水中軟土地層中超長鉆孔灌注樁的施工

薛旭濤 李世平 闕正義 唐 飛 劉 潤 鄭伯鐘

1. 中國建筑第四工程局有限公司 廣東 廣州 510665；2. 中建四局第一建筑工程有限公司 廣東 廣州 510800

由于交通荷載的增加，為加大橋梁的承載能力，橋梁樁基在設計時出現(xiàn)了大直徑樁、超長樁的趨勢[1]。廣東地區(qū)存在大量軟土地層，水中橋梁施工時，樁基穿越深厚軟土地層，下部無基巖支撐，樁基多采用摩擦樁。為了加大摩擦樁的承載力，部分不良地質樁基的樁長超過90 m，成為超長樁。

水中軟土地層超長樁在施工中易出現(xiàn)坍孔、頸縮、漏漿等事故，結合前人的工程實踐探索，氣舉式反循環(huán)鉆機和泵吸式反循環(huán)鉆機可以滿足超長樁的施工要求。前人對超長樁的研究主要集中在施工技術和現(xiàn)場管理經(jīng)驗方面[2-3]。在水中軟土地質條件下，本文對2種設備因原理不同而導致的施工工效上的差異進行研究，結合工程地質情況，選擇合適的施工機械設備進行鉆孔施工，從而達到保證樁基工程施工質量和加快施工進度的目的。

1 工程概況

廣東省汕頭市蓮陽河特大橋全長1 459.6 m，橋梁左右幅單幅標準寬度13.75 m，跨河部分因設置人行道加寬至17.75 m。該橋12#—26#墩柱位于蓮陽河水中，水下樁基共計126根，采用C35鋼筋混凝土鉆孔樁基，樁基受力形式為摩擦樁。其中12#—21#墩、26#墩樁徑2.0 m，樁長95.3～100.0 m；23#、24#墩樁徑2.0 m，樁長115 m；22#、25#墩樁徑2.0 m，樁長81～83 m。

根據(jù)地質勘探結果，場區(qū)覆蓋層由第四系填土、淤泥、粉質黏土、砂類土組成，橋位位于抗震設防烈度Ⅷ度地震區(qū)，場地土類別為Ⅳ類，砂土在地震力作用下嚴重液化。

2 施工機具選擇

2.1 鉆孔灌注樁設備選擇

根據(jù)本工程場地內地質情況，參考文獻[4]的要求，項目同時選用氣舉式反循環(huán)鉆機和泵吸式反循環(huán)鉆機進行施工，在施工中通過對2種設備的施工進度、質量進行統(tǒng)計，通過對比分析后選用更為經(jīng)濟、安全可靠的施工設備。本項目樁基施工所選用的反循環(huán)鉆機工作參數(shù)如表1所示。

表1 反循環(huán)鉆機工作參數(shù)

2.2 氣舉式反循環(huán)鉆機工作原理

氣舉反循環(huán)鉆機的工作原理是將壓縮空氣由進氣管輸入到混合器中，通過混合器將壓縮空氣送入到鉆桿內，將壓縮空氣和鉆桿內的液體互相融合，達到降低鉆桿內壓強的目的，使鉆桿和樁孔之間形成壓差，將孔底泥漿吸入鉆桿中，向上通過排渣口排入泥漿沉淀池中，經(jīng)過沉淀后的泥漿流入泥漿池中循環(huán)利用[5]。氣舉反循環(huán)原理如圖1所示。

氣舉式反循環(huán)鉆機的工作效率和其沉沒比有極大關聯(lián)，沉沒比a的計算公式為：

式中：a——氣舉式反循環(huán)鉆機沉沒比；

h1——導管插入泥漿深度；

h2——泥漿出口距離泥漿頂面高度。

2.3 泵吸式反循環(huán)鉆機工作原理

泵吸式反循環(huán)鉆機是通過砂石泵的抽吸作用，在鉆機的鉆桿內腔形成負壓，通過孔內液柱和大氣壓的共同作用，孔壁與環(huán)狀空間的泥漿流向孔底，將鉆頭切削下來的鉆渣，帶進鉆機的鉆桿內腔中，再經(jīng)由砂石泵排至現(xiàn)場設置的沉淀池內。在沉淀鉆渣后，沖洗液流向孔內，形成反循環(huán)，成孔后經(jīng)過一次清孔及二次清孔，最終完成樁基施工。泵吸反循環(huán)原理如圖2所示。

圖1 氣舉式反循環(huán)鉆機工作原理示意

圖2 泵吸式反循環(huán)鉆機 工作原理示意

3 超長鉆孔灌注樁施工

3.1 施工條件

蓮陽河特大橋鉆孔灌注樁施工位于水中，施工時需先搭設水上作業(yè)平臺。作業(yè)平臺要滿足樁基施工時鉆機荷載、鋼筋籠吊裝荷載、混凝土運輸和灌注荷載等要求。同時，在設計時需要考慮通航情況。

