大桩径长桩冲击成孔施工技术
2009-09-28
[摘要] 由常规桩基冲击成孔工艺技术,施工大桩径长桩时存在的不足,在镇海湾大桥施工中所采取的措施总结关键词 镇海湾大桥 大桩长桩 冲击成孔技术一． 工程概况西部沿海高速公路是国家统一规划的战备公路，它南起广东湛江,沿海至辽宁大连. 镇海湾大桥是西部沿海高速公路广东段台山境内的一座特大桥。全桥长2896m，桥跨组合为：16×20m+18×30m+10×50m+105m+190m+105m+10×50m+13×30m+12×20m。其中主桥为预应力连续刚构，桥跨组合为105m+109m+105m。引桥50m跨上部构造采用PPC先简支后连续刚构方案，20m、30m跨为預应力混凝土简支梁。该桥桥位在镇海湾雅州岛南侧，距出海口约20公里，夏季受台风影响，水位受潮夕影响，潮差约3m。桥位处河床底覆盖层较厚。该桥桩基除主桥为群桩基础外，均为单排桩。桩尖嵌岩不小于0.5m，岩石单轴抗压极限不小于15Mpa，柱桩桩底沉淀厚度不大于5cm，摩擦桩桩底沉淀土厚度不大于20m。引桥50m跨桩基为桩径φ2.2m和φ2.5m的水中桩。二、基础施工方案确定（一） 工程地质状况镇海湾大桥位于镇海湾出海口约20公里外，淤积层较厚，桩状图如下（见图一），岩（土）性描述：一层：素填土，黄褐色，新近人工回填土，主要成份为亚砂土及碎石等，松散状。二层：淤泥，深灰—灰黑色，细腻，染手，含海相贝壳及腐殖物，偶见薄层粉细砂，饱和，沉塑状。三层：含粘土砾石，黄褐色，以粘土及砾石为主，局部为卵石，卵石粒径2~5cm。磨圆度良好，呈亚圆形，砾石、卵石卵粒间互不接触，由粘土粘结，钻进本层钻机偶有跳响声，潮、中密—密实状。四层：全风化花岗片麻岩或变质砂岩，褐黄色—黄色，除石英外，其他矿物已风化成土状，为粗粒花岗岩残坡积土，呈亚粘土或亚砂土状，稍湿，可—硬塑或中密—密实状。五层：强风化花岗片麻岩或变质砂岩，褐黄—灰褐色，岩芯完整性差，呈半岩半土—碎块状，岩芯用手可折断，可见母岩原生结构，钻进过程有轻微跳响，稍硬。六层：弱风化花岗片麻岩或变质砂岩，灰白间褐黄色，岩芯呈碎块状，风化裂隙发育，沿裂隙面见铁质薄膜，硬，钻进过程基本连续跳响。七层：微风化花岗片麻岩或变质砂岩，灰色—深灰色，间夹白色石英条带，花岗片麻岩手变质砂岩相互产出，但无规律性，节理发育，为陡倾角，裂隙较发育，岩芯破碎，钻机钻进强烈跳响。（二） 成孔方案的确定该桥大桩径桩为φ2.2m和φ2.5m两种，从地质情况看，可选用以下几种成孔方案（见表一）：从表中各成孔方案的优缺点看，前两种钻进从技术性能和指标方面，较适合于本桥桩基施工，但由于前两种施工方法设备投入较大，故我们经多方考虑，在减小投入情况下，尽量利用现有设备加以改进，选用冲击钻施工方法施工本桥桩基。但从各种经验介绍情况看，用冲击钻施工本桥的φ2.2m、φ2.5m的，桩长近50m的桩，各项指标都是该成孔方法的极限。在这种情况下施工，我们首先找出该桥桩基冲击成孔较常规冲击成孔存在的难点，并有征对性的采取措施，以保障工艺各环节施工顺利。（一） 工艺难点1、 机具设备的配套由于桩径较大，冲锤相应加大、加重，所需钻机也要大吨位，但也要尽量降低设备自身重量，以减小水上平台设备和吊装设备投入。2、孔壁稳定性冲击成孔特点是成孔速度较慢，且水中桩基施工无法保证常规冲击成孔的泥浆循环。如何保持孔壁施工过程中的稳定性及排渣是必须解决的问题。３． 清孔桩长且桩径大，孔内泥浆数量较大，如何在清孔时，使孔内泥浆达到标准，且较大较长的桩，在钢筋笼下放过程至灌注水下砼剪球前，长时间静置，泥浆里的钻渣易沉淀，造成孔底沉淀厚度超标。如何保证孔底沉淀厚度达到标准要求，也将是必须解决的难点之一。三、施工工艺针对措施针对我们选用的大桩径、长桩冲击成孔方案，结合上述工艺难点，常规冲孔工艺无法满足的工艺细节，我们采取相应措施。（一） 设备选用因该工程桩基桩径较大，且桩较长，冲锤重量的选定至关重要。我们选用冲锥的重量偏大，为4.5T的十字型冲锥，钻机选用2JK10型江苏南通矿山机械厂生产的钻机，该机冲击频率8次/min，额定速度31m/min，电动机额定功率75KW。（二） 过程控制要素在整个成孔过程中，常规工艺尽量作到精益求精，特别在以下几下方面采取针对性措施：1、 冲程从地质情况看，按常规经验，施工一条φ2.0m以上的50m长桩需20天，孔壁土体破坏后在成孔施工过程中时间较长，且在此过程中又受到冲击成孔的震动，对孔壁的安全稳定不利。针对这种情况，我们在整个成孔过程中尽量使用小冲程，高频率施工，在不稳定的土层，如砂夹卵石，采用回填土2~3次土夹石回冲的办法，使在成孔过程中，挤密孔壁，加强了孔壁的稳定性。