粉砂地層大直徑深長水中樁基施工技術(shù)

杜超DU Chao

（中鐵十四局集團第三工程有限公司，濟南 250000）

0 引言

隨著我國工程技術(shù)水平的不斷提高，黃河上的橋梁跨度越來越大，大直徑深孔樁基的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。但黃河下游為沖積河道，地質(zhì)條件較差，粉細砂、粉土地質(zhì)條件下樁基施工質(zhì)量控制難度更大，容易發(fā)生夾泥、塌孔、縮頸、斷樁等質(zhì)量問題。

1 工程概況

東津黃河大橋主橋為雙塔雙索面鋼-混組合梁斜拉橋，孔跨布置（50+180+420+180+50）m，雙向六車道，主橋橋面寬34m。

19#主塔墩位于黃河主河道，樁基直徑2m，設(shè)計樁長112m，最大孔深130m，為大直徑超長水中灌注樁。鋼筋籠總長113.5m，主筋采用φ32mm螺紋鋼雙筋設(shè)計，最大總重量達32t，每套鋼筋籠分為10節(jié)，每節(jié)間連接方式為機械連接。

19#主塔位于黃河主河槽內(nèi)，汛期最大流量5210m3/s，最高水位12.4m，河床最大沖刷深度12m。

黃河為粉砂粉土地質(zhì)，土質(zhì)松散、孔隙比大、遇震動易液化、穩(wěn)定性差，樁基施工范圍土層無較好持力層，抗沖能力弱，施工難度大，需采取有效的措施來保證樁基施工質(zhì)量（見圖1）。

圖1 地質(zhì)情況及標(biāo)高位置（單位m）

2 工程難點分析

①主塔樁基鉆孔深度130m，樁基垂直度和成孔質(zhì)量要求高。且黃河內(nèi)地質(zhì)情況復(fù)雜，含砂高、不可控因素多，鉆孔施工難度大。

②水中大直徑超長護筒打設(shè)的垂直度控制及護筒在粉砂河床的抗沖刷穩(wěn)定是一個重點。

3 主要施工工藝及質(zhì)量控制要點

19#墩水中樁基施工采用反循環(huán)成孔工藝，搭設(shè)鋼平臺并打設(shè)36m直徑2.4m鋼護筒施工。利用鋼管串聯(lián)護筒、平臺上二級沉淀循環(huán)泥漿箱形成泥漿循環(huán)管路，泥漿采用優(yōu)質(zhì)膨潤土造漿。場內(nèi)加工鋼筋籠，100T履帶吊孔口下放安裝?；炷翞閷?dǎo)管法水下灌注。

3.1 施工平臺搭設(shè)

鋼平臺總體尺寸96*48m，分為2部分，分別為周圈支便橋和樁基施工平臺（見圖2）。

圖2 施工鋼平臺平面布置圖

樁基施工平臺區(qū)域，基礎(chǔ)采用φ630×8mm打入式鋼管樁，架設(shè)貝雷梁，橋面板采用30cm間距的I25a工字鋼及8mm花紋鋼板組成的整體式橋面板?？卓谠O(shè)計通用的可移動式橋面板，當(dāng)樁基完成時可將下根樁基的孔口橋面板移至上根樁基頂口，可實現(xiàn)孔口橋面板輪流調(diào)換，此方法安全高效，施工便橋設(shè)計荷載12m3砼罐車、100t履帶吊+35t吊重。

3.2 垂直度質(zhì)量控制

3.2.1 反循環(huán)鉆機的應(yīng)用

參照以前黃河工程施工經(jīng)驗，樁基主要采用正循環(huán)鉆機，鉆孔速度慢，護壁效果好；泥漿比重大泥皮厚易降低樁周摩擦力，泥漿比重及含砂率難控制，清孔時間長且清孔質(zhì)量差，對于本工程而言成孔至灌注之間時間越長危險系數(shù)越大；同時該鉆機鉆桿較柔，對于超百米深長樁基垂直度很難保證。反循環(huán)鉆機護壁效果稍差，但成孔速度快，動力排漿，泥漿攜渣能力強，可吸取孔底的粒狀鉆渣，清孔效果好。護壁泥皮薄，但不影響護壁質(zhì)量，且對樁基摩擦力影響較小，反循環(huán)鉆機滿足樁基質(zhì)量要求，為縮短鋼平臺使用周期，保證施工工期，故選用反循環(huán)加雙護圈三翼刮刀式鉆頭進行樁基施工。

