1海上大直径钻孔桩成孔施工工艺.docx

1、1海上大直径钻孔桩成孔施工工艺海上大直径钻孔桩成孔施工工艺叶士辉 施建浩启东市建筑安装工程有限公司 邮编 226200【摘要】：本文主要介绍了海上大直径钻孔桩施工机械设备选择、泥浆配制、钻孔成桩等施工工艺。 【关键词】：钻孔灌注桩 钢护筒 泥浆 旋流除砂器 1 工程概况洋山深水港区东海大桥工程，北起上海南汇嘴、南经崎山区列岛西北侧的小乌龟山、大乌龟山、颗珠山到达大桥终点小城子山进入洋山港区，线路总长31.5km。大桥标段桥梁由PM335和PM336两只主墩组成，由上海建工集团总承包，我公司承担PM335主墩的桩基施工。地层主要为浅海相沉积地层，根据勘察报告及试桩成孔资料，其地层结构如下：土层层

2、号地层名称深 度(m)层底标高(m)层 厚(m)地层简述1淤泥质粉质粘土19.624.12-15.324.52夹较多薄层砂,土质极软1淤泥质粘土24.1232.90-24.108.78夹少量薄层砂,水平层理发育1粘土32.9039.73-30.936.83局部有粉细砂夹层,易堵钻粉质粘土39.7341.48-32.681.75含氧化铁斑迹,下部变相为砂质粉土，易堵钻1-1砂质粉土41.4845.00-36.203.52土质不均,局部夹少量薄层粘性土（护筒底标高为-34.20）1-2粉细砂4555.10-46.3010.1夹薄层粉质粘土,局部含有25cm砾石，易扩孔2粉细砂55.1095.80-

3、87.0040.7局部含少量25cm砾石,下部夹薄层粉质粘土及粉土，易扩孔2含砾中粗砂95.898.85-90.053.05夹较多薄层粉砂，易坍孔粉质粘土98.85108.01-99.219.16夹粉土,局部为坚硬状态,下部有砾石,易堵钻1粉细砂未钻穿-117.0217.87夹少量粉质粘土及粉土该桩基采用2500的钻孔灌注桩，施工作业采用海上平台，PM335墩钻孔桩共有38根，桩顶标高2.0m、桩尖标高112m，桩长110m，钢筋笼顶标高+0.7m、底标高111.55m，钻孔深度为120.8m，施工平台标高+8.8M(即护筒顶标高)，海床面标高为-10.8m。2 施工准备2.1 工艺选择由于本

4、工程钻孔深度达120.8m，直径为2500mm，下部砂层厚度达51m左右，在钻孔中必须保证及时排渣与孔壁的稳定。结合本工程钻孔桩的设计、工期和设备情况等综合因素，钻孔采用排除钻渣连续性好、功效较高的回转钻进、气举反循环的成孔工艺。气举反循环钻进对稳定孔壁及排渣非常有利，因为孔壁不受液流大流速冲刷，同时利用吸渣在底部，起到边钻进边排渣的作用。2.2 钢护筒设计和施工2.2.1钢护筒的设计护筒有固定桩位，引导钻头方向，隔离海水，保证孔口不坍塌，并保证孔内水位高出施工水位一定高度，形成静水压力，以保护孔壁免于坍塌等作用。海上深水施工成桩安全的关键是钢护筒的顶标高及打入深度。为确保成孔时有足够的水头压

5、力，钢护筒顶标高应高于最高潮水位标高4米以上，为防护筒内泥浆与护筒外海水反串，要求护筒底打入一定的深度。另根据试桩工程的地质情况，本工程的钢护筒底至少应进入粘土1层或粉质粘土层。为防止护筒底脚处的泥浆与护筒外海水反串，护筒应埋入深水河床一定的深度L，其计算公式如下(如图a)： （h+H）w-Ho （5.2+12.66）11.0-12.6610.0L= =10.75m d-w 17.5-11.0护筒内泥浆容重w取11.0KN/m3，水的容重o取10KN/m3。根据水文地质条件，钢护筒外河床土的饱和容重平均值d取17.5KN/m3。实际钢护筒入土深度为23.4m，安全系数K=2.17，完全可以满足