3.2 反循環(huán)鉆機施工

3.2.1 鋼護筒插打

鋼護筒插打的關鍵是振動錘的選擇。根據(jù)護筒下沉所需激振力的大小，選擇振動錘型號。激振力計算原則為：激振力P＞土的動摩阻力R－護筒和振動錘自重G。

經(jīng)計算可以得出P＞1 921.8 kN，DZJ300型雙夾臂液壓振動錘的最大激振力為2 185 kN，可滿足完成鋼護筒插打施工所需激振力。

3.2.2 泥漿制備及性能指標

本工程樁基直徑大、樁孔深，穿越淤泥層、砂層，造漿性能差。本次樁基施工時選用了丙烯酰胺泥漿。該泥漿具有不分散、低固相、低密度、高黏度等優(yōu)點[6]，被廣泛應用于樁基施工，尤其是超長樁施工中。

為確保泥漿質量，達到反循環(huán)鉆機順利鉆進成孔的目的，在開鉆前對泥漿進行試配，優(yōu)化泥漿配合比，確保鉆進過程中及時調整泥漿指標，保證孔內泥漿密度，降低超長樁穿越不同地質時的坍孔風險。

為防止環(huán)境污染以及合理利用施工場地，在現(xiàn)場設置泥漿制備區(qū)，采集制備好的泥漿，經(jīng)由泥漿泵泵送至鋼護筒內。隨著鉆機的鉆進，要對泥漿密度及時進行檢測并隨著鉆進情況調整。泥漿各施工階段的性能指標要求見表2。

表2 泥漿各施工階段的性能指標

3.2.3 鉆機鉆孔施工

根據(jù)施工現(xiàn)場實際情況，鉆進過程劃分為2個階段：護筒內鉆進階段；護筒外軟弱地層鉆進階段。

護筒內鉆進階段：從護筒底口2.0 m以上，采用直徑2.0 m刮刀鉆頭反循環(huán)加壓清水鉆進，每小時進尺控制在2～4 m。鉆進時注意孔內補充清水保持水位，混合泥漿經(jīng)沉淀池沉淀后，泥漿回流入護筒，鉆渣轉運至棄渣場。

護筒外軟弱地層鉆進階段：護筒底口以上2 m至孔底，調換直徑2.0 m的改進型機械鉆頭，開鉆時鉆頭反循環(huán)空轉，啟動泥漿循環(huán)系統(tǒng)，置換孔內泥漿；當孔內泥漿指標符合要求后，優(yōu)質泥漿護壁反循環(huán)減壓鉆進，在護筒底口附近慢速鉆進，形成穩(wěn)定孔壁，每小時進尺控制在0.3～0.8 m。鉆頭出護筒5 m后恢復正常鉆進，根據(jù)不同地層的特點，在鉆孔過程中及時調整護壁泥漿指標和鉆進速度，每小時進尺為1.0～3.5 m，孔內補充優(yōu)質泥漿。氣舉式反循環(huán)鉆機和泵吸式反循環(huán)鉆機施工參數(shù)如表3所示。

表3 鉆機施工參數(shù)

3.2.4 清孔

當鉆孔施工達到設計標高后，及時對樁孔深度和孔徑進行復核，滿足設計要求時進行清孔施工。清孔時將鉆具提離孔底30～50 cm，緩慢旋轉鉆具，補充優(yōu)質泥漿，進行反循環(huán)清孔，同時保持孔內水頭，防止坍孔。清孔完成后及時停機提鉆、移走鉆機，盡快進行成樁施工。

4 樁基施工情況分析

蓮陽河特大橋樁基施工安排3臺氣舉式反循環(huán)鉆機、3臺泵吸式反循環(huán)鉆機進行施工。施工過程中對6臺反循環(huán)回旋鉆機進行編號，分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ號鉆機。同一墩臺施工時必須隔孔施工。

根據(jù)設計對樁基工程量進行統(tǒng)計，本橋主墩23#、24#墩樁基數(shù)量最多，共計9根，選取主墩23#、24#樁基施工順序進行示意，如圖3所示。

圖3 樁基鉆孔順序

施工過程中對23#、24#樁基的鉆孔施工進度進行統(tǒng)計，取各步驟的施工平均時長，得出單樁施工工期（表4）。

施工完成后檢測鉆孔成孔質量，標高、垂直度、沉渣厚度控制均滿足設計規(guī)范要求。對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析，可以得出以下結論：

表4 氣舉式反循環(huán)鉆機與泵吸式反循環(huán)鉆機單樁施工工期對比

1）泵吸式反循環(huán)鉆機和氣舉式反循環(huán)鉆機均可完成軟土地層中水中超長樁鉆孔施工，經(jīng)檢測，施工質量可靠。

2）氣舉式反循環(huán)鉆機在超長樁鉆孔施工過程中施工工期比泵吸式反循環(huán)鉆機短。這是2種鉆機工作原理不同導致的，隨著鉆孔深度的增加，泵吸式反循環(huán)鉆機泥漿泵的泵吸力損失增大，泵吸效率下降；氣舉式反循環(huán)鉆機的沉沒比隨鉆進深度的增加而增加，沉沒比越大，鉆進效率越高。

5 結語

在軟土地質條件下的超長樁施工時，選用氣舉式反循環(huán)鉆機和泵吸式反循環(huán)鉆機均可完成樁孔鉆進施工。但選用氣舉式反循環(huán)鉆機的施工速度、清孔效率超過泵吸式反循環(huán)鉆機。在今后同類工程中，選用氣舉式反循環(huán)鉆機施工，可以有效加快施工進度，達到節(jié)約工期和保證樁基施工質量的目的，對此類工程施工有較強的指導意義。