砂性土中大直徑超深鉆孔樁施工工藝*

上海建工五建集團(tuán)有限公司 上海 200062

1 工程概況

1.1 工程簡介

昆山中環(huán)南線青陽港大橋分南幅、北幅，主橋跨徑為54 m+90 m+54 m，總長198 m，橋型為變截面的雙箱預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁，其中水中墩號為FB13#、FB14#、FC11#、FC12#，每個墩樁基9 根，總計36 根。樁基φ1 500 mm，樁長分別為73.1 m、73.5 m、73.3 m、74.3 m、74.5 m。樁底標(biāo)高最深為-79.5 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)資料鉆探顯示，本工程由一般黏性土、淤泥質(zhì)土及粉（砂）性土組成，按土的成因、性質(zhì)和特征從上到下分為如下7 個主要工程地質(zhì)層：淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、黏土、粉土夾粉砂、粉砂夾粉土、粉質(zhì)黏土與粉土互層、粉砂、粉細(xì)砂。

施工范圍內(nèi)主要以砂土為主，在-7.00～-9.00 m就進(jìn)入粉土夾粉砂層，在-18.00～-20.00 m進(jìn)入粉砂夾粉土層，其下有一層粉質(zhì)黏土與粉土互層，厚度約為24～30 m，在66～68 m以下均為砂層，地質(zhì)情況比較差。

1.3 現(xiàn)狀特點

青陽港現(xiàn)狀5級航道，規(guī)劃提升為3級航道。本工程南北輔道主墩都受到現(xiàn)有管線的制約，主要有北輔道橋φ400 mm天然氣管拖拉管影響FB13#、FB14#2 個墩，南輔道橋φ1 000 mm的上水頂管和220 kV高壓線影響FC11#、FC12#2 個墩。

水中鉆孔樁質(zhì)量控制要求十分重要，樁基一旦出現(xiàn)問題，將影響其他樁基、其他結(jié)構(gòu)，甚至?xí)绊懻麄€工程施工質(zhì)量和進(jìn)度，造成巨大的經(jīng)濟損失和不良的社會影響。選擇合理的施工工藝，制定切實可行的技術(shù)方案，施工過程中嚴(yán)把各個環(huán)節(jié)，加強質(zhì)量管理控制是十分重要的。

2 施工工藝[1-3]

2.1 施工平臺的比選

方案1：浮式鉆孔平臺方案。主要優(yōu)點是鉆孔平臺施工簡便、施工難度小、工程成本低。主要缺點是浮式平臺穩(wěn)定性受水流、水位、洪水的影響比較嚴(yán)重，安全性不高，且鉆孔精度會受到影響。因此該方案不適合青陽港鉆孔樁。

方案2：填土筑島方案。根據(jù)鉆孔樁要求在鉆孔樁位置進(jìn)行填土筑島，再安裝鉆機進(jìn)行施工。主要優(yōu)點是材料簡單、施工難度小、成本低、不需要打樁機等大型施工機械。主要缺點是會嚴(yán)重破壞河道的天然狀態(tài)和生態(tài)環(huán)境，施工污染嚴(yán)重，不符合環(huán)保要求，而且，填土?xí)嚎s過水面積，影響通航，施工安全性不高。因此該方案也不適合青陽港鉆孔樁。

方案3：固定鉆孔平臺方案。先在河中搭設(shè)用于鉆孔樁施工的固定平臺，然后再在上面安裝鉆機施工的一種方案。主要優(yōu)點是鉆孔不受水流沖刷、洪水侵襲等的影響，施工安全得到保障，施工精度也沒什么影響。主要缺點就是施工成本較高，需用大型打樁設(shè)備。

由于水中施工安全保障是關(guān)鍵，方案3安全性較高，不受水文地質(zhì)的影響，施工精度較高，所以是最佳方案。

2.2 施工平臺設(shè)計

根據(jù)回旋鉆鉆孔樁施工需要，決定對位于青陽港河道內(nèi)的FB13#、FB14#、FC11#、FC12#墩施工各投入1 套鋼棧橋和平臺，用于水中墩施工（圖1）。

