寿县淮河特大桥大直径厚砂层超长钻孔灌注桩施工
2017-09-04
1、工程概况
1.1寿县淮河特大桥桥位距离焦岗湖入淮口2.5km，距离上游方家坎人渡2.64km，下游毛集港区码头2.5km，其间无其他码头、桥梁。全桥长11.8km，其中主桥长440m。其中19号墩（主墩）、20号墩（主墩）位于淮河主河槽上。19#、20#主墩各采用20根直径2.0m钻孔桩灌注桩，桩底标高为-82.13m，桩顶标高为5.87m，单桩桩长88m，桩底持力层位于粗砂层中，均为摩擦桩设计。
1.2地质钻探资料表明，在勘探所达深度范围内，场地土层第①～⑦层为第四系全新统冲积层（Q4al），第⑧～⑩层为第四系上更新统冲积层（Q3al）。桥位区发育有软土，属特殊性岩土。软土层厚1.50～7.70m，天然含水量30.5～42.7%，天然孔隙比0.917～1.305，液性指数0.88～2.08，压缩系数0.36～1.02MPa-1，标准贯入锤击数一般3.0～7.0击，其承载力基本容许值为70～80kPa，极限摩阻力标准值为20～25kPa，工程性质差，基础设计采用桩基础穿过软土层。同时勘察发现有一层孔隙型潜水，勘察期间地下水位埋深在0.00～8.2m之间，含水量丰富；河床内土质含砂量大，砂层比较厚，桩基处钻探柱状图显示砂层高达40m，地质条件差，施工难度大。
2、钻机选型及钻孔施工工艺
2.1 钻机选型
施工桩位区域工程的钻孔深度为88m，加上平台搭设高度（桩底标高-82.13m，平台顶部标高23.5m）所以钻机的最大钻孔深度达110m。桩直径最大为Φ200cm，根据地质条件分析，故钻头宜备用刮刀、牙轮两套钻头，刮刀钻头在亚砂土层中施工，所以施工时的钻机选用自有的GPS-25D，钻头采用有良好扶正导向性的双腰带笼式钻头，钻杆刚度要足够，该钻机可正反循环施工，而且适用于各种地层该机最大输出扭矩达120KN.m，钻孔深度最大130m，完全能够满足主墩桩基桥施工需要。
2.2 钻孔平台施工
主桥19#、20#墩位于淮河主航道两侧水中，钻孔桩采用水上平台方案进行施工。钻孔平台采用钢管支撑桩+钢护筒+型钢梁+贝雷梁+钢面板结构形式。钻孔平面尺寸30m×24.2m，平台于与栈桥连接成整体。主栈桥宽度为8m，保证两部罐车同行，减少错车，节约浇筑时间；平台两侧设置6m宽支栈桥，作为履带吊吊装作业区及材料堆放区，配合插打钢板桩等，节约成本。钻孔平台采用履带吊配合插打安装。履带吊位于栈桥上，按钢管支撑桩→桩间横向联系→贝雷梁→分配梁→钢面板→栏杆附属设施的顺序安装。
2.3钢护筒施工
按设计要求，本工程在承台以下设永久性护筒，长度为8m，外壁防腐，钢护筒内径为2.3m，钢护筒的筒壁厚度取18mm，采用Q235C钢。护筒顶面与平台顶面齐平，长度为25.63m，钢护筒沉放先在加工场将卷制好的短节拼焊成吊装节，为保证垂直度和平面位置，预先安装导向架，分阶段插打钢护筒，过程中加强测量控制，发现偏斜及时调整，用DZ120型振动锤锤至设计标高。
2.4钻孔施工
a.泥浆
