超长大直径嵌岩桩施工技术

宋奎，刘宇光

（中交三航局第二工程有限公司，上海 200122）

1 工程概况

港珠澳大桥岛隧工程东人工岛结合部非通航孔桥全桥分两幅两联设计，每幅为跨径（4×55）m+（3×55）m的预应力混凝土连续梁桥。全桥钻孔灌注桩共计74根，桩长70~86 m不等，其中16根桥台桩直径为1.5 m，分布在人工岛钢圆筒内，岛内-18 m以上为回填中粗砂，-18~-39 m为加固土层，回填砂及加固土层为密实状态，其余58根承台桩直径为2.3 m、2.0 m，均处于10余m水深，桩底标高-71~-87 m不等。要求桩底嵌入中风化岩层1倍桩径以上，桩基混凝土为海工高性能混凝土，28 d强度等级为C40，抗渗等级为P12。

全桥施工区域地层主要由第四纪覆盖层、残积土和全、强、中、微风化混合花岗岩组成[1-2]。

2 施工工艺

2.1 钢护筒施工

岛上8号承台钢护筒采用先钻孔再下放钢护筒的形式沉放，水上2~7号承台钢护筒采用振动锤（APE400型振动锤，最大激振力3 203 kN）振沉。

2.2 桩基成孔

2.2.1 设备选型

本工程施工采用全回转250型全液压动力回转钻机，钻头选用两种，有梳齿钻头（刮刀钻头）和球齿滚刀钻头。

2.2.2 泥浆制备及循环系统

施工过程中采用不分散、低固相、高黏度的PHP高性能泥浆。钻孔过程采用反循环方式排渣，每4 h测定一次泥浆性能指标，以确保孔内泥浆的质量。根据泥浆指标情况加入纯碱、PHP等处理剂，以改善泥浆性能。钻进及清孔各阶段泥浆性能指标要求如表1所示。

表1 各阶段泥浆性能指标要求Table 1 Mud performance requirementsof variousstages

经试验，确定使用的泥浆配合比膨润土∶水∶氢氧化钠=180∶1 000∶0.25，其比重、黏度和胶体率等均符合要求。

2.2.3 钻进成孔

成孔过程可划分为四个阶段：护筒内钻进、土层内钻进、基岩层钻进及清孔。

1）护筒内钻进。开钻前，制备泥浆性能指标如表2所示。钻进时，在钻头外侧护圈上镶焊数组钢丝绳刷，以保证在钻进过程中将护筒内壁上附着物刷洗干净。钻进过程中根据钻具运转的平稳度判断钻头是否与护筒壁产生摩擦或孔内有异物，发现问题采取有效措施及时处理。

表2 护筒内泥浆的性能指标Table 2 Mud performance index in steel casing

2）护筒底口部位钻进。出护筒后，提钻卸掉钻头外圈钢丝绳刷，采用小气量、轻压、慢转钻进成孔，注意钻头别与护筒底口发生刮碰。待钻头整体钻出护筒底2 m后，采取正常方法钻进成孔。

3）第四系覆盖层钻进。第四系覆盖层钻进采用大气量、中等钻压、慢转速钻进成孔。钻进过程中对变层部位注意控制进尺速度，并且每钻进1根钻杆（3 m）要注意扫孔，以保证钻孔直径和垂直度满足要求。在砂层钻进时，提高泥浆性能检测频率，以保证孔壁的稳定。

4） 基岩层钻进。钻进至强风化基岩时，提钻更换滚刀钻头，采用大气压、中等钻压、低转速钻进成孔。钻进至软硬不均地层时，加大扫孔频率，重点防止斜孔、台阶孔，同时特别注意掉钻等事故的发生。

各地层钻进参数如表3所示。

2.2.4 清孔检孔

终孔后，及时进行清孔。清孔时将钻具提离距孔底0.3～0.5 m，缓慢旋转钻具，补充优质泥浆，进行气举反循环清孔，同时保持孔内液面标高，防止塌孔。经检测孔底沉渣厚度满足设计要求及清孔后孔内泥浆指标符合要求后（见表4），及时停机拆除钻杆，移走钻机，等待检孔。

表3 各地层钻进参数表Table 3 Drilling parameter table around different layer

表4 清孔后的泥浆性能指标Table 4 Mud performance index after the pilehole cleaning

钻机移除后使用检孔仪器对已成孔质量进行检测，包括孔深、孔径、垂直度、沉渣厚度等。本项目采用伞形检孔仪进行检孔，孔深利用钻杆长度和测绳长度进行比较测量。

2.3 二次清孔

桩基混凝土采用导管法浇筑，导管使用φ273 mm无缝钢管加工制作，接头采用粗螺纹连接，使用前对导管进行水密承压和接头抗拉试验。下放导管时准确测量每节导管长度并注意安装顺序。

