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黄 凯
(深圳市工勘岩土集团有限公司，广东 深圳 518063)
在滨海滩涂、人工填海造地，或具有深厚淤泥、砂层，周边环境存在建(构)筑物、桥梁等复杂地层中施工大直径深长嵌岩灌注桩时，经常出现塌孔、颈缩、灌注混凝土充盈系数过大等一系列问题，为了更有效、快速、安全地在以上地层条件下进行灌注桩施工，通常情况下会采用深长套管隔绝不良地层，并选择常规旋挖钻机凿岩钻进，但振动锤压拔钢套管的激振力、旋挖嵌岩振动力和旋挖钻机来回行走产生的挤压力对地基及周边环境会造成较大不利影响，因此施工方案的选择尤为重要。
1.1 工程位置及规模
珠海横琴某项目新建匝道桥梁总长754m，共计26跨，桥墩采用独柱墩加小盖梁形式，桩基设计采用钻孔灌注桩，为2根φ1.8m或φ2.0m灌注桩，浇灌C45水下混凝土，桩端持力层为中风化或微风化岩层，其中φ1.8m桩进入持力层≥3.6m，φ2.0m桩进入持力层≥4.0m，平均桩长77.5m(桩成孔深度超过既有桥桩长)。
场地原始地貌单元属滨海滩涂地貌，原地势低洼，后经人工填土、吹砂填筑而成，岩石上部覆盖层平均厚度约71.8m，主要地层包括素填土厚3.86m、冲填土厚2.76m、淤泥厚14.62m、粉质黏土厚10.90m、淤泥质土厚6.88m、砾砂厚37.28m，下伏基岩为燕山三期花岗岩，其中强风化花岗岩厚1.89m、中风化花岗岩厚10.66m(岩石饱和单轴抗压强度标准值frk=25.8MPa)。
1.2 现场施工情况
2020年6月，该桥梁改造工程开工。针对此类不良地层条件及特殊周边环境的桩基础工程施工，提出一种灌注桩全套管全回转钻机与气举反循环钻机(以下简称“RCD钻机”)全断面入岩组合钻进成桩的施工方法，针对上部土层采用全套管全回转钻机下入套管护壁、冲抓出土成孔，防止成孔过程中出现颈缩、塌孔问题，确保周边建(构)筑物安全稳定；
针对大直径硬岩则采用RCD钻机进行全断面研磨破碎，再通过气举反循环排渣系统配合清渣；
最后，采用全回转钻机平台灌注桩身混凝土，并起拔护壁全套管，保证了在场地情况苛刻的条件下高效、安全、环保地完成灌注桩施工。
2.1 适用范围
该方法适用于大直径、嵌岩深、地质条件及周边环境复杂的桩基础施工，尤其是处于无法利用旋挖钻机进行入岩成桩的地理环境下，如旋挖钻机施工作业面不足、不具备旋挖钻机进场通道、海上作业、周边场地承载力不足、严格控制施工操作振动影响等情况。
2.2 技术路线
2.2.1施工关键问题
1)实现超深孔上部覆盖层(淤泥、砂等)超深超长的钻孔护壁(平均厚度71.8m)，防止塌孔影响邻近既有桥梁桩和周边地面沉降。
2)实现大断面硬岩的高效钻进，并有效减少入岩振动对周边环境的干扰。
3)采用超长套管护壁的情况下，采用起重机起拔困难，利用振动锤产生的激振力大，对周边的负面影响大。
2.2.2解决技术方法
1)钻进过程中同步下入全套管护壁，采取全套管全回转钻机钻进边抓斗取土边旋入套管，完成上部土层钻进。
2)大直径硬岩钻进采用RCD钻机配置牙轮钻头全断面一次性入岩成孔，利用RCD钻机的大扭矩和钻头研磨入岩，无振动影响；
同时，采用RCD钻机配置的气举反循环排渣系统，实现对超深孔底清孔。
3)终孔后，再次利用全套管全回转钻机灌注桩身混凝土，并通过液压起拔超长钢套管；
现场采用1台全套管全回转钻机配置2台RCD钻机，可确保现场钻机设备合理利用。
