軟土地質(zhì)大直徑超長(zhǎng)鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)研究

蔡 鵬

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002

以上海為代表的長(zhǎng)江三角洲沿海地區(qū)，軟土分布廣泛，其地基承載力弱、沉降明顯的特點(diǎn)給該地區(qū)內(nèi)橋梁工程的設(shè)計(jì)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(chǔ)構(gòu)造等往往受到地質(zhì)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(jié)構(gòu)，一跨越江。主橋的基礎(chǔ)采用大直徑鉆孔灌注樁，樁徑達(dá)2 m，成孔深度超過(guò)100 m，其成樁直徑及深度在上海陸地地區(qū)均為首次。樁基在成孔過(guò)程穿越淤泥、細(xì)粉砂等不利地層，樁基施工過(guò)程中需要著重解決孔壁穩(wěn)定、成孔垂直度、清孔除砂、大方量混凝土連續(xù)灌注等一系列關(guān)鍵技術(shù)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(qū)黃浦江上游主航道，橋位處地質(zhì)屬濱海平原區(qū)地貌類型，包含淤泥質(zhì)黏土、淤泥土、粉砂、黏土等各類土層，粉砂、粉細(xì)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(zhǎng)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(cè)承臺(tái)基礎(chǔ)采用34根直徑2.0 m鉆孔灌注樁，有效樁長(zhǎng)100 m。樁端進(jìn)入⑩粉質(zhì)黏土層，單樁設(shè)計(jì)承載力極限值為32 000 kN（樁端注漿前）。

2 成樁關(guān)鍵工藝

2.1 成孔設(shè)備選擇

上海地區(qū)屬于典型的軟土地質(zhì)，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(jī)、旋挖鉆機(jī)等設(shè)備。

本工程樁基樁徑2 m，樁長(zhǎng)100 m，成孔深度約107 m，超出常規(guī)的回旋鉆機(jī)、旋挖鉆機(jī)的成孔能力，需采用大型的反循環(huán)鉆機(jī)、液壓全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)或大型的旋挖鉆機(jī)方可滿足成孔需要。相對(duì)而言，旋挖鉆機(jī)成孔效率較高，但孔壁穩(wěn)定較差，需配合人工造漿，設(shè)備成本較高；大型的反循環(huán)鉆機(jī)以及液壓全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔效率稍遜于旋挖機(jī)，但成孔穩(wěn)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(huán)鉆機(jī)成孔，配長(zhǎng)120 m的φ325 mm高強(qiáng)抗扭鉆桿以及三翼雙腰帶刮刀鉆頭鉆進(jìn)成孔。該設(shè)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(jié)合原土造漿，鉆進(jìn)施工前制備約單樁所需用的人造漿于泥漿池存儲(chǔ)，鉆進(jìn)過(guò)程中人造泥漿泵入孔內(nèi)進(jìn)行循環(huán)。

人造泥漿主要采用膨潤(rùn)土制備，經(jīng)對(duì)比試驗(yàn)，配比如下：水∶膨潤(rùn)土∶堿∶纖維素＝1 000∶80∶0.5∶0.2。

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

首樁成孔時(shí)，人造泥漿結(jié)合原土造漿進(jìn)行泥漿循環(huán)，成孔完成后，在清孔時(shí)補(bǔ)充部分人造泥漿，后續(xù)樁基施工可對(duì)泥漿循環(huán)利用，并根據(jù)泥漿的性能指標(biāo)補(bǔ)充，泥漿性能應(yīng)以黏度及相對(duì)密度控制為主。

2.3 鉆進(jìn)成孔

2.3.1 成孔施工

成孔采用反循環(huán)鉆進(jìn)，根據(jù)不同的地層進(jìn)尺，控制鉆機(jī)的鉆壓、轉(zhuǎn)速，鉆壓控制范圍10～25 kN，轉(zhuǎn)速控制范圍20～40 rad/min，泵量控制范圍100～180 m3/h。

初始鉆進(jìn)時(shí)，鉆具下入孔內(nèi)，鉆頭應(yīng)距孔底鉆渣面20～50 cm，并開(kāi)動(dòng)砂石（泥漿）泵，使沖洗液循環(huán)2～3 min，然后開(kāi)動(dòng)鉆機(jī)，慢慢將鉆頭放至孔底。輕壓慢轉(zhuǎn)數(shù)分鐘后，逐漸增加轉(zhuǎn)速和增大鉆壓，并適當(dāng)控制鉆速。

