淺談大型反循環回旋鉆機在虎門二橋索塔樁基施工中的應用

范鵬

【摘要】主要介紹了虎門二橋坭洲水道橋超高索塔樁基礎鉆孔灌注樁施工的基本情況，并以東塔索塔（以下簡稱坭洲東塔）樁基鉆孔施工為例，總結了一些實用的施工經驗，為今后在珠三角地區泥質粉砂巖中鉆孔施工提供借鑒。

【關鍵詞】超高索塔樁基礎；反循環鉆機；泥漿；球齒鉆頭

FanPeng

（Guangdong Provincial ChangDa Highway Engineering Co.，Ltd.，Guangzhou 510075，China）

1.工程概況

虎門二橋坭洲水道橋跨越珠江坭洲水道主航道，橋跨布置為658m+1688m+522m（鋼箱梁長度為548+1688），全長2868m，為雙跨鋼箱梁懸索橋，塔高252m。其中過渡墩、東索塔、西索塔、東引橋1～3#墩均位于珠江河道中。

索塔采用圓端啞鈴型承臺，平面總尺寸為90.43（橫橋向）×34.8（順橋向），承臺厚7m，承臺系梁寬14m，與承臺等厚，承臺頂標高為+4.0m。根據橋塔塔位的地形、地質、水文和環境等自然因素以及巖層情況，設計采用群樁基礎，單樁直徑為φ2.8m，東、西索塔共計128 根。樁基鋼護筒采用壁厚18mm的Q235鋼板卷制而成，鋼護筒內徑為3.0m，西側索塔單根樁基鋼護筒長度為20m，東側索塔單根樁基鋼護筒長度為16m。

2.總體施工布置

2.1施工場地布置

2.1.1施工棧橋及平臺

由于是水上施工，因此需搭設水上施工平臺來施工，施工平臺分棧橋、輔助平臺和鉆孔平臺三部分。棧橋及輔助平臺承擔起重設備及施工運輸車輛等荷載，采用φ820×8mm螺旋管作管樁基礎，其上依次包括I45工字鋼墊梁、貝雷承重梁、I25工字鋼分布梁以及反扣[28槽鋼面板；鉆孔平臺則承擔鉆孔設備及材料堆放荷載，亦采用φ820×8mm螺旋管作管樁基礎，其上依次包括HM588型鋼承重梁、I25工字鋼分布梁及8mm厚鋼板面板。

2.1.2施工機械布置

樁基成孔設備采用大型反循環鉆機施工，布置武橋重工制造的KTY3000B型、KTY4000型以及寧波中銳制造的ZJD4000型等鉆機8臺（后期為加快施工進度，增加至9臺）。參考其鉆機技術參數，結合鉆機移機、提鉆等吊裝需要，起重設備考慮布置80T龍門吊兩臺，S1200塔吊一臺，另外配置一臺80T履帶吊作機動起重設備。

2.2樁基施工順序安排

根據總體進度計劃安排、鉆孔平臺空間以及鉆樁平臺受力要求等因素，主墩

樁基施工必須按既定順序進行。為方便施工將各墩樁基劃分為8 個施工區域，每個區域內各投入1 臺鉆機，各個區域內的數字表示鉆孔的先后順序，主墩樁基按順序1～8#依次進行樁基施工。特殊情況下需調整時，必須滿足相鄰樁位不同時施工的原則，以防止竄孔、塌孔等事故發生。各墩樁基鉆孔施工順序詳見下圖所示：

2.3施工工藝概述

2.3.1反循環鉆機工作原理

施工所用反循環鉆機均為液壓動力鉆機，具體工作原理如下圖：

由動力頭驅動鉆桿，鉆桿帶動鉆頭回轉鉆進，采用氣舉反循環的排渣方式，其動力傳遞路徑為：電動機→液壓泵→液壓馬達→動力頭。

2.3.2成孔施工工藝流程

鉆孔施工基本工藝流程為：測量并設定樁位中心→鉆機就位對中→下放刮刀鉆頭→正循環造漿開鉆→反循環鉆進→入巖前更換滾刀鉆頭→鉆孔至設計標高→終孔檢測→清孔→提出鉆頭移機→下放鋼筋籠及導管→二次清孔→灌注水下混凝土。

