2Φ3.8m大直径超深钻孔桩施工技术-shb

    陈宏宝  何承海

摘  要：本文主要通过嘉绍跨江大桥施工实践，阐述在复杂水文和地质条件下，超大直径超长孔深的钻孔桩单桩基础施工工艺，为类似工程提供借鉴与参考。

主题词：Φ3.8m大直径钻孔（单）桩  基础  施工技术

一、工程概况

1.1、工程背景

我国桥梁大直径钻孔灌注桩的设计、施工水平均位于国际前列。对于大型桥梁工程，一般将钻孔灌注桩作为首选的基础形式。目前国内钻孔灌注桩有记载的最大直径已达到3.4m（武汉天兴洲大桥，最大桩长76m，嵌岩桩），单桩最大桩长已超过125m（杭州湾跨海大桥北航道桥，桩径2.8m，摩擦桩）。浙江省嘉绍跨江大桥水中区引桥下部结构采用单桩独柱的结构形式，共计75个排架150根桩基础采用了直径Φ3.8m大直径钻孔灌注桩，单桩最长桩长达105m，桩端持力层为中风化砂岩或卵石层，按摩擦桩设计。如此超大直径超长钻孔桩在国内建桥史上尚属首例。典型桥墩结构布置见图1.1所示。单桩独柱结构基础与传统的“群桩＋承台＋墩身”的基础相比，可明显减小河床断面压缩率，对建设条件适应性好。单桩独柱无承台施工工序，墩身施工时将桩基钢护筒作为挡水结构，可以有效地降低施工风险、节省工程造价，且施工工期易于保证。另外其还有施工工序少、造型美观、经济性好的特点。

图1.1  典型桥墩结构布置图

1.2、工程水文、地质条件

桥位水域涨落潮流路分歧，河床底质颗粒较细，起动流速低，易冲易淤，加上上游来水丰、枯变化，河床变化剧烈。依据桥址断面2003年5月短期观测资料，观测期实测最高潮位5.45m，平均高潮位4.02m；最低潮位-3.15m，平均低潮位-2.41m；最大潮差8.59m，平均潮差6.44m，加大了钻孔桩水头控制的难度。5年一遇设计涌潮高度为2.5m，涌潮产生的水动力对桥墩建筑物的作用主要集中在低水位以上1倍涌潮高度范围内，涌潮试验得到桥位附近涌潮流速可达9.0～10.0m/s。在现状江道情况下，推算的桥址处断面上300年一遇垂线平均流速最大为7.5 m/s左右，相应南岸水中区引桥桥墩处最低冲刷高程为-29.8m。施工阶段，钻孔钢平台结构需要抵御大流速和强涌潮的反复作用。

桥址区地层上部为较厚的第四纪松散沉积物地层，下伏白垩系下统(K1)泥质粉砂岩、砂砾岩风化层。典型地层自上而下分布为：粉细砂、淤泥质亚粘土、粉质粘土夹砂、粉砂、粉质土、圆砾、卵石、强风化和弱风化泥质粉砂岩。其中圆砾和卵石交结，强度较大，厚度深达20m左右，钻进穿越对钻机性能和泥浆指标要求较高；桩端持力层泥质粉砂岩整体节理性好，不易破碎成小块，钻进过程中需要加大泥浆比重以便悬浮大块（石）钻渣。

二、钻孔桩关键施工工艺

在大流速强涌潮水域且地层自上而下差异性较大的复杂条件下，进行桩径达Φ380cm、桩孔深达118m（从施工台+10.0m起算）的钻孔（单）桩基础施工，必须对钻孔钢平台进行专门设计以抵抗大的水流涌潮荷载和承受大型起重设备施工动载，选择性能优良的钻孔设备、优质泥浆，并辅以最优化的施工工艺，才能确保桩基础施工顺利实施。本工程钻孔桩采用的施工工艺流程为：搭设钻孔施工平台→分两节施沉桩基钢护筒→钻机就位→泥浆循环钻进成孔→终孔、第一次清孔→超声波成孔检测→钢筋笼下放→导管下放、二次清孔→安装灌注集中大料斗、混凝土灌注→成桩检测。

