跨海大桥大直径钻孔桩全回转钻机施工关键技术研究

赵多苍

（中国铁建大桥工程局集团有限公司 天津 300300）

1 引言

桥梁桩基础是传递和承担上部结构荷载的重要结构。按照国内桩基设计规范［1-3］，桩基承载力主要由桩侧阻力和桩端阻力两部分组成，并根据两部分阻力发挥作用的程度，分为摩擦桩和端承桩。港澳地区桩基设计规范与国内差异较大［4-7］：港澳地区桩基础设计较为保守，不考虑除持力层以外桩侧阻力。

不同设计理念及技术标准，造成了国内和港澳地区桩基础施工方法和工艺存在较大差别。国内桩基础施工一般采用液压锤或振动锤下放钢护筒至一定深度后，泥浆护壁，冲击锤或旋转钻成孔的施工方法［8］。港澳地区桩基承载力均由持力层承担，且环保要求高，桩基施工不采用泥浆护壁，采用全护筒跟进护壁的工艺。钢护筒沉放设备常用搓管机。本文依托澳氹四桥建设，将国内与港澳地区在桩基设计与施工中差异内容的关键技术进行介绍。

2 工程概况

澳氹第四条跨海大桥起自澳门填海A区东侧，与港珠澳大桥口岸人工岛连接，跨越外港航道、往内港航道，在澳门填海 E区登陆。主线全长约3.085 km，其中跨海段长约2.86 km，设置2个通航孔。

2.1 主桥结构形式

主桥为2联下承式连续钢桁梁桥，桥跨布置为（202.5＋280.0＋202.5）m，全长 1 370 m。主桥布置如图1所示。主桥采用钻孔桩承台基础，单箱双室墩身，钢桁＋钢箱＋挑臂形式钢梁。主墩基础钻孔桩直径2.8 m，12根，桩长60～98 m，桩距6 m，承台尺寸22.5 m×16.5 m×5.5 m；边墩直径2.8 m，9根，桩长57.5～84.5 m，桩距6 m。

图1 主桥桥跨布置（单位：m）

2.2 水文气象特征

施工海域属亚热带海洋性季风气候，高温多雨，台风频繁，多集中在每年6～10月份，季风不明显。现场水文观测表明：工程海域潮汐类型为非正规半日潮，最大潮差3.5 m。涨落潮流速较小。

2.3 地质特点

根据地质勘察结果：主桥范围内土层为全新统和晚更新统松散堆积层，岩层为燕山期中细粒花岗岩。各土层地质特征主要有：（1）覆盖层深厚，最深达90 m；（2）全强风化层深厚，主墩Z3～Z4墩位范围内全/强风化层在20～35 m；（3）岩石裂隙发育，且存在花岗岩球状风化和大孤石。

3 港澳地区钻孔桩设计标准与特点

全桥207根桥梁桩，全部采用港澳标准设计：桩基础容许承载力计算按照香港规范Code of Practice for Foundations 2017以及GEO Publication No.1/2006-Foundation and Construction。桩基础竖向抗压容许承载力由桩基础底部的端阻力以及嵌岩段桩身侧阻力提供。

与国内规范设计相比较，采用港澳地区标准设计的澳氹四桥，桩基础设计有如下特点：

（1）港澳标准桩基设计较为保守，不考虑土层侧阻力，桩基承载力均来自嵌岩段。

（2）桩基均需嵌入中风化岩层，钢护筒不承担桩基荷载，仅为施工辅助措施，但仍需跟进入中风化岩面30 cm左右。

（3）桩基底部与岩石界面不允许有沉渣，每根钻孔桩设置取芯管，需进行界面取芯检查。

（4）按香港标准，桥梁大直径桩基无需静载试验，但水下混凝土必须折减25%计算强度。即B45桩基混凝土，受力计算按B36取值计算，但强度验收仍按B45。混凝土强度折减是考虑混凝土水下施工质量无法保证。

（5）桩基主筋严禁任何形式焊接，主筋接长，主筋与箍筋，主筋与加强筋等连接优先采用U码搭接，机械接头极少应用。

（6）桩基础按受力特点，分受拉区和受压区。按不同分区设计配筋率、主筋直径及钢筋接长方式：桩顶钢筋密；桩基纵向主筋直径沿长度方向变径，异径连接；受压区钢筋搭接长度≥40D；受压区搭接长度≥65D，接头错开间距1.5×65D间距（D为主筋直径）。

