浅层气富集区长大钻孔桩快速施工技术520

1、浅层气富集区海上长大钻孔桩浅层气富集区海上长大钻孔桩快速施工技术快速施工技术中铁四局集团有限公司中铁四局集团有限公司二五年八月二五年八月伍军伍军 李上寿李上寿 孟庆斌孟庆斌【摘要】【摘要】 杭州湾海域具有复杂多变的海洋水文地质条件，浅层气富集区海上长大钻孔桩施工国内外尚无先例，是对钻孔桩施工的重大挑战。为保证钻孔质量，减少钻孔事故，需要连续快速作业，该技术可为类似工程提供借鉴。1.工程概述工程概述1.1概况概况主体全长主体全长5.35km,共共108个墩位个墩位钻孔桩布置及主要参数钻孔桩布置及主要参数:栈桥嘉兴宁波栈桥嘉兴宁波F01F17(深水区)F17F1081.工程概述工程概述1.2工程特

2、点及难点工程特点及难点风速大风速大风速风速(8级级)经常发生，经常发生，7-9月是杭州湾台风频发期。月是杭州湾台风频发期。波浪高波浪高浪高可达浪高可达3.9m (10%)潮差大潮差大桥址区平均高潮位桥址区平均高潮位2.52m，平均低潮位，平均低潮位-2.12m，平均潮差，平均潮差4.65m，最大潮差，最大潮差7.57m。 流向乱流向乱南岸滩涂区海水经常出现流向多变的紊流。南岸滩涂区海水经常出现流向多变的紊流。 1.工程概述工程概述1.2工程特点及难点工程特点及难点水流流速大、冲刷力强水流流速大、冲刷力强水流流速大水流流速大,将对钻孔平台钢管桩基础和钢将对钻孔平台钢管桩基础和钢护筒造成较大的冲刷

3、。护筒造成较大的冲刷。富含浅层沼气富含浅层沼气在桥址区浅层沼气气压大，气量充沛，在空在桥址区浅层沼气气压大，气量充沛，在空间分布上不均匀，有强烈喷发的可能，浅层间分布上不均匀，有强烈喷发的可能，浅层沼气的诸多不确定因素将对钻孔桩施工安全沼气的诸多不确定因素将对钻孔桩施工安全带来隐患。带来隐患。海水强腐蚀性海水强腐蚀性杭州湾水质富含氯盐，对钻孔桩基础具有很杭州湾水质富含氯盐，对钻孔桩基础具有很强的腐蚀和渗透性。强的腐蚀和渗透性。特殊工程地质条件特殊工程地质条件本区域软土层厚本区域软土层厚40m，起动流速低，易流动，起动流速低，易流动，工程地质较为特殊。工程地质较为特殊。1.工程概述工程概述1.3

4、主要技术要求主要技术要求使用寿命使用寿命100年年混凝土混凝土海工耐久混凝土海工耐久混凝土中心位置偏差中心位置偏差不大于不大于100mm孔径孔径不小于设计孔径不小于设计孔径倾斜度倾斜度不大于不大于1%沉淀层厚度沉淀层厚度不大于不大于200mm清孔后泥浆指标清孔后泥浆指标相对密度在相对密度在1.031.10之间，粘度在之间，粘度在1720S之间，之间，含砂率小于含砂率小于2%，胶体率大于，胶体率大于98%。2.工艺流程工艺流程浅 层 沼 气 预 排 放钻 孔 平 台 搭 设钢 护 筒 振 沉钢 护 筒 加 工钻 孔 桩 钻 进海 工 砼 水 下 灌 注钻 孔 桩 桩 底 压 浆钢 管 桩 及模