正常鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)合理調(diào)整和掌握鉆進(jìn)參數(shù)，加接鉆桿時(shí)，應(yīng)先將鉆具稍提離孔底，待沖洗循環(huán)3～5 min再擰卸加接鉆桿。在易坍孔地層中鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大泥漿的相對(duì)密度和黏度來(lái)穩(wěn)定孔壁。

根據(jù)對(duì)試成孔及試樁的成孔時(shí)間統(tǒng)計(jì)及分析，首根試成孔時(shí)間51 h、首根工程樁試樁成孔時(shí)間44.5 h，在正常情況下該規(guī)格樁基單樁成孔時(shí)間45～50 h。

2.3.2 成孔施工關(guān)鍵技術(shù)控制要點(diǎn)

成孔過(guò)程中，直徑2 m的鉆孔灌注樁，每根樁使用膨潤(rùn)土7 t。

在整個(gè)成孔過(guò)程中，嚴(yán)格控制孔內(nèi)泥漿指標(biāo)，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(shí)，鉆具（鉆頭、主動(dòng)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(huán)鉆進(jìn)和鉆具脫落事故發(fā)生。每次開(kāi)鉆前，施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鉆具的垂直度、連接性和鉆頭的直徑磨損情況進(jìn)行檢查。

鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)經(jīng)常注意孔內(nèi)的異常情況，當(dāng)出現(xiàn)鉆桿跳動(dòng)、機(jī)架搖晃、不進(jìn)尺、漏漿等現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)及時(shí)停鉆，查明原因，排除故障或做出處理后再恢復(fù)施工。

續(xù)接鉆桿時(shí)，先停鉆，維持泥漿沖洗循環(huán)一段時(shí)間，將孔內(nèi)鉆渣沉淀分離，并通過(guò)泥砂分離處理系統(tǒng)降低泥漿中的含砂量，然后提鉆。卸桿和續(xù)接鉆桿后再進(jìn)行加深續(xù)鉆。鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)標(biāo)高終孔時(shí)，應(yīng)保持鉆機(jī)空轉(zhuǎn)不進(jìn)尺一段時(shí)間，直至泥漿指標(biāo)達(dá)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(jìn)成孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，進(jìn)行成孔檢測(cè)及渣樣勘驗(yàn)，各類指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行第1次清孔，由于本工程地質(zhì)出土層含砂率高、砂層厚，因此在清孔時(shí)采用ZX-250泥漿凈化裝置對(duì)孔內(nèi)泥漿進(jìn)行除砂處理。一清清孔時(shí)間2～3 h，測(cè)量孔底沉渣滿足規(guī)范后進(jìn)行提鉆。

在鋼筋籠及導(dǎo)管完成安裝后，灌注水下混凝土之前，進(jìn)行二次清孔。二清采用氣舉反循環(huán)清孔，空壓機(jī)選用GFY-75G型空氣壓縮機(jī)，空壓機(jī)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(chǎng)制作，采用短線臺(tái)座法預(yù)拼裝制作，制作時(shí)從籠頂至籠底逐節(jié)制作。鋼筋籠共分為12節(jié)制作，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長(zhǎng)度為9 m。

考慮到鋼筋籠直徑較大，為防止運(yùn)輸及吊裝鋼筋籠過(guò)程中變形，在每道加勁箍位置設(shè)置“△”形支撐。

鋼筋籠預(yù)拼裝制作完成，在分解之前將聲測(cè)管用定位環(huán)和鐵絲臨時(shí)固定在鋼筋籠內(nèi)側(cè)。并在每節(jié)鋼筋籠第1道加強(qiáng)箍位置對(duì)稱布置吊耳。

鋼筋籠利用汽車吊分節(jié)安裝，孔口直螺紋套筒對(duì)接接長(zhǎng)。鋼筋籠安裝順序?yàn)椋贺Q立→對(duì)接→下放→固定。鋼筋籠吊放入孔時(shí)，要保證鋼筋籠吊繩的豎直方向與設(shè)計(jì)樁孔的中心方向一致，可在鋼護(hù)筒頂部設(shè)置定位支架，支架沿護(hù)筒上口均勻布置，以定位支架作為鋼筋籠安裝的定位基準(zhǔn)，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(yù)拌混凝土，設(shè)計(jì)坍落度為200 mm±20 mm?；炷劣砂韬驼炯邪韬秃筮\(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)灌注。施工前通過(guò)試驗(yàn)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(shí)進(jìn)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?；炷脸豕嗪蟮穆窆芤?，現(xiàn)場(chǎng)3 m3料斗配合2臺(tái)15 m3罐車同時(shí)灌注，混凝土初灌時(shí)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(guò)程中，根據(jù)混凝土上升高度計(jì)算拆管長(zhǎng)度，導(dǎo)管在混凝土中的埋深最小為3 m，累計(jì)灌注時(shí)間約6.5 h，灌注速度約53 m3/h。