3.2.2 鋼護筒施工

19#主塔樁位所處位置河流湍急沖刷大，采用加長護筒，長度36m，直徑2.4m，鋼板厚14mm，護筒頂標(biāo)高17.5m，底標(biāo)高-18.5m，河床頂標(biāo)高+6m，河床以上11.5m，入土深度24.5m。鋼護筒頂面與貝雷梁頂齊平，保證鋼護筒打設(shè)完成后可恢復(fù)橋面板，鋼護筒采用120型雙夾具振動錘配合100t履帶式起重機打設(shè)。過程中采用導(dǎo)向架進行鋼護筒定位，主要控制護筒垂直度及平面位置，導(dǎo)向架總長6m，平臺以上2m，平臺以下4m，導(dǎo)向架安裝定位時確保導(dǎo)向架自身垂直且平面偏位小于3cm并與橋面板進行焊接固定，護筒打設(shè)過程中用全站儀進行十字交叉測量保證護筒垂直度，經(jīng)復(fù)測護筒傾斜度均小于1/130，平面偏差均小于30mm。

3.2.3 施工過程控制

鉆機就位前進行樁位復(fù)測，就位后再次對鉆機中心進行復(fù)測，控制樁基平面位置偏差，鉆機完成就位完成后用水平尺進行鉆機垂直度與水平度檢查，在鉆進過程中需經(jīng)常對鉆機垂直度及水平度進行檢查，以控制鉆孔質(zhì)量。通過樁基成孔質(zhì)量檢測儀對樁基進行檢測，垂直度較好。

以往檢測鉆孔成孔質(zhì)量常用的是下放探孔器的方法，此法存在精確度低、易破壞孔壁泥皮、時間長等缺點。此次樁基檢測采用JL-IUDS（C）智能超聲成孔質(zhì)量檢測儀，可實現(xiàn)自動檢測孔深、孔徑變化及鉆孔傾斜度，具有不破壞護壁泥皮、精度高、信息反饋快、指導(dǎo)施工及時等優(yōu)點，經(jīng)檢測樁基垂直度均在0.3%以內(nèi)。

3.3 鉆孔泥漿含砂率控制

因本工程地質(zhì)的特殊性，對泥漿性能要求較高，鉆孔過程中，高性能的泥漿是保證成孔質(zhì)量的必要條件。采用優(yōu)質(zhì)膨潤土進行造漿，開動鉆機進行泥漿循環(huán)，在制作過程中往泥漿內(nèi)加入適量堿以調(diào)節(jié)泥漿稠度，制作完成后需經(jīng)過漿液各項指標(biāo)的檢測，達到規(guī)范要求：相對密度＜1.05、黏度20Pa·s-22Pa·s之間，含砂率＜0.3%后方可進行鉆孔施工。

為方便施工時泥漿的沉淀和儲存，每臺鉆機各配一個泥漿箱，長9m寬4m高2m，分為長7m寬4m的沉淀區(qū)與長2m寬4m的回流區(qū)兩部分，兩區(qū)域用鋼板隔開且鋼板高度比泥漿箱矮50cm，保證沉淀后的泥漿可溢流至回流區(qū)，回流區(qū)外側(cè)下端割出直徑40cm孔并安裝管路通至護筒內(nèi)用于泥漿回流。

