海上超大变径钢管复合桩钻孔施工技术

海上超大变径钢管复合桩钻孔施工技术

吴建飞

浙江交工集团股份有限公司浙江杭州310051

摘要：本文针对鱼山大桥所处的地理环境、地质情况，结合鱼山大桥总体工期安排、经济效益和现场条件制约等情况，对海上超大变径钢管复合桩钻孔的钻机选型、钻机配套设备，及钻孔过程中泥浆制造和循环、钻渣处理、变截面标高的确定、清孔、成孔检测等工序进行详细论述。

关键词：超大变径钢管复合桩、钻孔、变截面、清孔、成孔检测

1、工程概况

1.1工程概述

鱼山大桥桥梁中心桩号K4+641.875，全长7781.75m，主跨径260m。其中通航孔桥为混合梁连续刚构桥，桥跨布置为（70+140+180+260+180+140+70）m；非通航孔桥靠近主通航孔桥两侧深水区采用70m跨径，其余区段采用50m跨径。标准联长为5跨一联，局部4跨一联。岱山侧非通航孔桥跨径布置为3×（4×50）+2×（5×50）+4×（4×70）+2×（5×70）=2920m，鱼山侧非通航孔桥跨径布置为4×（5×70）+3×（4×70）+（3×70+64.75）+5×50+4×（4×50）+（50+7+50）+3×（50）=3821.75m。非通航孔桥除连接涵洞部分和鱼山海堤内采用50m简支梁体系，其余均为连续梁体系。

1.2桩基类型介绍

全桥共有桩基182根，其中大直径变径桩153根。桩径2.2m～5m不等。1#墩～11#墩、112#墩、115#墩～118#桥台以及通航孔桥48#墩～55#墩桩基均为为钻孔灌注桩，其余为钢管复合桩。通航孔桥48#～55#墩及非通航孔桥112#墩～118#桥台采用群桩形式，其余均采用单桩独柱形式。桩长为15m～148.2m不等。桩基均为嵌岩桩。单桩钢筋笼最大重量为241.3t，单桩永久钢护筒最大重量297.1t，单桩混凝土最大灌注方量1943.2m3。桩基混凝土总方量约为170468m?，其中C35：51817.2m?，C40：118650.8m?。

图1-1钻孔桩结构图

2、水文地质条件

2.1气象

本工程区域属北半球亚热带南缘海洋性气候区，气候温和、四季分明、雨量充沛。季风显著，风速大，全年多大风，春季多海雾，夏季多热带气旋（包括热带风暴、强热带风暴、台风）。

对本工程施工进度和施工安全影响较大的灾害性天气主要为台风、暴雨、雷暴和雾。

2.2地形地貌条件

本工程区分为陆地和海洋两大地貌单元，具典型的海洋与岛屿型地貌特征。其中陆域地貌为海岛丘陵区，海岸线蜿蜒曲折，以基岩和泥质海岸为主，线路海域属岱衢洋，岛礁杂乱分布，暗流涌动，环境条件比较复杂。

2.3地质条件

桥址区横跨3根电缆和通航航道，场地条件较为复杂。桥址区海域水深—般1～19m不等，水下地形坡度平缓，浅部分布厚层海相软土，岩性主要为淤泥、淤泥质土、软～流塑状黏性土，厚度7.9～67.5m，工程性质差；下为中密～密实冲海积的粉砂、细砂为主，一般厚度较大，地层较为连续，底部为粉质黏土、圆砾等，下伏基岩为流纹质凝灰岩、流纹岩、流纹斑岩晶屑玻屑凝灰岩、角砾凝灰岩、含角砾凝灰岩局部夹凝灰质砂岩或凝灰质粉砂岩，一般岩质较硬。基岩面起伏大，中风化岩埋深18.9～132.3m不等。

2.4水文条件

本项目桥位于舟山市岱山本岛双合村与岱山大鱼山之间海域，属于岱衢洋海域。

（1）舟山沿海的潮汐受外海潮波的控制，潮汐性质多为半潮，舟山西部海域由于潮波受岛屿和浅海地形的影响而变形，潮汐性质多为非正规半日潮，东部海域则多为正规半日潮，本工程区的潮汐属于不规则的半日潮，潮流以往复流为特征，涨潮流向西或西北，落潮流向东或向南，涨潮的流速大于落潮的流速。

（2）桥区通航水道海床基本稳定，水深沿桥位两侧滩涂往中间逐步变深，水深介于5～10m的超过70％，线位通航孔桥墩位置，水深深度达到20m左右，泥面标高-16.74～-18.30m。