5、块 加 工钢 筋 笼 制作 与 安 装3.浅层气预排放浅层气预排放3.1浅层气分布及特点可燃性强，有强烈喷发的可能，分布在标高-50m以下的粉细砂层,不确定因素多气井分布图宁波F63F62F48F47F46F42F41F40F39F8F7F6Q12Q11Q10Q9Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1放气孔20m大桥中心线265.61单位：mV I I 合同段F q 2I X - A 合同段K 7 1 + 7 3 5宁波K 7 0 + 6 6 0 . 7 1K 7 0 + 1 2 9 . 1 3K 6 9 + 1 9 8 . 1 9大桥中心线F q 1G q 1173.28127.02海床标高- 9

6、 . 2 m海床标高- 1 0 . 8 m海床标高- 1 2 . 5 m零星放气井集中放气井3.浅层气预排放浅层气预排放3.2.集中排放控制原则集中排放控制原则均衡放气原则均衡放气原则:缓慢均衡放气缓慢均衡放气,注重压力的动态平衡。筛管设置注重压力的动态平衡。筛管设置深度要准确深度要准确安全性原则安全性原则:放气作业早于钻孔作业一段时间，注重防火、防喷放气作业早于钻孔作业一段时间，注重防火、防喷的措施，不影响主体结构施工的措施，不影响主体结构施工经济性原则经济性原则 :针对本地区的气藏特点，借助油气开采通用设施针对本地区的气藏特点，借助油气开采通用设施和技术，采用简易放气法和技术，采用简易放气

7、法 3.浅层气预排放浅层气预排放3.2.集中排放操作要求集中排放操作要求 集中排放在钻孔桩施工前集中排放在钻孔桩施工前6个月进行，用打桩船设置钻孔及操个月进行，用打桩船设置钻孔及操作平台，单井放气需要作平台，单井放气需要2个月。个月。 施工前仔细核对地质资料，对存在浅层沼气的地段应了解沼气施工前仔细核对地质资料，对存在浅层沼气的地段应了解沼气的分布范围、埋置深度、压力及储量大小。的分布范围、埋置深度、压力及储量大小。在钻进进入含气层时，采取慢速减压钻进措施，并加大泥浆比在钻进进入含气层时，采取慢速减压钻进措施，并加大泥浆比重，加强泥浆护壁，防止因少量气体逸出引起孔壁坍塌。重，加强泥浆护壁，防止

8、因少量气体逸出引起孔壁坍塌。3.浅层气预排放浅层气预排放3.3零星放气施工零星放气施工零星放气利用钻探船抛锚定位直接钻探放气零星放气利用钻探船抛锚定位直接钻探放气 4.钻孔桩快速施工钻孔桩快速施工 4.1钻孔平台设计与施工钻孔平台设计与施工4.2钢护筒施工钢护筒施工 4.3钻孔机械设备选型钻孔机械设备选型4.4钻进工艺钻进工艺4.5钢筋骨架制作安装钢筋骨架制作安装4.6水下混凝土灌注水下混凝土灌注4.7钻孔桩检测技术钻孔桩检测技术4.1钻孔平台设计与施工钻孔平台设计与施工设计原则设计原则满足平台在风、浪、潮作用下的安全要求；（基于标准）满足平台在风、浪、潮作用下的安全要求；（基于标准）有利于平

9、台的周转；有利于平台的周转；结构标准化、模块化，能和栈桥有互换性；结构标准化、模块化，能和栈桥有互换性；满足钻孔施工需要。满足钻孔施工需要。MIDAS/CivilPOST-PROCESSORBEAM DIAGRAM弯矩-z6.58176e+0015.33509e+0014.08841e+0012.84174e+0011.59506e+0010.00000e+000-8.98285e+000-2.14496e+001-3.39163e+001-4.63831e+001-5.88498e+001-7.13166e+001系数=5.6659E+001ST: l1MAX : 23MIN : 29文件:

10、 800钢管桩单位: kN*m日期: 06/23/2004表示-方向X: 0.000Y: 0.000Z: 1.0004.1钻孔平台设计与施工钻孔平台设计与施工平台结构形式钻孔平台分为钻孔区、施工通道区和材料堆放区。基础采用打入式钢管桩，纵、横梁均采用标准的“321”贝雷桁架，上铺正交异性桥面板。钻孔平台分为2个区域设计，F01F17号墩为深水区，F18F108号墩为浅水区。76854321330004700720050007000栈桥中心线750050006000140047004700285021608507506000550055002778021602780338028003100泥 浆

