砂卵石易坍地层深水钻孔桩施工技术

【摘 要】结合广东省肇花高速公路北江特大桥主桥主墩施工，介绍深水长大钻孔桩施工中钻孔平台设计、钻机选型、高级PHP泥浆应用、清孔工艺、水下砼灌注、防洪渡汛等关键施工技术。

【关键词】深水；大直径；深桩；施工技术

1 工程概况

1.1 桥型简介

广东省肇花高速公路北江特大桥主桥为75m+136m+75m预应力砼连续刚构桥，双向8车道，半幅桥面宽度20.25m，梁部采用单箱双室断面，主墩采用单箱双室形薄壁空心墩，主墩承台为整体式高桩承台，每个主墩基础采用12根φ250cm钻孔灌注桩，最深设计桩长88m。

1.2 地质条件

23#、24#主墩处地质比较复杂，河床底标高约为-21.5m，河床下地层结构自上而下为：细砂层厚度约5m，圆砾层厚度约5.5m，卵石层厚度约3.5m，强风化凝灰质角砾岩厚约2m，向下60m全部为弱风化凝灰质角砾岩和微风化凝灰质角砾岩软硬交错夹层，而且岩面严重倾斜。

1.3 水文特征

北江为国家Ⅲ级航道，过往船只频繁。施工区域江面宽约530m，水深约26m，每日潮水两涨两落。本区域6～9月为汛期，北江水位受西江水位和粤北地区强降雨影响，最高洪水位可达8m以上。2013年6月中下旬，北江发生了超百年一遇的特大洪水，桥位处最高洪水位达到9.15m。

2 施工方法

2.1 总体施工方案

钻孔施工平台采用贝雷梁、型钢和钢管桩搭设组合式固定平台。钻孔采用“先冲击、再旋钻”的方法。回旋钻泥浆循环主要采用气举反循环方式。

2.2 钻孔施工平台

施工平台平面尺寸为51mx14m，基础采用Ф800mm×8mm的钢管桩，钢管桩顶面安装10mm厚钢盖板，上设双拼I25a工字钢通长垫梁，在垫梁顶面纵横梁分别采用贝雷梁和Ⅰ45a工字钢，上铺[10槽钢，面层采用δ5mm钢板或50mm厚木板（见图2.1）。钢管桩采用打桩船打设，入土深度为12～15m。由于钢管桩自由长度为25m，为保证其稳定性，在钢管桩之间、钢管桩与桩基钢护筒之间用[14槽钢做剪刀撑，并在上下游方向抛设锚锭。

2.3 钻孔施工

2.3.1 钻孔施工

由于主墩处护筒底地层为卵石层，经过认真分析研讨，为保证将护筒底卵石层护壁挤密，确定采用“先冲击，后旋转”的成孔方案。首先用冲击钻开孔，当钻至护筒下约2m时，将钻头提出，扒杆后仰，接长护筒后采用250KW振动锤进行二次跟进，直至护筒不再进尺。然后将扒杆复位，吊入钻头，继续冲进。当再次冲至护筒下2m时，停机再次跟进护筒。如此反复，直至护筒无法下沉。如果冲击钻冲孔过程中孔内发生漏浆，即向孔内回填2T水泥，不循环泥浆冲击20min后，填入优质粘土至护筒底上1m，然后静止24h后重新正常冲进。实践证明，用水泥加粘土处理漏浆效果不错。

当冲击钻冲过岩面后，改用回旋钻施工。23#、24#主墩桩基施工中共选用了四种型号的回旋钻机（见表2.1），在覆盖层及软岩地层钻头采用刮刀钻头，在硬岩中采用滚刀钻头。根据地质情况和钻机性能，钻孔过程中的有效钻压为：强风化层为60～120KN；弱风化层为120～180KN；微风化层为200～280KN。一般在强风化和弱风化层采取减压钻进，以保证成孔垂直度，在微风化层则采取全压钻进，以提高钻孔效率。在强风化和弱风化软岩层中转速为5～7r/min，微风化硬岩层中转速为8～10r/min。

根据施工经验，回旋钻接冲击钻施工应注意以下几点：

（1）冲击钻钻头直径不得小于回旋钻钻头直径，以免回旋钻扫孔时破坏护壁。

（2）两种钻机在定位时必须准确，并保证两种钻机的开孔中心点基本重合。

（3）冲击钻如发生粘锤，可抛入适量碎石，不得向孔内抛入铁件和大块片石，以免损伤后续回旋钻的钻头。

24#墩桩基施工高峰期共上4台回旋钻机和1台冲击钻，回旋钻机为RC-300型2台，QJ250-1和ZSD250型各一台。5台钻机总重达到490T，为了保证钻孔平台的稳定，对平台进行了全面加固处理。如在贝雷梁支点处加竖撑、在桩基钢护筒上加焊牛腿、平台上下游方向分别抛设锚锭等。

2.3.2 泥浆循环

主墩桩基泥浆循环除KP2500型回旋钻机采用泵吸反循环方法外，其余均采用气举反循环。空压机均采用移动式螺杆式空压机，容积流量为18～26m3。泥浆循环与钻渣排除采用“一级处理，二级沉淀”的方法。循环系统由沉淀筒、循环池、连通管、分离筛等组成。沉淀筒用2.5m高Φ280cm钢护筒加焊底板做成，循环池利用钻孔桩基的相邻护筒，沉淀筒放在循环池的上方，在施工桩基护筒与相邻护筒之间焊接Φ30cm连通管。从钻杆喷出的泥浆经过放在沉渣筒上的分离筛滤网将钻渣排出，过滤后的泥浆流入沉渣筒，泥浆再经沉渣筒上部的软管出口流入循环池，最后通过连通管返回桩基护筒内。