圖1 棧橋與平臺平面布置

棧橋施工采用從河邊向河中的方向施工，分為棧橋通道和平臺施工。棧橋橋面標(biāo)準(zhǔn)寬度為6 m，橫向連接為9 m。樁基作業(yè)平臺寬度為12 m×12 m，擬建便橋4 座，施工平臺4 座（圖2）。

2.2.1 棧橋通道

1）棧橋頂面高程：2.8 m；

2）基礎(chǔ)：φ300 mm×15 mm鋼管樁。縱向間距3 m，橫向3 根，間距2.5 m，縱橫向樁基礎(chǔ)設(shè)10#槽鋼剪刀撐；

3）縱梁：40#工字鋼，縱向布置于橫梁上；

4）面板：滿鋪30#槽鋼。

2.2.2 鉆機平臺

1）棧橋頂面高程：2.8 m。

2） 基礎(chǔ)：φ300 mm×15 mm鋼管樁。縱向間距3.35 m+3.75 m+3.35 m，橫向間距3.35 m+3.75 m+3.35 m。橫向樁基礎(chǔ)設(shè)10#槽鋼剪刀撐。

3）橫梁：采用40b#工字鋼，間距為3.35 m+3.75 m+3.35 m。

4）縱梁：采用鉆機主梁。

2.3 鉆機的選型和工藝的選擇

旋挖鉆機：旋挖鉆機在施工平臺上進(jìn)行水上作業(yè)時受到潮水漲落影響，孔壁不穩(wěn)定，易發(fā)生漏漿，且施工平臺已經(jīng)確定，不適宜使用旋挖鉆機。

回旋鉆機：GPS-20回旋鉆機最大鉆孔φ2.0 m，最大鉆孔深度80 m，主卷揚機起升能力30 kN，副卷揚機起升能力30 kN，鉆機功率30 kW，有效高度8.6 m，主機質(zhì)量10 t。本工程鉆孔樁φ1 500 mm，最大深度79.5 m，GPS-20回旋機各項性能指標(biāo)都滿足本次水上鉆孔樁的要求，而且回旋鉆打軟土地層砂層較快，適用于大樁徑及超長鉆孔樁。所以本次工程鉆孔樁選擇GPS-20回旋鉆機。

本工程鉆孔樁采用正循環(huán)成孔、正循環(huán)清孔。泥漿在黏土中采用自然漿，在砂土中根據(jù)實測數(shù)據(jù)采用人造漿和自然漿。

2.4 鋼護(hù)筒埋設(shè)和樁機就位

選擇φ1.7 m，長10 m的鋼護(hù)筒。鋼護(hù)筒運至施工現(xiàn)場后，采用船吊起吊鋼護(hù)筒，下口插入棧橋?qū)蚣軆?nèi)，將護(hù)筒下放到河床。 測量人員首先用經(jīng)緯儀檢測鋼護(hù)筒的平面位置是否正確，對于平面偏差大于50 mm的重新定位鋼護(hù)筒和導(dǎo)向架的位置。用懸掛150 kW振動錘進(jìn)行試振，導(dǎo)向架受鋼護(hù)筒擠壓嚴(yán)重，說明鋼護(hù)筒有偏位，進(jìn)行校正護(hù)筒垂直度，然后繼續(xù)下沉鋼護(hù)筒直至設(shè)計標(biāo)高。水中樁護(hù)筒埋深3.0～4.0 m，護(hù)筒頂高出水面2.8 m。到位后檢查在護(hù)筒內(nèi)抽下去1.5 m是否漏水。護(hù)筒的振埋施工應(yīng)選在余流階段進(jìn)行，減少水流對護(hù)筒埋設(shè)的垂直度的影響。

