潜水钻机在特大桥钻孔桩工程中的应用

        内容摘要：介绍了KG500A型潜水钻机在济南黄河大桥、温州瓯江二桥两个特大桥工程施工的应用情况，介绍了钻、抓结合处理卵砾石等复杂地层的方法，并结合工程施工实践对钻机提出了改进方案。
　　关键词：潜水钻孔机 钻孔桩施工
　　大型桥梁钻孔桩具有桩径大、桩体长、施工难度大等特点，对钻孔机要求成孔质量高、速度快、扩孔率小，操作简便。目前多采用转盘钻机、潜水钻机、冲击钻机、旋挖钻机施工。现将以KQ2500A型潜水钻机在济南黄河大桥、温州匝江二桥钻孔桩施工中的应用情况简介如下。
　　1济南黄河大桥钻孔桩
　　1．1 工程概况
　　济南黄河大桥桥宽35.5m，设计时速120km/h，主桥长875m，主跨210m。桩基采用直径2m的钻孔灌注桩，每刚构墩布置13根，桩长93.5m，钻孔深度102.5m，计52根；每连续墩布置8根，桩长81m，钻孔深度88m，计32根。主桥墩处主要地质为亚砂土、粉砂、粘土、亚粘土夹含量不等的姜石或卵石，局部有微风化砂岩。
　　1．2 机具选择
　　针对本工程中孔的深度大(当时国内施工中未见报道)，地层中含有大量砾石、卵石、姜石等特点，在比较了几种形式的钻机之后，决定充分利用潜水钻机排渣粒径大(最大粒径石块8cm)、排量大、扬程高、能及时将切削掉的钻渣排出孔外，避免孔底钻渣的重复破碎等优点，选用KQ2500A型潜水钻机，其主要参数见表1。
表1 KQ2500A潜水钻机主要性能参数
　　1．3 施工要点
　　由于主桥桩基孔径大、桩体长，对钻孔垂直度要求较严，钻进时必须保持减压钻进，使钻具部分重量的50％。70％作为钻压作用于孔底，其余部分由主钩悬吊，使钻具在悬挂状态下进尺，以保证成孔的垂直度。在钻孔的上部土层中有厚约9m的粉砂层，极易发生塌孔现象，下部土层主要为粘土。因此施工中注意在砂层钻进时泥浆比重稍大以保护孔壁，而在粘土层钻进时则适当降低泥浆比重，以提高钻进效率。泥浆指标为：钻进时密度1.8～1.2/cm3之间，粘度17～22s；清孔时控制泥浆密度为1.08～1.1g／cm，粘度17～20s，含砂率＜1％。由于该潜水钻机采用潜水砂泵直接从孔底吸渣后由钻杆排出钻渣，对清孔后沉渣厚度、泥浆指标均有保证。
　　1．4 钻头型式 　　工程施工中旋转钻机一般采用旋转钻头，旋转钻头一般分为刮刀钻头和滚刀钻头。刮刀钻头广泛适用于各种软弱地层，而滚刀钻头对岩层的钻进能力更强。本工程中虽有微风化砂岩和角砾层(含粘土)和坚硬粘土层，硬度较大，但这些地层所占比例较小，故采用刮刀钻头。钻机施工初期，为克服硬层钻进困难采用了阶梯式四翼刮刀钻头(见图1)，施工时发现钻头容易糊钻，影响钻进速度。后改为三翼刮刀钻头(图2)，在加长切削刀爪长度以及对钻头进行局部改进后大大改善了钻进效果，基本上无糊钻现象产生。在坚硬的微风化砂岩层该钻头的进尺速度可达16cm/h左右，在粘土含较多姜石或砾卵石(粒径＜8cn)的情况下每小时进尺1m左右。
　　1．5 钻孔效果
　　从实际成孔检测及现场混凝土灌注来看，采用潜水钻机成孔孔壁规则，成孔垂直度高(不垂直度＜5％)，沉渣厚度均可满足要求，一般不用回钻处理。与转盘钻机相比，混凝土浇注量少5％左右，具有明显的节约材料的效果。
　　2 温州瓯江二桥
　　2．1 工程概况
