超长钻孔桩施工中主要指标控制浅析

摘要： 本文结合济南黄河大桥超长钻孔桩施工情况，分析了成孔和成桩施工中具有较高要求的控制指标，对其相互影响进行了研究，提出了相应的质量控制措施和施工成效，对同类工程的施工具有借鉴作用。

关键词： 超长桩垂直度砂率沉碴厚度成桩质量

Abstract: Based on Ji'nan the Yellow River bridge bored pile construction, this paper analyzed the hole and into a pile construction with high requirements of the control indexes, the interaction was studied, put forward the corresponding quality control measures and construction effect, for similar engineering construction is had draw lessons from action.

Key words: super long pile verticality rate of sand ballast thickness of pile quality

中图分类号：TQ639.2文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

1 工程地质

青银高速公路济南黄河大桥是国道主干线青岛-银川公路跨越黄河的一座特大桥，同时也是京沪高速公路复线的关键工程之一。桥梁全长4473.04m，C标段标段起讫里程为K14+874～K16+097.52，标段长度1.22352Km，主要工程内容包括北侧跨大堤桥（75m+140m+75m）和北侧堤外引桥（6×45m+6×45m+7×30m+6×30m），基础形式为钻孔桩。其中跨大堤桥67#、68#钻孔桩为群桩基础，每个承台24根，深度分别为126和132m，为目前国内同类工程最深桩，施工中尚无成熟经验可供借鉴。

工程所在区域地质情况为厚度约一百米至数百米的新生界沉积层，第四系埋深约200m。工程涉及范围内根据钻勘资料以亚砂土、亚粘土、粘土为主。地下水发育，地下水主要为第四系潜水。地质柱状分布自地表下0～0.5m为耕殖土，其下为6～10m粉细砂，下部大多为粘土和亚粘土。在新老沉积层界面及地表下30m左右，存在9～12m粉细砂层，在90m以下范围主要为粘土和60～190cm姜石互层，互层交替频繁。

2 主要指标的控制要求

2.1成孔主要指标

表1：成孔主要指标

项目 平面位置 孔径 *垂直度 *沉碴厚度

指标 偏位5cm（规范10cm） 不小于设计值 1/100（设计值） 30cm（规范值）

2.2清孔后泥浆指标

表2：清孔后主要指标

项目 比重 粘度 *含砂率 *胶体率

指标 1.03～1.12(规范1.03～1.0) 17～20 ＜1% ＞98%

注：泥浆比重适当增大，对混凝土灌注影响不大，砂率根据经验应控制在1%以内。

2.3成桩要求*

超声波检测及钻芯取样要求合格。

注：带“*”者为关键且较难控制指标

3 问题分析及指标控制措施

一般指标易于控制，且在施工过程中容易发现，可以及时纠正。本文拟结合工程实际，就关键控制指标分别进行阐述，分析引起控制指标偏离的原因和处理措施。

3.1 垂直度

垂直度控制是超长钻孔桩成孔质量的关键指标，也是钻孔施工中需解决的最大难题。根据施工过程分析，影响垂直度的原因有：

⑴ 钻杆自身刚度底，杆壁薄、重量轻，钻进中挠度过大，钻头自由摆幅过大引起孔斜。

⑵护筒埋设不牢靠，自身变形或护筒中心与桩中心位置偏差较大，测量孔斜时以护筒作为依据，真实孔中心与护筒中心不重合，导致测量数据显示孔斜。

⑶钻杆自身弯曲，或者在钻进中连接法兰螺栓松动，造成钻头摆幅过大形成斜孔。

⑷钻机在钻进过程中底座位移或不均匀沉降，使得钻杆未保持铅直状态。

⑸钻压过高，回转钻起吊滑车未受力或液压钻机加压钻进，导致钻头承压歪钻。

⑹在地质变化段钻速过快，在软硬交替地段钻头受力不匀，易向软弱层面歪钻斜孔。

⑺气举反循环施工中，气水龙头与钻机导向槽间隙过大，或排碴管重量支承于钻杆顶部，排浆反力作用于钻杆顶部，造成钻杆局部存在较大弯矩。

针对以上原因，可以采取如下处理和预防措施：

⑴钻前控制

①护筒埋设：根据地表地质情况选择合适的护筒长度；通过桩位放样，在护筒四周设置固定护桩，用以随时检校；在护筒刃脚部位采用混凝土环向铺砌，防止反穿孔；人工开挖埋设的护筒时在四周以粘土夯填密实，防止在钻进中护筒移位，保证其良好的导向性。

