气举反循环钻机在高桩码头PHC桩斜桩嵌岩中的应用

◎ 赵伟健 中交第四航务工程局有限公司

PHC桩普遍应用于港口码头工程，随港口码头工程不断深入发展和PHC桩设计的多元化扩展，出现了越来越多的PHC桩桩芯嵌岩施工设计和施工。目前，PHC斜桩桩芯嵌岩施工中存在斜桩钻进导向困难、PHC内壁易受损、斜向嵌岩段施工易卡钻等问题，因此，如何解决上述问题，提高施工效率、施工质量和施工安全，成为当前PHC斜桩桩芯嵌岩施工亟待解决的难题。

1.工程概况

惠州港东马港区欧德油储公用石化码头扩建工程在现有一期码头的端部向外延伸299m，轴线方向与一期保持一致，扩建双侧靠船的2个5万吨级油品及化工品泊位突堤式高桩码头，离岸式布置。码头作业平台长240m，宽60m。码头主体结构选用打入式桩基础结构，入中风化岩段桩基采用灌注型嵌岩段，为充分提高打入桩的承载力，同时考虑到PHC桩打穿强风化岩层存在困难，桩基础采用Φ1200PHC桩（B型，壁厚150mm）+Φ940钢管桩（壁厚20mm，长3m）+6m灌注型嵌岩桩组成，3m钢管段主要是尽量延长打入段，充分利用打入桩较高的承载力，以减少灌注段长度。PHC桩共320根，其中斜桩128根，斜桩斜率为1:5，最大施工桩长为32.16m，持力层为强/中风化泥质砂岩。

2.施工工艺

2.1 项目特点

本项目施工建设的主要特点在于：①地质较为复杂，底部岩面高程较高且不均匀，岩面顶部存在卵石夹层；②在一期运营航道上扩建岩面覆盖层较薄，中风化岩层为泥质砂岩，岩石坚硬程度分类为软岩，承载力不高，但存在PHC桩沉桩贯入施工难度，采用常规工艺，工程桩作为作业钢平台基础承载力不高，无法满足大型嵌岩设备施工；③离岸施工，紧靠一期码头且在运营中，无法搭设临时施工作业引桥，材料设备全靠船运至施工位置，工期紧码头完工工期1年；④PHC桩斜桩底内引孔嵌岩施工案例少，PHC桩内壁质量保护、嵌岩芯柱轴线控制困难；⑤设计灌注段钢筋笼非全桩断面安装，只设于嵌岩部分及PHC管桩内衔接6m，斜桩混凝土下料导管下放至钢筋笼顶处时，导管底容易卡住主钢筋等问题。

2.2 施工工艺流程

图1 气举液压反循环钻机（KTY-2000A）

图2 钢平台标准断面图

本码头为二期扩建项目且为突堤式离岸式布置、PHC桩嵌岩桩均在海上施工，施工工艺的选定对项目施工工期、成本控制等起到了关键作用，其中嵌岩桩施工设备的选择尤为关键。水上嵌岩桩施工需要搭设施工平台，进行“水转陆”施工，可大幅提升施工效率，本工程PHC桩斜桩嵌岩工艺流程如下：

施工准备→设备选型→钢平台设计及搭设→钻机就位→钻机位置精调（同步泥浆制备）→钻进→入岩→终孔（嵌岩深度确认）→清孔→成孔检测→钢筋笼制作及安装→二次成孔检测→导管安装→二次清孔→浇筑水下混凝土。

2.3 设备选型

本项目施工条件复杂、施工工期紧、质量要求高对设备选型的要求也高。灌注桩施工的设备多种，如：冲击钻机、回旋钻机、气举反循环钻机等。冲击钻机虽然重量轻但功效慢，并且对斜桩进尺慢还需加钢内护筒护PHC桩内壁，质量不好控制；回旋钻机自重重，对平台承载力要求高；针对地质条件、钢平台承载、施工效率、施工质量以及施工成本等综合考虑，本项目采用气举反循环钻机（KTY-2000A），该型钻机为液压动力头钻机，钻机主要由动力头、滑移横梁、钻机结构（含底盘、钻架、封口盘等）、钻具、司机室、液压站、电气控制系统组成[1]。是港口码头、公路、桥梁及高层建筑等大型基础工程钻孔施工机械，可在孔径φ0.8～φ2.0m，岩石单轴抗压强度σc≤200MPa的基岩中任选孔径下钻进，钻进深度可达130m以上，在覆盖层中的钻孔直径可达3.0m，该设备分柴油机驱动的液压钻和电机驱动的液压钻，剪切不同地质土层（中风化岩、微风化岩），齿端采用合金钢头，依据本项目地质采用常规的“蘑菇型”合金牙轮。