2.1、施工栈桥和钻孔钢平台布置

为规避河床宽浅流急、大型水上起重设备难以采用的风险，本工程采用全栈桥施工。栈桥采用高桩梁板结构，位于桥位上游，先期采用100t履带吊（30m扒杆，性能参数见表2.1）加DZ120振动锤“钓鱼法”搭设完成。根据水文资料，考虑施工期间可能遇到的最高水位＋5.91m，并考虑施工越浪要求，施工栈桥的顶标高取+10m；为满足大型起重设备如200t履带吊行走宽度需要以及涌潮力和上部施工荷载要求，栈桥顶宽取8.0m，栈桥基础采用直径Φ1000×12mm、材质Q345C螺旋钢管桩，排架间距（跨径）15m，自下而上的结构分别为I32C承重梁、321型贝雷梁、I22b横向分配梁、I12.6纵向分配梁和δ10mm花纹钢板；同时为满足实体工程施工的需要，栈桥纵向中心线与桥梁纵轴线之间的间距按不小于30m进行控制（见图2.1-a）。钻孔钢平台设计和施工与栈桥类似，但施工平台需要满足大型钻孔设备的布置（工作状态下P=2000kN,动力系数1.3）、起重设备的行走和作业（200t履带吊，其他堆载按20kN/m2）、混凝土灌注设备的布置以及混凝土输送车辆掉头等功能，其平面尺寸应覆盖一个排架的2个桩位，同时预留车辆，尤其是履带吊的的行走区域（车道）。搭设完成的施工平台见图2.1-b。

表2.1  100t履带吊性能参数一览表

图2.1-a  典型钻孔施工平台与施工栈桥布置图

图2.1-b  钓鱼法搭设完成的钻孔施工平台

2.2、钢护筒制作与沉放

钢护筒顶口标高与施工平台一致取+10.0m，底标高-35.0m进入相对稳定不易液化的亚粘土层。结合类似水域桩基钢护筒和本工程先期试桩的施工经验，护筒底端12m材质Q345C壁厚加厚至32mm（径厚比1/128），上端33m材质Q235C壁厚27mm（径厚比1/152），其中标高-3.0m以上为措施部分，可以确保施沉过程中激振力的均匀向下传递；护筒底口设置刃脚，外周焊设2道δ20mm厚50cm宽加劲箍，间距按1倍护筒直径控制。

为规避异地加工公路运输超高、超宽和超长的风险，钢护筒加工在大桥南岸桥头附近临时驻地内专设钢结构加工厂房内进行，高精度三辊自动卷板机和高效率的辅助焊接设备，可以确保钢护筒的结构尺寸（椭圆度和弯曲矢高）和焊缝质量满足或优于设计要求和相关规范的规定，为桩基成孔质量奠定了坚实的基础。钢护筒小节段制作采用直缝法，节段之间采用环焊缝。

钢护筒总长达45m，总重量超过130t，一次施沉到位对施工机具的吊重和吊高以及施工栈桥和平台结构均要求极高，明显不经济，因此选择现场分两节（首节重达70t，长度25.2m，见图2.2）沉放、竖向只对接一次的施沉方案，即选用200t履带吊（40m扒杆，性能参数见表2.2）作为主要起重设备（40m扒杆）；将钢护筒沉放到位所需振动锤激振力Fv ＞土的动摩阻力Fr =μ∑ｆULi，根据前期勘探的地质资料推算钢护筒沉放到位需要克服的动摩阻力最大约为4680kN，选取2台ICE V360型振动锤（激振力达到06kN）双联动施振完全可以满足施工要求。

表2.2  200t履带吊性能参数一览表

图2.2  首节钢护筒起吊就位

考虑到大桥专用规范对钢护筒斜率（1/300）及钻孔斜率（1/200）要求较高，同时单桩独柱的桩基偏位（5cm）控制均大大高于桥规的规定。根据以往类似工程经验，钢护筒下沉采用整体式双层型钢定位导向框进行定位。上层导向框焊接固定在搭设完成的施工平台上，下层导向框在导向框整体安装到位后由型钢支撑规定在护筒四周的平台钢管桩上，以增大钢护筒施沉的平面刚度。上下两层导向架间距7m，下层导向架标高为+3.0m。

实际施沉时，选择高平潮水流流速较小时段完成第一节钢护筒的入土着床，重点预控其垂直度、平面偏位，必须确保施沉至一定的入土深度，将护筒区局部冲刷造成的影响降低至最小，确保竖向二次对接的垂直度。