2.3 原理分析
针对不良地层和复杂周边环境的大直径深长嵌岩灌注桩，采用全套管全回转钻机与RCD钻机组合钻进成桩施工工艺，即首先采用全套管全回转钻机全长套管护壁，配合抓斗进行硬岩上部桩体开挖成孔作业，然后换用RCD钻机就位进行全断面破岩钻进至设计桩底标高，吊放安装钢筋笼，再重新使全回转钻机就位，完成桩身混凝土浇灌及套管起拔，全流程如图1所示(①全套管全回转钻机冲抓取土→②RCD钻机破岩→③钢筋笼吊装 →④一边灌注桩身混凝土一边起拔套管)。
图1 施工全流程
以下原理分析以珠海横琴某桥梁改造项目桩基础工程为例进行说明。
2.3.1超长钻孔全套管护壁原理(全套管全回转+抓斗钻进土层成孔)
由前述场地地层情况可知，该项目填土、淤泥、黏土、砾砂不良地层总厚度约为55m，地层条件极不稳定，灌注桩在此类地层中钻进施工时易发生塌孔、颈缩等质量事故，需采取全套管护壁辅助钻进施工，以全套管全回转钻机旋转下压套管至基岩面，利用管壁支撑土体，套管后续在RCD钻机钻进作业时，也对钻杆起到定位引导作用，然后利用起重机起吊释放抓斗落入套管内土层中实现冲抓取土，如图2所示。
图2 全套管全回转+抓斗钻进土层成孔
2.3.2全断面硬岩研磨钻进原理(RCD钻机牙轮钻减振钻进硬岩成孔)
2.3.2.1RCD钻机研磨岩体钻进
1)RCD钻头结构 RCD钻机的钻杆底部连接RCD钻头(见图3)，相关结构特征及参数具体为：①RCD钻头底部为平底式设计，底部布置球齿滚刀，滚刀底部设置基座与钻头底部相连，基座固定相对于钻头底部不可移动，滚刀可沿基座中心点转动，如图4所示；
②RCD钻头顶部连接中空钻杆(见图5)，单根钻杆长3.0m，采用法兰式结构，中心管为排渣通道，管壁外侧有2根通风管，钻杆法兰间采用高强螺栓和销轴连接；
③RCD钻头底部设置2个圆形送气孔和1个方形排渣孔(见图4)，其中空压机产生的压缩空气通过通风管，经送气孔吹入孔底，切削岩石产生的碎屑则混合泥浆经过方形排渣孔，沿钻杆中空通道上返至地面；
④钻头上部可根据需要设置2～3块圆柱体配重块(见图3)，每个配重块重约2.3t，配重为钻头提供竖向压力，加强研磨破岩效果。
图3 RCD钻头
图4 RCD钻头进浆、进气孔
图5 钻杆
2)RCD钻头研磨岩体原理 RCD钻机利用动力头提供的液压动力扭动钻杆并带动钻头旋转，钻进过程中钻头底部的各球齿滚刀绕自身基座中心点持续转动，滚刀上镶嵌有金刚石颗粒，金刚石颗粒在轴向力、水平力和扭矩作用下连续研磨、刻划、犁削岩石，逐渐进入岩石，并对岩石造成挤压，当挤压力超过岩石颗粒间的连接力时，部分岩石从岩层母体中分离出来成为碎岩，随着钻头的不断旋转压入，碎岩被研磨成细粒状岩屑随着泥浆排出桩孔，整体破岩钻进效率大幅度提高，显著缩短施工工期。
2.3.2.2气举反循环清渣排土
大幅度提升嵌岩钻进施工效率除了有赖于钻头对岩体的研磨破碎作用，还需结合高效的吸排渣系统设计。在该项技术中，采用空压机产生的高风压通过RCD钻机顶部连接接口沿通风管冲入孔底，空气与孔底泥浆混合导致液体密度变小，此时钻杆内压力小于外部压力形成压差，泥浆、空气、岩屑碎渣组成的三相流体经钻头底部方形排渣孔进入钻杆内腔发生向上流动，排出桩孔至沉淀箱；
沉淀箱分为3级分离，第1级采用筛网初分气体和固体，第2，3级采用沉淀分离，进一步分离出混合液体中的气体和固体；