（7）桩基钢筋配筋密度大，钢筋强度高，直径大，很多桩基采用2层主筋为A500材质，50 mm直径的钢筋笼。

（8）海上桩基钢筋笼最外层需设置不锈钢筋层，不锈钢钢丝绑扎，不锈钢接头接长。

4 施工关键技术

4.1 施工工艺选择

设计特殊、地质复杂、工期紧迫及业主与监理特殊要求，决定了澳氹四桥海上大直径钻孔桩施工工艺，既不同于国内施工，又异于港澳地区常规工艺。

港澳地区钻孔桩一般采用搓管机驱动下沉钢护筒，辅以履带吊冲抓取土的工艺。钻孔桩直径一般φ2.5 m以内，少量φ3.0 m，桩孔深度一般在70 m以内。钢护筒采用的工具护筒，在桩基施工完成后，可拔出周转使用。护筒壁厚一般在35～50 mm。

澳氹四桥钻基础设计采用永久钢护筒护壁。钻孔桩最大直径3 m，桩长最长92 m，最大孔深110 m。钢护筒要穿过近90 m厚的覆盖层及30 m强风化花岗岩层（有孤石），嵌入中风化岩层30 cm。

因此，澳氹四桥桩基施工关键问题和难题：

（1）选择可靠的钢护筒沉放设备，保证主桥2.8 m钢护筒能下放至中风化岩层；

（2）确定经济合理的确定钢护筒壁厚，既满足沉放受力需求，又成本可控。

在调研国内外全护筒跟进施工经验和开展理论研究分析的基础上［9］，澳氹四桥主桥大直径钻孔桩确定采用中联重科ZRT320H全回转钻机沉放钢护筒至岩面，冲抓斗取土，R.C.D反循环钻机钻岩，清水清孔的施工工艺。图2为全回转钻机施工图。该工艺采用施工设备包括有：150 t履带吊、全回转钻机、冲抓斗、R.C.D钻机、空压机、发电机、盛渣箱。

图2 海上大直径钻孔桩全回转钻机施工

ZRT320H全回转钻机动力强，扭矩大，其施工业绩显示，该设备可将工具护筒沉放至入土百米。

4.2 施工工艺流程

全回转钻机护筒跟进施工工艺流程见图3。

图3 施工工艺流程

与国内常用的海上大直径钻孔桩工艺相比，澳氹四桥钻孔桩施工工艺主要在钢护筒沉放设备、方法及清孔工艺有所不同。相同部分不再介绍，本文重点介绍不同工艺的关键技术。

4.3 钢护筒沉放设备施工原理

4.3.1 全回转钻机原理

全回转钻机又称贝诺特钻机，是一种可以驱动护筒做360°回转、跟进的施工设备。全回转钻机的工作装置由冲抓斗和全回转装置两部分组成。全回转装置钻机采用楔型夹紧机构将回转钻机的回转支承环与护筒固定，楔型夹紧机构与护筒的咬合与松开由夹紧油缸控制，当夹紧油缸向上提升时，楔型块跟着上升，夹紧机构松开；当夹紧油缸向下收缩，楔型块也随之下降，从而牢靠地将护筒和回转支承装置咬合。护筒回转由液压马达驱动，回转时，液压马达的动力由主动小齿轮经惰轮传递至回转支承外圈的环形齿轮带动回转支承在护筒周围回转，回转支承旋转产生的扭矩通过楔型夹紧装置传递到护筒上，带动护筒进行回转［10］。全回转钻机结构示意见图4。

图4 全回转钻机结构示意

4.3.2 全回转钻机选型计算

本桥钻孔桩施工中钢护筒的主要作用有：（1）保持孔壁稳定；（2）在沉放设备驱动下，切削岩土层，依靠护筒自重作用下沉。在全回转施工工艺中钢护筒受力状况与常规工艺完全不同。通过对钻孔设备原理的深入分析与研究，建立全回转钻机下放钢护筒的力学模型［11］，其受力分析如图5所示。

图5 全回转钻机下放护筒受力分析

全回转钻机施工时，钻机产生的扭矩主要是克服以下四部分阻力做功［12］：（1）钢护筒与侧壁土层的动摩擦力矩Tf1；（2）护筒底部刀头与土层之间的回转摩阻力矩 Tf2；（3）护筒转动惯性力矩 Tj；（4）护筒刀头切削力矩Tq。

