结合实例论海上大直径钻孔灌注桩施工技术措施

摘要:本文作者主要结合实例，对海上大直径钻孔灌注桩的施工工艺及技术要求进行了详细探讨，可为类似工程提供参考。

关键词:钻孔灌注桩; 施工工艺; 混凝土灌注

厦门集美大桥工程全长8.4km, 海上桥梁段长度为3.82km。钻孔灌注桩基础为该工程的主体基础。试桩中23#墩右幅8#桩施工环境受潮汐影响比较大, 高潮时平均海水标高1.96 m, 低潮较厚时海水平均标高为- 2.14 m, 桩位区分布广泛的角砾岩、泥岩等软岩且上面分布较厚的淤泥、砂层、粘土等。

8#桩桩径为2500 mm, 桩长为65 m, 为海中大直径钻孔桩施工, 在施工中采用了钢护筒、海水泥浆护壁、压力平衡钻进等施工工艺。

2 工程地质

地质特点: 桥位区分布较广的是角砾岩与泥岩等软岩。

3 施工工艺及设备选择

( 1) 根据地质资料、现场环境、结合试桩的设计和设备等因素, 钻孔桩采用回转钻进、气举反循环出渣为主的钻孔工艺, 水上自动拌和船搅拌混凝土, 泵送水下混凝土灌注工艺; ( 2) 成孔设备的选择。根据桥位区的地质情况、桩径设计及钻孔要求的扭距, 选用KP3000型钻机, 配高强度抗扭气举钻杆、牙轮滚刀钻头、8 t钻头配重。

4 施工工艺

4. 1 钻孔平台

4. 1. 1 钻孔平台结构

本钻孔桩位于海中, 为满足钻孔需要, 需搭设钻孔平台, 根据桩位区的环境, 平台采用钢管桩平台, 采用Ф 80 cm、δ= 10 mm 钢管桩, 平台尺寸14 m×12 m,钢管桩间平联和剪刀撑采用25a型钢, 桩顶承重梁为H 60型钢, 分配梁为H30型钢, 平台面板采用δ=10mm钢板, 四周栏杆与扶手采用Ф45 mm 钢管。

4. 1. 2 钻孔平台施工要求( 1)平台顶标高高出最高水位2 m; ( 2)因海上风浪较大, 平台侧需设置靠船桩, 平台上需焊接牢固的护栏。

4. 2 护筒埋设( 1)由于护筒较长、海上风浪大、涨落潮时流速较大, 所以护筒埋设采用双层导向架进行导向定位。一般在平潮时刻施工, 采用TZ135震动锤震动下沉, 护筒接长现场进行, 护筒接缝采用V 型坡口, 接头处应焊接加强板, 焊接时应对称进行。护筒直径280 cm,壁厚26 mm 根据桩位区的地质, 为保证钻孔正常进行, 单根护筒长20.7 m, 入土12 m 左右。( 2)护筒施工要求: ①护筒中心与桩位中心, 允许偏差为50 mm, 倾斜不大于1%; ② 护筒安装不变形,护筒长度不够时, 分节接长, 连接处护筒内无突出物,并且要耐压、拉, 不漏水; ③ 护筒高度要高出最高施工水位2.0 m, 并采取稳定护筒内水头的措施。

4. 3 成孔施工

4. 3. 1 海水泥浆

施工地区淡水资源缺乏, 年降水量少, 因大部分工程桩位于海中, 淡水供应非常困难, 所以钻孔泥浆拟实验采用海水配置, 钻孔采用反循环回转钻机, 气举反循环法直接把护筒内的钻渣抽出孔外。

施工区域海水水质类型为CL- Na型水, 海水对混凝土结构中钢筋(长期浸水)具有弱腐蚀性, 对钢结构具有中等腐蚀性。为避免泥浆与海水产生凝絮作用, 由于海水中Cl- 、Mg2+ 、Ca2+ 含量高, 仅采用常用的膨润土制作, 泥浆悬浮功能差, 出渣困难, 钻进效率受到制约, 甚至不能很好地起到护壁作用。经过反复实验及结合杭州湾跨海桥等工程一些经验, 研制出高性能的复合泥浆, 即采用不分散、低固相、高粘度且对海水无凝絮作用的PHP 泥浆。

纯碱的加入改变了泥浆的酸碱性, 可以使钢筋处于弱碱性环境中, 对钢筋的锈蚀起到保护作用。PAC是一种增粘剂, 是羧甲基纤维素( CMC) 的衍生物, 无毒无害, 是一种阴离子型线性高分子物质, 能在海水中不降粘, 具有增稠性、保水性、抗盐性及较好的薄膜成型性。经检测泥浆指标完全满足施工需要。