每根樁基成孔施工均按以上工序循環施工，每道工序緊密銜接，并派專人跟蹤控制。

3.施工難點及要點

3.1 鉆機選型

3.1.1鉆機技術參數

武橋重工制造的KTY3000B型全液壓動力頭鉆機是在KPG3000型全液壓工程鉆機的基礎上結合當今國際先進技術經過兩次優化設計而研制的，其技術參數主要為：巖石單軸抗壓強度σc≤200MPa的基巖中任選孔徑下鉆進，鉆進深度可達130m，鉆孔直徑可達3.0m；動力頭轉速0～7rpm時，扭矩200kN·m，動力頭轉速0～15rpm時，扭矩100kN·m。而武橋重工制造的KTY4000和寧波中銳制造的ZJD4000鉆機在3000型鉆機的升級版，在扭矩和鉆孔直徑上都有了較大提高，其技術參數主要為：巖石單軸抗壓強度σc≤120MPa的基巖中鉆孔直徑可達4.0m，單軸抗壓強度σc≤200MPa的基巖中鉆孔直徑可達3.5m，鉆進深度均可達130m；動力頭轉速0～6rpm時，扭矩300kN·m，動力頭轉速0～15rpm時，扭矩120kN·m。根據本項目的地質情況和樁孔直徑，以上三種鉆機均滿足施工要求。

3.1.2鉆頭鉆壓選擇

鉆壓依據地質情況、設備提升能力、鉆頭類型等因素確定，一般以能壓入巖石為下限，不損壞軸承為上限。覆蓋層中鉆進采用刮刀鉆頭時，僅鉆具及鉆機的自重提供的鉆壓就能滿足鉆進要求，因此一般不需要增加配重塊。入巖后改換滾刀鉆頭在巖層中鉆進時，鉆壓過低鉆頭滾刀齒刃在巖石上滑動，不僅不能破巖，還將加速齒刃的磨損；鉆壓過大，會過早損壞鉆頭滾刀軸承。為保證較高的鉆進速度，必須選擇合理的鉆壓，根據坭洲水道橋東塔樁基的實例經驗，鉆壓宜為鉆頭上所有滾刀軸承設計承載力之和的80%。

另外在鉆壓應根據實際地層情況不斷調整，在鉆基巖時，應根據所選鉆頭類型和破巖比壓調整鉆壓；在鉆松散底層時，所施加給孔底的的壓力應以保證泥漿反循環暢通，并以及時清除鉆渣為前提，以免堵塞鉆桿風包頭。

3.1.3鉆頭類型選擇

反循環鉆機的鉆頭以滾刀鉆頭和刮刀鉆頭為主，滾刀鉆頭適應于巖層鉆進，分楔齒型和球齒型，而刮刀鉆頭適用于覆蓋層及強風化巖層鉆進。選擇一種適用的鉆頭，是保證鉆進效率的重要措施。

以坭洲水道橋東塔試樁為例，樁底標高為-62～-65m，入巖深度平均在30m左右，巖層以風化泥質粉砂巖或微風化中砂巖為主，飽和單軸極限抗壓強度為14.9～50.3Mpa，屬極軟巖或較軟巖。該類巖層是由沙粒經過水搬運沉淀于河床上，經千百年的堆積堅固并經地質物理作用膠結而成的巖石，其成分主要為粉砂，含少量粘土礦物及膠結物。我們先在巖層中使用楔齒型滾刀鉆頭鉆進，每天進尺為1.0～1.2m，進度不理想。為加快鉆進功效，我們對鉆齒進行以下分析：a.楔齒較為尖利，與巖面接觸時能提供較大壓強以破碎巖層，然而該巖層均為軟巖，裂隙不發育，難以達到較好的破碎效果；b.巖層含砂量大，鉆進中楔齒材質易磨損，需更換頻繁，費時且不經濟。鑒于以上幾點，在多方研究調查后，決定采用球齒型鉆頭鉆進，實踐證明球齒鉆進功效提高了30%～50%，磨耗更小，節省了更換鉆齒所需提鉆頭、拆鉆桿時間，保證了施工進度。

