付连红 沈海姣 吴梦迪 雷青涛 赵美祥

（浙江易通特种基础工程股份有限公司，浙江 宁波 315000）

0 引言

超深大直径钻孔灌注桩的成孔工艺主要有2 种：RCD 工法、阿斯特利工法，2 种工法各有优、缺点，其中RCD 工法成孔垂直度好、泥浆护壁能力强、全断面入岩效率高，阿斯特利工法覆盖层，成孔进尺速度快、移动方便。如何将2 种工法有效组合，充分发挥各自优势，是进一步提升超深大直径钻孔灌注桩的成孔效率和成孔质量的技术途径之一。该文结合某大桥主墩桩基工程实例，在详细分析地质、环境等施工条件的基础上，对组合工法的可行性进行研究，取得了一定成果。

1 工程概况

1.1 设计特点

该桥主墩基桩设计桩径Ф2.8m，桩数52 根，桩间距7m，设计桩长92.0m，施工孔深104.5m，持力层为中风化砂岩，基桩分布见图1。

图1 基桩分布示意图

1.2 地质水文特点

该桥主墩处于长江北岸漫滩上，施工期间水深0.2m～0.5m。地面高程在3m～4m 覆盖层厚3m 左右，主要为粉质黏土夹粉土。

基岩为粉砂质泥岩和弱胶结含砾砂岩，岩面埋深在3m左右，高程0m 左右，岩体较完整，为极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

该河段水位受长江径流与潮汐双重影响，主要受长江径流控制，最大水位变幅7.81m，历年最高潮位8.31m，平均涨潮历时为3.9 h，落潮平均历时为8.5h。

1.3 施工条件

1.3.1 施工条件

桩基施工采用钢栈桥、钢平台，平台标高+8.5m，承载力5t/m2。

1.3.2 工期要求

原计划工期5 个月，采用ZJD4000/350 全液压回转钻机的RCD 工法，第一个月实现单机单台工效1.8 根/月，但因总进度计划调整，工期要求缩短至4 个月，须进行方案优化。

2 组合工法研究

根据地质条件和设计特点，结合现场工作面、用电量供应等实际情况，若按原定的RCD 工法去抢工期，还需要增加2 套设备，现场变压器增容1000kW，投入大，历时长，且不利现场组织管理。经研究决定，对RCD 与阿斯特利组合工法进行研究与应用，以达到减少投入、提高效率的目的。

2.1 RCD 工法、阿斯特利工法特点分析

2.1.1 RCD 工法

工艺优点：①孔底加压，全孔段减压钻进，垂直度好；②大扭矩、大提升力，动态泥浆护壁，地层适用范围广；③气举反循环排渣，钻进效率较快；⑤液压动力系统，钻进平稳，孔壁稳定。

工艺缺点：①用电量大；②机械化程度低，劳动强度大；③无自行走系统，移动性差。

2.1.2 阿斯特利工法

工艺优点：①自动化程度高，钻进效率高；②机械化程度高，劳动力强度低；③自带动力，移动灵活、方便。

工艺缺点：①孔口加压，垂直度稍差；②静态泥浆护壁，地层适用范围小；③自重大，对施工场地要求高；④短期投入大，价格高。

2.2 组合工法可行性分析

2.2.1 设备选择

对直径2.8m，深度达104.5m 的深长大直径钻孔灌注桩，根据国内现有设备性能和实际应用情况[1]，选择SWDM550与ZJD4000 进行组合。

2.2.2 平台承载力的分析

施工平台按液压钻机最大提升力200t 来设计，其标准承载力为5t/m2，极限承载力按10t/m2；若采用旋挖钻机，则须对其承载能力进行校核，结果满足要求，见表1。

表1 施工平台承载能力分析表

2.2.3 搭接最佳深度的分析

2.2.3.1 设备工效分析

根据2 种设备的性能和地质条件[2]，结合各自工法应用的以往经验[3]，对其工效进行分析，见表2。

表2 设备施工工效分析表

2.2.3.2 搭接深度与设备配置分析

总成孔深度按105m 计，根据2 种工法不同孔深的成孔历时来匹配设备数量，以达到流水施工目的，分析见表3。

表3 组合工法实施深度和设备数量匹配分析表

根据SWDM550 在已实施的东莞滨海湾大桥（φ2.5m，孔深55m，入中风化花岗岩10m～16m）、南玉铁路郁江特大桥（φ3.0m，孔深69m，入中风砂岩40m 左右）、虎门二桥（φ2.5m，孔深35m，入中风化泥质砂岩15m～20m）等施工情况，结合平台尺寸，最终确定搭接深度为旋挖钻机成孔60m，液压钻机成孔45m，设备配置数量为1︰5。

2.2.4 工法组合相关技术措施

工法组合相关技术措施如下：1）旋挖成孔工艺。采用二级成孔，一级孔径φ2.0m，二级孔径φ2.8m；2）泥浆性能指标控制标准。泥浆性能指标统一按易塌地层控制：比重1.1kg/cm3～1.15kg/cm3，黏度18s～22s，pH 值8～9，以确保护壁效果，同时实现2 种工法泥浆性能的统一。3）垂直度控制标准。为了防止成孔的不同心而导致错台、偏孔和扩孔，2 种工法的垂直度均按1/200 控制，同时严格控制钻具中心一致性，在工法搭接部位减压慢钻，待钻具全断面进入下卧基岩后，进入正常钻进阶段。

