大直徑超深鉆孔灌注樁施工技術(shù)分析

王海峰

【摘要】本文結(jié)合具體的工程實例，分析了水中大直徑超深鉆孔灌注樁的施工方法和施工工藝，以及積累的不良地質(zhì)條件下水中大直徑超深鉆孔灌注樁施工經(jīng)驗，可供類似工程施工時參考。

【關(guān)鍵詞】橋梁工程；大直徑鉆孔灌注樁；施工技術(shù)；成孔；鋼筋籠；水下灌注

1工程概況

該橋全長5143.4m，其中包括正橋、北引橋和南引橋三部分。正橋上部結(jié)構(gòu)橋跨布置為（112+3×168+112）m，采用下承式連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)，為加大中跨結(jié)構(gòu)剛度，在中跨設(shè)置加勁拱；正橋灘地地段采用54.12m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁；引橋采用32m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁；跨越大堤、北展寬區(qū)大堤地段采用主孔為80m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。均以鉆孔灌注樁基礎(chǔ)為主，灌注樁樁徑為φ2.0m～φ2.5m不等，樁長為70～102m。

2工程特點、難點

⑴樁徑為φ2.5m，有效樁長102m，屬于超長大直徑鉆孔樁，地層條件復(fù)雜，因此成孔難度極大，選用合理的鉆孔設(shè)備和成孔工藝是樁基礎(chǔ)施工的難點。

⑵水下混凝土灌注量大，如何在合理的灌注時間內(nèi)進(jìn)行混凝土供應(yīng)和組織是樁基礎(chǔ)灌孔施工的重點。

3施工固定平臺布置

因同一橋墩上鉆孔灌注樁相鄰樁設(shè)計間距較小，為避免在鉆孔過程中產(chǎn)生塌孔和鋼管樁下沉，采用大跨度貝雷梁作主梁，將固定鉆孔平臺基礎(chǔ)的鋼管樁布置在承臺以外3.6m處，中間利用部分鋼護(hù)筒作為豎向支撐。

固定鉆孔平臺設(shè)計長度47m，設(shè)計寬度33m；以鋼管樁作為鉆孔平臺的基礎(chǔ)，鋼管樁設(shè)計規(guī)格為φ630×10mm，設(shè)計樁長27m，入土深度約18m；鋼管樁基礎(chǔ)在承臺兩側(cè)分別設(shè)置兩排，每排30根鋼管樁，在固定鉆孔平臺與棧橋連接處增加3根鋼管樁，位于橋墩承臺同一側(cè)的兩排相鄰鋼管樁之間用剪刀撐連接，以提高鉆孔平臺的整體穩(wěn)定性。

在順橋軸線方向兩根鋼管樁頂布置兩根工字鋼作小墊梁，工字鋼規(guī)格為I40b，然后在15組小墊梁上按垂直橋軸線方向布置通長的兩根工字鋼作上墊梁，墊梁規(guī)格為I40b，墊梁與鋼管樁之間要求焊接牢固。在上墊梁上布置15組貝雷梁，貝雷梁每兩片為一組，梁長為33m，兩片貝雷梁之間用標(biāo)準(zhǔn)花架連接。

貝雷梁與上墊梁之間用U型螺栓連接。為增強縱梁的橫向穩(wěn)定性，在相鄰兩組縱梁之間安裝剪刀撐連接，剪刀撐設(shè)計規(guī)格為[10槽鋼。在貝雷梁上按垂直橋軸線方向布置12組次梁，次梁設(shè)計規(guī)格為2I40b工字鋼，次梁與貝雷梁之間用U型螺栓進(jìn)行連接。鉆孔平臺平面分配梁采用I32a工字鋼，設(shè)計間距為0.4m，在分配梁上面鋪設(shè)厚度為8mm壓花鋼板作面板；鉆孔平臺欄桿采用φ48鋼管，欄桿立桿設(shè)計間距為1.5m，設(shè)計高度為1.2m。

鉆孔平臺頂面高程與棧橋頂面高程相等。在鉆機安裝就位之前，要求割除待鉆孔的鋼護(hù)筒與鉆孔平臺之間的豎向連接，采用鋼絲繩等軟連接方式將鋼護(hù)筒懸掛在固定鉆孔平臺上，防止鉆孔過程中鋼護(hù)筒下沉掉入孔中，保持鉆孔平臺對鋼護(hù)筒的平面定位作用，防止水流沖刷對鋼護(hù)筒平面位置的影響。當(dāng)鉆孔灌注樁施工完成之后，再恢復(fù)鉆孔灌注樁鋼護(hù)筒與鉆孔平臺之間的豎向連接，以保證鉆孔平臺的穩(wěn)定性。