其中，动摩擦力矩Tf1可按式（1）计算：

式中，D为护筒外径；qi为护筒外侧土层单位摩阻力系数；At为护筒与土层接触面积；Hi为土层深度。

回转摩阻力矩Tf2可按式（2）计算：

式中，μ为刀齿与土摩擦系数；Fn为护筒下压力。

转动惯性力矩Tj可按式（3）计算：

式中，J为钢护筒回转惯性矩；ε为角加速度。

刀头切削力矩Tq可按式（4）计算：

式中，b为刀头厚度；h为刀头切削深度；Kp为被动土压系数；C为土粘聚力。

因此，全回转钻机施工回转阻力矩T应为：

式中，S为预留安全系数，一般取1.2。

在不同地层，钻机设备的动力矩大于式（6）中阻力矩T时，全回转钻机即可满足施工需求［13］。根据桩基设计图纸和详勘地质资料，澳氹四桥Z3墩桩基入土深度最长，强风化岩层厚度最深，经计算Z3墩92 m钻孔桩护筒下放阻力矩约7 850 kN·m。ZRT320H全回转钻机最大回转力矩11 000 kN·m，可满足本桥钻孔桩护筒沉放施工要求。

4.4 钢护筒壁厚确定

港澳地区桩基施工钢护筒常用工具护筒，为临时护筒，可循环使用。护筒壁厚为：φ2.8 m桩径，壁厚≥40 mm。本桥钢护筒不参与结构受力，只是作为施工成孔措施，钢护筒壁厚每增加1 mm，全桥成本增加约400万，需要研究确定经济合理的钢护筒壁厚。

根据护筒受力机理，利用Midas有限元软件建立全回转钻机沉放钢护筒工艺的三维数值模型进行仿真模拟，依据圆柱壳静力和屈曲分析理论，研究不同设备加载型式和不同地质条件下的钢护筒应力、变形和稳定性，确定钢护筒理论壁厚、材质和结构形式，再借鉴以往工程经验，确定最终钢护筒壁厚。

经研究确定澳氹四桥钢护筒：φ2.8 m桩径，壁厚 28～30 mm，材质 Q345钢，最底节护筒1 m加厚至50～60 mm，并焊接一定数量的高强合金钢刀头。钢护筒结构示意见图6。

图6 护筒结构示意

4.5 全回转钻机扭矩传递与抵消装置设计

全回转钻机下放钢护筒时，钻机施加的扭矩需通过连接设置，传递给钻孔平台。全回转钻机动力扭矩较小或作业空间不足时，钻机和钻孔施工平台通过销轴和耳板连接，传递回转扭矩。但这种连接方式，因力臂较短，销轴和耳板承受较大的荷载，易变形或破坏，深长大直径钻孔桩施工不适宜采用。

本桥ZRT320H全回转钻机沉放2.8 m直径钢护筒最大扭矩11 000 kN·m。因此，设计一种新的消力结构：钻孔平台分配梁上设置限位装置，在全回转钻机工作时，依靠连接在底座上的反力叉，将主机的回转扭矩传递至分配梁和平台管桩。反力叉的大小可以根据空间尺寸做相应的加长，降低反力强度。本桥Z4墩钻孔平台各孔位反力叉限位架位置如图7所示，限位装置如图8所示。该限位装置与分配梁采用销栓连接，为可移动式，可根据钻机移动调整位置。

图7 主桥Z4墩平台各孔反力叉平面布置

图8 限位装置与反力叉连接示意

4.6 全回转钻机沉放钢护筒施工要点

（1）全护筒全回转钻机就位

根据设计坐标，在钻孔平台做好桩孔中心标记，采用履带吊或浮吊将全回转钻机起吊移动至桩位，要求全回转钻机主夹具抱管中心与孔位中心对应，实现钻机对中。

（2）护筒下放

全回旋钻机就位驱动钢护筒旋转切削钻进，第一节护筒底端带有加厚之切割头以切削坚硬土层。第一节护筒下放时，从X及Y两个轴线方向，利用测锤配合经纬仪（全站仪）检测护筒垂直度，第一节护筒下放到底后，续接第二节护筒。

（3）护筒下放速度与动力控制［14］

护筒在下放初期，利用护筒自重压入，禁止强行压放护筒。用自重压放护筒，回转速度设置为中等程度。在挖掘初期反复上下动作将使地基松动，对保持护筒垂直度和成桩质量不利。只有当自重进行压入速度变慢时，方可逐步增加压入力。