3、施工特点及难点

⑴地质复杂，岩面倾斜，基岩面起伏大，中风化岩埋深18.9～132.3m不等，钻孔困难，钻进过程容易出现卡钻头，钻孔容易出现倾斜。

⑵岩层强度高，钻进困难，进尺慢，功效低。

⑶相邻桩位的岩层变化大，岩层埋深不一致，钻孔过程中无法提供数据可供参考。

⑷气候条件差，每天风速不低于5级风；一天两潮，对钻孔的影响较大。

4、施工方案确定

根据本项目所处的施工环境、水文、地质情况，以及设计图纸和规范要求，针对施工特点及难点，钻孔桩施工采用大扭矩气举反循环钻机成孔方案。

本项目桩基根据桩径的不同，φ3.4-2.5m桩基采用3台KTY-3000型钻机，φ3.8-3.0m、φ4.0-3.0m桩基采用20台KTY-4000型钻机，φ5.0-3.8m、φ4.5-3.8m桩基采用5台KTY-5000型钻机。

5、钻孔桩施工工艺

5.1钻孔前准备

开钻前制定详细可行的桩基施工作业指导书，包括施工工艺、桩基地质柱状图、钻孔前的设备检修、人员培训与准备、泥浆循环系统等材料准备、岩样采集装备、事故预案、安全方案、质检方案等，并备有可靠的自发电系统和满足要求的混凝土供应。

5.2施工测量

5.2.1施工控制测量

钻孔施工前，对设计提供的首级控制网进行复测，进行必要的加密布设控制，补充施工需要的水准点、桥梁轴线及墩台控制桩。在栈桥右侧每隔500m搭设一个测量控制点平台，测量平台采用钢管桩、型钢搭设，单独设置单独受力。测量控制点经复测合格后方可使用。施工放样前对图纸坐标进行复核。现场以复测过的测量控制点为准，利用全站仪在钻孔平台上采用极坐标法施放出桩位，校核无误后在已下沉的钢护筒顶放出护筒顶口中心的十字线，并在护筒壁做出油漆标记，作为钻孔过程中桩中心校核点。

5.2.2施工放样和检测

钻孔平台搭设完成后，通过全站仪在平台上建立平面控制点，用全站仪坐标放样法来确定桩位。在施工平台上设置水准点，采用三角高程或其他方式测出水准点的高程，施工中按正常的水准测量，利用水准仪传递高程。需要注意的是须对平台上设置的水准点持续进行沉降和位移观测，以便更好的控制施工。

①在已下沉的钢护筒顶放出护筒顶口中心的十字线，并在护筒壁做出油漆标记，钻机就位时，使转盘中心与十字线交点重合，确保成孔时钻头顺利钻出护筒和钢筋笼顺利安装。

②测出钢护筒的顶标高，并以此为基准进行成孔的孔底高程控制，钻进结束后复核钢护筒顶标高，确保孔底高程准确。

③钻孔桩完成后进行成桩测量，测出各单桩的中心坐标和标高。

④施工测量必须有两人及两人以上相互校核并作出测量和校核记录。

5.3回旋钻施工工艺

5.3.1施工机具的配备

根据桩径及桩长不同，采用KTY-3000型大扭矩回旋钻机、KTY-4000型大扭矩回旋钻机、KTY-5000型大扭矩回旋钻机进行钻孔作业。对于钢管复合桩，每台钻机最少配备相应的三个钻头（一个滚刀钻头，两个刮刀钻头），同类型桩准备一套备用钻头。每台大功率回旋钻机配备1台空气压缩机进行钻孔施工。空气压缩机的额定压力为1.0MPa，排气量为20.5m3/min，功率为132kW。另外，专门配备一套额定压力为1.2MPa的空压机和泥浆分离器、除砂器进行二清。

合理的钻头结构是提高钻进效率、保证钻孔质量的关键因素。根据本项目钻孔施工所遇地质情况，针对地质条件复杂多变的特点，采用专门锥尖角90°的单腰带六翼刮刀钻头，翼板厚度为60mm，保证钻头具有较高的强度和刚度，而且结构简单，利于排渣。待进入岩层后改用滚刀钻头钻进至终孔。

图5.3-1刮刀钻头及滚动钻头

5.3.2泥浆配备及泥浆循环系统

①泥浆可直接利用淤泥质粘土造出优质的泥浆，泥浆的各项指标均满足要求。

②泥浆循环、及钻渣收集

在施工平台上设泥浆循环系统，设置一个泥浆箱，确保钻孔循环泥浆的供给在泥浆箱内设置大粒径钻渣分离隔板，将泥浆箱中的钻渣及时分离出去，排放至排渣船上运至指定地点进行处理。