6、钻孔桩的施工要求。在深水河床护筒底端埋深确定的情况下, 考虑护筒底脚处的泥浆与护筒外海水反串，h有个最大值，其计算公式如下(如图b)： Ho +Ld 9.461.0+23.41.75hmax = -H-L= -9.46-23.4=12.97m w 1.10实际钢护筒hmax 为10.14m，所以不会出现因h过大而使护筒底脚处的泥浆与护筒外海水反串的情况。2.2.2钢护筒的施工设计钢护筒内径2700，壁厚t=16mm，上下两端1m范围设加强箍（壁厚t=14mm）。钢护筒底标高为34.20m，顶标高为+8.8m（与钢平台标高一致），总长度为43m，钢护筒材质为Q235(A3)，整根加工、吊装。为防

7、止钢护筒的变形，要求钢护筒加工及施工过程中有防止变形的措施，确保钢护筒的壁厚及圆整度。根据设计要求，护筒顶部往下5m13m范围内采取防锈措施（涂600m重防腐涂料）。钢护筒外导管的直径宜大于设计桩径40cm，钢护筒定位导向是在钢围堰中2900导管的底部以及顶部均设8块楔形导向垫块。导向按桩位中心位置准确安装，并上下准确对中。垂直度偏差用千斤顶辅助校正。钢护筒用350t浮吊挂D100柴油锤进行振埋。下沉钢护筒时的最大位移不得大于20cm，以防止钻头靠壁出护筒后提钻挂住管角。下沉好的护筒，与施工平台连接成整体。护筒下放好后要用铁丝网盖住护筒口，以防止铁块、钢筋等物体掉入孔内。钢护筒施工完成后，将护

8、筒之间用泥浆循环管联结起来，既能储浆又起到泥浆沉淀的作用。泥浆循环管直径在350mm以上，以满足自流的要求。2.3 机械设备的选择2.3.1 钻机的选择根据工程地质情况和试桩成孔过程中的实际情况，我们选择大直径、大扭矩回转式工程钻机。其中两台郑州QJ-250型钻机，一台中升ZSD300/210型钻机。2.3.2 钻头的选择我们针对本工程中成孔深度较深、且下部有厚度较大的密实砂层及粉质粘土层的特点，以及试桩成孔过程中暴露出的问题进行了分析，其中影响钻进速度最大的是层和层两层，不仅坚硬，且易堵钻头。对于1-1层由于是处于塑硬状态,也较难进尺。每延米进尺时间均超过两小时，部分甚至超过3小时。而层与-

9、1层粉细砂层标惯击数都在6080，且有钙质胶结，钻进速度较慢并且磨损钻头。根据实际情况我们对原四翼刮刀钻头进行了修改，并在钻头上面直接装置配重块，这样既保证钻头压力，又提高钻头工作稳定性和钻孔的垂直度。其示意图如下：考虑到本工程中的砂层对钻头磨损很严重，特备一只刮刀钻头作轮换修理用。另外，为防止地层发生变异，另配备一只2500滚刀钻头以作备用。2.3.3空压机的选择影响气举反循环成孔钻进的重要参数为压气量（m3/min），送入混合气室压气量的大小直接影响到钻孔内三相流的密度，即实现气举反循环所需的压力差，进而影响到泥浆的循环量及泥浆在钻杆内的上返速度。气举反循环空压机压力的配制：空压机压力设极

10、限孔深为118.5m时的最小沉没深度为h0min h0min=118.5/524mPmin=h0minrm/10+P式中：rm泥浆比重（泥浆比重取1.15）P管道压力损失，一般取0.51Kg/cm2Pmin =3.8 Kg/cm2，实际选取8 Kg/cm2的空压机进行施工。更换空气包时的钻孔深度P= h0maxrm/10+Ph0max=65m（成孔时气包至护筒水口的最大深度）由于孔深为118.5m（至水口），故在65m时需要更换气包。3 成孔施工工艺3.1 泥浆用水选择因海水中的氯离子对钢筋混凝土中的钢筋具有弱腐蚀性，故本工程对混凝土用水和成孔泥浆用水都有严格要求，泥浆用水的氯离子含量必须控制

