潛水鉆機在特大橋鉆孔樁工程中的應用

內容摘要：介紹了KG500A型潛水鉆機在濟南黃河大橋、溫州甌江二橋兩個特大橋工程施工的應用情況，介紹了鉆、抓結合處理卵礫石等復雜地層的方法，并結合工程施工實踐對鉆機提出了改進方案。
關鍵詞：潛水鉆孔機 鉆孔樁施工

大型橋梁鉆孔樁具有樁徑大、樁體長、施工難度大等特點，對鉆孔機要求成孔質量高、速度快、擴孔率小，操作簡便。目前多采用轉盤鉆機、潛水鉆機、沖擊鉆機、旋挖鉆機施工。現將以KQ2500A型潛水鉆機在濟南黃河大橋、溫州匝江二橋鉆孔樁施工中的應用情況簡介如下。

1濟南黃河大橋鉆孔樁

1．1 工程概況

濟南黃河大橋橋寬35.5m，設計時速120km/h，主橋長875m，主跨210m。樁基采用直徑2m的鉆孔灌注樁，每剛構墩布置13根，樁長93.5m，鉆孔深度102.5m，計52根；每連續墩布置8根，樁長81m，鉆孔深度88m，計32根。主橋墩處主要地質為亞砂土、粉砂、粘土、亞粘土夾含量不等的姜石或卵石，局部有微風化砂巖。

1．2 機具選擇

針對本工程中孔的深度大(當時國內施工中未見報道)，地層中含有大量礫石、卵石、姜石等特點，在比較了幾種形式的鉆機之后，決定充分利用潛水鉆機排渣粒徑大(最大粒徑石塊8cm)、排量大、揚程高、能及時將切削掉的鉆渣排出孔外，避免孔底鉆渣的重復破碎等優點，選用KQ2500A型潛水鉆機。

1．3 施工要點

由于主橋樁基孔徑大、樁體長，對鉆孔垂直度要求較嚴，鉆進時必須保持減壓鉆進，使鉆具部分重量的50％。70％作為鉆壓作用于孔底，其余部分由主鉤懸吊，使鉆具在懸掛狀態下進尺，以保證成孔的垂直度。在鉆孔的上部土層中有厚約9m的粉砂層，極易發生塌孔現象，下部土層主要為粘土。因此施工中注意在砂層鉆進時泥漿比重稍大以保護孔壁，而在粘土層鉆進時則適當降低泥漿比重，以提高鉆進效率。泥漿指標為：鉆進時密度1.8～1.2/cm3之間，粘度17～22s；清孔時控制泥漿密度為1.08～1.1g／cm，粘度17～20s，含砂率＜1％。由于該潛水鉆機采用潛水砂泵直接從孔底吸渣后由鉆桿排出鉆渣，對清孔后沉渣厚度、泥漿指標均有保證。

1．4 鉆頭型式 工程施工中旋轉鉆機一般采用旋轉鉆頭，旋轉鉆頭一般分為刮刀鉆頭和滾刀鉆頭。刮刀鉆頭廣泛適用于各種軟弱地層，而滾刀鉆頭對巖層的鉆進能力更強。本工程中雖有微風化砂巖和角礫層(含粘土)和堅硬粘土層，硬度較大，但這些地層所占比例較小，故采用刮刀鉆頭。鉆機施工初期，為克服硬層鉆進困難采用了階梯式四翼刮刀鉆頭(見圖1)，施工時發現鉆頭容易糊鉆，影響鉆進速度。后改為三翼刮刀鉆頭(圖2)，在加長切削刀爪長度以及對鉆頭進行局部改進后大大改善了鉆進效果，基本上無糊鉆現象產生。在堅硬的微風化砂巖層該鉆頭的進尺速度可達16cm/h左右，在粘土含較多姜石或礫卵石(粒徑＜8cn)的情況下每小時進尺1m左右。

1．5 鉆孔效果

從實際成孔檢測及現場混凝土灌注來看，采用潛水鉆機成孔孔壁規則，成孔垂直度高(不垂直度＜5％)，沉渣厚度均可滿足要求，一般不用回鉆處理。與轉盤鉆機相比，混凝土澆注量少5％左右，具有明顯的節約材料的效果。