2.3.3 高级PHP泥浆应用

泥浆的作用主要是平衡地层压力，悬浮、携带钻渣，、冷却钻头，形成泥皮、增加孔壁稳定性。北江特大桥主墩钢护筒虽然进行了“多次跟进”，但最终仍然没有到达岩层，钢护筒底卵石层属易漏浆和坍孔地层，为保证护壁的稳定，在桩基施工中采用了不分散、低固相、高粘度高级PHP泥浆。

钻孔过程中根据不同的地层条件和施工工况，及时调整泥浆的技术参数。试验室派专人每天定时对各桩基泥浆取样，带回试验室检验，根据检验结果及时做出调整方案，并将调整方案通知现场技术人员进行实施。

北江特大桥主桥主墩桩基施工中全部采用高级泥浆效果明显，回旋钻钻孔过程中，未发生严重漏浆和坍孔现象。有两根桩基曾发生轻微漏浆，经及时添加水泥、锯末等防漏剂后，及时止住。2013年6月中下旬发生的北江特大洪水曾淹过护筒顶约4m，当时23#、24#主墩共有12根桩基正在施工中，但洪水退后均未发生坍孔，高级PHP泥浆功不可没。

2.3.4 清孔工艺

当回旋钻钻到设计标高后，将钻头向上提30cm进行第一次清孔，利用钻杆的反循环系统进行清孔。泥浆循环过程中向泥浆中添加外加剂以调整泥浆指标。第一次清孔时间约4～6小时。第二次清孔采用导管内安放36m长、直径Φ40mm风管，形成气举反循环泥浆通道。第二次清孔后泥浆可达到以下指标：相对密度：1.05～1.10，粘度：18～20S，含砂率小于0.5%，胶体率大于98%。第二次清孔时间约2～4小时。为减少清孔时间，两次清孔均可将出浆管连接ZX-200泥浆净化装置，除泥砂效果很好。

2.3.5 桩基成孔质量检测

为了保证桩基成孔质量，终孔后利用KE-400超声波侧壁测定仪对成孔的垂直度、孔径、孔深进行测定。检测结果表明所有桩基成孔质量均满足设计及规范要求。

2.3.6 钢筋笼制安

桩基钢筋笼总重约42.1T，单节（12m长）重为6.9T，上部50m全筋段设计为104根Φ28主筋，下半部为半筋段。

由于全筋段均采用双主筋靠拢在一齐的形式，因此相临两节全筋段钢筋笼之间采用帮条焊方式连接，半筋段采用套筒挤压方式连接。采用套筒挤压方式每处接头可节约3～4h时间。每节钢筋笼上端加焊4个φ30mm圆钢制作的倒“U”形吊点，孔口处用I45a工字钢焊制一“井”字形吊架，并对称设四处吊点以便临时固定下放中的钢筋笼。

2.3.7 水下砼灌注

灌桩导管直径为Φ35cm，标准节长度为2.5m，底节长度为6m，并设0.5m、1m、1.5m的调整节。每节之间采用法兰、橡胶密封圈和Φ14mm高强螺栓连接，安拆采用自制的加力扳手。导管在使用前进行水密承压和接头抗拉试验。

考虑到现场有150t浮吊，首批砼（计算为10.8m3）料斗容量采用12.5m3。为防止剪球前球脱落和首批砼下落时发生水洗现象，剪球采用铁闸阀上放砼袋方式，效果不错。由于单根桩基砼方量较大，实灌砼方量约为500m3，为确保将砼灌注时间控制在10h以内，施工中主要采取了以下措施：

（1）保证砼供应能力。南北两岸各设一座2xJS1000拌和站，3台8m3搅拌车，HBT80型输送泵1台。砼实际供应能力不小于70m3/h。

（2）砼设计初凝时间不小于15h，以保证砼灌注顺利。

（3）尽量缩短拆管时间，在第一次拆管后将首批砼大料斗换为0.5m3小料斗，两人即可抬动。每次拆管时间可控制在5min以内。

（4）灌注前注意配备各种备用机具，以便发生故障后及时更换。

施工中每根主墩桩基实际灌注时间为8～9h。

3 桩基检测结果

主墩桩基全部采用声波透射法进行检测，最终检测结果全部为Ⅰ类桩。每座主墩各抽芯检测1根，结果桩身砼完整密实，无蜂窝现象，桩底实现零沉渣。

4 结束语

（1）本桥施工高峰期，钻孔施工平台曾上4台回旋钻和1台冲击钻，总重达到420T，而且经历了一场百年一遇的特大洪水（洪水期尚未成桩），施工平台能够安然无恙，本平台的设计与防洪加固措施是关键。

（2）实践证明：在砂层、卵石层等易坍地层较厚，钢护筒无法全部穿过易坍地层到达岩层的情况下，采用“先冲击、后旋转”的组合方式成孔，是一种快捷、经济的方法。

（3）高级PHP泥浆的应用给本桥主墩桩基成孔、灌桩质量以及防洪提供了安全保证，在大直径桩基钻孔泥浆调配方面积累了宝贵经验。

注：作者身份证号码为422429197501083614