行切削破碎。本工程中所面对的硬塑性黏土地质具有塑性较强的特点，在刀齿研磨刮削的作用下极易附着在刀齿齿隙间，难以被水流冲刷，逐渐积累最终包覆刀齿。因此需要加大刀齿排列间距，增大齿隙间的泥浆流量以冲刷附着在齿隙间的黏土。经过不断改进，针对本工程中的硬塑性黏土地质，3翼钻头的最佳刀齿间距为12cm，4翼钻头的最佳刀齿间距为16cm。

3.2.3 导向圈改造

为解决沉井刃脚处取土，钻头需具备扩底功能。钻头扩底的实现方式有被动加压和主动加压两类。被动加压是通过增加钻压的方式使扩底翼逐渐张开，只能在钻孔底部进行扩孔，用于沉井刃脚取土时，需精确控制钻孔深度，否则存在扩孔翼打坏井壁的风险;主动加压则是通过液压油缸驱动扩底翼，可在任意位置进行扩孔，但钻头改造困难，油路安装不便。为减小钻头改进量、减小扩孔时对井壁的破坏，最终采用在钻头上集成钢丝绳柔性刷的改造方案，在钻头导向环外沿以钻杆为中心线环向均匀布置四根钢丝绳，达到扩大钻头扫掠范围的目的。（图1）

3.3 作业点位优化

为提高回旋钻机有效作业时间，提高沉井下沉速度，综合以下三点对回旋钻机的作业点位布置和单次进尺深度进行优化：

①钻头直径：钻头直径对应成孔直径，决定一个取土作业点位的基本覆盖范围。

②单次进尺深度：回旋钻机钻孔取土后，隔舱内的泥面将形成蜂窝煤状，孔壁土层缺乏有效支撑产生坍塌，从而加大成孔直径，进尺越多则坍塌越明显;但单次进尺过深则不宜于沉井泥面控制。

③设备功效：单舱内布置的作业点位越多，钻机的移位越频繁，钻杆安拆次数越多，导致非工作时间占比越大。

针对本工程中所选用的回旋钻机型号及地质条件，单舱取土3×3共计9个点位，单次进尺9m，综合取土功效最佳。

4  结语

瓯江北口大桥南锚碇沉井第三次下沉采用回旋钻机作为开挖取土设备在一个月内成功突破硬塑性黏土层。在穿越黏土层的过程中，平均取土速度1300方/天，日均下沉量15cm/天，有效解决了施工址位深层存在较厚硬塑性黏土时大型沉井基础取土困难的难题，为我国大型沉井基础施工积累了宝贵的经验。经过工程实践，用于沉井施工时，回旋钻机主要存在以下几点优势与不足：

①回旋钻机驱动机构位于沉井顶面，钻孔深度不受水深限制。

②通过钻头加压，回旋钻机可适用于沉井基础施工的任何地层，无需更换设备。

③由于钻杆安拆较为频繁，钻机的转点和转舱占总作业时间20%以上，是制约钻机取土效率的主要因素。

④采用钢丝绳柔性刷作为扩底手段效果有限，无法解决卵石层等地质下的刃脚取土问题。

参考文献：

[1]许溶丰，崔岚岭.绞吸机在大型沉井施工中的運用[J].建筑机械，2017（10）.

[2]肖伯强，李送根，胡义新，等.老黏土地层吸泥装置研究及应用[J].中国港湾建设，2017，37（9）：50-53.

[3]樊敬亮，付连红，颜春波，等.机械回旋钻机穿越硬可塑黏性土层的关键施工工艺研究[J].河南科学，2017，35（9）：1483-1486.

[4]杜磊，林文.适用于黏土地层的回旋钻钻头改造工艺[J].居舍，2017（31）.