2.4 钢平台设计

施工平台基于工程桩作为支撑开展结构设计，施工平台采用钢结构。工程桩为φ1200PHC桩（直桩和5:1斜桩）。根据使用荷载不同分为普通区和加强区。普通区设计荷载为反循环桩机和施工堆载；加强区设计荷载为55t履带吊和施工堆载。设计使用年限2年，结构安全等级三级，结构重要性系数为0.9[2]。

普通区：φ1200PHC增设牛腿作为施工平台的支撑，牛腿采用抱箍+倒挂结构。横梁采用工字钢63b，纵梁为321贝雷片，贝雷片之间通过支撑架等联系。分配梁采用工字钢20a，间距600mm，桥面板采用8mm钢板。

图3 PHC桩内引孔导向滑轮装置

图4 PHC桩混凝土下料导管装置

加强区与普通区的主要区别：一是横梁不同，加强区横梁为双拼工字钢63b（共4根），普通区横梁为单组工字钢63b（共2根）；纵梁贝雷架间距不同，加强区纵梁较密，加强区分配梁工20a间距300mm。各横梁处贝雷架加设竖杆。贝雷片材料为16锰钢（即Q345），其抗拉、抗压和抗弯强度设计值f=273N/mm2，其抗剪强度设计值fV=180N/mm2；其余钢材采用Q235钢材，其抗拉、抗压和抗弯强度设计值f=215N/mm2，其抗剪强度设计值fV=125N/mm2。

按照《水运工程钢结构设计规范》（JTS152-2012）对钢平台进行结构强度验算，构件强度满足规范要求。

2.5 钻具改进

在斜桩嵌岩施工过程中，钻头的自重将影响桩轴线偏差形成弯曲，对钻具的连接件造成损害，易发生连接杆螺栓断裂事故，故需在钻杆上加导正器，为保证桩轴线的偏差率，导正器必将在PHC桩内壁快速磨擦，对PHC桩成品质量保护难以保证。针对PHC桩内壁质量保护，避免钻杆直接与PHC桩内壁接触从而发生摩擦，又能使嵌岩孔的成孔轴线得到控制，本项目自主研发了一种嵌岩引孔定位导向装置，桩芯斜率和垂直度可准确控制，PHC桩斜桩嵌岩内壁质量保护有保障。

钻具改进采用特制导向滑轮（支架、轴承、滚动轴）组成，与桩接触滚轮材料采用高密度耐磨橡胶。在钻杆上设置的定位导向滚轮，根据钻进深度及钻杆长度，设置2～3道，最底部定位导向滚轮不出桩靴，钻杆在钻进过程中起到轴线控制作用，以保证钻进轴线和倾斜度，避免钻头下垂。

2.6 钻机就位钻孔嵌岩

利用履带吊协助钻机在施工平台上组装和就位。动力头通过吊耳悬挂于滑移横梁下，由两个油缸驱动，可实现45°旋转动作，以便于安装和拆卸钻杆。

钻架为门型结构，其与底盘间用2.5-φ100轴连接，在拆除钻架前方的两根轴后，由两个180/125-950油缸驱动，钻架可后仰0～30°。

底盘外形为矩形结构，四角安装活动支腿（必要时可拆除）与平台连接进行钻孔作业。钻机配两台手动50t千斤顶用于底盘调平。底盘可安装履带配置行走系统，用于自动行走，节省吊装设备。

钻机就位后，开始逐节安装钻杆，并利用可调节钻架和动力头对钻杆的角度和斜率进行调整，确保钻头中心线与桩位中心重合。

根据地质分层淤泥层、粘土层、细砂层、小块状卵石层可采用硬质合金刮刀制成的三翼钻头钻进，钻头直径875mm，转速15～20r/min，管外岩面采用全断面“蘑菇”型金钢牙轮，转速10～15r/min，钻进过程均要随时注意孔内的阻力不宜太大，或利用钻具自重钻进，减小立轴钻杆平衡杆对滑道的压力，随时观察压力表钻机、钻架的运行安全情况。

