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基于北斗系统的深水大直径嵌岩桩施工工法

1前言

水中桥梁桩基施工，尤其是深水大直径超长桩基的施工，作为桥

梁施工的难点和重点，受到广泛的关注。近几年国内国际都在探索大

直径钻孔硬岩钻进新工艺新技术，虽总结了一些具有现实意义的结

论，但对深水大直径嵌岩桩的施工工艺、施工技术特点缺乏统一、系

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统的认识。本工法以萍乡至莲花高速公路建设项目标段特大桥主

墩桩基施工为基础，河道通航等级为内河Ⅲ级航道，桩基施工需搭设

水上钻孔平台并在平台上完成泥浆循环作业，对通航要求和环保要求

较高，本桥主墩桩基桩径2.5m，在90m左右深度入岩，设计要求桩

2.55cm

底嵌入中风化岩不小于倍桩径，沉渣厚度不大于，在将近

6.25m入岩要求下，选用传统冲击钻成孔工效极低，对沉渣厚度控制

难以达到设计要求，且反循环成孔与冲击钻组合转换对泥浆比重等各

项指标要求较高，容易引起塌孔及混凝土超方。因此，当桩长长、孔

径大、沉渣指标严格时，传统方法不能满足施工要求。

为了解决水中大直径嵌岩桩的施工难题，本单位采用北斗监测系

统+牙轮钻气举反渣成孔技术：在钻机钻进过程中通过北斗监测系统

数据传感器监测桩身垂直度、钻进速率、电流，使用普通刮刀钻头施

工至入岩标高后采用牙轮钻头破碎入岩，反循环体系以气体为动力介

质，以液流体为延升载运介质携带固体颗粒上返最终完成气、液、固

三相混合运动，达到快速成孔并清除钻孔内沉渣、岩屑的目的。该成

孔工艺和传统钻进方式的区别就在于能在钻进的同时及时排出孔内

岩渣块，孔底清洁，重复破碎少，故能大幅度提高钻进效率。本工法

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已成功应用于萍乡至莲花高速公路建设项目标段及长深高速

德清至富阳段扩容杭州段第TJ02标段等工程中，取得了显著的经济、

社会效益。

2工法特点

2.0.1不同地质层钻头转换提升工效，缩短作业时间，钻入岩层时由

牙轮钻代替冲击钻破碎岩体，大幅度提高钻进效率的同时降低桩基塌

孔及混凝土超方风险。

2.0.2钻孔过程中采用气举反循环，排出钻屑能力强，孔底钻屑重复

破碎较少，清孔效率高，成桩质量较好。

2.0.3通过北斗监测系统控制桩基成孔垂直度，及电流数据监测实时

监控施工突发状况，有效的保证了成孔质量。

3适用范围

本工法适用于直径大于或等于2.5m，桩长大于或等于90m的水

中大直径超长嵌岩桩的成孔施工。

4工艺原理

通过采用桩基施工管理终端系统，集成北斗监测系统及多传感

器，实现监测数据传输，对水中大直径桩基施工全过程进行即时记录，

并采用自动化手段对桩位、桩长、桩身垂直度等重要施工参数进行同

步监测，使桩基施工的每一环节有迹可循，经平台数据采集分析，对

桩基入岩的判断、桩身的垂直度控制及钻进是否异常做出指导。

在钻机钻进至入岩标高后采用牙轮钻头破碎入岩，牙轮钻头转动

时，各牙轮又绕自身轴滚动，滚动的方向与钻头转动方向相反。牙轮

钻头的破碎过程，实际上是压入和压崩两种形式联合作用的效果。牙

轮钻机钻孔时，依靠加压、回转机构通过钻杆，对钻头提供足够大的

轴压力和回转扭矩，牙轮钻头在岩石上同时钻进和回转，对岩石产生

静压力和冲击动压力作用，达到快速破碎岩层的目的。

利用空气压缩机将压缩空气输进风管，空气经风管底部排出和泥

浆形成气液混合物。孔底沉渣在喷出气体的冲击作用下悬浮起来，由

于管内、外液体的密度差，孔内泥浆、空气、沉渣的三相流沿导管向

上运行，被排出孔口，进入接渣篮。过滤出泥浆中的沉渣后，过滤后

的泥浆又重新进入孔内，反复循环直至孔底沉渣厚度达到规范要求。

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