　　温州瓯江二桥主桥为双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，桥宽27m，主孔跨径270m。北引桥桥墩跨度35m，其基础为直径1.8m、深57m的混凝土灌注桩。主桥墩处主要地质为淤泥质粘土、淤泥、淤泥含粉砂、淤泥质粘土、砾卵石含少量粘土、粘土层、卵石含粘土。本工程的施工难度为厚约2.5m、砾石含量高达50―70％的砾卵石层，砾石粒径有的达到42cm，且漏浆严重。卵石层中卵石含量在70％以上，漏浆严重。
　　2．2 施工机具
　　采用KQ2500潜水钻机2台，1450型冲抓机2台，16t吊车一部。
　　施工机具的选择经历了较长的试验阶段，开始仅用潜水钻机钻孔，当钻到砾石层时，因砾石粒径大、含量高，造成严重堵管而不能进尺；改用潜水振动抓抓取砾石，因振动抓的振动力小、抓紧力小，未能将砾石抓出；后采用冲击钻进的方法成孔，因砾石层较厚，不能冲击穿过该层，且用掏渣筒取渣效率极低，冲击法成孔穿过砾石层的方案也被否定。最后改用冲抓机抓取砾石成孔方法，首先抓成一个直径1．5m的孔，顺利穿过该层，并一直抓到卵石层，然后用钻机扫孔到孔底终孔。从开钻到交检孔完毕共用了40天。
　　2．3施工经验总结
　　2号钻机施工第2和第4个孔时发生连续塌孔事故。经认真分析，认为有以下几种原因：(1)护筒埋设时未用粘土境实，护筒底部榻孔；　　　
　　(2)钻孔时过分强调采用稀泥浆快速钻进，忽视了砾石层存在泥浆问题，造成冲抓砾石层时出现泥浆严重漏失现象； (3)原自然地基承载力不高，钻机自身重量大，造成护筒下沉以至护筒下部塌孔。通过总结经验教训，我们采取了以下措施：(1)严格按要求埋设护筒，用粘土夯填密实；(2)严格控制泥浆密度及粘度，上部土层钻进时泥浆密度控制在1．1—1．3g／cm3，粘度17—20s，接近砾石层时保持泥浆密度在1．3～1．4g/cm3，粘度18～22s；(3)护筒周围用长枕木铺设，并使钻机接地比压小于o．8MPa；(4)采用钻机钻上部土层并松动部分砾石层后用冲抓机抓取砾石，钻机再扫孔并钻过粘土层到卵石层，使卵石松动后用冲抓机抓取卵石终孔。卵石层钻进以及冲抓成孔时泥浆密度控制在1．25～1．35g／cm3；(5)针对砾石层钻进时泥浆易变稀薄而发生严重漏浆现象，准备一些中粗砂作为堵漏材料备用。
　　2．4 钻头型式
　　开始钻进时采用了阶梯式四翼钻头(图1)和图3所示三翼钻头，实际应用发现四翼钻头糊钻较严重，对进尺不利。而图3所示三翼钻头是在图2所示结构上增加了一块与钻头国内径留有较小环形间隙的圆形板，其本意是使泥浆从周边冲刷孔底以利于中心抽渣，但因孔径大，环形间隙内的泥浆流速小，不足以冲刷孔底周边钻渣，且极易在粘土层糊钻，故实用中仍采用图2所示结构，施工实践表明，比较实用。
        3．钻机改进方案
　　通过工程考核，针对KQ2500A潜水钻机存在辅助时间长、工效低等一些问题，对机具主要进行了如下改进：
　　(1)钻杆接头：原为法兰螺栓连接方式，接换钻杆工效低。现改为六方接头加抗拉套结构，辅助时间缩短为原来的1／4左右。
　　(2)提升系统：将原5t慢速卷扬机改为3t快速卷场机，并将原钻杆提升速度1．5m/min提高为5m/min，提升时间缩短为原来的30％。
　　(3)钻头型式：以图2所示三翼钻头为基本型式，也可根据地质条件另行设计。
　　(4)增加正反循环排渣系统切换装置，减少了辅助时间，减轻了工人劳动强度。
　　(5)门架上增加了液压自动起落装置，提高了钻机的整体性能，便于成孔后钻机让开孔口，缩短了交检孔后沼注混凝土之前的钻架移位时间，提高了成桩效率。通过以上改进，可以大大提高工作效率。预计一个深度为100m的孔，辅助时间可以减少24h左右，每棵桩提高工效约20％。