2.7 清孔验孔

气举反循环钻机工艺主要利用空压机的压缩空气，通过安装在导管内的风管送至孔底，高压气与泥浆混合，浆气混合物因比重小而上升，在导管内形成负压，孔底泥浆在负压作用下上升，并在气压动量的联合作用下，不断补浆，形成流速、流量极大的反循环，携带沉渣从导管内抽出，泥浆中所含细砂经过滤砂后流入泥浆池中[3]。新制泥浆或经滤砂合格的泥浆不断循环入孔内，形成反循环工艺，最终完成孔内的换浆清孔，在清孔过程中需及时向孔内补浆，保证孔内水位应高于地下水位2m以上。

2.8 钢筋笼吊装

图5 PHC桩斜桩嵌岩抽芯芯样

钢筋笼在加工场加工，然后通过工作船运输至施工现场，采用两点吊，第一吊点设在骨架的下部，第二吊点设在骨架长度的中点到上三分点之间，起吊时，先提第一吊点，使骨架稍提起，再与第二吊点同时起吊，待骨架离开工作船后，第一吊点停止起吊，继续提高第二吊点，随着第二吊点不断上升，慢慢放松第一吊点，直至骨架同船面垂直，停止起吊，解除第一吊点，检查骨架是否顺直，如有弯曲应调直，当骨架进入孔口后，应将其扶正后下降，严禁摆动碰撞孔壁[4]。

2.9 混凝土灌注

嵌岩桩需混凝土通过搅拌罐车运送到临时码头，再经过驳船运送到施工现场，通过泵送的方式浇筑混凝土。嵌岩桩混凝土管采用Φ300mm钢导管，钢导管顶端设置漏斗，导管每节长2～4m，采用拆管器连接，并用胶圈密封，使用前进行了水密等试验。因钢筋笼为非全桩断面安装，混凝土下料导管需微改造，利用钢板制作成翼板+圆钢焊接锥形导向装置，自主研发一种导向装置焊接在导管的底部，对导管安装过程起到引导作用，以便导管能顺利沿着钢筋笼内壁下放到指定的高度。砼第一斗量应足以将导管端部埋深大于2m，筑混凝土过程导管埋深以2～6m为宜，保证浇筑过程中混凝土的质量。混凝土浇筑应连续无中断，等混凝土面下落至储料斗底部时，随即向储料斗内继续加入混凝土，接着连续浇灌。

2.1 0嵌岩桩桩基检测

桩基施工完成后需进行桩身质量检测，采用超声波及抽芯对桩身质量检测，128根斜桩嵌岩桩成桩检测Ⅰ类桩127根，占比99%，Ⅱ类桩1根，桩基质量良好。

3.结论

气举反循环钻机在本项目PHC桩斜桩嵌岩中的成功应用以及在施工质量、施工效率、与安全环保等方面比较具有优势。可以得出这样的结论：

（1）施工质量有保证，成桩质量好。采用自主研发的PHC桩嵌岩引孔定位导向装置，桩芯斜率和垂直度可准确控制，PHC桩斜桩嵌岩内壁质量保护有保障，采用反循环清孔方式，清孔干净，桩底沉碴少。

（2）桩基成孔速度快、施工效率高。液压钻机配合气举反循环方式清孔，施工成孔速度快，在普通土层中成孔速度可达1m/h，强风化泥质砂岩中成孔速度可达0.7m/h，在中风化泥质砂岩中成孔速度可达0.6m/h。

（3）具有安全、环保方面的优势。液压反循环钻机具有结构小、自重轻，对工作平台的承载力要求较低；钻机具有独立操作室，可24小时施工，不受常规雨季天气影响，安全可靠，作业人员劳动强度低。钻机采购方便，导向装置定制方便，使用过程维护简单、能耗小、环境影响低。

（4）本项目桩基施工的成功，可为国内外同类型PHC斜桩桩芯嵌岩施工提供借鉴。