②钻机就位：硬化场地，固定钻机，防止钻机作业时位移或不均匀沉降；严格控制钻尖、转盘中心、钻机动力头或机架滑轮中心与桩中心重合；以精密水准仪控制钻架水平，并在钻进中采用水平尺随时检校；减小气水龙头与导向槽间隙，将其固定在钻架上；排碴管通过钻机副卷扬机或机架滑轮架保持水平，并随钻进深度调整位置。

⑵钻进中控制

①钻杆使用前检查杆体和法兰，变形的钻杆进行修复或淘汰。

②开孔段对钻头进行配重。通过计算，确定配重量，确保钻杆始终保持铅直状态。

③除姜石层内钻进可适当加压外，始终坚持全程减压钻进，使钻杆保持垂直自由状态。

④通过接换钻杆工序，对孔斜进行检测。按照终孔1/300的要求，推算不同孔深的垂直度指标并进行监控。如孔深140m，则在35m时孔斜的标准应该控制在1/1200。在钻进至80m即进入新老地质交替地层前，拆除全部钻杆，重新安装。一方面检查钻杆连接，同时倒换气举风包，在钻杆中部增加腰带扶正器，减小钻杆自由长度，增加整体导向作用。

⑤按照不同的地质资料，对钻进参数进行分层控制。不同的地层采用不同的钻速、钻压和泵量，在保证钻进正常不致糊钻和蹩车的同时，保证成孔垂直度。

3.2 泥浆问题

泥浆是桩基施工自始至终的难题，对超长钻孔桩更是如此。泥浆控制不好，极易引起坍孔、缩径等现象。至关重要的问题是，由于泥浆质量不好，孔壁泥皮厚度过大时，将会给灌注过程特别是灌注后期造成难以克服的困难（现场实际的泥皮厚度是无法直观测量的）。同时，砂率也是终孔控制的重要指标之一，因为孔内泥浆含砂将在灌注过程中，除部分随泥浆排出孔外，大部分将沉淀于混凝土表面，造成混凝土回顶困难。因此，钻进过程中的泥浆问题，是决定成孔质量的关键要素，由于泥浆的各项指标是相互影响的，在钻进中需要综合控制。为保证钻进和灌注前的泥浆指标，施工中采取如下措施进行控制：

⑴开孔前试配、调制优质泥浆，采用粘土、膨润土、PHP、CMC及火碱配置泥浆，置于泥浆池备用。泥浆池具备足够容积，按照成孔容积的4倍考虑，同时配备泥浆筛分净化设备。

⑵开孔段和砂层适当增加泥浆比重和粘度，提高携碴能力。在此需考虑的问题是：比重增大，对固壁和浮碴均有好处，但比重过大，易造成泥浆失水，导致泥皮过厚，引起地层软化缩径甚至坍孔。对泥浆钠化改良，增加粘度有利于降低砂率，但粘度过大，易产生糊钻，且相应引入Na＋离子过多，易造成钢筋腐蚀，影响灌注混凝土质量。因此，对泥浆比重和粘度的控制，应综合分析利弊，并结合现场实际适当调整，即要满足正常钻进和灌注需要，又不因此产生负面影响。根据经验，泥浆指标控制在下表所列数值为宜。

表3：泥浆指标控制参数

工况 地层 相对密度 粘度(Pa.s) 砂率(%) 胶体率(%) 失水率(ml/30min) 泥皮(/30min) 酸碱度(PH)

钻进中 粉砂层 1.10～1.20 18～28 ≤4 ≥95 ≤20 ≤3 8～10

粘土层 1.05～1.15 16～20 ≤4 ≥95 ≤20 ≤3 8～10

灌注前 全孔深 ≤1.12 17～20 ≤1 ≥98 ≤20 ≤3 8～10

⑶在钻进中按照不同地层采用不同的泥浆指标，一般在大段地层一致。

⑷钻进和清孔中，准备足够的备用泥浆，同时泥浆的沉淀和净化要彻底，防止泥浆孔内孔外死循环。一般通过泥浆净化设备，可以快速降低泥浆含砂率和清除所携带的钻碴。

3.3 沉碴问题

沉碴问题实际上是和泥浆各项指标息息相关的，按照规范要求的指标，采用一般的正反循环很难达到。在超长桩施工中，主要采用了如下措施：

⑴在钻进中，采用正循环开孔（20m范围），反循环钻进。在终孔前10m范围，根据地层为粘土层的特点，提前进行换浆，这样既保证了钻进的速度，又能节约清孔时间。

⑵钻进中气举反循环清孔。由于孔深，正循环清孔时可以将孔内泥浆扰动，但由于泥浆比重过小，不便于钻碴排出，比重过大，影响钻进速度和灌注前清孔。采用气举反循环利用高压空气在钻尖形成的负压，将钻头切削的土体及时排出孔外，孔内泥浆始终保持不因钻进而额外增加沉淀。