4鉆孔灌注樁施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1設(shè)備選型

綜合分析本橋的地層、水文條件、鉆孔深度、施工場地條件，結(jié)合施工單位的施工管理水平和施工經(jīng)驗等各種因素，通過精心比選，本橋鉆孔灌注樁施工選定ZSD250、DW300和GPS250型等三種型號的氣舉反循環(huán)回轉(zhuǎn)型鉆機，并備用2臺沖擊鉆機，用于在鉆孔灌注樁施工過程中處理遇到的孤石或片石。

4.2泥漿制備

根據(jù)對地層條件和鉆機類型的分析，確定采用優(yōu)質(zhì)膨潤土加水解聚丙烯酰胺泥漿，確保鉆孔穿越不同地層時不發(fā)生擴孔、塌孔，保持孔壁穩(wěn)定。水中固定鉆孔平臺用鋼管在鋼護(hù)筒頂面以下1.5m的位置將鋼護(hù)筒相互之間連通，利用其作為泥漿池和沉淀池，其泥漿進(jìn)出口和鋼護(hù)筒內(nèi)聯(lián)通。同時在岸上設(shè)置較大的泥漿循環(huán)池和沉淀池，作為灌注混凝土后置換泥漿的儲存池和凈化池。

4.2.1原漿制作

將膨潤土、純堿和水?dāng)嚢柚瞥稍瓭{。

4.2.2水解聚丙烯酰胺

聚丙烯酰胺（即PAM），本工程選用的PAM為未水解的、含量為8%、分子量為300萬。使用前應(yīng)先進(jìn)行水解，施工現(xiàn)場水解PAM使用常溫法，水解PAM的設(shè)計配合比是按PAM∶NaOH∶水=10∶1.15∶70配制，在攪拌筒中攪拌，直至PAM全部水解于水中，水解好之后，放置3～4d后即可使用。

4.2.3 PAM泥漿制備

PAM泥漿的特點是失水量少、泥皮致密和護(hù)壁效果好。其制備方法是在原漿中加入一定比例的水解PAM，使兩者充分混合，PAM用量根據(jù)實測泥漿指標(biāo)來確定，一般每立方米原漿加入水解PAM20～30kg。采用氣舉反循環(huán)方式排渣，應(yīng)隨時測定泥漿性能指標(biāo)，確保鉆孔內(nèi)泥漿的質(zhì)量。

如果發(fā)現(xiàn)泥漿性能指標(biāo)較差，不能滿足護(hù)壁要求，可在泥漿中加入適量化學(xué)處理劑，提高泥漿黏度，改善泥漿性能。鉆孔灌注樁在鉆孔過程中，對泥漿的性能指標(biāo)規(guī)定如下：在開孔階段和砂層中鉆進(jìn)時，泥漿相對密度1.03～1.15，黏度22～25s，含砂率<4%，pH值為8～10；在黏土層中鉆進(jìn)時，泥漿相對密度1.05～1.25，黏度18～20s，含砂率<4%，pH值為8～10。

4.3鉆機安裝就位

鉆機安裝就位方法是采用汽車將鉆機運到固定鉆孔平臺上，用汽車吊將鉆機安裝就位，鉆機安裝就位的要求是鉆機轉(zhuǎn)盤中心與鉆孔灌注樁中心線在同一豎直線上，對鉆誤差不大于2cm。在鉆機就位過程中，要求使用水準(zhǔn)儀檢測鉆機的整體水平，鉆機機架四角的水平誤差不大于5mm。如水平誤差不符合精度要求，可以用不同厚度的鋼板調(diào)整。

4.4鉆孔施工技術(shù)

根據(jù)鉆孔灌注樁的地層條件，正確地選擇鉆頭類型，鉆孔施工方法與技術(shù)要求如下：

4.4.1開孔鉆進(jìn)

在鉆孔灌注樁開鉆時，應(yīng)首先啟動泥漿循環(huán)設(shè)備，進(jìn)行正循環(huán)，然后，再開動鉆機，將鉆頭輕輕地放入孔底，輕壓慢轉(zhuǎn)，待鉆頭全部鉆入地層中之后，再逐步加大鉆壓和轉(zhuǎn)速到正常值；當(dāng)鉆孔深度達(dá)到9m以上時，改用氣舉反循環(huán)作業(yè)方式。在鉆孔灌注樁的鉆孔過程中，應(yīng)隨時注意出水口水量大小，避免因鉆進(jìn)速度過快，造成鉆渣無法及時排出引起堵管。要求在反循環(huán)出漿口處安裝泥漿分離器，對泥漿中的鉆渣和沙進(jìn)行分離處理。

