深水卵石层大直径超长钻孔桩施工技术.pdf

———文章编号：１００９４５３９（２０１７）０３００６４０５・桥梁工程・深水罗同石层大直径超长钻孑Ｌ桩施工技术张旭洁（中铁十七局集团第一工程有限公司山西太原０３００３２）摘要：桥梁深水基础是一种不同于一般基础的特殊基础工程，其不仅受水流及环境的作用，还会受地质条件、施工过程等因素的影响。结合福建南平延顺高速公路浆甲大桥的施工特点，重点研究了内河流域库区环境下，深水大卵石覆盖层条件下桥梁预穿卵石层预先成孔技术，其泥砂分离净化装置、桩基快速清孔换浆装置等的成功应用，解决了深水（２８ｍ）大卵石覆盖层环境桩基施工的技术难题，可为今后类似的深水桥施工提供参考。关键词：桥梁深水基础大卵石覆盖钻孔桩中图分类号：Ｕ４４５．５５１文献标识码：Ｂ—ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９４５３９．２０１７．０３．０１６ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＵｌｔｒａ・ｌｏｎｇＢｏｒｅｄＰｉｌｅｗｉｔｈＬａｒｇｅＤｉａｍｅｔｅｒｉｎＤｅｅｐｗａｔｅｒＰｅｂｂｌｅＢｅｄＺｈａｎｇＸｕｊｉｅ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ‘“１７ＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐ”１ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．，ＴａｉｙｕａｎＳｈａｎｘｉ０３００３２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｒｉｄｇｅｄｅｅｐｗａｔｅｒｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｉｓａｋｉｎｄｏｆｓｐｅｃｉａｌｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｔｈａｔｄｉｆｆｅｒｓｆｒｏｍｇｅｎｅｒａｌｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ—ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｉｔｉｓｎｏｔｏｎｌｙａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｗａｔｅｒａｎｄｔｈｅｒｏｌｅｏｆｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｂｕｔａｌｓｏａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｆａｃｔｏｒｓｓｕｃｈａｓｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ—ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ．ＣｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＪｉａｎｇｊｉａＢｒｉｄｇｅｌｏｃａｔｅｄｏｎＹａｎｓｈｕｎＨｉｇｈｗａｙｉｎＮａｎｐｉｎｇｏｆＦｕｊｉａｎＰｒｏｖｉｎｃｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｐｒｅ—ｐｏｒｅｆｏｒｍｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｂｒｉｄｇｅｃｒｏｓｓｅｄｐｅｂｂｌｅｌａｙｅｒｉｎａｄｖａｎｃｅｃｏｖｅｒｅｄｂｙｄｅｅｐｗａｔｅｒｐｅｂｂｌｅｂｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｆｉｎｌａｎｄｒｉｖｅｒｓｒｅｓｅｒｖｏｉｒａｒｅａ．Ｔｈｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ—ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｉｌｔｓｅｐａｒａｔｉｎｇａｎｄｐｕｒｉｆｙｉｎｇｄｅｖｉｃｅ，ａｎｄｐｉｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ—ｑｕｉｃｋｃｌｅａｎｉｎｇｈｏｌｅａｎｄｓｗａｐｐｉｎｇｓｌｕｒｒｙｄｅｖｉｃｅｓｏｌｖｅｄｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｏｆｐｉｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｃｏｖｅｒｅｄｂｙｄｅｅｐｗａｔｅｒ（２８ｍ）ｐｅｂｂｌｅｂｅｄ．Ｉｔｃｏｕｌｄｐｒｏｖｉｄｅａｒｅｆｅｒ－ｅｎｃｅｆｏｒｓｉｍｉｌａｒｄｅｅｐｗａｔｅｒｂｒｉｄｇｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｎｆｕｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｒｉｄｇｅ；ｄｅｅｐｗａｔｅｒｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ；ｂｏｕｌｄｅｒｃｏｖｅｒｅｄ；ｂｏｒｅｄｐｉｌｅ１工程背景福建南平延顺高速公路浆甲大桥横跨于南平沙溪口水电站上游３．１５ｋｍ的库区，主墩基础采用４根Ｄ＝２８０ｃｍ钻孔灌注桩，设计为端承桩，桩尖至钻孔平台达５３ｍ。桥位处水位一般８６ｍ，最高水位８８．２６ｍ，大桥主墩位于主河道内，最大水深２８ｍ，如图１所示。地质分层从上到下依次为：卵石一卵石土＿÷砂土状强风化云母石英片岩一碎块状强风化云母石英片岩一中风化云母石英片岩。—收稿日期：２０１７０１一０８基金项目：中铁十七局集团有限公司科技研究开发计划项目（２０１４．．０９）作者简介：张旭洁（１９８６一），工程师，现从事桥涵工程施工及技术研发。图１浆甲大桥地理位置平面图在大卵石覆盖层环境中，钢护筒安装需穿过卵石层并进入密实土层，而穿透卵石层很难实现；在水深达２８ｉｎ的环境下进行钻孔桩施工，钢护筒下口处内外压力差非常大，极易发生漏浆，同时混凝土６４铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１７（０３Ｊ万方数据・桥梁工程・灌筑时可能发生混凝土外泄问题；直径２．８ｍ、孔深５３ｍ，钻孔施工需泥浆量大，且云母石英片岩在冲击破碎后形成细小沙粒，常规滤渣效果差，换浆周期长，加大了塌孑Ｌ发生机率，施工难度大。２施工工艺流程及操作要点２．１施工工艺流程钻孔灌注桩施工工艺流程如图２所示。钻孔灌注桩施工是一项质量要求高，须在一个短时间内连续完成多道工序的地下隐蔽工程，施工必须要认真按照施工工艺流程进行。钢护筒ＪＪｎＴ＿、拼装＋钢护筒安装＋护筒内卵石层冲击穿过●钢护筒振沉●●●护筒内外液面差控制护筒底附近河床挤密●●造浆●冲击钻钻孔、成孔糯Ｈ章Ｈ黼■安放钢筋笼●安放导管、浇筑混凝土图２钻孔桩施工工艺流程２．２施工操作要点２．２．１钢护筒施工（１）钢护筒的加工浆甲大桥水中钻孔灌注桩所使用的钢护筒均采用新购钢板在后场进行分节卷制成型加工。所需钢护筒直径及钢板厚度见表１。表１桩所需钢护简直径及钢板厚度桩径／ｃｍｌ钢护筒直径／ｅｒａ１分节长度／ｍｌ钢板厚度／ｍｍｌ单节重／ｔ２８０３２０１．５１４１．６５６４钢护筒采用三辊卷板机将钢板逐步卷成所需直径的圆筒，接头处采用双面焊缝满焊牢固。为提高工效，将３～４节钢护筒对接成整体，对接处采用铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ双面焊缝满焊牢固。