沙山沟特大桥桩基成孔方案及经济比选
2017-02-27
一、工程概况
敦煌至格尔木格铁路（甘肃段）沙山沟特大？桥位于甘肃省阿克塞哈萨克族自治县，跨越库姆塔格沙漠而设，是敦格铁路甘肃段重难点工程及新技术、新工艺应用工程。沙山沟特大桥桥梁起止里程DK79+259.89～DK89+984.86，桥长10724.97延米，结构313-32m+（32+48+32）m连续梁+9-32m+2-24m后张法预应力混凝土梁。桥梁基础为钻孔灌注桩基础45712＼58723（米＼圬工方）。设计为旋挖钻泥浆护壁成孔。部分桥梁桩基位于库姆塔格沙漠地区，地质条件为流动沙丘，以粉砂为主，厚14～33.4m，砂质不均、松散，表层无植被，施工现场风沙活动频繁，采用钢护筒跟进旋挖钻干法成孔，解决了极易坍孔的问题，同时采用旋挖钻泥浆护壁成孔、旋挖钻干法成孔方法有效的控制施工成本。
二、施工方案选型及经济分析
方案一：采用旋挖钻水下泥浆护壁成孔。优点适宜地质条件相对较广、施工速度较快。缺点：污染严重、沙漠地区造浆用水、膨润土极为困难。不适合粉砂地质。
方案二：采用旋挖钻干法成孔。优点：成孔速度虽快、用水量较少，缺点：不适合地质复杂地区，孔径难易控制，容易超方，无法保证桩基成孔质量，不适合粉砂地质。
方案三：采用钢护筒跟进旋挖钻干法成孔。优点，适用于粉砂地质，能解决沙漠地区流沙自稳性极差，极易坍孔的问题，成孔质量好。缺点：成孔速度最慢，用钢量较大，成本增加。
三、方案经济比选
方案一：采用旋挖钻水下泥浆护壁成孔。1.25桩径旋挖钻机成孔300元/m，泥浆池、泥浆制备、泥浆处理、膨胀剂成本331.2元/m.水下灌注混凝土超耗系数112%，混凝土成本541.6元/m，综合成本为1173元。
方案二：采用旋挖砖干法成孔。1.25桩径旋挖钻机成孔300元/m，干法成孔混凝土超耗系数118%，混凝土成本573.46元/m，综合成本为873元。
方法三：采用钢护钢护筒跟进旋挖钻干法成孔。1.25桩径旋挖钻机成孔300元/m，刚护筒的材料费、加工、跟进6400元/吨，混凝土超耗系数102%，混凝土成本494.45元/m。综合成本为2068元/m。
通过经济比对方案二成本最低、其次方案一、再次方案三。从经济角度应该选择方案二，最应抛弃的方案是方案三采用钢护钢护筒跟进旋挖钻干法成孔，但是对于流动沙丘自稳性极差，解决坍孔的问题，只能选择方案三。
四、三种施工方法及工艺
1、钻机型号选择
根据设计单位提供的地质资料和设计图纸沙山沟特大桥跨域内地质条件主要为风积粉、细砂，细圆砾土、粗圆砾土，砾石成分以花岗岩、石英岩为主，粒径大于20mm占20%，且在桩基成孔范围内无地下水，适合采用旋挖钻机干法成孔施工方法，考虑到有效工期相当短的因素，选择宇通重工YTR280型旋挖钻机。
2、主要工艺流程
（1）旋挖钻泥浆护壁成孔：放线定位――钻机就位――钻机开孔――提钻、埋设孔口护筒――孔内注入泥浆――下入旋挖钻机钻进――钻至设计标高――清孔、测量孔深――下钢筋笼――灌注混凝土――桩头养护――质检验收。
（2）旋挖钻干法成孔成孔：放线定位――钻机就位――钻机开孔――提钻、埋设孔口护筒――下入旋挖钻机钻进――钻至设计标高――清孔、测量孔深――下钢筋笼――灌注混凝土――桩头养护――质检验收。