由于在水中平台上施工，无法开挖泥浆池，且是反循环成孔钻渣数量较大，需及时清理钻渣。为提高钻进效率和成孔速度，在平台上制作钻渣沉淀箱，在配备泥浆箱的同时，用400mm的钢管将5个钢护筒串联起来，组成泥浆循环系统。泥浆采用淡水制备PHP泥浆。制浆用原材料；制浆采用膨润土，选用以蒙脱石为主的膨润土，保证土具有较好的分散悬浮性和造浆性。开钻时慢速钻进，待导钻头全部进入地层后，方可加速钻进。整个过程采用减压钻孔，成孔后将钻具提离孔底。停止运转并保持泥浆循环10～20min清洗孔底，将孔底钻渣彻底排净。为保证钻孔的垂直，应随时校正磨盘水平和每根钻杆的连接，钻进一气呵成，不在中途停顿，如确因故障停止钻进时，将钻头提升放至外，以免被钻渣埋住钻头。
b.检孔：
现场配备一台灌注桩孔径检测仪进行钻孔桩的孔径、孔深、垂直度等指标的检测。
2.5 清孔
清孔工作分两次进行。第一次清孔时，当钻进深度接近孔底标高时，放慢转速钻至设计标高，进行第一次换浆，并提钻空钻，反吸孔内钻渣。当泥浆箱中无明显钻渣沉淀，且泥浆指标满足比重为1.05～1.15、粘度为19s～24s，含砂率小于4%为止。然后提钻并用灌注桩孔径检测仪检孔，合格后下放钢筋笼。
2.6 钢筋笼制作及安装
主桥桩基钢筋笼采用长线加工法在定位胎具上分段制作钢筋笼，采用专业胎座式钢筋笼加工模具，多节段同时加工，控制钢筋笼轴线偏差，保证钢筋匹配对接精度。
根据吊车起吊能力和施工现场情况，尽量减少钢筋笼接头数量，以缩短钢筋笼下放时间，钢筋笼每节18m，共五节（4*18+18.3）m，采用套筒连接。为防止钢筋笼吊装运输过程中变形，在钢筋笼内环加强圈处用钢筋加焊三角形支撑；为方便施工钢筋笼安装时用80T履带吊装，顶端用起吊扁担防止主筋弯曲保证主筋垂直，确保上、下节钢筋笼对接时中心线保持一致，主筋对位后准确后使用镦粗直螺纹连接接头。为确保钢筋保护层，钢筋笼环向加强筋处设置保护层耳筋并安设混凝土预制垫块，且在2.3m钢护筒里准确设置耳筋，以保证钢筋笼居中。为了检测成桩质量，在钢筋笼内侧设置通长塑钢检测管，每根桩基内设置4根声测管，声测管顶端伸出桩顶15米，以便提早进行主桥桩基检测，缩短工期。
2.7灌注水下砼
灌注混凝土之前应利用导管和泥浆箱循环系统进行二次清孔，作业注意以下3点：
1）配制一池比重小，胶体率高（粘度、剪力大），含砂率小的优质泥浆专为清孔所用；2）多次量取钻孔深度，使沉渣厚度满足规范要求；3）掌握清孔时间，当导管出口泥浆的含砂率与进口泥浆的含砂率（本工程规定这4%）相近时即可停止，以防止吸塌孔壁。 满足要求后立即开始灌注混凝土。灌注水下混凝土采用300mm大内径导管，在导管使用前按要求对导管进行水密试验。首灌混凝土用自制的大料斗连续灌注，保证初灌对导管底口的足够埋深。灌注开始后，应紧凑、连续地进行，严禁中途停工。在灌注过程中应注意观察管内混凝土下降和孔内水位升降情况，及时测量并记录导管埋置深度和混凝土面高度，正确指挥导管的提升和拆除。导管提升时应保持轴线竖直和位置居中，逐步提升，导管的埋深一般控制在2～6m范围内。
为确保桩顶质量，在桩顶设计标高以上加灌一定高度，增加的高度为1.0m。此段混凝土在承台开挖后凿除，凿除时须防止损毁桩身。由于桩顶距离平台的高度太大，无法用测绳准确测出，为保证成桩质量及测距的准确性，特采用钢绞线制作的测杆配合测绳测量。
3、施工总结技术措施
3.1 孔内事故多，施工难度大