焊接时应注意保证焊缝饱满连续，焊缝两侧钢板应拼接整齐，控制焊接造成的钢板变形¨“。。（２）钢护筒的安装钢平台在铺设顶层分配梁及面板时，于桩基大致位置预留钢护筒安装位置。在测量班对桩基进行精确放样后，制作钢护筒安装导向架。导向架是用不小于［２０型钢按稍大于钢护筒外径的尺寸焊接而成的两榀井字架，分别按测量放样位置固定于钢平台的顶面及接近水面处，并在对应边的中点焊接４根或８根［２０竖向导向槽钢，在钢护筒的下放过程中起到限制钢护筒上口的平面位置和钢护筒整体垂直度的作用ＭＪ，如图３所示．导向槽钢下榀井字架／施工外—………—Ｌ．．Ｊ图３导向架结构示意位钢护筒下放前应计算该钢护筒整体重量是否超出起重设备的起重能力，若超出，应在最底节钢护筒用２ｍｍ厚的钢板将底端密封。在钢护筒的下放过程中，适时向钢护筒内加水，利用护筒外的水浮力与内部水重力差进行下沉。导向架安装牢固并测量复测其平面位置及垂直度满足要求后，用吊车将加工好的钢护筒逐段自导向架内下放，下放过程中应对钢护筒进行编号，以方便随时掌握钢护筒底端与河床的相互关系。在钢护筒底端未到达河床时，在其顶端焊接临时限位措施，便于与后续节段的接长操作。后续节段接长时，应在已下放节段上口设临时平面限位板，方便后续节段与已下放节段对接时，钢板表面能平顺对接。对接焊缝采用单面焊缝，焊接时应重点注意焊缝饱满、连续，并尽量减小焊接引起的护筒变形，以便钢护筒的顺利下放及后期钻孑Ｌ施工过程中避免泥浆外露。在钢护筒底端到达河床并能承受自重后，及时用水准仪或检查护筒顶口边沿的倾斜度，确定倾斜度不大于１％，否则立即调整导向架，通过导向架下榀微调，使护筒顶口倾斜度满足要求，即认为钢护２０１７１０３ｌ６５万方数据・桥梁工程・为：在孔壁形成泥浆护壁，预防孔壁土体坍塌造成图４低浆面泥浆循环系统原理塌孔；维持孔内外水压平衡，预防地下水流向孑Ｌ内造成塌孔；将冲击破碎的钻渣通过较大的泥浆比（２）护筒底附近河床挤密重，悬浮至孑Ｌ口后，经过滤、沉淀，净浆再次被泵送在开始造浆钻进时，采用极高稠度浓浆，加抛至孔底进行循环，从而实现钻渣外运，加快钻孔进片石、稻草、干水泥等，在护筒底口下端２ｍ范围内尺；浆甲大桥主墩钻孔桩直径２．８ｍ，钢护筒直径达进行反复加料挤密，增强护筒底口附近河床的抗漏３．２ｍ，桩位处水深达３０ｍ，孔口至护筒底达３５ｍ。浆能力。鉴于泥浆的上述作用，在施工中应根据工程实际，（３）减少施工扰动在不同施工阶段针对性地调整泥浆稠度、比重、含在护筒上端，将护筒与平台上部结构的连接解沙率等技术指标。除，使平台在自由上下变形时，不再对护筒造成（１）护筒内外液面差控制扰动。对于本桥钻进工序，泥浆比重一般控制在１．３２．２．３泥浆净化改进技术以上，以利于泥浆护壁的形成及钻渣悬浮外运，而由于本桥主墩桩基直径Ｄ＝２８０ｃｍ，钢护筒直这种情况下，在护筒底处因护筒内外比重差造成的径达３２０ｃｍ，孔深达５３ＩＴＩ，单孔泥浆量达４００ｍ３，同压强差达１５５ｋＰａ，在冲击锤下落、提升过程中，护筒时河床下卧岩层为云母石英片岩，此种岩层在冲击底内外压力差变化较大，对已稳定的护筒底土层持钻孔过程中，形成了大量的细小粒径粉砂，悬浮在续造成扰动，因此容易造成大量漏浆。泥浆中，在钻孔过程中通过常规方法进行过滤、沉护筒内液面低，对护筒底的威胁就小，较弱土淀的效果很差，钻渣不能及时清出，很大程度上降６６铁道建笥技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯ～Ｓ丁ＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ’２０７ｆＤ３Ｊ万方数据・桥梁工程・低了桩孔钻进速度。在浆甲大桥的钻孔桩施工中，投入了２台新型泥浆净化设备加强泥浆过滤施工环节。选用的ＺＸ一２００型泥浆净化装置液体处理能力达２００ｍ３／ｈ，渣料筛分能力为２５～８０ｔ／ｈ，分离粒度为ｄ５０为０．０６ｍｍ。在施工过程中进行对比发现，清孔换浆作业时间由６３ｈ减少至４２∞ｈ，效果较明显Ｊ。２．２．