（3）旋挖钻钢护筒跟进：放线定位――钻机、振动锤就为就位――钻机开孔――提钻、埋设孔口护筒――旋挖钻进施工――焊接钢护筒――震动锤震动钢护筒跟进（循环以上三个步骤直至设计标高）――成孔检验――下钢筋笼――孔深复测――灌注混凝土――桩头养护――质检验收
3、成孔工艺
（1）旋挖钻泥浆护壁成孔施工
开钻前在护筒内存进适量泥浆，开钻时宜低档慢速钻进，应稍提钻杆，使护筒脚处有牢固得泥皮护壁，钻至护筒下1m后再以正常速度钻进。钻进速度与泥浆排量相适应。经常注意地层变化，通过进尺的快慢和取样来判断地层的变化，在地层变化处捞取碴样，判断地质类别，及时根据地质条件调整钻进工艺。钻孔作业宜连续进行。为保证孔形顺直，应在成孔清孔前用检孔器检查。沉渣厚度满足设计和规范要求，不得大于10cm。严禁采用加深钻孔深度方法代替清孔。
（2）旋挖钻干法施工
旋挖钻施工为动力头带动钻杆下端的钻头，利用钻头下端的切削刃对土层进行切削破碎，切削的土体被挤进钻斗，装满后将钻斗提升出孔口，旋转钻机底盘，并开启钻斗阀门，将土体排放到地面或直接卸在汽车上运走，如此反复，直钻至孔底标高。旋挖钻机就位后钻头对准桩位，调整钻杆垂直度，并将深度记录仪初始值调整为零，开钻慢进，待钻进深度超过护筒底边一米后，即可全速钻进，钻至设计标高后，用旋挖斗将孔底虚土清出，亦即成孔。
（3）钢护筒跟进施工
钢护筒跟进采用“内掏外打”分节循环跟进对接法。钢护筒每节长度1.5m，直径130cm（设计桩基直径120cm），壁厚12mm，首节跟进段设锯齿状。首节钢护筒采用旋挖钻孔埋置，钢护筒埋置高出施工地面0.3m，并采用专用导向架固定就位。首节埋置到位后，采用旋挖钻继续钻进，钻进深度达到第二节护筒埋置深度后，即可下沉第二节钢护筒，利用吊车起吊第二节钢护筒与第一节钢护筒对接，采用电焊焊接连接，保证焊接质量，确保施工中不漏浆。对接完毕后利用导向装置检验、保证钢护筒的垂直度，然后用振动锤下沉钢护筒，如此循环完成第三、第四……节钢护筒跟进施工。钻孔过程中每次钻孔深度不能超过1.5m，钢护筒要及时跟进，避免坍孔，每节钢护筒均要检测其垂直度，直至钢护筒完全穿过沙层至沙层底部2m处。 4、下钢筋笼
钢筋笼到作业面前应设置好保护层垫块及按照实际孔深和设计孔深焊接好吊筋，同时钢筋笼下沉时应避免撞击护筒壁，避免孔侧受力不均匀而引起护筒倾斜。钢筋笼下到位置后做好固定。
5、混凝土灌注（干法灌注、水下灌注）
（1）干法灌注桩基成孔后，应尽快安放钢筋笼，进行砼灌注，减少成孔的闲置时间。干法成孔的桩采用垂直导管法灌注砼，靠砼反压出导管形成的扰动产生振捣作用。混凝土要有足够的坍落度（要求在20±2cm），且具有良好的和易性，可添加适量的缓凝剂防止灌注间隔时间长导致堵管；拌制混凝土的粗集料粒径要控制在31.5mm以下，尽量避免有超粒径的颗粒。首盘混凝土量必须能够形成封孔；灌注时要及时测量深度，并缓慢提升导管，拆除导管过程中要保证混凝土埋住导管深度，在灌注过程中技术人员随时测量孔内砼面高度，及时调整导管埋深，保证导管埋置深度在任何情况下不得小于3m（为了保证砼浇筑段有足够的压强，保证砼的密实度），控制在3～6m左右，桩顶加灌0.8～1m，灌注最后5m在孔口采用人工振捣，确保混凝土密实。