a. 钻杆选择 在水位较深，有通航要求的易坍塌地层施工超长、大直径钻孔桩必须严格按施工规范及工艺要求施工，加强组织管理，各施工班组协同作战，方能确保成孔、成桩质量。因此，施工中应注意的问题有：钻杆刚度要足够，因为105m深、200cm大直径深桩钻杆长，钻进过程中受的扭矩大，若钻杆柔度大钻进过程中易造成变形甚至折断。钢护筒埋置深度要能防止护筒底发生涌砂现象，保证筒底不漏水、坍塌。
b.护筒底钻孔控制 钻进过程中注意孔内水位，随时补浆，维持护筒内的水头高度，防止孔壁塌。升降钻具应平稳，尤其是当钻头处于护筒底口位置时，必须防止钻头钩挂护筒。加接钻杆时，应先停止钻进，将钻具提离孔底50～100cm，维持冲洗液循环10分钟以上，以清除孔底并将管道内的钻渣携出排净，然后停泵加接钻杆。钻杆连接螺栓应拧紧上牢，认真检查密封圈，以防钻杆接头漏水漏气，使反循环无法正常工作。钻进过程应连续操作，不得中途长时间停止。
c.清除杂物 为了防止钻进过程中遇到障碍物（槽钢、工字钢等），首先在插打钢护筒之前采取必要的措施对钻孔平台范围内的河床进行清理，做到提前控制；其次钻机就位后用大型电磁铁在护筒内吸附一遍，发现了及时处理；若遇到大的槽钢或铁，用筒状钻具打捞，最后很难解决的话用潜水员水下切割打捞，但是此项费用太高，效果好且节省时间。所以在施工过程中应加强管理，遇到掉物及时打捞并注意井口的维护，防止钻进前落物进护筒。
d.护筒漏水处理 针对钻进过程中钢护筒漏水导致穿孔的情况，施工过程中在进尺至护筒底2～4m位置采用正循环钻进，待顺利通过后改用反循环继续进尺。本次施工过程中有发现19#主墩2-1桩基穿孔情况，立即停止钻进回填粘土，放置两天后接长钢护筒并跟进插打，一段时间稳固后重新钻孔，过程中加强控制，最终顺利成桩，此次事故处理妥当对成桩质量及节点工期要求没造成影响。
3.2 超长桩垂直度的控制
a.优选钻机 钻头采用有良好扶正导向性的双腰带笼式钻头；
b.三点一线 钻机就位后，必须保证桩中心、转盘中心及天车中心三点一线，钻进过程中应加强转盘水平的控制；
c.减压钻孔 在正常施工过程中，为保证钻孔的垂直度，采用减压钻进，始终让加在孔底的钻压小于钻具总重（扣除泥浆浮力）的80%；
d.软硬地层处控制 当钻至软硬地层变化处应控制钻进速度防止钻头偏斜。钻孔偏斜时，可提起钻头，上下反复扫钻几次，以便削去硬土，如纠正无效，应于孔中局部回填粘土至偏孔处0.5m以上，重新钻进。
由于加强了施工过程中各个环节的控制，成孔后通过灌注桩孔径检测仪对倾斜度、孔径、沉渣进行检测，均满足设计及规范要求。该仪器操作简单方便，且检测结果数据化。如下例：
4.结束语
在寿县淮河特大桥桩基施工过程中，在开钻前准备工作充分的条件下，通过对各个工序环节的控制和对设备能力的加强及改进，大大提高了钻机的施工能力，完全适应了工程超深厚砂层桩的施工。成桩过程中利用先进仪器进行检测，进一步保证了成孔的质量，使工程施工质量完全满足设计和规范要求，达到了预期的效果，按照业主要求的节点工期圆满完成南北岸主墩桩基施工。为以后的淮河桥桩基础施工进一步积累了经验和参考依据。
参考文献：
[1]JTJ 041- 2000，公路桥涵施工技术规范[ S].
[2]JTG D60- 2004，公路桥涵设计通用规范[S ].
[3]工程地质手册编委会.工程地质手册[M].
[4]张忠亭，丁小学.钻孔灌注桩设计与施工[M]