2 溫州甌江二橋

2．1 工程概況

溫州甌江二橋主橋為雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋，橋寬27m，主孔跨徑270m。北引橋橋墩跨度35m，其基礎為直徑1.8m、深57m的混凝土灌注樁。主橋墩處主要地質為淤泥質粘土、淤泥、淤泥含粉砂、淤泥質粘土、礫卵石含少量粘土、粘土層、卵石含粘土。本工程的施工難度為厚約2.5m、礫石含量高達50—70％的礫卵石層，礫石粒徑有的達到42cm，且漏漿嚴重。卵石層中卵石含量在70％以上，漏漿嚴重。

2．2 施工機具

采用KQ2500潛水鉆機2臺，1450型沖抓機2臺，16t吊車一部。

施工機具的選擇經歷了較長的試驗階段，開始僅用潛水鉆機鉆孔，當鉆到礫石層時，因礫石粒徑大、含量高，造成嚴重堵管而不能進尺；改用潛水振動抓抓取礫石，因振動抓的振動力小、抓緊力小，未能將礫石抓出；后采用沖擊鉆進的方法成孔，因礫石層較厚，不能沖擊穿過該層，且用掏渣筒取渣效率極低，沖擊法成孔穿過礫石層的方案也被否定。最后改用沖抓機抓取礫石成孔方法，首先抓成一個直徑1．5m的孔，順利穿過該層，并一直抓到卵石層，然后用鉆機掃孔到孔底終孔。從開鉆到交檢孔完畢共用了40天。

2．3施工經驗總結

2號鉆機施工第2和第4個孔時發生連續塌孔事故。經認真分析，認為有以下幾種原因：(1)護筒埋設時未用粘土境實，護筒底部榻孔；(2)鉆孔時過分強調采用稀泥漿快速鉆進，忽視了礫石層存在泥漿問題，造成沖抓礫石層時出現泥漿嚴重漏失現象； (3)原自然地基承載力不高，鉆機自身重量大，造成護筒下沉以至護筒下部塌孔。通過總結經驗教訓，我們采取了以下措施：(1)嚴格按要求埋設護筒，用粘土夯填密實；(2)嚴格控制泥漿密度及粘度，上部土層鉆進時泥漿密度控制在1．1—1．3g／cm3，粘度17—20s，接近礫石層時保持泥漿密度在1．3～1．4g/cm3，粘度18～22s；(3)護筒周圍用長枕木鋪設，并使鉆機接地比壓小于o．8MPa；(4)采用鉆機鉆上部土層并松動部分礫石層后用沖抓機抓取礫石，鉆機再掃孔并鉆過粘土層到卵石層，使卵石松動后用沖抓機抓取卵石終孔。卵石層鉆進以及沖抓成孔時泥漿密度控制在1．25～1．35g／cm3；(5)針對礫石層鉆進時泥漿易變稀薄而發生嚴重漏漿現象，準備一些中粗砂作為堵漏材料備用。

2．4 鉆頭型式

開始鉆進時采用了階梯式四翼鉆頭(圖1)和圖3所示三翼鉆頭，實際應用發現四翼鉆頭糊鉆較嚴重，對進尺不利。而圖3所示三翼鉆頭是在圖2所示結構上增加了一塊與鉆頭國內徑留有較小環形間隙的圓形板，其本意是使泥漿從周邊沖刷孔底以利于中心抽渣，但因孔徑大，環形間隙內的泥漿流速小，不足以沖刷孔底周邊鉆渣，且極易在粘土層糊鉆，故實用中仍采用圖2所示結構，施工實踐表明，比較實用。

3 鉆機改進方案

通過工程考核，針對KQ2500A潛水鉆機存在輔助時間長、工效低等一些問題，對機具主要進行了如下改進：

(1)鉆桿接頭：原為法蘭螺栓連接方式，接換鉆桿工效低。現改為六方接頭加抗拉套結構，輔助時間縮短為原來的1／4左右。
(2)提升系統：將原5t慢速卷揚機改為3t快速卷場機，并將原鉆桿提升速度1．5m/min提高為5m/min，提升時間縮短為原來的30％。
(3)鉆頭型式：以圖2所示三翼鉆頭為基本型式，也可根據地質條件另行設計。
(4)增加正反循環排渣系統切換裝置，減少了輔助時間，減輕了工人勞動強度。
(5)門架上增加了液壓自動起落裝置，提高了鉆機的整體性能，便于成孔后鉆機讓開孔口，縮短了交檢孔后沼注混凝土之前的鉆架移位時間，提高了成樁效率。通過以上改進，可以大大提高工作效率。預計一個深度為100m的孔，輔助時間可以減少24h左右，每棵樁提高工效約20％。