開始鉆孔，孔內(nèi)泥漿攜帶著鉆渣通過反循環(huán)泵吸進入泥漿箱沉淀區(qū)，在泥漿箱內(nèi)沉淀經(jīng)過二級沉淀后通過循環(huán)管路回流至孔內(nèi)，在泥漿箱沉淀后的鉆渣通過挖機裝至渣土車內(nèi)運至棄渣場。每2m或地質(zhì)變化位置留存渣樣，現(xiàn)場根據(jù)渣樣情況及時調(diào)解泥漿比重。

本工程樁基為大直徑深長樁基，控制含砂率是關(guān)鍵，含砂率控制不到位將導(dǎo)致孔內(nèi)沉淀過厚無法下放鋼筋籠、也會增加二清時間及難度。在樁基一清過程中利用泥沙分離機，將孔內(nèi)泥漿含砂率降低至1%以內(nèi)，最大程度減少后續(xù)泥漿沉淀，降低對下道工序施工的影響，保證樁基的成孔質(zhì)量。

樁基二次清孔采用氣舉反循環(huán)法進行清孔，通過空壓機往導(dǎo)管內(nèi)通入高壓氣體，在導(dǎo)管內(nèi)混合器底端形成負壓，下面的泥漿在負壓的作用下上升，并在氣壓動量的聯(lián)合作用下，不斷補漿，上升至混合器的泥漿與氣體形成氣漿混合物后繼續(xù)上升，從而形成了流速、流量極大的反循環(huán)，攜帶沉渣從導(dǎo)管內(nèi)反出，排出導(dǎo)管以外，經(jīng)過泥漿過濾，再將過濾后的泥漿返流回孔內(nèi)參與泥漿循環(huán)，清孔過程中必須始終保持鉆孔樁內(nèi)的原有水頭高度。

氣舉反循環(huán)清孔換漿速度快，清渣效果好，尤其對于大直徑深長樁基清孔效果顯著，此類樁基一般3-4小時可達到灌注條件。

3.4 鋼筋籠施工質(zhì)量控制

3.4.1 鋼筋籠加工

鋼筋籠采用節(jié)段匹配進行加工，按設(shè)計要求加工完頂節(jié)鋼筋籠后，將頂節(jié)鋼筋籠前移，在后方按照涉及間距放好加強圈并固定，將第二節(jié)鋼筋籠與第一節(jié)鋼筋籠主筋用套筒進行連接并將主筋焊在放好的加強圈上，再解開套筒連接將第一節(jié)放置滾焊機上焊接外箍筋，將加工好的第二節(jié)鋼筋籠前移，如此循環(huán)將整套鋼筋籠加工完成，過程中嚴格控制主筋間距及與上節(jié)鋼筋籠接頭對接精度，鋼筋籠焊接過程中檢查其各焊接點，嚴格控制各焊接點的焊接質(zhì)量，吊點位置需著重加強焊接?，F(xiàn)場鋼筋籠制作完成后，每節(jié)鋼筋籠上綁扎標(biāo)簽，并注明樁號、鋼筋籠編號、鋼筋籠長度。鋼筋籠采用三角支撐橫向加固，每隔4m一道，防止鋼筋籠存放和運輸過程中發(fā)生變形。

3.4.2 鋼筋籠吊點加固

為提高孔口鋼筋籠安裝時的吊裝安全，在鋼筋加工過程中每節(jié)鋼筋籠吊裝點位對稱增焊了兩個U型鋼筋及在穿杠位置加強圈上方焊接豎向短鋼筋頭加強吊點強度（鋼筋頭無法提前預(yù)測位置的，可在安裝時穿杠穿入前焊接，但必須保證焊縫質(zhì)量）。保證鋼筋籠安裝完成后鋼筋籠在護筒內(nèi)的定位準確，樁基鋼筋籠頂節(jié)頂端上下2m位置對稱焊接8個定位耳筋。

3.4.3 鋼筋籠孔口懸掛裝置

鋼筋籠為雙筋設(shè)計，在實際加工過程中為方便螺紋套筒施擰，雙筋之間間隔2cm間距，因鋼筋籠較重，孔口尺寸大，一般穿杠易變形且重量大，不方便施工，因此根據(jù)現(xiàn)場實際自制鋼筋籠吊具（見圖3），此類吊具環(huán)形穿杠可承受荷載大且方便現(xiàn)場實際操作、可將鋼筋籠穩(wěn)定地懸掛在孔口。