2、 泥浆钻孔泥浆由水、粘土和添加剂组成，在钻孔中，由于泥浆相对密度大于水的相对密度，故护筒内同样高的水头，泥浆的静水压力比水大，由于静水压力的作用，可作用在井孔壁形成一层泥皮，阻隔孔内外渗透，保持孔壁免于坍塌。此外，泥浆还起到浮悬钻渣的作用。冲孔过程中，如有泥浆池循环，泥浆通过泥浆泵由胶管注入孔底，使泥浆在孔内产生连续不断的上升流速，悬浮钻渣流入沉淀池中，孔中泥浆也较均匀，对孔壁稳定性较有利。无泥浆池施工时，解决排渣和保持孔内泥浆均匀，孔壁稳定至关重要，我们是这样做的：施工中，排渣我们采用较为常规的掏渣筒掏渣，每1.5个台班掏渣一次，效果较好。保持孔内泥浆均匀的办法是孔内的内循环，在掏渣后，加入黄泥造浆，孔底形成密度较大的泥浆，泥浆泵由冲机副机吊于水面，吸取面层密度较小的泥浆注孔孔底，使孔底泥浆稀释后上浮，经过一段时间循环，泥浆达标后，即可进行冲孔施工，一般内循环也每1.5个台班进行一次，也在掏渣后进行。从每1.5个台班做一次孔内泥浆循环，在不同时段获得的泥浆资料来看，在冲孔过程中泥浆沉淀的情况不致引起孔壁的不安全。同时钻进过程当中每隔４h时测定一次护筒角处泥浆浓度是否达标，如不达标，则应即可进行内循环。1、 清孔清孔的目的是抽、换原孔内泥浆，降低泥浆的相对密度、粘度、含砂率等指标，清除钻渣，减少孔底沉淀厚度，防止桩底存留沉淀土过厚而降低桩的承载力，清孔为灌注水下砼创造良好条件。我们清孔采用了掏渣法和内风管吸泥清孔法相结合的方法，在钻孔达到设计标高时，先加入适量水泥、黄泥，造浆后掏渣，直至泥浆达到要求的标准。在清孔完毕至浇注砼前，因桩径较大，桩较长，这个时间段相对较长，这样，在浇注前，容易产生沉淀过厚等现象。此时我们利用已下放的浇注水下混凝土用的导管,采用内风管吸泥清孔法进行二次清孔（见图2），具体指标计算如下：图2 内风管吸泥清孔1-高压风管入水深，2-弯管和导管接头；3-焊在弯管上的耐磨短弯管；4-压缩空气；5-排渣软管；6-补水；7-输气软管；8-φ25mm钢管长度大于2m；9-孔底沉渣（1）喷出泥浆流量（qv2）qv2=qv1（d1/d0+W） =qv1（1.7/2.2+6）=6.67qv1=7.86m3/min式中：qv1——按天然状态土体积计每1min净出土量，取qv1=1.16m3/mind1————土体天然状态下相对密度d0——土颗粒的相对密度，d0=2.2W——每1m3天然状态的土成为泥浆所需水量，取W=6（2）泥浆相对密度（d2）d2=(d1+wd)/[(d1/d0)+w]=(1.7+6*1)/[(1.7/2.2)+6]=1.127T/m3式中：d1——水的相对密度，取d=1（3）吸泥机压缩空气消耗量，换算为大气压力下的体积qv4qv4=c1mqv2h/c2lg[(H+10)/10]=1.8*2.08*qv*6/15.1*lg[(35+10)/10]=22.464qv2/15.1*0.65=2.29qv2=18m3/min式中：H——空气混合气在水面以下深度，mh——排出泥浆管口处高于井内水面高度,mqv2——泥浆流量：m3/minc1——校正系数，取c1=1.8m——由吸扬洋水所需的空气量换算为吸扬泥浆时增大系数。m=d(d1-d2)/d1(d2- d)=1(1.7-1.127)/1.7(1.127-1)=2.0（4）所需风压P=H/100+0.05=50/100+0.05=0.55Mpa式中：H——空气混合气在水面以下深度，m此法施工中应注意以下几方面：1、高压风管沉入导管内的水深度应大于钻孔内水头到出浆口高度的1.5倍,一般不宜小于15米,但不必沉至导管底部附近。2、内风管吸泥清孔法在清孔过程中必须始终保持孔内原有水头差。3、当孔底沉淀较厚且坚实时,可适当加大送风量,并摇动导管,改变导管在孔底的位置。在内风管吸泥清孔法清孔达到效果后，迅速拆除此装置,进行水下混凝土浇注。三、施工效果结合常规桩基冲击成孔工艺,在部分工艺细节采取相应措施,镇海湾大桥西岸引桥水中大桩径长桩施工中取得了较好的效果.共计施公φ2.2m24条，φ2.5m16条，检测结果，其中A类桩 16 条，B类桩23条,抽芯检查全部合格。施工中投入10T冲机6台，施工总工期6个月，与正循环、回转法成孔相比，节约成本约近60万元。四、施工体会桩基施工虽为常规工艺，但每种施工方法都有它的特点和局限。对实际施工中的一些施工方法的局限性，有针对地在工艺细节中进行优化，抓住关键点，解决突出矛盾，亦可达到理想效果。大桩径长桩冲击成孔施工方法，在工艺施工方法上是可行的，成本上较低，值得推广。参考文献[1] 交通部第一公路工程总公司 桥涵手册 北京 人民交通出版社，2000[2] 刘正峰 地基与基础工程新技术实用手册 北京 海潮出版社出版发行，2000