3 组合工法应用及成果

3.1 主要设备性能

3.1.1 旋挖钻机主要性能

选用的SWDM550 旋挖钻机，其最大输出扭矩达550kN·m，最大钻孔深度达135m，完全适用该项目施工，具体性能参数见表4。

表4 SWDM550 设备主要性能参数表

根据地质条件特点，考虑岩石为软岩，钻齿采用高强截齿，钻头采用截齿筒钻和截齿捞渣斗配合，即先用筒钻取出岩芯，再用捞渣斗配合捞渣，从而完成成孔钻进。同时为减少钻具在岩层钻进过程中外壁磨损，以及增大筒壁与孔壁间泥浆过流量，在钻具外侧布置耐磨条板，具体钻头形式如图2所示。

图2 截齿筒钻及截齿捞渣斗示意图

3.1.2 液压钻机主要性能

选用的ZJD4000/350 液压钻机，其最大输出扭矩达350kN·m，最大钻孔深度达150m，完全适用该项目施工，具体性能参数见表5。

表5 ZJD4000/350 设备性能参数表

根据地质和设计特点，液压钻机的钻具采用加强版的四翼刮刀钻头，翼板厚5cm，钻齿采用高强合金钻齿，齿间距11cm，钻头配重采用40t，与钻头拼接成一体，并在第二块配合上设置扶正挡圈，具体结构形式如图3 所示。

图3 刮刀钻头结构示意图

3.2 组合工法应用中遇到的问题及解决措施

3.2.1 问题一：孔斜

现象及原因：旋挖机施工至60m 左右时，经检测下部偏孔超标频现，影响整体垂直度。主要原因：①55m～60m 的砂岩层中存在硬度不均、交界面倾斜、破碎不一的地质；②旋挖机的钻速与钻压控制不当。

解决措施与效果：通过控制钻速与钻压[4]，垂直度偏差得到了改善，但工效与液压不匹配，根据桩检结果，调整接力深度为55m 左右，工效匹配，垂直度达标。

3.2.2 问题二：糊钻

现象及原因：液压钻机在施工至80m 左右时，频现钻具糊钻。主要原因：①地层中存在泥岩；②钻具结构布齿过密，出刃过小，进水口排渣不畅；③液压钻机钻进速度与排渣不匹配。

解决措施：①调整钻具结构：间距由10cm 调为12cm，出刃长度由1/2 调为2/3，开封头上移10cm；②该层泥浆黏度由18s～22s 调为17s～18s，pH 值由8～9 调至9～10；③控制钻速，每进尺1.0m 左右上下提拉钻具，充分排渣5min～10min。经过调整后，糊钻问题解决。

3.2.3 钻具磨损严重

现象及原因：钻齿磨损严重，边齿尤甚，导致提钻维修次数频繁。主要原因：①砂岩致密坚硬；②钻具结构布齿问题[5]。

解决措施：①外圈1/3 长度的边齿加密；②采用补偿式合金（双合金片）代替单片合金。经过调整，钻具磨损及维修次数大幅降低。

3.2.4 扩孔严重

现象及原因：扩孔系数约为1.15，发生部位孔深90m～105m。主要原因：①地层为弱胶结含砾砂岩，岩体破碎松散；②钻速与钻压控制不当。

解决措施：①加强泥浆性能控制；②放慢钻进速度，平稳钻进。经过调整，扩孔问题得到改善。

3.3 组合工法应用成果

通过采用组合工法的单桩成孔工效与单一的RCD 工法成孔工汇总对比，组合工法提升工效达38%，设备数量投入少25%，具体成果见表6。

表6 组合工法与RCD 工法施工成果对比表

4 结论

通过该组合工法技术的研究及应用，得出以下结论∶1）对超深大直径钻孔灌注桩的成孔施工，特别是桩径≥φ2.5m、桩长≥100m 深厚覆盖层的钻孔桩或入岩超深（岩性复杂，入岩深不小于40m）的钻孔桩，其旋挖+液压组合工法能充分发挥2 种设备各自优势，是大幅提高成孔效率和降低投入的有效途径。2）组合工法应用应提前谋划，关键是对地质条件、施工条件需做充分研究分析，特别是旋挖机对地层、作业面承载力的特殊要求。3）组合工法的应用应特别注意2 种工艺对成孔垂直度、孔径、泥浆性能的控制的统一，减少施工过程中二次调浆、扫孔、纠偏等附加工作。4）组合工法的应用中，其施工中的漏浆、塌孔、垂直度超标等问题仍是防控的重点[4]，仍需对钻压、钻速进行控制，特别对软硬交接面或破碎带、岩面倾斜的地层，需要不断创新，避免因2 种工艺加压方式不同而产生错台、偏孔、扩径等质量问题。