2.3、钻机选型

由于该类型桩基的独特性，结合工程开工阶段业主委托设计单位进行试桩施工的相关成果经验，选用的钻机扭矩应超过28t.m以上，同时满足相应的强度和刚度的钻杆外径不宜小于350mm，壁厚不小于25mm。国内满足上述要求的钻机有：KT5000（40t.m）、ZSD4000（30t.m）、ZDZ4000（30t.m）和KTY4000（30t.m）等型号钻机。下表2.1为KT5000型钻机主要技术参数。

表2.1  KT5000钻机性能参数一览表

淡水泥浆和海水泥浆相比，稳定性较好，全栈桥施工淡水可全部连通至施工各墩位，因此采用淡水造浆桩基成孔施工工艺。造浆材料选用浙江安吉的膨润土，添加纯碱和PAC，按照桥规规定配比进行调配，该膨润土调配后能确保新制泥浆的胶体率≥98%、含砂率＜2%。成孔过程中针对不同地层，实时进行监控调整。表2.2为钻进过程中各地层泥浆控制指标对照表。

表2.2 钻进过程中泥浆控制指标对照一览表

（1）护筒内外水头差控制

桥位处潮汐为不规则半日潮，且潮差较大（平均潮差超过6m）。考虑到钢护筒入土深度较深，不易发生穿孔现象，故主要从防止塌孔的角度考虑，将护筒内水头始终保持在略高于高潮位的位置。实际施工中未因此发生异常情况。

（2）钻孔垂直度控制

为了保证钻孔的垂直度，在钻头上部加设配重，配重和钻头的总重量约为33.3t，使钻具在重力的作用下始终垂直向下；为确保钻机转盘始终保持水平，每加1～2节钻杆，检查一次钻机水平度和钻杆垂直度情况。

（3）卵砾石层钻进控制

本工程圆砾层及卵石层比较密实且埋深较深，为减少提钻次数、节省工期，刮刀钻头构造需要加强，钻齿数量需要加密，同时宜采用大尺寸合金钻齿。另外，根据类似工程经验，经对锥角为120°、90°和75°三种角度的刮刀钻钻进效率进行比较发现，锥角角度逐渐增大，大颗粒钻渣向孔底沉积的速度会相对减缓，钻杆排渣效果明显，可以减小堵管的几率。实际施工时采用单护圈、锥角呈90°的六翼刮刀钻头（见图2.3），在进入上述地层后，需及时泥浆性能指标，加大空压机的供风压力，提高泥浆的携带能力和除砂工效，减压钻进控制进尺慢速通过。实际施工时，大部分孔位只采用刮刀钻一次成孔到位，并未在圆砾层、卵石层和泥质粉砂岩层更换滚刀钻（见图2.3），极大地提高了施工工效。

图2.3  滚刀钻头和刮刀钻头

（4）泥质粉砂岩内钻进控制

在桩端持力层泥质粉砂岩中钻进，泥浆循环量决定着钻机的排渣能力。若循环量大，则钻头切削的泥岩可成块地排出，减少二次或多次破碎，提高钻进效率，而泥浆循环量与供风量有着直接的关系。每台钻机宜配置1台20m3以上的空压机，以保证风量供应，满足排渣需要。 

（5）对孔底沉淤的控制及二次清孔

采用增大泵吸量，提高泥浆循环速度，增强泥浆携带钻渣的能力；用优质膨润土提高泥浆粘度，以减缓砂粒沉淀速度；随时对泥浆指标进行测试，及时降低泥浆含砂率；严格要求钻杆接头的密封性，确保泥浆反循环排渣效率；及时排除废弃泥浆，勤捞沉淀池中的沉渣，及时补充新鲜泥浆。由于大部分桩孔采用刮刀钻终孔，孔底为锥形，锥尖狭窄部分沉淀不易上翻，二次需要加长风管深入导管的长度（实际使用的为60m），并适当延长了二清时间。