４空气反循环抽渣装置应用气举抽渣装置在钻进终孔后的清孔换浆，难以在短时间将泥浆比重降低，如加水降低泥浆稠度后，细小粒径粉砂易沉积在孔底，使桩底沉渣厚度指标难以达标。经技术攻关小组研究，自制空气反循环抽渣装置，可快速将孔底沉积细砂迅速抽出。该装置用空气压缩机将高压空气通过管道压至抽渣管端部，被压入的空气在孔底泥浆的压力下沿抽渣管向上高速攀升，同时带动抽渣管内泥浆向上高速运动，孔底沉渣随泥浆及空气混合物快速被抽至孑Ｌ口排出，其原理见图５。抽淹静图５空气反循环抽渣装置原理通过空气反循环抽渣装置的应用，有效地将主墩钻孔桩清孔换浆时间从７ｄ降低到４ｄ，效果显著。３水深２８ｍ大直径钻孔桩水下灌筑混凝土施工技术灌筑钻孔桩身混凝土采取直升导管法进行水下灌筑。灌筑时，混凝土拌和物通过导管下口在首次灌筑的封底混凝土的包裹下，顶着初期灌筑的混凝土及其上面的泥浆不断上升。在混凝土灌筑过程中，为保证桩基础的密实度，要定时抽插振动导铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ管，达到密实作用。为使灌筑工作顺利进行，应尽量缩短灌筑时间，坚持连续作业，使灌筑工作在首批混凝土初凝以前的时间内完成。３．１导管安装及二次清孔钢筋笼安装完毕后安装导管，全套导管事先必须按规范要求做水密试验，保证导管的水密性良好，在安装导管时注意：丝扣处要刷洗干净并涂抹黄油，检查垫圈完好后拧紧，保证不漏水。导管使用前应进行水密承压试验。安装导管的过程中必须记录编号、安装顺序、和长度，作为灌桩拆管的依据。导管安装完成后，再次检查孔底沉碴厚度，不符合要求时，采取二次换浆清孔，清孔至孔底沉碴厚度满足要求后，及时快速灌筑首盘封底混凝土。３．２封底混凝土灌筑按《公路桥涵施工技术规范》（ＪＴＧ／ＴＦ—５１２０１１）要求，首批灌筑混凝土的数量应能满足导管≥埋置深度（１．０ｍ）和填充导管底部的需要，所需混凝土数量计算如下一ｏ：≥ｙ竿２（Ｉｔ。＋／－／２）＋华＾。：譬竽２×一ｎ１２（０．４＋１．０）＋里爿生生Ｘ２３．３７５＝１０．２７ｍ３４式中，ｙ为灌筑首批混凝土所需数量（ｍ３）；Ｄ为桩孔直径２．８ｍ；Ｈ，为桩孔底至导管底端间距，取０．４１１１；Ｂ为导管初次埋置深度，取１．０ｍ；ｄ为导管内径０．３ｉｎ；ｈ，为桩孔内混凝土深度。当ｈ，达到埋置深度皿时，导管内混凝土柱平衡导管外泥浆压力所需的高度：ｈ。＝Ｈｗ・Ｆｗ／ｒ。＝５１×１１／２４＝２３．３７５１ＴＩ。实施过程中，按首批混凝土１７ｍ３＞１０．２７１Ｔ１３控制，此时导管底口埋深为：（１７一ｈ．×—１ｒｄ２／４）／（，ｒｒＤ２／４）一Ｈｌ＝２．４９０．４＝２．０９Ｉｎ。施工中采用的混凝土罐车有５ｍ３、９ｍ３两种，第一车料拌制８ｍ３。先将导管顶端８ｍ３的料斗灌满用第一辆８ｍ３罐车放满，第二辆９ｍ３罐车停至料斗Ｅｌ，在砍球开始灌筑的同时，及时向料斗中放料，在放料过程中勿使料斗底口露出，直至第二辆车内混凝土全部放完，至此，已完成１７ｉｎ３封底混凝土的灌人。灌筑混凝土前，先自孔内及泥浆池内抽出与封底混凝土数量相当的泥浆，以免泥浆突然上升溢出造成河水污染。３．３水下混凝土灌筑首批混凝土灌人孑Ｌ底后，立即测探孑Ｌ内混凝土２０１７ｆ０３Ｊ６７万方数据・桥梁工程・面高度，计算出导管内埋置深度，如符合要求，即可正常灌筑。如发现导管内进水，表明出现灌筑事故，应立即进行处理。为防止钢筋骨架上浮，首批混凝土灌人之后，应降低混凝土的灌筑速度。当混凝土拌和物上升到骨架底口４ｍ以上时，提升导管，使其底口高于骨架底部２ｍ以上即可恢复正常灌筑速度。在混凝土灌筑过程中，由专人负责经常量测、记录混凝土灌筑面高度及导管埋入混凝土的深度，以便指导拆、拔导管，调整导管埋深，导管的埋深控制在２—６ｍ之间，防止埋管过深提升困难和导管拔出混凝土面而造成断桩事故，保证灌筑混凝土时混凝土顺利上升。当混凝土灌筑至比设计桩顶标高高出０．５～１．０ｍ时，停止灌筑混凝土，以保证桩顶混凝土强度。在灌筑将近结束时，由于导管内砼柱高度减小，底口内部压力降低，而导管外的泥浆及所含渣土稠度增加，相对密度增大。