軟土地質大直徑超長鉆孔灌注樁施工關鍵技術研究

蔡 鵬

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

以上海為代表的長江三角洲沿海地區，軟土分布廣泛，其地基承載力弱、沉降明顯的特點給該地區內橋梁工程的設計和施工造成了很多不利的影響，特別是大跨徑的橋梁，其形式、跨徑、基礎構造等往往受到地質條件的制約。

嘉松公路越江新建工程主橋采用自錨式懸索橋結構，一跨越江。主橋的基礎采用大直徑鉆孔灌注樁，樁徑達2 m，成孔深度超過100 m，其成樁直徑及深度在上海陸地地區均為首次。樁基在成孔過程穿越淤泥、細粉砂等不利地層，樁基施工過程中需要著重解決孔壁穩定、成孔垂直度、清孔除砂、大方量混凝土連續灌注等一系列關鍵技術難題[1-2]。

1 工程概況

嘉松公路越江新建工程位于上海市松江區黃浦江上游主航道，橋位處地質屬濱海平原區地貌類型，包含淤泥質黏土、淤泥土、粉砂、黏土等各類土層，粉砂、粉細砂層厚度大。

主橋橋型采用雙塔雙索面鋼箱梁自錨式懸索橋，主橋全長596 m，跨徑布置為130 m＋336 m＋130 m，一跨越江。橋型如圖1所示。

主橋主墩單側承臺基礎采用34根直徑2.0 m鉆孔灌注樁，有效樁長100 m。樁端進入⑩粉質黏土層，單樁設計承載力極限值為32 000 kN（樁端注漿前）。

2 成樁關鍵工藝

2.1 成孔設備選擇

上海地區屬于典型的軟土地質，下臥層淤泥、粉砂層厚度大，地下水位高，一般的鉆孔樁施工多采用回旋鉆機、旋挖鉆機等設備。

本工程樁基樁徑2 m，樁長100 m，成孔深度約107 m，超出常規的回旋鉆機、旋挖鉆機的成孔能力，需采用大型的反循環鉆機、液壓全回轉鉆機或大型的旋挖鉆機方可滿足成孔需要。相對而言，旋挖鉆機成孔效率較高，但孔壁穩定較差，需配合人工造漿，設備成本較高；大型的反循環鉆機以及液壓全回轉鉆機成孔效率稍遜于旋挖機，但成孔穩定性較好。綜合考慮各類因素后，本工程主橋樁基施工選用GF400泵吸反循環鉆機成孔，配長120 m的φ325 mm高強抗扭鉆桿以及三翼雙腰帶刮刀鉆頭鉆進成孔。該設備最大成孔直徑4 m，最大成孔深度150 m。

2.2 泥漿制備

成孔泥漿采用人工造漿結合原土造漿，鉆進施工前制備約單樁所需用的人造漿于泥漿池存儲，鉆進過程中人造泥漿泵入孔內進行循環。

人造泥漿主要采用膨潤土制備，經對比試驗，配比如下：水∶膨潤土∶堿∶纖維素＝1 000∶80∶0.5∶0.2。

泥漿主要參數如下：黏度22～25 s，相對密度1.04～1.05，含砂率＜0.5%，膠體率＞97%，pH值9～11。

首樁成孔時，人造泥漿結合原土造漿進行泥漿循環，成孔完成后，在清孔時補充部分人造泥漿，后續樁基施工可對泥漿循環利用，并根據泥漿的性能指標補充，泥漿性能應以黏度及相對密度控制為主。

2.3 鉆進成孔

2.3.1 成孔施工

成孔采用反循環鉆進，根據不同的地層進尺，控制鉆機的鉆壓、轉速，鉆壓控制范圍10～25 kN，轉速控制范圍20～40 rad/min，泵量控制范圍100～180 m3/h。

初始鉆進時，鉆具下入孔內，鉆頭應距孔底鉆渣面20～50 cm，并開動砂石（泥漿）泵，使沖洗液循環2～3 min，然后開動鉆機，慢慢將鉆頭放至孔底。輕壓慢轉數分鐘后，逐漸增加轉速和增大鉆壓，并適當控制鉆速。