11、在1200mg/L以内。船舶运送淡水无法满足需求量，故采取在平台打井取用现场地下承压水的办法解决钻孔用淡水供应问题。钻孔施工中，通过定期检测，严格控制泥浆中的氯离子含量。3.2 泥浆控制及循环系统3.2.1泥浆控制钻进过程中泥浆比重控制在1.15以内，使泥浆具有一定的液柱压力，以达到平衡孔壁外围地层压力，稳定孔壁，又能满足反循环施工工艺的要求。泥浆粘度控制在1825秒，以满足钻进护壁及二次清孔的要求。在淤泥质粘土层钻进时，为防止孔径扩大，保持孔壁稳定，宜采用粘度与密度较大的泥浆。在粘土层与粉质粘土层中钻进时，泥浆粘度与密度可适当降低。在砂层或终孔钻进时，泥浆应有较好的悬浮与携带钻渣的能力，粘度

12、值较高些。考虑到钢护筒下部地层为第四系全新统（Q4）地层,含大量的粉细砂层，局部含少量25cm砾石，为此在钻进过程中，除了采用自然地层造浆外，还应用优质钙质膨润土进行人工造浆。开始在护筒内钻进时，可不进行造浆，利用反循环钻进，直接把护筒内的钻渣抽出孔外，出护筒后在2层，利用反循环进行人工造浆。在砂层中钻进时，泥浆中的细砂粒如不清除掉，会使泥皮质量变坏，同样会影响护壁。为保证泥浆质量，就需要降低含砂量，以增加泥皮韧性，我们采用在泥浆循环系统中加一道旋流器除砂的办法来降低泥浆含砂量。3.2.2泥浆循环系统泥浆循环系统为：吸出的泥浆通过出浆管接到粗颗粒砂沉淀桶上方的大颗粒钻渣过滤网，过滤后通过重力净

13、化的泥浆流入二级沉淀筒，二级沉淀筒内的二台3PN泵抽到一台旋流除砂器内进行除砂，以达到尽可能降低含砂量的钻进工艺要求，然后通过旋流出浆管流入三级沉淀筒。经旋流除砂器分离出的废渣以及粗颗粒砂沉淀桶中的废渣则排放到泥浆船上运走。3.3 成孔技术参数3.3.1 钻压的确定一般第四纪松散地层采用翼状钻头，钻头压力控制在0.30.6kN/cm，钻头总压力等于钻头直径乘以单位钻头直径长度上的压力，即：P=p.D式中：P钻头总压力（N） p比压（0.30.6kN/cm） D钻头直径（cm）根据以上计算，我们此次钻头上加压约为15吨。为了保证钻孔的垂直度，有效钻压应为钻具总重的5070%。3.3.2转速的确定

14、大直径反循环钻进较其它钻进方法最显著的特点在于控制其转速，由于钻孔直径大，孔底全面切削、破碎，考虑钻头回转阻力矩，故钻头转速较低，按下式确定钻头的转速：n=36576/D 即：n=36756/2500=15（r/min）。钻机转速一般控制在转/分钟以内，整个成孔过程中钻机的钻进参数视地层的不同而有所差异，大体上分为三个部分：一是护筒内钻进；二是钻头出护筒至第层顶板钻进；三是第层及以下砂性土为主地层中钻进。在护筒内钻进时钻机的转速控制在12转，减压钻进时尽量减小钻头对孔底的钻压，使进尺速率保持在0.81.2m/h之间，特别是在开孔钻进时和在护筒底部时应控制在0.8m/h以下；在钻头出护筒至第层顶

15、板钻进时转速和钻压不宜太高，进尺速率可稍快。在第层及以下砂性土为主地层中钻进时，在保证悬吊钻进的前提下保证孔底有最大的钻压，粉细砂层的转速降到7r/min，在含砾中粗砂层中钻进时，一定要防止钻具有较大的晃动，以免扩孔，同时要根据孔内泥浆性能的变化不断进行补浆调整。3.4 成孔过程中的注意事项在成孔过程中，除了前面提到的钻速控制、泥浆性能指标等相关事宜需注意外，还应该注意以下几方面问题。3.4.1防止碰刮护筒本工程因在海域施工，受潮涨潮落等因素影响，钢护筒的垂直度一般都在1左右，且护筒内径只比钻头大20cm。因此在护筒内钻进时，操作人员一定要加强注意，一旦发现有碰撞护筒现象，应及时判断并采取相应

