北江大桥桥墩钻孔施工技术中的泥浆循环分析

摘要：北江大桥桥墩施工采用钻孔施工技术，本文分析了大桥桥墩钻孔施工工艺的钢护筒制作安装，泥浆循环，高级PHP泥浆应用，清孔工艺，水下砼灌注，桩基成孔质量检测，重点探讨了钻孔施工中泥浆循环以及高级PHP泥浆应用。

关键词：钻孔施工；泥浆循环；高级PHP泥浆

中图分类号：TU74 文献标识码：A

国道主干线广州绕城公路西环南段北江特大桥主桥为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。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。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。2005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。

一、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。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。

二、钢护筒制作安装

由于北江江深水急，而且护筒要穿过圆砾层和卵石层，对钢护筒自身刚度和准确定位是一种严峻考验。钢护筒壁厚最初设计为20mm，通过仔细检算，最终壁厚确定为12mm，直径采用Φ280cm。为确保钢护筒振动下沉时的刚度和强度，在钢护筒自由长度的中间区域外壁四周加焊8道12000mmx100mmx8mm扁钢，并在护筒底口处加设50cm高的δ12mm钢带作为刃脚，在每节连接处四周加设400mmx300mmx10mm的加强板。仅钢护筒一项即节约成本约25万元。钢护筒在加工场分段制作，接头焊接采用坡口双面焊，每根桩基钢护筒分段长度为10.5m+9m+9m+6m，在现场再接长。

护筒沉放采用导向架定位。导向架由I25a工字钢、10槽钢等焊成正六边形结构，高度12m，内空比护筒外径大5cm。钢护筒入土时尽量选择平潮时段，以减小水流对钢护筒的推力。钢护筒沉放采用250KW振动锤，沉放过程中要悬挂锤球测量其倾斜度，保证不大于0.5%。施工中发现钢护筒在刚沉入卵石层后，就很难再有进尺。继续强制振动下沉会导致护筒底脚变形或偏位，然而如果不再下沉，护筒底存在漏浆和坍孔的危险。为解决这一问题，施工中采用“钻孔后再次跟进”的方法。

三、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。

四、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。

在开孔前，试验室根据主墩水源和地质条件进行泥浆配制试验，在基本配合比的基础上进行修正、调配，最终确定最佳配合比。在修正配合比过程中，要对泥浆进行密度、稳定性、流动性以及对泥皮形成性能试验。

表1高级泥浆基本配合比表

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。

表2钻孔泥浆性能指标表

由于高级PHP泥浆相对普通泥浆费用较大，因此灌桩过程中应做好泥浆的回收工作，水下砼灌注时用泥浆泵将返出的泥浆抽到泥浆船里或抽到其他未施工的护筒里。回收的泥浆既可用作开钻泥浆，也作钻孔中补充泥浆之用。

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。2005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。

五、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。

六、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。

七、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：

（一）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。

（二）砼设计初凝时间不小于15h，以保证砼灌注顺利。

（三）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。

（四）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。

八、 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。