正常鉆進時，應合理調整和掌握鉆進參數，加接鉆桿時，應先將鉆具稍提離孔底，待沖洗循環3～5 min再擰卸加接鉆桿。在易坍孔地層中鉆進時，應適當加大泥漿的相對密度和黏度來穩定孔壁。

根據對試成孔及試樁的成孔時間統計及分析，首根試成孔時間51 h、首根工程樁試樁成孔時間44.5 h，在正常情況下該規格樁基單樁成孔時間45～50 h。

2.3.2 成孔施工關鍵技術控制要點

成孔過程中，直徑2 m的鉆孔灌注樁，每根樁使用膨潤土7 t。

在整個成孔過程中，嚴格控制孔內泥漿指標，特別是終孔后泥漿含砂率的控制，滿足清孔后灌注混凝土的要求。

成孔施工時，鉆具（鉆頭、主動鉆桿和副鉆桿）要保證垂直度、同心度和連接緊密可靠，避免漏氣影響泵吸反循環鉆進和鉆具脫落事故發生。每次開鉆前，施工現場對鉆具的垂直度、連接性和鉆頭的直徑磨損情況進行檢查。

鉆進過程中應經常注意孔內的異常情況，當出現鉆桿跳動、機架搖晃、不進尺、漏漿等現象時，應及時停鉆，查明原因，排除故障或做出處理后再恢復施工。

續接鉆桿時，先停鉆，維持泥漿沖洗循環一段時間，將孔內鉆渣沉淀分離，并通過泥砂分離處理系統降低泥漿中的含砂量，然后提鉆。卸桿和續接鉆桿后再進行加深續鉆。鉆進至設計標高終孔時，應保持鉆機空轉不進尺一段時間，直至泥漿指標達到一次清孔要求，以確保下籠后二清的可靠性。

2.4 清孔及除砂

鉆進成孔至設計標高后，進行成孔檢測及渣樣勘驗，各類指標滿足設計要求后進行第1次清孔，由于本工程地質出土層含砂率高、砂層厚，因此在清孔時采用ZX-250泥漿凈化裝置對孔內泥漿進行除砂處理。一清清孔時間2～3 h，測量孔底沉渣滿足規范后進行提鉆。

在鋼筋籠及導管完成安裝后，灌注水下混凝土之前，進行二次清孔。二清采用氣舉反循環清孔，空壓機選用GFY-75G型空氣壓縮機，空壓機制氣量為13 m3/min，最大壓力為1.05 MPa。

2.5 鋼筋籠加工及安裝

鋼筋籠在加工場制作，采用短線臺座法預拼裝制作，制作時從籠頂至籠底逐節制作。鋼筋籠共分為12節制作，標準節長度為9 m。

考慮到鋼筋籠直徑較大，為防止運輸及吊裝鋼筋籠過程中變形，在每道加勁箍位置設置“△”形支撐。

鋼筋籠預拼裝制作完成，在分解之前將聲測管用定位環和鐵絲臨時固定在鋼筋籠內側。并在每節鋼筋籠第1道加強箍位置對稱布置吊耳。

鋼筋籠利用汽車吊分節安裝，孔口直螺紋套筒對接接長。鋼筋籠安裝順序為：豎立→對接→下放→固定。鋼筋籠吊放入孔時，要保證鋼筋籠吊繩的豎直方向與設計樁孔的中心方向一致，可在鋼護筒頂部設置定位支架，支架沿護筒上口均勻布置，以定位支架作為鋼筋籠安裝的定位基準，確保鋼筋籠安裝精度。

2.6 水下混凝土灌注

本工程樁基采用C35水下預拌混凝土，設計坍落度為200 mm±20 mm。混凝土由拌和站集中拌和后運輸至現場灌注。施工前通過試驗確定混凝土的配合比。

利用3.5 m3料斗和2輛混凝土罐車同時進行初灌，混凝土初灌量為16 m3，初灌后的埋管深度3.0 m。

主墩樁基單樁初灌量約8.5 m3，為確保混凝土初灌后的埋管要求，現場3 m3料斗配合2臺15 m3罐車同時灌注，混凝土初灌時利用橡膠隔水球和料斗底部止水鋼板止水。