4. 3. 2 钻进

经验收合格后将钻机与平台固定、限位, 保证在钻进过程中钻机不产生位移。开孔前先向护筒内多加粘土, 然后注入泥浆或清水, 借钻头的冲击把粘土挤向孔壁, 开钻时宜慢速钻进, 利用正循环慢速轻压在护筒内搅拌泥浆, 泥浆性能达到要求后可适当加压, 钻头全部入土后可适当加速, 本桩位地质复杂, 各地质层交替频繁, 在各交界处要放慢钻速, 加强泥浆护壁。由地质勘察知胶州湾地质比较复杂, 易出现斜孔现象, 所以在钻孔过程中配备足够的钻头配重压力的同时, 采用“减压钻进”以保证钻孔垂直, 不得随意加压, 防止钻杆扭曲, 造成斜孔或扩孔等现象的发生。根据不同地层选择与之相适应的进尺与钻速。( 1) 对于淤泥质土层, 采用低档慢速、大泵量、稠泥浆钻进,以免发生先扩孔后缩孔现象; ( 2)对于亚粘土层, 采用低档慢速、优质泥浆、大泵量钻进的方法钻进; ( 3) 对于粘土层采用中等钻速大泵量、稀泥浆钻进, 对于砂层, 采用轻压、低档慢速、大泵量、稠泥浆钻进, 以免孔壁不稳定, 发生局部扩孔或局部坍孔, 并充分浮渣、排渣, 以防埋钻现象; ( 4) 对砂砾层, 采用轻压、低档慢速、优质浓泥浆钻进, 确保护壁厚度以及充分浮渣。

钻进工程中注意保持孔内水头, 水头高度应随潮水的变化随机变动, 任何时候均应高于海水面1.5~2.0 m。气举反循环钻进空压机送风必须与钻锥同转同进行。接钻杆时钻杆要提升30 cm 左右, 先停止钻锥回转, 送风数分钟, 将孔底钻渣吸净, 再放下钻锥进行拆装钻杆工作, 以免钻渣沉淀而发生埋锥事故。

需要注意的是部分地层具有造浆性能, 泥浆中粘土含量过高会引起不良的粘度效应, 钻渣不易清除,影响钻进效果, 加剧泥浆循环设备的磨损, 因此钻孔施工时要根据现场的实际情况及时调整泥浆。

钻孔达到设计标高, 用气举反循环清孔, 使孔底钻渣尽量减少, 清孔时钻头提离孔底30 cm 左右, 钻机慢速转动, 保持泥浆正常循环, 同时置换泥浆。

4. 3. 3 钢筋笼加工

钢筋笼分段加工, 接长时采用搭接单焊, 焊接完毕经过验收合格才能放入孔内, 钢筋笼接长次数不超过3次。对接时上下中心保持一致, 钢筋笼不得侵入主筋净空, 防止卡挂导管。

四根声测管呈90°均匀布置, 生测管与Ф25号钢筋焊接连接, 声测管顶底端均用钢板封堵。四根位移管呈90°布置, 安装在钢筋上, 位移管接出地面后, 管口应密封。钢管连接采用套管连接。为准确控制各预埋件的位置, 在钢筋笼加工中采用专线台座法。

4. 3. 4 混凝土灌注

首先进行导管水密抗拉试验, 经计算P = 0.868 5MPa, 实际取Mpa实际取P= 1.13 MPa。首批混凝土的计算, 经计算V≥ 9.63 m3。混凝土灌注用水上搅拌船( 规格300 m3 /h), 首批混凝土采用－12 m3 料斗, 大于实际需要的首批混凝土。初灌混凝土坍落度21.5 cm。为了使混凝土出导管顺利, 导管下口距孔底距离为约30 cm, 砍球后导管埋深不少于2.5 m, 混凝土灌注过程要严格控制导管埋深, 导管正常埋深不小于2 m, 最大埋深控制在8~ 10 m, 以能拔出两节导管为宜。

在本工程中采用的海工高性能混凝土, 水灰比较小, 容易离析、堵管, 所以施工中必须保证粗、细骨料采用级配良好的碎石、中粗砂, 混凝土要具有良好的和易性, 灌注时保持有足够的流动性, 混凝土的初凝时间大于10 h。混凝土坍落度宜为18~ 22 cm, 钻孔桩混凝土灌注结束时, 其首盘灌注的混凝土坍落度要求不小于100 mm 为保证成混凝土的密实性, 保证成桩质量, 混凝土灌注必须连续进行, 不得中断。

5 结语

在海中进行大直径钻孔桩施工影响施工安全、质量的不确定因素较多, 控制难度大, 试验桩施工对该桥主体施工的指导作用可总结为以下几点:

( 1) 护筒定位。在海上施工时, 由于海水的潮起潮落及海上的风速较大, 护筒定位设两层导向架, 且最好选择在平潮时施工; ( 2)钻孔泥浆。钻孔桩成功与否的一个关键因素在于泥浆性能, 本次采用了海水泥浆, 为确保海水泥浆达到护壁效果, 施工过程中要随时检测泥浆的性能指标, 及时加减泥浆用料; ( 3) 防止斜孔措施。由于胶州湾地质比较复杂, 易出现斜孔现象, 钻孔作业过程中采用减压钻进, 使钻杆保持受拉状态, 不得随意加压, 防止钻杆弯曲, 造成孔斜或扩孔等现象发生, 在钻进过程中根据各层地质选择合适的进尺以保证钻孔顺利进行; ( 4)高性能混凝土的施工。在本试桩专题中, 采用高性能海工混凝土, 水灰比较小, 施工中要密切注意混凝土的和易性, 防止出现堵管现象。保证首盘混凝土的数量, 严格控制导管埋深及提管速度, 适当加长搅拌时间、控制好原材料与外加剂质量, 确保实际生产的混凝土坍落度、和易性均能满足规范要求。

参考文献：

[1] 海上大直径超长钻孔灌注桩基础施工技术，叶俊能，《湖南工业大学学报》 2008年02期

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