最终，气体排入大气，岩屑碎渣集中收集堆放，泥浆则通过泥浆管流入孔内形成气举反循环，完成孔内沉渣清理。RCD钻机气举反循环清渣排土如图6所示。
图6 气举反循环清渣排土
2.3.2.3超长套管起拔
灌注桩身混凝土时，随管内混凝土面的上升，采用全套管全回转钻机逐节起拔拆卸护壁套管。套管拔出过程中需保证管内混凝土面高于套管底口2～4m，且套管在混凝土中的埋置深度≤10m，否则可能无法拔出。
复杂条件下大直径深长嵌岩灌注桩全套管全回转钻机与RCD钻机组合钻进施工工序流程为：施工准备→孔口平台吊放就位→全套管全回转钻机吊装就位→土层段全套管全回转钻机全套管护壁抓斗取土钻进→全套管全回转钻机移位、RCD钻机吊装就位→终孔后RCD钻机移位→吊放钢筋笼→全套管全回转钻机吊装就位→安放灌注导管及二次清孔→全套管全回转钻机灌注桩身混凝土及起拔护壁套管。
3.1 施工准备
1)平整场地，土质疏松地段回填砂砾石压实处理，必要时在场地内铺设厚钢板，保证施工区域内起重机、混凝土运输车等重型设备行走安全。
2)桩中心控制点采用全站仪测量放样，使用油漆喷出桩边缘线，便于后续摆放孔口平台，并拉十字交叉线对桩位进行保护。
3)考虑到桩位难免存在被破坏的情况，个别桩位在摆放孔口平台前可进行复测。
3.2 孔口平台吊放就位
1)因全套管全回转钻机和RCD钻机自重和尺寸大，为防止机械设备放置地面的集中荷载对地基造成沉降，同时也为了避免全套管全回转钻机因不均匀沉降倾斜作业导致起拔套管损坏已灌注的桩身混凝土及钢筋笼，设计采用一种扩大地基接触面积的孔口平台(见图7)，形成全套管全回转钻机和RCD钻机的统一公共作业面，其尺寸及结构应适用于2种钻孔设备共同使用。
图7 孔口平台
2)孔口平台由I56c制成，主龙骨“井”字形为双拼形式，其余为单根加强，如图8所示；
平台接地面侧使用16mm厚钢板分散压应力，钢板与龙骨工字钢分段焊接，间距500mm/道焊缝，焊缝长100mm，平台底板布置如图8所示。
图8 龙骨及底板布置、平台尺寸
3)采用起重机将平台缓慢起吊放置于桩位上，使平台中心与桩中心重合，并通过拉十字交叉线进行定位复核，如平台中心与桩中心未能重合，则重新起吊平台人工移动对中后下放，直至中心重合为止。
3.3 全套管全回转钻机吊装就位
1)首先吊放定位平衡板(定位平衡板为全套管全回转钻机配套的支撑定位平台)，在平衡板上设置十字交叉线形成板中心点，并在中心点引出1条铅垂线对齐桩中心，即可保证平衡板中心与桩中心重合。
2)定位平衡板上设有4个固定位置和尺寸的限位圆弧，当全套管全回转钻机安置于平衡板上时，两者即可满足同心同轴状态，则钻机中心、平台中心及桩中心“三点一线”重合。
3.4 土层段全套管全回转钻机全套管护壁抓斗取土钻进
1)全套管全回转钻机就位后，起吊首节钢套管对位桩中心放入钻机卡盘内部，夹紧卡盘固定钢套管，全套管全回转钻机通过左、右两侧回转油缸的反复推动使套管转动，首节钢套管下方头部带有合金刃脚，加压使套管一边旋转切割土体一边向下沉入地层。
2)下放时采用全站仪对准钢套管外侧进行垂直度调整及检测，当发生套管倾斜应立即停止作业，取土回填，将套管重新拔起后再次下放，如底部出现不明障碍物使套管倾斜，则采用冲击锤或以人工的方式将障碍物破除后再进行套管纠偏处理。
3)首节套管固定后进行平面位置及垂直度复测和精调工作，确保套管对位准确、管身垂直。
4)采用起重机配合抓斗抓取套管内土体，提升抓斗至距离土面4～5m，通过起重机快速下放的功能使抓斗迅速下落，利用抓斗的自重和冲击力贯入土层，提升吊索使抓斗头部夹片回扣夹紧土体提出管外。