（2）水下灌注
水下混凝土灌注采用导管法，导管吊装前先试拼，并进行水密性试验，试验压力不小于孔底静水压力的1.5倍。灌注前根据孔深、操作平台高度等因素选配导管，严禁采用法兰盘连接的导管；拼装时中间节要选用长度不小于2.0m的导管，导管接口应连接牢固，封闭严密，同时检查拼装后的垂直情况与密封性，根据桩孔的深度，确定导管的拼装长度，吊装时导管位于桩孔中央，并在浇筑前进行升降试验。安装后要复核导管底口至孔底的距离，保证其在30-50cm范围内。灌注前还要应再次校核钢筋笼标高、孔深、泥浆沉淀厚度，检查有无坍孔现象，如泥浆沉淀厚度大于10cm，则要重新清孔、检查。
水下混凝土的灌注必须严守操作规程。混凝土漏斗离泥浆面有足够的高度，以保证导管内混凝土柱产生的压力使混凝土顺利快速流向孔外。初灌采用剪球法施工，在导管里放置皮球，球的直径宜比导管内径小2-2.5cm，球面要光滑，并用盖子盖住漏斗下口，盖子与钢丝绳连接，当漏斗内储足首批浇筑的混凝土量后，吊车拉钢丝绳，提起盖子，使混凝土快速落下，迅速落至孔底并把导管裹住，保证首批初灌混凝土将导管埋深不小于1m，浇筑连续进行。
灌注过程中，要注意观察管内混凝土下降和孔内水位升降情况，及时测量导管埋设深度和水下混凝土灌注标高，控制好拔管的时机，正确指挥导管的提升和拆除，并做好记录，拔管时注意提拔及反插，保证桩芯混凝土密实度。导管的埋深控制在2-6m之间。水下混凝土的灌注工作应紧凑连续进行，不得中途停顿。为确保桩顶质量，在桩顶设计高程上超灌1m。
五、实现技术创新、减少总体成本
沙山沟特大桥桩基施工采用旋挖钻泥浆护壁水下灌注、旋挖钻干法成孔、旋挖钻钢护筒跟进干法成孔，三种施工工艺结合，安全、优质、高效的完成了施工任务，其成果应用及原理主要体现在以下几个方面：
（1）钢护筒跟进施工根据现场地质条件，采用了“内掏外打”施工工艺，有效的解决来钢护筒下沉中阻力问题，未使用钢护筒跟进钻机，使得采用震动锤下钢护筒成功得以实现，实现技术创新。
（2）沙山沟特大桥桩基设计采用旋挖钻泥浆护壁水下灌注施工工艺。结合地质情况不同、在满足安全、质量的前提下、通过经济方案比选，综合采用旋挖钻干法成孔、旋挖钻钢护筒跟进干法成孔三种方案，节约成本约488万元。
六、结束语
目前敦煌至格尔木铁路甘肃段沙山沟特大桥已顺利完成钻孔灌注桩基础施工，经检测全部为Ⅰ类桩。通过实践证明，在沙漠地区移动沙丘钻孔灌注桩基础施工中采用钢护筒跟进旋挖钻干法成孔，直接避免了流沙自稳性极差，极易坍孔对施工进度及安全、质量的影响。钢护筒跟进旋挖钻干法成孔以其安全性、可行性，解决了沙漠地区移动沙丘上钻孔灌注桩基础施工中的难问题，也填补了我国在沙漠地区移动沙丘钻孔灌注桩基础施工的空白，为沙漠地区桥梁施工提供了宝贵经验。同时根据地质条件不同，细化施工方案降低了施工成本、增加了经济效益。
参考文献
[1] 王卫平.流砂地层桩基施工技术探讨[J].内蒙古公路与运输，2011，02：45-46.
[2] 卢成.湿陷性黄土地区桥梁深桩基施工技术优化[J].铁道建筑技术，2013，12：1-4.
作者简介
高凤春，男，敦煌铁路有限责任公司工程师，计财部部长。
