随着国家交通网络由陆地向海洋的不断延伸, 跨越海峡海湾等深水基础桥梁日益增多, 如东海大桥、杭州湾跨海大桥、港珠澳大桥、舟山跨海大桥、平潭海峡公铁两用大桥等。跨海大桥深水基础由于所处的特殊海洋环境, 承受强大的海流、波浪荷载, 要求有大的刚度、承载力, 因此一般采用直径大、入岩深、数量多的嵌岩桩基础。这类深水大直径嵌岩桩基, 多采用正循环或反循环冲击钻成孔的方法。冲击钻成孔优点多, 应用范围广, 适用于土、软岩以及硬岩等地层, 尤其是硬岩深水大直径桩基现阶段最有效的成孔方法就冲击钻孔。

对于地质复杂的跨海桥梁, 桩基施工往往都是工程施工重难点, 制约工程进度, 是影响工期的不可控因素。因此, 对特殊地质岩层环境, 采用合理的钻孔参数既能提高钻孔效率, 又可避免卡钻、梅花锤、塌孔、漏浆、颈缩等事故的发生, 加快钻孔桩施工。本文结合平潭海峡公铁两用大桥深水大直径钻孔桩施工, 通过理论分析得出影响钻进效率的关键因素, 并从现场施工中总结得出不同地层合理的钻孔参数。

平潭海峡公铁两用大桥是国内首座公铁两用跨海桥梁, 其中B0～B58段全长3 712m, 公铁主跨均采用92m+2×168m+92m预应力混凝土连续刚构, 其余桥跨, 铁路为64, 40m的简支梁, 公路为连续梁。下部结构主要采用桩基础, 高、低桩承台, 薄壁空心墩。大桥共59个墩台, 共有直径分别为2.5, 2.8, 3.0m的桩基809根, 桩长12～90m, 嵌岩深度5.23～15m。桩基施工采用冲击钻成孔, 泥浆护壁。

桥址处海洋环境恶劣, 根据福建水文部门监测资料:全年6级以上大风天数309d, ≥7级大风天数234d, 年均台风3.8次, 最大水深42m、最大潮差7.0m、最大流速3.07m/s、年平均波高2.7m。海床地质复杂, 通过现场扫描、地质钻探取芯发现:大桥 (B42～B55) 墩为深水浅无覆盖区, 海床面为光板岩, 基岩裸露、岩石坚硬 (单轴抗压强度最大达到210MPa) , 岩面倾斜。主墩 (B39～B41) 基岩风化不均, 球状凸起、岩面倾斜, 单个承台范围最大高差达14.6m, 单根护筒 (直径3.3m) 范围高差最大达2.9m, 岩层内软硬层夹层、孤石林立, 竖向呈串状分布。

冲击钻成孔是利用具有较大质量的冲击钻头 (冲击锤) , 在一定的高度范围内上下往复冲击, 利用冲击钻头的冲击能将硬质土或岩层破碎, 再用正循环法、反循环法通过泥浆悬浮孔底破碎的岩屑和碎渣而获得进尺。冲击钻成孔方法在工程中有较广的应用。

单位时间内的冲击锤冲击功A₀可按下式求得:

$A{}_0=\frac{{\rm M}a{\rm H}n}{g}(1)$

式中:M为冲击锤重量;H为冲程;n为冲击频率;g为重力加速度;a为冲击锤下落的加速度。

其中, 冲击锤下落的加速度a可通过下式计算:

$a=g\left(1-\frac{\rho {}_1}{\rho {}_2}\right)(2)$

式中:ρ₁为孔内泥浆密度;ρ₂为钻头密度。

单位体积破碎功a₀的关系式如 (3) 式表示:

$a{}_0=\frac{A{}_0}{V}=\frac{{\rm M}a{\rm H}n}{\frac{1}{4}\text{π}D{}^{2}V{}_{\text{m}}g}(3)$

式中:V为单位时间内岩石破碎的体积;D为冲击锤直径; V_m为冲击钻进速率。

则冲击钻进速率V_m的表达式为:

$V{}_{\text{m}}=\frac{{\rm M}a{\rm H}n}{\frac{\pi D{}^2}{4}a{}_{0}g}(4)$

通过式 (4) 可以得到:冲击钻进速率与冲击锤的质量、下落加速度、冲程和冲击频率成正比, 与钻孔桩直径、岩石破碎功成反比。

通过式 (4) 可发现:冲击钻进速率主要由冲击锤下落所做的功——冲击功决定, 而冲击功又与冲击钻质量成正比。因此, 增加锤重是加快钻进速率的一个重要因素, 但是锤重受到桩径、冲击机械、卷扬机功率的限制。因此, 选择合适的冲击锤是冲击钻孔的首要因素。

冲击钻孔过程中, 冲击频率和冲程之间是相互制约的, 如果冲程增大, 则冲击频率必定要减小。反之, 增大冲击频率, 则冲程减小。通过理论分析知道冲程越大, 冲击锤下落所做的功就越大, 钻头碎岩效果就更好。因此, 钻孔施工中可采用较大的冲程, 但如果在坚硬岩石上施工, 冲程过大, 加载速度过大, 对钻头损伤严重, 影响钻锤的使用寿命, 可能出现断锤等现象。

另外, 冲击频率与岩石切削破碎频率的匹配关系是影响破岩钻进的重要因素。当所施加的冲击频率与岩石切削频率相一致时, 其冲锤齿凿岩深度的提高将与冲击荷载相一致, 若冲击频率过低或冲击间距过大, 在破岩过程中将形成不连续的冲击坑, 那么两次冲击破碎形成的裂隙将难以贯通, 出现“岩脊”现象, 从而使破碎效果降低。反之, 若冲击间距小, 则会在原有冲击坑上发生重复破碎, 增加能耗。因此, 冲击破岩过程应选择设置合理的冲程与冲击频率, 既不产生“岩脊”, 又要避免重复破碎的现象。

钻孔过程中, 泥浆的主要作用是防止孔壁坍塌和出渣。当泥浆密度过小时, 将影响钻进效率。这是因为冲击钻进是通过泥浆悬浮孔底破碎的岩渣, 从而使冲击锤能够击打新鲜的岩面。如果泥浆密度较小, 孔底的岩渣将不能及时清除, 会在孔底形成层岩渣垫层, 这将减弱冲锤在孔底的冲击作用, 造成岩渣的重复破碎, 影响冲击钻速的提高。

当泥浆密度过大时, 从式 (2) 可以看出, 泥浆密度与冲锤的下降加速度成反比, 即降低单位时间内的冲击锤冲击功A₀;同时, 它会使冲锤的下降和压轮的上升不能很好地吻合;当冲锤下降加速度小, 于是形成冲锤尚未到达孔底前压轮已经回升, 使得部分冲击能消耗在冲击梁的弹簧上, 甚至会牵制冲锤使其不能冲击孔底, 形成“打空”现象。另外, 钻进时泥浆密度大, 浓度较高, 使钻具在冲钻过程中旋转角度不足, 因而形成“梅花孔”现象。

平潭海峡公铁两用特大桥 (B0～B58) 桩基施工根据设计孔径的大小, 采用的冲击锤各参数如表1所示;由于平潭海峡公铁两用特大桥地质复杂, 床面基岩坚硬 (取芯最大抗压强度达到210MPa) , 因此, 对冲击钻头和钻齿采用特殊材料加固。

钻孔中遇到的地层主要有:淤泥、淤泥质黏土、粉细砂、粉质黏土、全风化凝灰岩 (花岗岩) 、强风化凝灰岩 (花岗岩) 、弱风化凝灰岩 (花岗岩) 。遇到软弱岩 (土) 基时, 可采用较大的冲程;当到较硬的岩基时, 适当减小冲程;若遇到强度大、岩石完整性好的弱 (微) 风化凝灰岩 (花岗岩) 时, 可采用低冲程、高冲击频率。图1是对现场各地层钻孔采用冲程的统计。

从图1中可以看到, 在淤泥、粉细砂、粉质黏土等软弱岩 (土) 层, 钻孔采用2.5～3m的冲程。这是由于一方面软弱土层强度较低, 不需要过大的冲程, 同时由于卷扬机的功率, 钢丝绳额定速度的限制, 冲程一般≤3m;对于强风化、弱风化凝灰岩层, 岩石抗压强度、硬度很大, 如果冲程较大, 容易造成锤头破坏, 通过现场实际发现采用低冲程、高频率钻进, 破岩效果更佳。