在護(hù)筒埋置完畢后，選用250 kN汽車吊架設(shè)鉆機，將GPS-20鉆孔樁機正確吊至樁基位置后，鉆孔按正常鉆孔程序進(jìn)行。

2.5 泥漿中砂的清除過濾技術(shù)及工藝

根據(jù)地質(zhì)報告可知，本次鉆孔樁地質(zhì)條件較差，大部分位于砂性土層中，含砂率較高，為解決除砂問題，采用黑旋風(fēng)ZX-200除砂設(shè)備。由護(hù)筒中泥漿進(jìn)入三級沉淀池沉淀之后，再使用黑旋風(fēng)除砂裝置進(jìn)行除砂、進(jìn)入循環(huán)池循環(huán)。循環(huán)池內(nèi)泥漿通過使用含砂率測定器進(jìn)行測定，含砂率≤4%視為合格。

2.6 高砂性土層中泥漿配置

砂性土中泥漿不能滿足護(hù)壁效果，根據(jù)實測數(shù)據(jù)決定在砂土中采用人造漿和自然漿。

2.6.1 造漿材料的選擇

根據(jù)本工程地層特點及相關(guān)工程經(jīng)驗，選用優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤土泥漿護(hù)壁。

鈉基膨潤土是一種帶有電荷的親水膠體，通過顆粒靜電斥力保持穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，具有相對密度低、黏度低、含砂量少、失水量少、泥皮薄、穩(wěn)定性強、固壁能力高、鉆具回旋阻力小、鉆進(jìn)率高、選漿能力大等優(yōu)點。

如果漿液失水率超標(biāo)、護(hù)壁能力降低則需加入純堿（碳酸鈉）及聚陽離子纖維素（PAC）再次造漿，進(jìn)行成孔作業(yè)。

2.6.2 泥漿護(hù)壁時注意事項

1）施工期間護(hù)筒內(nèi)的泥漿面應(yīng)基本與水位持平；

2）在清孔撈渣過程中，應(yīng)注意鉆斗避免碰撞孔壁，鉆斗提至孔口時，不要停留控漿，應(yīng)迅速將沉渣甩出；

3）澆筑混凝土前，孔底 500 mm以內(nèi)的泥漿相對密度應(yīng)小于 1.10，含砂率不得大于2%，黏度不得小于17 s；

4）在容易產(chǎn)生泥漿滲漏的土層中應(yīng)采取維持孔壁穩(wěn)定的措施；

5）廢棄的漿、渣應(yīng)進(jìn)行處理，不得污染環(huán)境。

2.7 清孔技術(shù)及工藝

一次清孔：鉆進(jìn)終了，將鉆具反復(fù)提動，低速回轉(zhuǎn)，全泵量沖孔，充分研磨孔底大顆粒土塊，以實現(xiàn)一次清孔為主、二次清孔為輔的清孔排渣原則。在泥漿相對密度≤1.1，含砂率≤2%，孔底沉淤≤0.2D后視為合格。

二次清孔：清至孔內(nèi)返出之泥漿相對密度1.03～1.10、黏度18～22 s、含砂率＜2%、膠體率＞98%、孔底沉渣厚度≤0.2D時視清孔符合要求。二次清孔目的是清除在安放鋼筋籠及混凝土導(dǎo)管時產(chǎn)生的沉渣。二次清孔時間不宜少于30 min。

2.8 鉆進(jìn)成孔控制

進(jìn)漿相對密度：黏土層相對密度≤1.08、黏度18～22 s、含砂率≤2%；砂層相對密度≤1.3、黏度18～22 s、含砂率≤4%。

一清泥漿指標(biāo)：相對密度≤1.2、黏度18～22 s、含砂率≤3%。二清泥漿指標(biāo)：相對密度≤1.12、黏度18～22 s、含砂率≤2%，沉渣≤30 cm。

鉆速：黏土層使用Ⅱ擋（70 r/min），適當(dāng)減小鉆壓，加快鉆進(jìn)速度；在砂性土層，使用Ⅰ擋（40 r/ min），適當(dāng)增加鉆壓，減慢鉆進(jìn)速度。孔深大于設(shè)計深度30 cm。