图5.3-2泥浆循环及钻渣排放示意图

5.3.3钻机安装及钻进

（1）钻机开钻前准备

①钻机事先组装，然后根据桩位中心在底座平台上标出钻机定位标志，对深水区采用浮吊起吊钻机就位；对浮吊无法进入的浅水区采用履带吊+平板车运输安装就位。

②钻机组装就位，其底座应水平、稳定，钻架中心与钻机转盘中心的连线应与钻盘垂直，钻头、钻杆和桩径中心在一铅垂线上，以保证孔位正确，钻孔顺直。就位自检合格后，报请监理工程师验收就位情况。验收通过后，将钻机与平台进行固定、限位，保证在钻进过程中不产生位移。

③钻头、钻杆、泥浆处理机、空压机等较重构件应摆放在平台上指定位置，不得随意摆放，确保平台结构受力安全。

图5.3-3钻机就位布置图

④钻机安装就位后，将钻头、风包及配重拼装在一起，将其吊入孔内悬挂固定，接通供风及泥浆循环管路，使泥浆开始循环，开启风阀供风，观察钻杆、供风管路、循环管路、水水龙头等有无漏气、漏水现象，确认正常无故障后方可开钻。

⑵钻进成孔

①钻孔前应对钻孔的各项准备工作进行检查，检查机械设备运转情况，开钻前需认真探查护筒内有无钢板、型钢等影响钻孔的异物，检查确认无异常后方可开钻，钻孔时参照设计资料及实际地质情况绘制地质剖面图。

②护筒内钻进

护筒内钻进采用气举反循环工艺。为避免护筒底部出现漏浆塌孔事故，当钻进至护筒底口以上两米时应降低钻进速度。

③护筒底口部位钻进

护筒内泥浆指标满足要求后可向下钻进成孔，钻进到护筒底口部位时(底口上下各2m左右),使用气举反循环，小气量、轻压、慢转钻进成孔，需特别注意不要让钻头碰挂护筒底口。如钻进过程中发现钻头摩擦护筒，不得强行钻进，可根据护筒倾斜情况适当调整钻机位置。待钻头整体钻到护筒，更换小钻头钻至护筒底口2m左右位置后，开始正常钻进成孔。

④护筒外钻进成孔

钻头钻出护筒后，更换小直径刮刀钻头，根据地层情况选择钻进参数。特别是各地层交接层部位要注意控制进尺，小气量、轻压、慢转钻进成孔，并且每钻进一层要注意扫孔，以保证钻孔直径满足要求；要随时检测和控制泥浆性能指标，以确保孔壁的安全。

⑤钻孔时减压钻进，钻压不得超过钻具重力之和（扣除浮力）的80％，并保持重锤导向作用，保证成孔垂直度和孔形。

⑥钻机在各地层中的钻孔指标：对于淤泥质土层和亚粘土层，采用中速、优质泥浆、大泵量钻进的方法钻进；对于粘土层采用中等钻速大泵量、稀泥浆钻进；对于砂层，采用轻压、低档慢速、大泵量、稠泥浆钻进，以免孔壁不稳定，发生局部扩孔或局部坍孔，并充分浮渣、排渣，以防埋钻现象；对砂砾层，采用低档慢速、优质浓泥浆钻进，确保护壁厚度以及充分浮渣。钻机不同地层钻进参数见下表：

表5.3-1大功率回旋钻不同地层钻进参数表

⑦变径桩基成孔作业

首先钢护筒内钻进选用大直径刮刀钻头，钻头上口和钻杆处安装钢丝刷，可以实现边钻孔边扫孔。当钻头钻出钢护筒底口后，开始更换小直径刮刀钻头，钻至岩层，然后起钻，最后改用与桩底直径相同滚刀钻钻进到终孔标高，然后清孔。

⑧钻进过程中，桩基入岩后必须及时收集岩样并提交现场地质工程师进行岩样判断，并做好入岩钻进记录。如岩石岩性与设计资料不符，及时反馈至设计单位。有效入岩深度必须满足要求值。

图5.3-4有效入岩深度

⑶钻孔施工中需注意的其他问题

①为了保证钻孔的垂直度，在钻头上部加设配重，使钻具在重力的作用下始终垂直向下；为确保钻机转盘始终保持水平，每加1～2节钻杆，检查一次钻机水平度和钻杆垂直度情况。

②对于圆砾层及卵石层的钻进，采用单护圈、锥角呈90°的六翼刮刀钻头，在进入上述地层后，需及时调控泥浆性能指标，加大空压机的供风压力，提高泥浆的携带能力和除砂工效，减压钻进控制进尺慢速通过。

③在桩端持力层中钻进，泥浆循环量决定着钻机的排渣能力。若循环量大，则钻头切削的岩块可成块地排出，减少二次或多次破碎，提高钻进效率，而泥浆循环量与供风量有着直接的关系。每台钻机配置1台20.5m3以上的空压机，以保证风量供应，满足排渣需要。