如在这种情况下出现砼顶升困难时，可在孔内加水稀释泥浆，并掏出部分沉淀土，使灌筑工作顺利进行。为确保桩顶砼质量，桩砼灌筑要比设计高１．０ｍ以上。在拔出最后一段长导管时，拔管速度要慢，以防止桩顶沉淀的泥浆挤入导管下形成泥心。在灌筑过程中，及时从护筒做的泥浆池中抽出泥浆，避免泥浆溢出。３．４护简底口混凝土外泄防治措施浆甲大桥主墩钻孔桩孔深５３ｍ，其中河床以上部分３４ｍ，在桩身混凝土灌筑过程中，当混凝土高出河床后，因混凝土、泥浆比重均大于水，未初凝的混凝土对钢护筒底口会产生较大的压力差，一旦超过临界值，会发生混凝土突然外泄的情况，将可能导致灌桩失败、钢护筒发生破坏，危害巨大。为避免上述隐患的发生，在施工中采用了调整导管拆除方案及混凝土灌筑节奏的方法。当孔内混凝土面升至护筒底口附近时，再次复核导管埋深、混凝土面标高与护筒底口的相互关系，此时应拆除导管使导管埋深尽量偏小。之后连续灌筑，使孔内混凝土连续上升，超过钢护筒底口，采用提插导管的方法尽量多的灌筑混凝土，至混凝土灌不动时，测量此时的导管埋深、混凝土面标高与护筒底ＶＩ的相互关系，暂停混凝土灌筑，每隔１ｈ拆除１节导管，至导管埋深达规范允许的较小值后，尽量延长暂停时问，此时导管底口已高出护筒底一定距离，护筒底口上下一定距离的混凝土进入稳定状铁道建筑技术态，逐步进入初凝。后续混凝土灌筑应降低混凝土灌筑速度，缓慢进行，减少新灌混凝土对护筒底口处已初凝的混凝土的扰动。待护筒底口混凝土已Ⅲ达初凝时间后，混凝土灌筑按常规方法进行。１２Ｉ。４结束语浆甲大桥横跨于南平沙溪口水电站上游的库区，通过在施工中采用预穿卵石层预先成孔技术，解决了深水区卵石层覆盖层中钢管桩及钢护筒插打难题；通过大直径钢管桩内灌砂，提高了钢管桩的稳定性；通过合理确定孔内外水位高差和泥砂分离净化装置技术，解决了深水（２８ｍ）大直径桩基钢护筒底漏浆及快速清孔换浆等技术难题；在桩身混凝土灌筑过程中，采用导管提升控制，防止混凝土由钢护筒底口外泄，降低了施工成本，保证了浆甲大桥的顺利施工。该技术的成功应用，为桥梁深水基础提供了可借鉴的施工经验。参考文献［１］胡勇，杨仲杰．深水裸岩钻孔灌注桩施工技术［Ｊ］．施—工技术，２００７（１）：５０５２．［２］金红岩．复杂地质条件下深水大直径钻孔桩快速施工—技术［Ｊ］．世界桥梁，２０１２（５）：２７３１．［３］郭永斌．深海桥梁钻孔平台钢管桩施工技术［Ｊ］．铁道—建筑技术，２０１５（８）：２６２９．［４］梅瑞泰．深水复杂地质大直径超长钻孔桩施工技术—［Ｊ］．公路交通技术，２００９（８）：８７９０．［５］余绍宾．怀邵衡沅特大桥１２＃主墩深水基础施工技术—［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（３）：７８８１．［６］刘涛．超厚粉细砂层地质长大钻孔灌注桩施工技术研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（３）：７０一７３．［７］王卫红．大直径桩成孔泥浆分析［Ｊ］．山西建筑，２００３，—２９（３）：６４６５．［８］蔡惠华．厚砂性土层钻孔泥浆应用技术［Ｊ］．港工技术—与管理，２０１４（２）：２３２７．［９］中华人民共和国交通运输部．ＪＴＧ／Ｔ—Ｆ５０２０１１公路桥涵施工技术规范［Ｓ］．北京：人民交通出版社，２０１１：—１０７１０８．［１０］魏青，陆霞，赵宏升．超长钻孔灌注桩成孔的质量控制—［Ｊ］．山西建筑，２００５（４）：８０８１．［１１］张彦，文洁平，谢伟英．东沙大桥主桥桩基泥浆维护使—用及泥浆循环系统［Ｊ］．公路，２００７（６）：１９８２００．［１２］欧阳效勇，任回兴，徐伟．桥梁深水基础施工关键技术一苏通大桥南塔基础工程施工实践［Ｍ］．北京：人—民交通出版社，２００６：２１２５．ＲＡｌｌ＿ＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴｌｏＮＴＥｃＨＮＯＬｏＧＹ２０１７１０３）万方数据