11、 箱泥 浆 箱泥 浆 净化 装 置泥 浆 净化 装 置钻 机钻 机空 压 机通 道通道钻 杆 堆 码 区导 管 堆 码 区钢 筋 笼 堆 码 区值 班 室深水区钻孔平台平面布置图深水区钻孔平台平面布置图 757555060055070075033003150平台面板贝雷横梁贝雷纵梁8008mm钢管桩22工字钢分配梁100 2801684mm钢管剪刀撑 深水区钻孔平台侧面图4.1钻孔平台设计与施工钻孔平台设计与施工平台施工平台施工 钻孔平台钢管桩基础采用导向架定位、履带吊配合振动锤进行钻孔平台钢管桩基础采用导向架定位、履带吊配合振动锤进行振沉。纵横贝雷梁利用人工配合履带吊进行施工。桥面板进行振沉

12、。纵横贝雷梁利用人工配合履带吊进行施工。桥面板进行模块设计加工后，运至现场利用人工配合履带吊进行拼装。模块设计加工后，运至现场利用人工配合履带吊进行拼装。定位架钢桩定位DZ60振动锤液压夹具钢管桩基础钢桩振动下沉321型贝雷梁正交异性板打桩定位架纵横梁及桥面板铺设4.2.钢护筒施工钢护筒施工方案比选方案比选直接锤击下沉技术直接锤击下沉技术180，重，重24t，长，长30m，240，重，重36t，长，长38m受起重设备能力限制，能否实现受起重设备能力限制，能否实现射水、取芯辅助下沉技术射水、取芯辅助下沉技术先钻孔后下沉技术先钻孔后下沉技术4.2.钢护筒施工钢护筒施工机械设备选型钢护筒振动设备选型

13、遵循下面的原则：振动设备起振力大于桩土之间的摩擦力并满足最小振幅的要求。满足起吊设备的吊重要求精确计算互相影响必要振幅必要振幅A0（cm)的确定的确定cmNA3.01250偏心力矩偏心力矩K（kgcm）的确定）的确定 )(0CBQQAK起振力起振力P0（kg）的确定）的确定 TTPv0CBQQP04.2.钢护筒施工钢护筒施工振动设备选择计算参数表起重设备 满足回转半径6.0m时起吊重量大于桩锤重量的原则，选择QUY80履带式起重机作为起吊设备。4.2.钢护筒施工钢护筒施工钢护筒振沉 采用QUY80履带式起重机配合DZ180型振动锤进行。 钢护筒DZ180振动锺液压夹具定位器4.3 钻孔机械设备

14、选型钻孔机械设备选型钻孔机械设备选型遵循如下原则： 具有足够大的转盘扭矩；(200kNm) 能够满足长大钻孔桩气举反循环要求；(气压气压0.7MPa) 可以实现泥浆分离功能。(含砂率含砂率2%以下以下)4.3 钻孔机械设备选型钻孔机械设备选型800KVA变压器(0.25台)空压机(1台)履带吊(0.25台)泥浆分离器(1台)泥浆泵(2台)钻机(1台)钻孔机械主要配套设备关系图选配的钻机选配的钻机主要主要技术参数表技术参数表 钻机类型钻机类型 项目技术参数项目技术参数QJ250-1型型工程钻机工程钻机KPG-3000型型工程钻机工程钻机钻孔直径（钻孔直径（m）2.53.0钻孔深度（钻孔深度（m）