混凝土正常灌注過程中，根據混凝土上升高度計算拆管長度，導管在混凝土中的埋深最小為3 m，累計灌注時間約6.5 h，灌注速度約53 m3/h。

2.7 樁底注漿

根據設計要求，工程樁基采用樁底后注漿以提高單樁承載力，減小基礎沉降，樁基的聲測管兼作注漿管。

壓漿孔開塞在樁基首灌混凝土完成初凝后，用清水將壓漿管底壓漿孔沖開，確保壓漿管路系統暢通。開塞時，開塞壓力取4～6 MPa。若水壓突然下降，表明單向閥已打開，應立即停泵，封閉閥門10 min，以消散壓力。若觀察到有水外噴現象，應繼續關閉閥門，每2～5 min后再次觀察，直至管內壓力消散。

待試樁第1次荷載試驗完成后，進行樁底注漿，注漿材料采用水泥漿，采用注漿量和注漿壓力雙控，以壓漿量控制為主，壓力控制為輔。當壓漿壓力達到控制壓力3.0～3.6 MPa，并在持荷5 min后達到設計壓漿量的80%，出現冒漿時，可認為滿足要求。注漿時依據4根聲測管的順序壓注，單樁注漿水泥用量約5.4 t。

3 試驗及檢測

在樁基正式施工前，對試成孔進行了成孔檢測，24 h內，成孔孔徑的最小值、最大值、平均值均滿足設計要求，無明顯坍塌和頸縮，孔壁較穩定，成孔的垂直度為0.43%，所采用的施工設備及施工工藝可滿足軟土地質下成孔需要。

經試成孔檢測，第1次清孔后的沉渣厚度為8 cm，經24 h靜置后的沉渣厚度為83 cm，48 h后的沉渣厚度為107 cm。說明土層含砂率較高，沉淀速度較快，后續施工需要快速銜接，并應注意加強二次清孔的質量。

試樁完成后，采用超聲波透射法對成樁質量進行了檢測，樁身完整性較好，屬Ⅰ類樁。同時在樁底注漿前、注漿后對樁基承載力進行了2次靜載試驗，試驗采用自平衡法進行。經試驗驗證，樁底注漿前單樁極限承載力大于32 085 kN，注漿后單樁極限承載力大于34 335 kN，均滿足設計要求。

4 結語

1）根據工程實踐，對于在類似于上海地區的軟土地質內施工大直徑超長鉆孔灌注樁，可采用反循環成孔工藝，施工效率較高，成孔質量可靠。

2）由于攜帶砂性土的軟土地層的特點，大部分土層的土體較差，不具備直接制備泥漿的條件，成孔鉆進施工前，應提前制備人造泥漿，作為成孔的循環泥漿。人造泥漿的控制參數宜以黏度及相對密度控制為主，可循環利用。

3）成孔鉆進速度應根據不同土層特性進行設置，在砂層鉆進時，應采用低速鉆進，控制進尺速度，并適當加大泥漿相對密度，確保護壁穩定。

4）對于砂層較厚的地質，應重點控制成孔后的第1次清孔質量，清孔時配合除砂以及采用人造泥漿改良循環泥漿的性能，一清完成后應盡快開展后續工作，縮短工藝銜接時間，以減少孔底沉渣的沉淀。

5）鋼筋籠的加工精度直接影響現場鋼筋籠安裝的時間，除控制預拼裝的精度外，還應做好成品鋼筋籠在運輸、起吊、安裝過程中的保護，防止籠體變形。

6）二清施工采用氣舉反循環清孔具有良好的效果，但施工前應根據計算結果確定空壓機設備的選擇以及氣管安裝的深度，空壓機選型不當或氣管安裝深度偏差過大，會影響清孔效果，嚴重的將導致孔壁失穩。

7）水下混凝土的灌注是大直徑超長鉆孔樁施工的關鍵環節，特別是對混凝土初灌量的控制，是混凝土灌注控制的關鍵。大直徑樁的初灌方量往往較大，現場應采用大料斗配合攪拌車做連續灌注，確保初灌的質量。