冲击次数与冲程是一种相互制约, 二者之间呈反比关系。岩石的破碎频率与冲击荷载的频率是密切相关的, 采用合理的冲击频率, 可以加快钻进速度。钻孔冲击频率可以设置后机械自动控制, 也可以手动控制。通过平潭海峡公铁两用特大桥现场的钻孔施工统计发现:操作人员根据地层岩性、渣样、冲击过程中冲击锤的反应, 手控冲击频率, 可以减小施工中出现的如卡锤、梅花孔、断锤和漏浆等问题发生的概率, 同时也可加快钻速。

通过对现场各地层钻孔施工采用冲程与冲击频率的大量统计, 得到图2的关系曲线, 拟合图2中曲线, 得到如下关系:

$n=20.82\exp (-0.38{\rm H})(5)$

式中:H为冲程;n为冲击频率。

式 (5) 是通过大量的统计数据拟合得到。因此, 可用来计算冲程和冲击频率, 指导施工。

钻孔过程中泥浆密度对钻速影响较大, 且泥浆密度是一个变化值, 在复杂的地质环境中, 严格控制规范要求的泥浆密度, 较为困难。根据平潭海峡钻孔桩施工现场各地层钻进速度统计, 发现采用图3中所列的泥浆密度对钻孔较为合适。

从图3中, 可以看到在软弱岩 (土) 层, 泥浆密度可以较小。软弱地层由钢护筒护壁, 不会发生塌孔, 泥浆相对密度一般控制在1.25左右即可;对于强风化、弱风化凝灰岩 (花岗岩) 泥浆相对密度可以提高, 控制在1.42～1.5, 一方面防止塌孔, 另一方面泥浆可悬浮钻渣;如果泥浆密度继续增大, 容易形成梅花孔, 且对清孔不利。

通过对钻孔效率较高的各钻孔参数进行统计, 得到各地层冲击钻孔速率如表2所示。从表2中可以看到随着岩石强度和硬度的增大, 冲击钻进速率也减小。这与平潭海峡公铁两用特大桥 (B0～B58) 地质复杂有关, 桥址处B44～B54墩床面岩石裸露, 岩石风化程度低, 完整性好、强度高。

从表2中发现, 钻孔进入岩层后, 钻进速率差异较大, 主要是因为同一岩层中, 岩石构造、完整性不同等原因, 岩石强度有较大差异, 变化较大;现场通过取芯发现, 同属于弱风化凝灰岩的试块单轴抗压强度从30～210MPa不等。因而, 在冲击钻孔过程中钻孔速率也存在很大差异。

通过对影响冲击钻钻孔效率的因素进行定性分析的基础上, 对平潭海峡公铁两用特大桥 (B0-B58) 施工现场桩基钻进参数进行统计, 得到以下结论。

1) 对于软弱土 (岩) 层, 冲击钻孔各参数宜采用冲程3m左右, 冲击频率6次/min左右, 泥浆相对密度1.25左右, 钻孔速率可达到0.5m/h。

2) 对于强风化凝灰岩 (花岗岩) , 冲击钻孔各参数宜采用冲程1.5～2m, 冲击频率8～9次/min, 泥浆相对密度1.40～1.45左右, 则桩径为2.5m, 冲击锤重10t时, 钻进速率可达0.05～0.18m/h;桩径为2.8m, 冲击锤重11.5t时, 钻进速率可达0.05～0.11m/h;桩径为3m, 冲击锤重15t, 钻进速率可达0.04～0.12m/h。

3) 对于弱风化凝灰岩 (花岗岩) , 冲击钻孔各参数宜采用冲程1～1.5m, 冲击频率6次/min左右, 泥浆相对密度1.42～1.48, 则桩径为2.5m, 冲击锤重10t时, 钻进速率可达0.03～0.065m/h;桩径为2.8m, 冲击锤重11.5t时, 钻进速率可达0.03～0.045m/h, 桩径为3m, 冲击锤重15t, 钻进速率可达0.025～0.035m/h。