从已完成的桩孔超声波检测结果来看，孔径和孔壁倾斜度均能满足设计要求和规范规定。

2.6、钢筋笼制作与安装

钢筋笼采用长线台座法同槽制作，主筋接头采用镦粗直螺纹工艺，加劲箍采用不等边角钢（∠90×56×6）进行弯制，间距按2m进行布置。由于规格较大的角钢暂无沿其长边方向径向内弯成圆形的机械，采用人工弯制耗工、费时且容易变形，致使加工成型的钢筋笼的加劲箍需要六边形的加劲内撑来减小其变形的影响，使得单孔钢筋笼在接长下放施工中，割除加劲撑占用了相当大的时间，效率较低，对成孔后混凝土灌注带来不利影响。后续修改成等截面的［6.3槽钢制作加劲箍，减少了加劲内撑的使用，大大地提高了钢筋笼制作周期和下放的施工工效。

单桩钢筋笼净重接近70t，与首节钢护筒重量相当，同样也是工程施工机具设备选型的重要控制因素，200t履带吊是钻孔平台大件吊装作业的最主要起重设备。

2.7、混凝土水下灌注

陆地生产、供应和一次性灌注1300m3左右的钻孔桩混凝土，对混凝土的生产设备、运输设备和浇注设备的性能和各中间环节的衔接组织提出了较高的要求。实际施工时，在大桥南岸桥头设立了3台120m3/h混凝土搅拌站，最远运距小于2km；为满足运输能力要求，配置了10台8m3的混凝土输送车；现场灌注采用3台80型混凝土泵车。增加了混凝土生产、运输和泵送的可靠性。

钻孔桩配合比按海工高性能混凝土进行设计，主要控制指标：胶凝材料总用量420kg/m3，胶凝材料水泥、粉煤灰和矿粉按10：7：3的比例进行掺加；水胶比0.35；坍落度18～22cm；缓凝时间30h。

本工程在试桩阶段曾考虑采用双导管和单导管两种灌注工艺。双导管工艺主要缺点表现在：（1）难以确保混凝土灌注连续；（2）加大了混凝土在桩孔内的均匀上翻控制的难度。单导管适当加大管径即可克服上述问题，在主体工程施工中被采纳。混凝土灌注导管在钢筋笼安装到位后立即进行，可预先将2～3节按顺序进行整体组拼，然后整体下放，减少接头连接时间，同样可以缩短安装时间。

按照桥规公式计算首封需要混凝土25m3左右，配置30m3集中大料斗、2m3封孔小料斗和正常灌注小料斗各1个。首封采用拔塞法，集中大料斗连续不间断向封孔小料斗供料；首封成功后更换小料斗进行正常灌注。大料斗集中向小料斗供料，导管拆除（关闭大料斗阀门）不影响泵车向混凝土向大料斗泵送供料，可以提高混凝土灌注工效；同时泵送过程中可以随时观察泵送至大料斗内的混凝土外观质量，确保首封和正常灌注阶段不产生堵管等不利工况。经测算，混凝土生产、运输和灌注设备设备发挥效率在30%～40%之间，可以达到每小时灌注100～120m3混凝土的灌注能力，确保单桩在12h左右可以完成浇注。

另外，矿粉的使用使得混凝土的粘性增大，在如此Φ380cm大孔径内采用内径为φ410mm单导管工艺进行灌注，混凝土的上翻存在一定的差异性，可能导致混凝土面上升不均匀产生较大高差、孔壁尤其是护筒底口附近堆积的泥皮夹带裹进桩身混凝土内和导管拔除在桩中心形成的暂时空洞等不利情况发生。实际施工时，为避免上述情况发生，除在成孔阶段加强清孔效果和护筒壁的泥皮刷除外，在混凝土灌注阶段，需要从严控制导管埋深在4-6m之间，最大可达到近8m左右，避免形成中高边低高差过大。并适当增加频次多点均匀测量混凝土面的上升高度（差），适时进行导管的拔除，取得了较好的测控效果。

三、结束语

大直径超长钻孔灌注（单）桩基础，在国内外建桥史上尚属首例，是今后桥梁建设的一个趋势，必将对钻孔灌注桩的桩径和桩长提出更高的要求。由于该工艺其施工组织难度和成孔成桩风险显著增加，在对河床断面压缩率不作要求的情况下宜谨慎选用。

本工程大直径超长钻孔灌注桩的成功实施，也必将推动大直径超长钻孔灌注桩的设计理论、施工工艺及施工设备的进一步发展，同时可以为类似复杂水域的桥梁基础施工提供借鉴。