3.2泥漿調制及監控

3.2.1造漿材料

為保證泥漿質量，更好的配合樁基施工，項目部建立了工地泥漿試驗室，調制適合現場水文地質條件的高級泥漿，其主要由水、膨潤土和添加劑組成。造漿用水主要是自來水或低潮水，膨潤土采用鈣質膨潤土，添加劑主要有純堿、CMS、PAC141及PAC142等。其中純堿用以增大PH值，提高泥漿膠體率及穩定性；CMS則增加泥漿抗鹽性；PAC141和PAC141用來提高粘度和膠體率。

3.2.2泥漿調制流程

在鉆機開鉆前，跟實際地質情況制定有針對性泥漿調制流程，并對施工作業人員進行技術交底，保證泥漿在可控范圍內，具體流程如下圖：

3.2.3鉆進濾砂

泥漿中含砂率大，會導致粘度降低，沉淀增加，容易磨損泥漿泵及水龍頭、鉆頭等鉆具；長時間鉆進，砂也會附著在孔內泥皮護壁上，增大泥皮厚度和密度，增加坍孔風險。在坭洲東塔的鉆進過程中，為提高濾砂效率，選擇黑旋風除砂器除砂。除砂時間應根據鉆進進尺來確定，其中砂層鉆進每天應不少于12個小時，砂巖層中鉆進每天不少于2小時。另外，濾砂時大量砂粒從泥漿分離后，要及時補充孔內泥漿，以保證樁護筒內外水頭差，防止坍孔。

3.4施工總結

3.4.1粉砂巖中鉆進濾砂

泥質粉砂巖結構呈顆粒狀，顆粒特別細小，其砂直徑約為1/16-1/250mm，而目前市場上常用黑旋風除砂器分離粒度為D50=0.06mm，難以滿足鉆進要求。為此我們在各臺鉆機實際施工過程中，采集大量數據，分析比對后，發現適量降低泥漿比重，讓砂粒自然沉淀能加快粉砂分離，另外還可以設置連通管與相鄰樁基護筒連通，加長泥漿循環通道，保證粉砂自然沉淀所需時間，根據結果來看該辦法經濟而有效，值得類似后續工程借鑒。

3.4.2起重設備布置

根據坭洲東塔樁基施工的過程來看，配置兩臺80T龍門吊、一臺S1200塔吊和一臺80T履帶吊是完全能滿足施工中的起重設備要求的。我們使用9臺回旋鉆機體型均較大，整機（除鉆頭及鉆桿外）重量約40～50T左右，鉆頭及配重約36～40T。而80T龍門吊和S1200塔吊的起重能力為樁基終孔后鉆頭鉆桿拆除及鉆機整體移機就位提供方便，節省了因起重能力不足鉆機構件安拆移機的時間；另外配置大型的起重設備也有利于處理鉆進過程中坍孔埋鉆、卡鉆等突發事故，縮短處置時間，減少經濟損失。

3.4.3施工用電配置

整套反循環回旋鉆機鉆進時，主要用電部件有液壓站（為鉆機提供動力輸出）、空壓機（氣化泥漿，形成反循環系統）、泥漿處理器（分離鉆渣及砂粒）。KTY3000B、KTY4000及ZJD4000型鉆機的液壓站均由3臺大功率和1臺小功率電動機組成，總功率分別為：240KW、285KW和285KW；空壓機為每臺鉆機獨立配置，功率為160KW，泥漿處理器可以兩臺鉆機配一臺，功率為55KW。坭洲東塔樁基施工電力配置上，使用的是5臺630KW的變電站，考慮不是同時啟動和不會滿負荷運轉，完全可以滿足8套鉆機同時施工。而實際上，為加快坭洲東塔樁基施工進度，高峰時期增加到9套鉆機同時施工時，電力配置仍能滿足施工需要，保證了樁基的順利完成。

4.結束語

虎門二橋坭洲東索塔樁基通過使用KTY3000B、KTY4000及ZJD4000型等反循環回旋鉆機施工，工程按原計劃順利完成。針對珠三角地區的泥質粉砂巖層的鉆樁施工，在施工平臺設計、鉆機性能、鉆頭選擇、泥漿控制、起重設備和用電配置等方面積累寶貴施工經驗。

參考文獻：

[1] 中交公路規劃設計院有限公司、廣東省公路勘察規劃設計院股份有限公司

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