圖3 鋼筋籠吊具

鋼筋籠頂頂端伸入承臺部分的主筋采用直徑5cm，單根長1.5m珍珠棉套筒包裹，方便后期樁頭砼的破除（見圖4）。

圖4 樁頭珍珠棉包裹

3.5 混凝土灌注過程質(zhì)量控制

3.5.1 混凝土澆筑

儲料斗需有足夠的容量，樁基孔深130m，樁徑2m，即混凝土的貯存量應(yīng)保證首批砼灌注后，使導(dǎo)管埋入混凝土的深度不小于1.0m，經(jīng)計算首盤砼最少為8.56m3，實際施工首盤封底砼施工定為13m3。選用可裝4m3混凝土的大料斗，首盤灌注時用第一臺罐車將大料斗放滿，然后調(diào)用第二輛滿載的罐車進行封底，保證一次性封底混凝土方量大于13m3。

灌注前導(dǎo)管下端距離孔底30cm，按照規(guī)范要求澆筑過程中導(dǎo)管埋入混凝土的深度應(yīng)控制在2-6m以內(nèi)，因大直徑深長樁基，混凝土方量較大，混凝土灌注時間較長，存在諸多不確定因素（如：泥漿沉淀過厚、混凝土浮漿較厚等因素導(dǎo)致灌注過程中測量混凝土頂面不準確）在不影響導(dǎo)管拔出的前提下，導(dǎo)管埋深宜控制在6-9m之間，保證樁基混凝土完整性。

3.5.2 樁頭混凝土質(zhì)量控制

樁基樁頭埋深18m左右，樁頭較深，傳統(tǒng)方法無法控制此類樁頭標(biāo)高，經(jīng)過研究，制作出適用于深埋樁頭混凝土質(zhì)量檢查的一種新型組合式撈渣器。

面接近樁頂標(biāo)高時，將小錐斗放入大錐斗內(nèi)填充大錐斗空間，避免下放過程中沉渣提前將大錐斗填滿，大小錐斗分別拴上測繩一起順入孔內(nèi)，在此過程中小錐斗牽引繩無需受力，跟隨大錐斗一起下，當(dāng)?shù)竭_撈取位置時先將小錐斗提出，大錐斗便可撈取當(dāng)前所在位置的泥漿或混凝土，記錄好當(dāng)前取出渣樣位置的標(biāo)高后慢慢提出孔外，檢查錐斗內(nèi)渣樣情況，通過觀察渣樣情況，錐斗內(nèi)如有石子，則撈取標(biāo)高上提30cm再次測量，如此循環(huán)，直至撈出無石子的渣樣，確定出混凝土頂面與泥漿面交界位置。如無石子，則撈取標(biāo)高下降30cm再次測量，如此循環(huán)，直至撈出有石子的渣樣，確定出混凝土頂面與泥漿面交界位置。上下多次測量。樁頭超灌高度可控制在50-80cm高度。

可提前確定混凝土頂面標(biāo)高及樁頂混凝土質(zhì)量，不但在保證樁頭質(zhì)量的前提下最大程度地減少混凝土的浪費，還避免了多次補方，縮短了灌注時間。

4 結(jié)束語

在樁基施工過程中通過采用深長護筒、護筒導(dǎo)向架、泥沙分離機、氣舉反循環(huán)清孔、超聲波檢孔儀控制了樁基的垂直度，降低了泥漿含砂率，減少了對孔壁的擾動，保證了成孔質(zhì)量，在樁基灌注過程中采用自制撈渣器，減少了混凝土浪費，保證了樁頭質(zhì)量。東津黃河大橋19#主塔樁基工程歷經(jīng)66天施工完成，效果較好，超聲波樁基檢測100%為1類樁基，為以后的黃河樁基施工積累了寶貴經(jīng)驗。