护筒沉放到一定深度后，当采用自重压入速度变慢时，调节液压动力站，液压会逐步上升，此时压入模式转为液压压放。压入值＝钻机部分自重＋护筒自重＋液压力＞周边摩阻力＋前端阻力。

（4）护筒垂直度控制

首节护筒的施工效果是影响桩基垂直度的主要因素。施工时在护筒四周选取两个相互垂直的方向，采用测锤配合经纬仪不断校核护筒的垂直度，发现偏斜现象立即处理，该检测工序需要贯穿整个成孔过程，同时在每一节护筒对接前，需要用直尺及线锤进行孔内垂直度检查，检测合格后并做好记录方可进行下节护筒对接。

纠偏措施：起始入土时（5 m左右），若出现轻微偏斜现象可通过升降全回转钻机四个支腿油缸调整护筒垂直度；入土深度过深时，通过调节全护筒全回转钻机支腿油缸已无法进行垂直度调整，此时应该进行管内回填，一边回填一边起拔护筒，将护筒起拔至上次检查垂直度合格位置，调整护筒垂直后，重新下压施工。一般护筒入土10 m以后，基本不会再发生护筒偏位问题。

（5）成孔

首节钢护筒一般取25 m左右，可利用自重穿过淤泥层弱土层。待护筒下放到一定深度后，利用冲抓斗取土，减小桩土摩阻。当护筒下放至桩顶在平台顶面以上3 m时，焊接下一节护筒，做好深度标志。为钻孔平台上吊装及焊接方便，除首节护筒外，其余钢护筒按12～15 m加工。

钻孔过程中，遇到对于球状风化岩石或软硬加层，为提高钻孔效率，采用冲击锤破碎后再用抓斗取土。护筒沉放至入中风化岩30 cm后，停止继续沉放护筒，采用R.C.D反循环钻机钻岩直至设计桩底。

（6）特殊地质护筒无法跟进处理

护筒跟进施工过程中遇到强度较高，裂缝发育的岩面，虽根据超前钻判断未入中风化岩，但实际发现护筒很难继续跟进的情况，应严禁调大钻机压力强行跟进护筒。应记录钻孔情况，收集岩样，会同监理和设计单位，分析地勘资料，重新核定护筒跟进深度。强行跟进宜导致护筒底部发生破坏。全护筒跟进工艺中发生破坏的护筒拔出极其困难。

（7）孤石处理

根据地勘资料揭露，本工程强风化中多层分布有孤石。孤石是护筒下放的一个难点。孤石一般以下三种方式会影响护筒的沉放问题，其对应的处理措施如下：①若孤石层相对稳定，全回转钻机直接切削下放钢护筒不受影响；②若孤石不稳定，易随着护筒转动而移动，出现这种问题时，使用冲抓斗掏出孤石；③若不具备或无法掏孔孤石时，则直接采取冲锤破碎孤石后继续下放钢护筒。

4.7 清水清孔

钻孔完成后进行清孔作业，采用清水气举反循环灌洗桩孔，所需设备为空气压缩机。清水清孔时：在导管内安插一根长约2/3孔深的镀锌管将空压机产生高压空气送入导管内2/3孔深处，与导管内清水混合，经充气后在导管内产生低压区，连续充气导管内外压差不断增大，当达到一定的压力差后，平衡打破，迫使清水在高压作用下从导管内向上返喷出，同时孔底岩渣被高速清水携带从导管上返喷出孔口，孔底沉渣经导管排入存渣船内。另一端持续向孔内注入清水，保证清孔过程中护筒内的水头为正水头。

清孔过程中在出水端收集水样以判断清孔是否干净。清孔合格标准为收集水样目测透明、无浑浊。

5 结束语

澳氹四桥是澳门重点工程，建成将是澳门的标志性建筑，特殊的区域位置及海洋环境，使得澳氹四桥设计标准及施工工艺，既与国内同类型的跨海桥梁存在较大差异，也与港澳地区以往桥梁建设存在不同。本文对澳氹四桥主桥大直径钻孔桩采用全回转钻机沉放护筒跟进至岩面，清水清孔施工工艺的特点及关键技术进行了总结。该成孔工艺具有成桩质量好、速度快，不需泥浆护壁，对周边环境影响小等特点，今后将是国内跨海桥梁钻孔桩基础施工应用发展的一种趋势与方向。