15、100130转盘转速（转盘转速（r/min）026024转盘扭矩（转盘扭矩（kN.m）120200排渣方式排渣方式气举反循环气举反循环气举反循环气举反循环主机功率（主机功率（kW）75105主机外形尺寸（主机外形尺寸（m）5.94.895.94.89主机重量（主机重量（t）3260QJ250-1钻机序号序号设备名称设备名称规格型号规格型号主要技术参数主要技术参数1 1泥浆分离器泥浆分离器ZX-250ZX-250泥浆处理量：泥浆处理量：250m3/h。渣料筛分出的渣料含水率：渣料筛分出的渣料含水率：30%。处理污浆最大比重：处理污浆最大比重：1.2；粘度：；粘度：0s；含砂量：；含砂量：20%。

16、净化除砂效率：最大可达净化除砂效率：最大可达90%以上（以上（-0.074mm粒级）粒级）2 2泥浆泵泥浆泵4PNL4PNL流量：流量：100m3/h；扬程：扬程：34m；转速：转速：1480r/min1480r/min；配电动机功率：配电动机功率：55kW55kW；效率：效率：46%46%；叶轮直径：叶轮直径：310mm310mm3 3空压机空压机MH110功率：功率：110kW110kW；转速：转速：800r/min800r/min；压力：压力：1.0MPaMPa；排气量：排气量：17.5m17.5m3 3/min/min；重量重量:2640kg与钻机相配套设备主要技术参数与钻机相配套设备

17、主要技术参数ZX250泥浆分离器MH110空压机4.4.钻进工艺 选择适宜的钻机及配套设备，是快速施工的关键。选择适宜的钻机及配套设备，是快速施工的关键。采用正反循环钻进工艺，合理确定正反循环界面。采用正反循环钻进工艺，合理确定正反循环界面。泥浆分离器净化泥浆泥浆分离器净化泥浆,提高钻进效率。提高钻进效率。采用不同钻速、钻压，适时调整泥浆性能。保持孔内液采用不同钻速、钻压，适时调整泥浆性能。保持孔内液面高度，加强护壁。面高度，加强护壁。钻孔必须连续进行。钻孔必须连续进行。采用超声波侧壁测定仪对孔深、孔径和孔形进行快速检采用超声波侧壁测定仪对孔深、孔径和孔形进行快速检测。测。二次清孔，控制沉碴厚

18、度。二次清孔，控制沉碴厚度。4.5.钢筋骨架制作安装钢筋骨架制作安装 关键工序关键工序:控制接头数量及质量：控制接头数量及质量：通过加大节长，减少分节数，最终减少接头数量；通过加大节长，减少分节数，最终减少接头数量； 提高接头连接质量，采用长线法施工，提高对接精度；提高接头连接质量，采用长线法施工，提高对接精度； 加快接头连接速度，经对比采用钢套筒冷挤压连接。加快接头连接速度，经对比采用钢套筒冷挤压连接。控制套筒挤压压痕质量。控制套筒挤压压痕质量。加快螺旋筋卷制速度加快螺旋筋卷制速度:发明螺旋筋卷制机技术发明螺旋筋卷制机技术接头型式接头型式单面搭接焊接头单面搭接焊接头套筒冷挤压接头套筒冷挤压接

19、头锥螺纹接头锥螺纹接头镦粗直螺纹接头镦粗直螺纹接头优点优点施工方便，强度能满足施工方便，强度能满足要求，价格最便宜要求，价格最便宜接头强度高，施工速接头强度高，施工速度较快，连接方式适度较快，连接方式适应性强应性强施工方便，价格施工方便，价格便宜便宜强度高、速度快、应用范围强度高、速度快、应用范围广、适应性强、性能稳定、广、适应性强、性能稳定、用钢量省用钢量省缺点缺点劳动强度高，施工速度劳动强度高，施工速度最慢，钢材消耗量大最慢，钢材消耗量大挤压设备较重、钢材挤压设备较重、钢材消耗量偏大、价格略消耗量偏大、价格略高高接头强度偏低，接头强度偏低，质量稳定性较差质量稳定性较差前期投入大，价格最高，