导管下放完毕后，利用空压机和导管进行二次清孔。首先将直径50 mm的风管安装于导管内，风管的长度不小于36 m。二次清孔时，先将导管提起一定高度（根据孔底沉淀厚度确定），然后开启空压机供气，气举反循环正常后，缓慢下放导管至孔底，并随时移动导管位置，直至泥浆指标满足要求，孔底沉渣清除干净为止。

2.4 水下混凝土灌注

混凝土配合比通过试配确定：桩身混凝土标号为C40，混凝土的坍落度控制在200～240 mm之间；粗骨料采用粒径为5～31.5 mm的石子；混凝土初凝时间不低于12 h。为提高混凝土的性能采取以下措施：粗集料采用级配较好的碎石；细集料采用细度模数较好的中粗砂；粗集料粒径不大于导管内径的1/8，钢筋最小净距的1/4，且不大于40 mm。

桩基C40混凝土的配比如表5所示。

表5 桩基C40混凝土的配比Table5 The ratio of concrete C40 of pile foundation

混凝土灌注采用导管法，使用拔球法封底。首罐选用满足封底要求的大料斗（12 m3）以确保首罐之后导管埋深不小于2 m。二次清孔完毕后，安装首罐料斗，履带吊副钩吊钢板封住料斗底口，再向料斗内泵送验收合格的混凝土。待料斗内混凝土放满后，起吊副钩拔出封底钢板，开始灌注混凝土。混凝土高度测量以测锤多点测量为准，同时用混凝土灌注量值进行复核。浇筑过程中，导管的埋入深度大于6 m。导管拆除时对导管编号进行记录，与下导管时的记录进行复核，确保导管拆除无误。混凝土的实际灌注标高要高于设计标高0.5～1.0 m，以确保桩顶部位混凝土强度达到设计要求。在灌注即将结束时，核对混凝土的灌入数量，确定所测混凝土的灌注标高是否正确。

2.5 桩基检测、桩底取芯与压浆

桩身埋设3～4根声测管用于超声波检测桩身完整性，另埋设一取芯管用于桩底取芯以验证桩底沉渣厚度。桩基施工完成并达到强度后进行100%的完整性检测，并进行部分桩底取芯检测和整桩取芯检测等。

3 重点控制环节

3.1 黏土或粉质黏土层糊钻

钻孔需穿过较厚的黏土和粉质黏土层，回转钻进时钻头结构和钻进参数不合理，排渣效果不佳，均易产生糊钻现象，导致进尺速度下降、不进尺现象。根据本工程的实际特点，对刮刀钻头的结构进行优选，选择合理的钻头锥角和结构形式，同时在钻进过程中，采用低黏度、低比重泥浆，采用大气量、中等钻压、中等转速钻进成孔。每钻进1～1.5 m，停止进尺，保持钻具旋转，上下移动钻头，将附着在钻头上的泥块排出。

在黏土或粉质黏土中钻进时发现泥浆管排渣量明显减小或泥浆中泥块的含量明显减少时，停止钻进，将钻头提离孔底一定距离，保持泥浆循环，并上下移动钻具，待泥浆循环正常后再钻进。

3.2 提高成孔钻进效率

本工程桩基入岩深度大，钻进速度缓慢，效率低。对此，采取的措施如下：

1）选择大扭矩、大提升能力的全液压动力钻机或转盘式大直径工程钻机进行施工。

2）在第四系地层和全风化基岩采用刮刀钻头钻进成孔，对刮刀钻头的切削角、锥角等进行合理设计，提高钻进速度。

3）针对不同的地质条件，适当调配泥浆黏度和比重，采用气举反循环排渣工艺，提高排渣效率。利用泥浆净化装置及时对泥浆进行处理，降低泥浆的含砂率。

4）利用配重加压，增大孔底钻压。遇倾斜较大的岩面时，降低钻进速度，减压钻进，待钻具全断面进入岩面后再正常加压钻进。

5）在强风化、中风化及微风化基岩用滚刀钻头钻进成孔。

4 结语

经检测，本工程桩基超声波检测优良率100%，桩底和整桩取芯芯样完整，桩底沉渣均小于20 mm，且平均厚度为5.32 mm，远小于规范要求的50 mm，混凝土抗压强度、充盈系数等均满足设计及规范要求[3]。各阶段施工工艺均符合要求，特别是桩基成孔、二清及水下混凝土浇筑工艺及相关参数等对类似工程有较高的参考价值。