5)冲抓作业时，起重机操作员要注意观察抓斗钢丝绳的下放距离，计算土面至套管底的距离≥1.5倍管径，否则可能出现过度超挖情况，导致套管底部下方土层不稳形成塌陷。
6)现场一边冲抓取土一边采用挖掘机配合渣土清运出场，防止泥土堆积过多，保持现场文明施工。
7)完成首节套管内土体抓取后进行套管接长，使用螺旋锁扣件连接，套管间设置定位销，使套管准确对位并承受旋转时的剪力作用，锥形环焊接在钢套管上，套管对接后使用六角扳手扭紧承托环，锁紧套管，完成对接。
8)完成第2节钢套管压入土层后，继续抓斗冲抓取土，重复以上抓土、接长下入钢套管等步骤，直到将钢套管压入岩层顶面，此时抓斗无法继续进行抓土操作，桩孔上部土层完成全部清挖。
3.5 全套管全回转钻机移位、RCD钻机就位
全套管全回转钻机吊离桩孔，移位后桩孔如图9所示；
将RCD钻机吊运放置于桩位正上方，钻机中心与桩位中心重合。
图9 全套管全回转钻机移位后桩孔
3.6 RCD钻机全断面破岩钻进
1)启动空压机，打开球阀，在钻头中通入压缩空气。
2)开动钻机钻进，钻机利用动力头提供的液压动力扭动钻杆并带动钻头旋转，依靠钻头底部的球齿合金滚刀与岩石摩擦钻进，泥浆携空气及破碎岩屑经由中空钻杆被举升到沉淀箱，分离出气体和岩屑后流回至钻孔中实现循环。
3)钻进时注意钻孔平台保持水平，以保证凿岩钻进垂直度。
4)在正常施工过程中，为保证钻孔垂直度，采用减压方式钻进，始终使加在孔底的钻压小于钻具总重(扣除泥浆浮力)的80%。
5)升降钻具应平稳，尤其是当提升钻头至钢套管底端附近位置时，必须防止钻头勾挂钢套管。
6)破岩过程中随着进尺入深需加接钻杆，接长钻杆时先停止钻进，将钻具提离孔底15～20cm，维持冲洗循环10min以上，以完全除净孔底钻渣并将管道内泥浆携带的岩屑排净，再停机进行钻杆接长操作。
7)钻杆连接螺栓须拧紧牢固，认真检查密封圈，以防钻杆接头漏水、漏气，使反循环清渣无法正常进行。
8)破岩钻进过程中，认真观察进尺和排渣情况，钻孔深度可通过钻杆长度进行测算，因此每次钻杆接长都要求详细记录钻杆长度，并通过排出的碎屑岩样判断入岩地层情况。
9)钻进过程中应连续操作，不宜中途长时间停止，尽可能缩短成孔周期，因故停止钻进时，严禁将钻头留于孔内。
3.7 RCD钻机移位
1)当RCD钻机完成入岩钻进至设计桩底标高时，移开RCD钻机。
2)由监理工程师对孔深进行检查签证，并提取水样确认清孔质量，达到相关标准要求后方可吊装钢筋笼。
3.8 吊放钢筋笼
1)钢筋笼吊点设于与钢筋笼重心同一垂直线上，且吊点应在重心纸上(吊点与钢筋笼重心的连线和重物的横截面垂直)，使钢筋笼垂直起吊，禁止斜吊。
2)当采取多点起吊钢筋笼时，应使各点的合力作用点在钢筋笼重心的位置之上，且须正确计算每根吊索长度，使钢筋笼在吊装过程中始终保持稳定位置。
3)采用起重机吊运钢筋笼至孔口上端，机械吊运时要密切配合、统一指挥。
4)钢筋笼入孔后，观察笼体竖直度，将其扶正徐徐下放，下放过程中严禁笼体歪斜碰撞孔壁。
5)下放至笼体上端最后1道加强箍筋接近钢套管顶沿时，使用2根型钢穿过加强箍筋的下方，将钢筋笼勾挂于钢套管上，进行孔口接长操作。
6)完成钢筋笼孔口接长后，继续吊放笼体至孔底。
3.9 全套管全回转钻机吊装就位
1)重新将全套管全回转钻机放置于孔位平台上，使钻机中心与平台中心、桩中心重合。