20、对前期投入大，价格最高，对钢筋笼加工的精度要求高钢筋笼加工的精度要求高单个接头的作业时间单个接头的作业时间9min3min2min3min每个钢筋笼现场作业的时间每个钢筋笼现场作业的时间14h3h2h3h单个接头费用（元单个接头费用（元/个）个）7.5121516全部接头的费用（元）全部接头的费用（元）648300103728012966001383040备注备注全桥接头合计全桥接头合计86440个个各种钢筋接头的优缺点比较各种钢筋接头的优缺点比较 螺旋筋自动卷制机加工完成的一节钢筋笼加工完成的一节钢筋笼钢套筒挤压接头施工钢套筒挤压接头施工4.6.水下混凝土灌注水下混凝土灌注 导管导管:快速卡

21、口式接头快速卡口式接头混凝土灌注：混凝土灌注：搅拌设备搅拌设备(HZS120搅拌站搅拌站2台台,8m3/h运输车运输车5台台)控制首灌用量及灌注过程导管埋深控制首灌用量及灌注过程导管埋深海工混凝土在满足质量前提下，保持工作性能海工混凝土在满足质量前提下，保持工作性能(坍落度坍落度)灌注总时间控制：灌注总时间控制：58h桩头高度控制：溢浆口合理埋设高度桩头高度控制：溢浆口合理埋设高度首灌混凝土灌注4.7.钻孔桩检测技术超声波侧壁检测仪超声波侧壁检测仪:采用采用KE-400超声波侧壁测定仪测试钻孔的垂直度、坍落状况、超声波侧壁测定仪测试钻孔的垂直度、坍落状况、直径等侧壁状态。将探测器放入孔内的泥浆

22、中，即可同时测出直径等侧壁状态。将探测器放入孔内的泥浆中，即可同时测出四个方向的侧壁状态四个方向的侧壁状态 钻孔桩超声波检测技术钻孔桩超声波检测技术:采用采用RS-ST01D(P)跨孔自动超声波检测仪检测桩沿深度方向的跨孔自动超声波检测仪检测桩沿深度方向的连续性，缺陷，离析，夹泥等情况，评估混凝土的质量，并确连续性，缺陷，离析，夹泥等情况，评估混凝土的质量，并确定缺陷的位置。定缺陷的位置。 自平衡静载试验技术自平衡静载试验技术:把荷载箱埋入桩内，将荷载箱的高压油管和位移棒引到地面，把荷载箱埋入桩内，将荷载箱的高压油管和位移棒引到地面，由高压油泵向荷载箱充油，荷载箱将力传递到桩身，其上部桩由高压

23、油泵向荷载箱充油，荷载箱将力传递到桩身，其上部桩身的摩擦力与下部桩身的摩擦力及端阻力相平衡身的摩擦力与下部桩身的摩擦力及端阻力相平衡自平衡来自平衡来维持加载。维持加载。 4.7.钻孔桩检测技术超声波侧壁检测仪跨孔自动超声波检测仪荷载箱5.实际应用情况实际应用情况5.实际应用情况实际应用情况序号序号工作内容工作内容工工 序序时间时间2钻孔桩施工钻孔桩施工钻孔钻孔45h一次清孔一次清孔2.5h拆除钻杆及钻头拆除钻杆及钻头6.5h成孔质量检测成孔质量检测1h钢筋笼下放钢筋笼下放8.5h导管下放导管下放2h二次清孔二次清孔1.5h水下砼灌注水下砼灌注7.2h桩基超声波检测桩基超声波检测1.2h孔底压浆孔底压浆1.6h切割施工钢护筒切割施工钢护筒2.4h凿除桩头凿除桩头5.2h纯钻孔时间纯钻孔时间67h纯成桩时间纯成桩时间74.2h5.实际应用情况实际应用情况序号序号砼柱高度砼柱高度(m) 灌注方量灌注方量(m3) 每米灌注量每米灌注量(m3/m) 扩孔系数扩孔系数备注备注 111.6242.071.17 28.3161.931.0938.8161.821.03411.5242.091.18512.6241.901.0868.0162.01.1379.4242.551.0进入钢护筒进入钢护筒89.5242.531.098.6222.551.0平均值平均值2.161.08合计合计