2.9 水下混凝土澆筑

水下混凝土澆筑（圖3）是樁基施工的關(guān)鍵工序，必須做到連續(xù)澆筑，從而保證澆筑成樁質(zhì)量。 大直徑超深鉆孔樁由于方量比較大，澆筑時間較長，對水下混凝土性能的要求較高。混凝土應(yīng)保持足夠的流動性，坍落度必須滿足水下混凝土的澆筑要求，本工程現(xiàn)場坍落度值控制在18～22 cm（宜取大值）。在每根樁混凝土澆筑時，對混凝土初灌量特別進(jìn)行了控制，確保首斗混凝土澆筑時，混凝土能達(dá)到規(guī)范要求的導(dǎo)管埋設(shè)深度。澆筑時及時測量孔內(nèi)混凝土面高度，正確掌握導(dǎo)管的提升與拆除，澆筑導(dǎo)管的埋深控制在2～6 m范圍內(nèi)。當(dāng)澆筑遇阻時，應(yīng)上下輕輕活動。除底管外，每次拔管不多于2 根。

圖2 鉆孔樁施工平臺

圖3 水下混凝土澆筑

3 試成孔

試成孔是鉆孔澆筑樁施工之前的一項重要工作，是對鉆孔澆筑樁施工技術(shù)參數(shù)的檢驗，確保鉆孔澆筑樁施工方案的可行性。試成孔的選擇要具有代表性，本次試成孔選用回旋鉆機正循環(huán)成孔清孔工藝。

3.1 試成孔時間控制指標(biāo)

1）成孔時間（過程泥漿指標(biāo)）：40 h，孔深84 m；

2）一清時間（泥漿指標(biāo)檢測、深度）：2 h；

3）拆卸鉆桿：2 h；

4）下放鋼筋籠：4.5 h，3 名電焊工；

5）下放導(dǎo)管：1.5 h；

6）二清（泥漿指標(biāo)檢測）：2 h；

7）混凝土澆筑：5.5 h。

共計成孔結(jié)束后需17.5 h ，不可預(yù)計原因控制在5 h內(nèi)，所以本次試成孔控制孔壁穩(wěn)定的目標(biāo)時間為22.5 h。

3.2 試成孔位置

本工程將試成孔位置設(shè)置于青陽港南輔道橋FC18#、FC19#墩之間的位置，為了更具有代表性、更具指導(dǎo)意義，本次試成孔樁徑按目前條件取最大，根據(jù)青陽港大橋輔道橋主橋墩樁底標(biāo)高-79 m，原地面標(biāo)高2.46 m，本次試成孔孔深取定為84 m。

3.3 試成孔總結(jié)

根據(jù)現(xiàn)場鉆進(jìn)情況與地質(zhì)資料對比，基本吻合。開鉆前10 m基本為回填土和黏土，測定泥漿相對密度為1.24，含砂率為0.5%，黏度24 s，鉆速控制在Ⅱ擋慢速鉆進(jìn)（68 r/min）。開鉆至20 m時，測定泥漿相對密度為1.25，含砂率為4%，已明顯進(jìn)入粉砂層，黏度降低（22 s），鉆速控制在Ⅰ擋慢速鉆進(jìn)（40 r/min）。至終孔結(jié)束，鉆進(jìn)基本正常，泥漿相對密度、黏度、含砂率基本穩(wěn)定，成孔無異常，終孔時泥漿相對密度為1.22、黏度為22 s、含砂率為3%。

根據(jù)成孔檢測7 次結(jié)果來看，孔壁穩(wěn)定性效果較好，在間隔時間段內(nèi)未出現(xiàn)明顯頸縮，最后3 次有孔徑縮小和沉渣增大趨勢，但總體孔壁穩(wěn)定，垂直度也滿足要求。