16、措施。3.4.2泥包现象在、层、层粘土层钻进中由于粘土层粘度较高，较为致密，容量形成泥包现象。泥包钻头对孔壁稳定危害极大，糊钻、钻头泥包之后不仅钻速骤降，更严重的后果是泥包钻头恰似一个活塞，在提钻时由下而上产生强烈的抽吸作用，钻孔局部形成负压空腔，地下水补给会造成孔壁严重垮塌。虽然我们已对钻头作出相应修改等措施，但在施工时仍有泥包现象出现。针对泥包现象，我们采取以下措施：（1）设计采用单腰带四翼刮刀钻头钻进，钻头结构简单，反循环水路通畅，对软粘土地层切削性好，孔底泥块粘着面小，排渣通畅，有利于减少泥包钻头。（2）在加深钻杆或因其它原因停钻时必须空钻循环，把悬浮在钻杆内及孔底的泥块钻渣排除干净，

17、避免沉聚孔底。特别在刚进入粘土层时，应放慢钻速，让切削下来的钻渣及时排出，以免包住钻头。（3）钻进给进速度与排渣速度平衡，不让孔底聚集钻渣，每钻进1米左右，上下窜动几次钻具，以利排除孔底钻渣，也能破坏钻头上的粘着的泥块。（4）可通过加深气包的埋入深度或增大风量来增大排浆量的办法减少泥包现象。3.4.3砂层中钻屑的悬浮及沉淀由于砂层较厚且钻屑大量悬浮，砂不易清除，在试桩施工时，泥浆的含砂率竟高达。因此，在砂层中钻进时，每钻完一根钻杆，必须进行停钻除砂。另外钻进砂层时，旋流除砂器需一直开着且控制在最大排砂量。 经实测，经旋流除砂器的泥浆比未经旋流除砂器的泥浆，其泥浆比重可降低0.30.5，砂率可降

18、低2%3%。因此，在泥浆池和沉淀池容量有限的情况下，使用旋流除砂器可较大幅度地降低泥浆比重和砂率。为降底含砂率，我们在砂层中钻进时，提高泥浆的粘度，增强泥浆的携砂能力，防止在加接钻杆时泥浆中的砂迅速沉淀，堵塞钻杆及双壁间的气举通道。3.4.4孔壁漏浆处理在钻进漏失严重的卵石层时，需调整泥浆的性能指标，使粘度达到2540秒或更大。比如向泥浆中加入锯末粉等固形式物。如无锯末粉等固形式物时，可加适量水泥(每立方米泥浆17Kg)和膨润土（每立方米泥浆55Kg），经循环均匀后，停止钻进。待静止二十四小时后，在孔内加泥浆，如能保持适当水位不再下降，可继续钻进。3.4.5终孔一清工作因本工程孔深达120.8

19、米，且砂层较厚，成孔后到灌注的时间间隔较长，另外，本工程因在海上平台施工，受天气变化等因素影响较大，不确定因素较多，因此对成孔后的一清工作和泥浆指标要求较高，终孔后应要全泵量多次提动钻具扫孔，以利于再次打碎泥块，排尽孔底沉渣，并将泥浆含砂率降到2%以下，泥浆比重控制在1.10左右，粘度在20S左右。在达到要求后方可进行下一道工序，且在提钻后必须控制好水头高度，以防液面下降而影响孔壁稳定。4 结束语东海大桥PM335平台桩基工程自2003年5月3日开工到9月3日完成了全部38根桩的施工，从施工情况来看，单桩成孔时间为6天左右，是试桩成孔时间的一半，从超声波检测及砼灌注情况看，无论是孔径、垂直度、沉渣厚度还是泥浆性能指标均达到规范和设计要求。参 考 文 献1 段新胜 顾湘，桩基工程，中国地质大学出版社,1998年4月，第三版2 钻探工艺学，中国地质大学出版社3 JTJ248-2001，港口工程灌注桩设计施工规程4 JTJ 25098，港口工程地基规范5 DGJ008-11-1999，地基基础设计规范，上海，19996 JTJ041-2000，公路桥涵施工技术规范7 DBJ08-202-92，钻孔灌注桩施工规程，上海，1992 8 JTJ275-2000，海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范