2.7 樁底注漿

根據(jù)設(shè)計(jì)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(chǔ)沉降，樁基的聲測(cè)管兼作注漿管。

壓漿孔開(kāi)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(kāi)，確保壓漿管路系統(tǒng)暢通。開(kāi)塞時(shí)，開(kāi)塞壓力取4～6 MPa。若水壓突然下降，表明單向閥已打開(kāi)，應(yīng)立即停泵，封閉閥門10 min，以消散壓力。若觀察到有水外噴現(xiàn)象，應(yīng)繼續(xù)關(guān)閉閥門，每2～5 min后再次觀察，直至管內(nèi)壓力消散。

待試樁第1次荷載試驗(yàn)完成后，進(jìn)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(dāng)壓漿壓力達(dá)到控制壓力3.0～3.6 MPa，并在持荷5 min后達(dá)到設(shè)計(jì)壓漿量的80%，出現(xiàn)冒漿時(shí)，可認(rèn)為滿足要求。注漿時(shí)依據(jù)4根聲測(cè)管的順序壓注，單樁注漿水泥用量約5.4 t。

3 試驗(yàn)及檢測(cè)

在樁基正式施工前，對(duì)試成孔進(jìn)行了成孔檢測(cè)，24 h內(nèi)，成孔孔徑的最小值、最大值、平均值均滿足設(shè)計(jì)要求，無(wú)明顯坍塌和頸縮，孔壁較穩(wěn)定，成孔的垂直度為0.43%，所采用的施工設(shè)備及施工工藝可滿足軟土地質(zhì)下成孔需要。

經(jīng)試成孔檢測(cè)，第1次清孔后的沉渣厚度為8 cm，經(jīng)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(shuō)明土層含砂率較高，沉淀速度較快，后續(xù)施工需要快速銜接，并應(yīng)注意加強(qiáng)二次清孔的質(zhì)量。

試樁完成后，采用超聲波透射法對(duì)成樁質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)，樁身完整性較好，屬Ⅰ類樁。同時(shí)在樁底注漿前、注漿后對(duì)樁基承載力進(jìn)行了2次靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)采用自平衡法進(jìn)行。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)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(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

1）根據(jù)工程實(shí)踐，對(duì)于在類似于上海地區(qū)的軟土地質(zhì)內(nèi)施工大直徑超長(zhǎng)鉆孔灌注樁，可采用反循環(huán)成孔工藝，施工效率較高，成孔質(zhì)量可靠。

2）由于攜帶砂性土的軟土地層的特點(diǎn)，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(jìn)施工前，應(yīng)提前制備人造泥漿，作為成孔的循環(huán)泥漿。人造泥漿的控制參數(shù)宜以黏度及相對(duì)密度控制為主，可循環(huán)利用。

3）成孔鉆進(jìn)速度應(yīng)根據(jù)不同土層特性進(jìn)行設(shè)置，在砂層鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)采用低速鉆進(jìn)，控制進(jìn)尺速度，并適當(dāng)加大泥漿相對(duì)密度，確保護(hù)壁穩(wěn)定。

4）對(duì)于砂層較厚的地質(zhì)，應(yīng)重點(diǎn)控制成孔后的第1次清孔質(zhì)量，清孔時(shí)配合除砂以及采用人造泥漿改良循環(huán)泥漿的性能，一清完成后應(yīng)盡快開(kāi)展后續(xù)工作，縮短工藝銜接時(shí)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(xiàn)場(chǎng)鋼筋籠安裝的時(shí)間，除控制預(yù)拼裝的精度外，還應(yīng)做好成品鋼筋籠在運(yùn)輸、起吊、安裝過(guò)程中的保護(hù)，防止籠體變形。

6）二清施工采用氣舉反循環(huán)清孔具有良好的效果，但施工前應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定空壓機(jī)設(shè)備的選擇以及氣管安裝的深度，空壓機(jī)選型不當(dāng)或氣管安裝深度偏差過(guò)大，會(huì)影響清孔效果，嚴(yán)重的將導(dǎo)致孔壁失穩(wěn)。

7）水下混凝土的灌注是大直徑超長(zhǎng)鉆孔樁施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，特別是對(duì)混凝土初灌量的控制，是混凝土灌注控制的關(guān)鍵。大直徑樁的初灌方量往往較大，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)采用大料斗配合攪拌車做連續(xù)灌注，確保初灌的質(zhì)量。