采用自然土造漿和人工造漿相結(jié)合的泥漿相對密度、黏度和含砂率基本符合規(guī)范要求，在粉砂層可適當(dāng)提高泥漿相對密度和黏度。

根據(jù)本次試成孔施工，從施工工藝、現(xiàn)場成孔檢測指標(biāo)結(jié)果來看，此次試成孔施工機械、鉆孔工藝基本符合設(shè)計和規(guī)范要求。

4 施工過程中產(chǎn)生的問題和處理措施

4.1 鋼護(hù)筒埋置傾斜

本工程在施工FB14#墩6#樁的時候，鋼筋籠下放到一半下不去，根據(jù)以往施工經(jīng)驗，鋼筋籠下不去時將鋼筋籠提上來重新上下反復(fù)幾次就能下去，但還是不行，最后只能將鋼筋籠拔出，鋼筋籠在護(hù)筒底部位置出現(xiàn)了變形，確定是護(hù)筒傾斜或者變形所致。

事后經(jīng)過分析，出現(xiàn)這種情況的可能性有2 種，第一，鋼護(hù)筒埋置時已經(jīng)出現(xiàn)傾斜或者在潮水的沖擊下導(dǎo)致傾斜。第二，拆卸鉆桿時，鉆頭碰到護(hù)筒底部致使護(hù)筒底部變形，可能由于超深鉆孔樁施工周期長，施工振動導(dǎo)致鉆機平臺在施工后期實際已傾斜或鉆機平移導(dǎo)致。針對這2 種情況，項目部在后續(xù)施工中采取了措施。首先，在護(hù)筒埋置時，校正護(hù)筒平面位置和垂直度，繼續(xù)下沉鋼護(hù)筒直至設(shè)計標(biāo)高后，護(hù)筒水面以上部分縱橫向使用20#槽鋼與鉆機施工平臺鋼管樁焊接連接成整體，保證護(hù)筒不會傾斜。其次，控制鉆機平面位置，安放時要穩(wěn)固，在鉆進(jìn)過程中經(jīng)常檢驗鉆機平臺水平情況和鉆機是否移位，若有移位則及時進(jìn)行修正。

4.2 護(hù)筒底部漏漿

本工程在施工FC11#墩9#樁的時候，護(hù)筒內(nèi)部出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象。在開鉆不久后，鋼護(hù)筒內(nèi)泥漿越來越少，雖然加大泥漿循環(huán)，但護(hù)筒內(nèi)泥漿面低于水面以下2 m左右，出現(xiàn)了嚴(yán)重的漏漿現(xiàn)象。出現(xiàn)漏漿情況的原因可能是護(hù)筒埋深不夠，由于這個位置正是φ1 000 mm上水頂管搬遷的位置，上水管搬遷使得護(hù)筒周圍泥土松動不密實，護(hù)筒底部產(chǎn)生漏漿的現(xiàn)象。出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象之后，馬上停止鉆進(jìn)，提升鉆頭，在護(hù)筒內(nèi)外兩側(cè)填入大量黏土（圍堰拉森鋼板樁搭設(shè)完成），保證護(hù)筒底部土層密實不漏漿。

5 結(jié)語

通過對青陽港高砂性土層條件下大直徑超長鉆孔灌注樁的施工，從平臺、鉆機、工藝的選擇克服了高砂性、大直徑、超長樁等難題，為工程節(jié)點的順利實現(xiàn)提供了有力保障。

固定施工平臺能保證樁基施工安全和施工精度，GPS回旋鉆機能克服水中鉆孔樁大直徑超深的難題。在砂性、粉砂質(zhì)土層中成孔，為防止地層液化、頸縮、孔壁坍塌，采用人工造漿可有效地防止地層液化，對護(hù)壁及保持孔壁的穩(wěn)定性有較好的效果。

通過實際施工中出現(xiàn)的問題有針對性的采取預(yù)防控制措施，雖然在該工程中獲得成功的運用，但仍有明顯不足，仍有待于進(jìn)一步深入研究、分析，以期促進(jìn)高砂性土大直徑超深鉆孔樁施工技術(shù)的不斷完善和提高。