2)完成全套管全回转钻机就位后，准备进行桩身混凝土灌注。
3.10 安放灌注导管及二次清孔
1)灌注桩身混凝土前，对灌注导管进行水密试验及接头抗拉试验，根据相关规范要求，水密试验水压应不小于孔内泥浆压力的1.5倍，并在下放导管前检查管体是否干净、畅通、有无小孔眼及止水型密封圈完好性。
2)二次清孔在完成钢筋笼吊放及灌注导管安装后进行，目的在于清除下放钢筋笼及导管时可能产生的刮壁掉落泥皮和停钻后形成的沉渣，以达到灌注水下混凝土所需的要求。
3)二次清孔采用压气反循环法，出浆管为混凝土灌注导管，导管顶部安装专门的清孔头帽，使之既可接入高压风管，又可接出浆管。
4)从灌浆管内部下入高压风管进行清孔，清孔过程中要注意补充孔内泥浆，维持孔内水头高度。
5)二次清孔完成后，立即报监理工程师检验复测沉渣厚度，达到要求后，随即拆除清孔头帽和高压风管，准备进行桩身混凝土灌注作业，其间隔时间越短越好。
3.11 全套管全回转钻机灌注桩身混凝及起拔护壁钢套管
1)完成清孔后，安装灌注漏斗，准备进行桩身混凝土浇灌。
2)灌注过程中，每灌入1斗混凝土后即时测量孔深，测算混凝土高度和导管埋深，保证套管在混凝土中的埋置深度≥2m。
3)混凝土灌注面超过管底8m后准备起拔钢套管，采用全套管全回转钻机缓慢扭动起拔顶节钢套管。
4)钢套管拔出前再次进行混凝土面测算，确认拆除钢套管后灌注导管埋深在2～6m方可进行拆除作业。
5)如钢套管拆除时出现无法正常拆卸情况，直接采用氧气焊割除，避免造成混凝土中断时间过长。
6)每节钢套管完成整体拔除出孔后，采用起重机运离孔口集中堆放。
7)完成桩身混凝土浇筑后，及时采取孔口围护措施。
4.1 组合钻进工效显著
采用全套管全回转钻机与RCD钻机组合钻进成桩施工工艺，充分发挥两种机械设备的优势，既能适用于现场存在不良地层的情况，又能有效保证入岩施工效率、加快施工进度，实现现场绿色文明施工，最大限度地降低对周边环境的影响。
4.2 破岩效率高
采用RCD钻机入岩施工，配置全液压动力旋转头，提供大扭矩及推力通过钻杆传递至钻头刀盘上，有效“攻克”坚硬岩层，钻机可随地质条件的不同选取不同配重进行孔底加压，确保成孔垂直度，达到高效破岩目的。
4.3 质量有保证
入岩钻进过程中，利用气举反循环系统将切削下来的破碎岩屑排出，通过泥浆过滤系统筛分气体、固体、液体，达到排渣和清孔的目的，在混凝土灌注前再次利用导管二次清孔，确保孔底沉渣符合要求；
同时，钻进全过程采用钢套管护壁，避免了地层条件不佳可能导致的塌孔影响，是一种保证优良施工质量的施工方法。
4.4 现场文明施工
采用RCD钻机，体积相对较小，质量较小，拆装钻杆及钻头安全便捷，施工振动小，噪声低；
该项技术采用特制泥浆箱进行钻渣沉淀排出及泥浆循环利用，泥浆流通过程中无外溢，避免了泥浆外运处理等泥浆造成的环境污染问题，环保效果显著。
在不良地层和复杂周边环境的条件下，通过采用全套管全回转与RCD组合钻进的施工方法，以深长套管护壁有效克服了不良地层下易致的跨孔、颈缩等质量通病；
全套管全回转钻机与RCD钻机的组合使用，避免了传统振动锤埋设、起拔钢套管及常规旋挖钻机凿岩钻进成孔所产生的较大振动，最大限度地降低了施工操作对周边环境及既有结构的影响；
同时，也发挥了RCD钻机凿岩清孔的优势，大大提高了大直径桩基钻进成孔的施工效率，该项技术充分考虑了不良地层的影响及对周边环境的保护，是一种成桩施工工艺的突破和创新。