⑶气举反循环二次清孔，这是减小沉淀的最有效和直接的方法，一般在30min内即可完成。为保证二次清孔的质量，还应注意如下几点：

①清孔时泥浆供应量必须保证，同时采用泥浆净化设备，保证回流孔内的泥浆质量。

② 由于气举反循环排碴量大，应随时观察孔内泥浆面高度，并保证足够水头压力，防止因泥浆外排而造成护筒底部失稳或坍孔。

③高压风管通过计算，确定必要的深度，使孔底产生足够的负压，保证清孔质量。④控制风压和清孔时间，避免风压过大或清孔时间过长，孔内产生过大负压，孔壁土压力过大造成孔壁失稳。

3.4 成桩质量控制

成桩质量决定于成孔质量和灌注混凝土质量，而成孔质量又是决定灌注混凝土过程是否顺利的先决条件。一般来说，成桩质量控制主要在于预防缩径、坍孔和夹泥断桩等质量缺陷。

⑴成孔阶段控制原则：

①在开孔阶段特别是护筒刃脚处，采用空钻或低档慢速钻进，使孔口部位有坚固的泥皮护壁，防止孔口或护筒底坍塌。

②保证孔内必须的水头压力，派专人监控并及时补浆。

③ 缩短成孔提钻至灌注的时间间隔。④钢筋笼采用机械连接，在下放过程中垂直对中下放，避免碰撞孔壁，特别忌讳在孔内浮力过大时，采用旋转钢筋笼的办法处理。⑤钻进过程和成孔后，采用检测系统，及时检查纠偏。

⑵灌注过程控制：

①对导管进行切实有效的水密性能试验和接头抗拉检算，对导管内壁、接头、外观每次均进行仔细排查，防止因导管缺陷造成的灌注事故。

② 控制导管埋深。不拘泥于规范规定值，要根据导管强度计算结果，按照最不利情况，确定合适的导管埋深。同时在孔口段孔深1/3范围设保险绳。本项目钻孔桩导管采用δ=10mm无缝钢管制作，埋深10～12m。

③根据成孔检测孔径曲线，合理确定不同部位灌注速度。在笼底、孔壁突变等处控制灌注速度，采用锥形测锤准确测量孔内混凝土面，以有效保证导管埋深。在混凝土供应间隙，适当上下活动导管，观察起吊设备吊重量，如有异常及时处理。

⑶ 混凝土质量要求

混凝土在灌注过程中，存在的主要问题是按照同一配合比拌制的混凝土塌落度偏差过大，造成离析或流动性和工作性能差。在灌注过程中，由于塌落度不一致，也可能造成混凝土上升速度不一致。从而造成混凝土表面沉淀不均，产生夹沙裹泥。

为保证混凝土质量，首先对拌和设备进行标定检修，确保处于正常工作状态。在拌和混凝土时，对骨料含水量精确测量，提供可行的施工配合比。采用双掺技术，延长混凝土初凝时间，增加混凝土物料胶体率，改善其工作性能。

4 结语

济南黄河大桥48根超长钻孔桩，通过上述措施，在施工过程中有效地控制了成孔、成桩的各项指标，顺利完成了施工任务。经过山东铁正试验检测中心超声波检测，山东交通科学研究所复测，并通过钻芯取样，所有钻孔桩均满足了检测指标要求，评定为Ⅰ类优良桩。通过本项目48根超长钻孔桩的实践验证，上述措施是成功的。笔者认为，以上措施只是超长钻孔桩施工控制的必要条件，在现场施工中，还应对人员、机械设备、材料等各类资源及施工工艺和施工方案进行宏观、全面地控制和调节，才能有效地控制好各工序指标，从而保证工程质量。

参考文献：

《公路工程桥涵施工技术规范》JTJ041-2000

《公路施工手册――桥涵》交通部第一工程局，人民交通出版社

《桩基工程检测手册》罗骐先主编，人民交通出版社