④为避免由于钻杆连接螺栓松动而造成掉钻头，应经常观察孔内泥浆面，如果空压机送气时，孔内泥浆面翻动气泡，表明某一节钻杆的连接螺栓松动，需要停机并逐节检查拧紧钻杆螺栓；钻具的各个构件一旦掉在孔内，其打捞难度比钻杆螺栓松动造成的掉钻头要大得多，在任何情况下钻具的构件皆不能掉在孔内。

⑤钻进过程中注意往孔内及时补充泥浆量，维持护筒内的水头高度，护筒内泥浆面的高度应始终高于孔外水位及潮水位加浪高1.5m～2.0m，以保证孔壁稳定。

⑥加接钻杆时，应先停止钻进，将钻具提离孔底8～10cm，维持泥浆循环5分钟以上，以清除孔底沉渣并将管道内的钻渣排净，然后加接钻杆。加接钻杆时，连接螺栓应拧紧上牢，认真检查密封圈，以防钻杆接头漏水漏气，使反循环无法正常工作。

⑦升降钻具应平稳，尤其是钻头处于护筒底口位置时，必须防止钻头钩挂护筒。

⑧钻孔过程应分班连续进行，不得中途长时间停止。详细、真实、准确地填写钻孔原始记录，精确测量钻具长度，应注意地层的变化，在地层变化与地质报告提供资料不相一致时，应及时通知技术人员。

⑨钻进过程中应保证孔口安全，孔内严禁掉入铁件(如扳手、螺栓等)物品，应采取有效防护措施，以保证钻孔施工正常顺利进行。

⑩停钻时，钻头需提离孔底才能停止供风，防止出渣口和风包被堵。

⑷清孔

①钻孔达到设计高程后，对成孔情况进行检测，检测孔深、孔径、垂直度等各项指标，并报请监理工程师检查验收，验收通过后立即进行清孔。清孔的目的是要清理孔内钻渣，尽量减少孔底沉淀厚度，保证钻孔桩的承载力。成孔后采用专门准备的一套气举反循环设备进行清孔。首先确定空压机供气压力P：

根据P=γs?h0/1000+ΔP

γs——泥浆比重，一般取11.5kN/m3；

h0——混合器沉没深度；h0=L2≥2(L2+L3)/3,近似2/3桩长。h0≥2×135/3≈90m

ΔP——供气管道压力损失，一般取0.05～0.1MPa；

P=11.5×90/1000+0.1=1.135MPa，所以选择供气压力为1.2MPa的空压机。

终孔后，经监理设计代表认可同意后及时进行清孔。清孔前在锤头上焊接钢丝刷，在钢护筒区域上下提升钻头扫孔，刮除孔壁较厚的泥皮。将钻头提离孔底约30～50cm，补充优质泥浆，用优质膨润土提高泥浆粘度，开动空气压缩机进行反循环清孔，及时降低泥浆含砂率；同时保持孔内水头，防止塌孔。严格要求钻杆接头的密封性，确保泥浆反循环排渣效率；及时排除废弃泥浆，勤捞沉淀池中的沉渣，及时补充新鲜泥浆。经检测孔底沉渣厚度满足设计及规范要求，孔内泥浆指标符合相对密度1.03-1.10；黏度17-20Pa.s;含砂率：＜2%；胶体率：＞98%要求后，及时停机提锤、移走钻机，尽快进行孔深、孔径、倾斜度及孔底沉渣的检测和验收。

⑸成孔质量检测

换浆清孔使泥浆指标和孔底沉淀物厚度均达到验收标准后，拆除钻机钻杆，使用超声波孔壁测定仪测量，检查钻孔桩的孔径、孔深和倾斜度是否符合验收标准。钻孔成孔质量验收标准见下表：

表5.3-2钻孔桩成孔质量标准

项目允许偏差

孔的中心位置单桩30mm，群桩50mm

孔径不小于设计桩径

倾斜度小于1/200桩长，且不大于500mm

孔深不小于设计深度

沉淀厚度不大于设计规定50mm

6、结束语

本文针对鱼山大桥特殊的施工环境、地质情况，结合鱼山大桥总体工期安排、经济效益和现场条件制约等情况，对海上超大变径钢管复合桩钻孔的钻机选型、钻机配套设备，及钻孔过程中泥浆制造和循环、钻渣处理、变径标高的确定、清孔、成孔检测等工序进行详细论述。海上超大变径钢管复合桩施工工艺在国内较少见，本文以鱼山大桥为依托总结相关施工资料，为以后的同类工程提供参考经验。

参考文献

[1]《舟山市岱山县鱼山大桥工程两阶段施工图设计》.

[2]《公路桥涵地基与基础设计规范》JTGD63-2007.

[3]《公路工程质量检验评定标准》JTGF80/1-2004.

[4]《公路桥涵施工技术规范》JTG/TF50-2011.

[5]《公路工程岩石试验规程》JTGE41-2005.