4.4.2正常鉆進(jìn)

當(dāng)在淤泥和黏土層鉆進(jìn)時，要求控制鉆孔進(jìn)尺，每鉆進(jìn)一個回次的單根鉆桿要及時進(jìn)行掃孔，保證鉆孔直徑符合設(shè)計與施工規(guī)范要求；在鉆孔灌注樁正常鉆進(jìn)過程中，要根據(jù)鉆渣的變化情況來判斷地層的變化，并根據(jù)地層的變化來調(diào)整泥漿的性能指標(biāo)，以保證成孔速度和成孔質(zhì)量。

4.4.3鉆孔施工的注意事項

⑴在鉆孔灌注樁的鉆進(jìn)過程中，應(yīng)及時向鉆孔內(nèi)補充泥漿，保持護(hù)筒內(nèi)的水頭高度，保證孔壁穩(wěn)定。如出現(xiàn)較嚴(yán)重的漏漿、鉆桿斷裂等異常情況時，應(yīng)立即停止鉆進(jìn)，分析產(chǎn)生異?，F(xiàn)象的主要原因，并正確地進(jìn)行處理。

⑵在升降鉆具的過程中，要求做到慢速、平穩(wěn)，防止鉆頭碰掛孔壁。

⑶加接鉆桿的要求是首先停止鉆進(jìn)，將鉆頭提離孔底的高度約為30cm，維持泥漿循環(huán)5min以上，以清除孔底沉渣，并將管道內(nèi)的鉆渣攜出排凈，然后再加接鉆桿。停機以后由于孔內(nèi)氣體的排出，泥漿面下降較多，應(yīng)及時用正循環(huán)泵補充泥漿，保持鉆孔內(nèi)的水頭。鉆桿連接螺栓應(yīng)擰緊上牢，認(rèn)真檢查鉆桿接頭處的密封圈，以防鉆桿接頭漏水漏氣，使反循環(huán)無法正常工作。

⑷當(dāng)鉆孔終孔之后，要及時采用電子探孔儀對鉆孔灌注樁的孔徑、孔深、鉆孔垂直度進(jìn)行探測，要求一次檢驗合格率為100%。

4.5第一次清孔

該大橋鉆孔灌注樁具有孔徑大、超孔深等特點，因此，終孔后泥漿各項指標(biāo)調(diào)整所需時間較長，為了縮短成樁時間，在保證護(hù)壁穩(wěn)定的條件下，當(dāng)鉆孔深度接近設(shè)計高程時，在泥漿循環(huán)管路上安裝一臺泥漿分離器，對循環(huán)泥漿進(jìn)行雙重凈化，然后再注入鉆孔內(nèi)。

4.6鋼筋籠制作與安裝

鉆孔灌注樁鋼筋籠具有直徑大，長度較長，重量較重等特點。主筋設(shè)計為φ25圓鋼，采用滾壓直螺紋套筒連接方式。

4.6.1鋼筋籠制作

為保證鋼筋籠主筋滾壓直螺紋套筒在下沉?xí)r準(zhǔn)確對接，在施工現(xiàn)場設(shè)置了與鋼筋籠總長相當(dāng)?shù)匿摻罴庸て脚_，在鋼筋籠安裝之前，要求在鋼筋加工平臺上進(jìn)行鋼筋籠的預(yù)連接，保證每節(jié)鋼筋籠與相鄰節(jié)段準(zhǔn)確連接，鋼筋籠安裝的技術(shù)要求是邊拆解、邊吊裝。鋼筋籠每節(jié)制作長度為13.5m，采用專用的運輸車輛直接運至固定鉆孔平臺上。

4.6.2鋼筋籠安裝

采用浮吊或汽車吊安裝，鋼筋籠下沉到設(shè)計位置之后，用抽拉式粗鋼絲繩作為吊環(huán)懸掛在固定鉆孔平臺的橫梁上，為保證鋼筋籠位置準(zhǔn)確，要求吊環(huán)對稱布置。

4.7灌注水下混凝土前的二次清孔

以灌注水下混凝土的導(dǎo)管作為清孔吸管，在導(dǎo)管上口加工一個彎管和導(dǎo)管接頭，在彎管中部安裝一根鋼管，伸入導(dǎo)管內(nèi)，作為向孔底輸送高壓風(fēng)的管路，高壓送風(fēng)管路長度要求大于孔內(nèi)水頭到出漿口高度的1.5倍，且不小于15m。二次清孔示意圖如圖1所示。

高壓送風(fēng)管外接一臺流量為22m3/min的空壓機，導(dǎo)管彎管出漿口接泥漿分離器，泥漿分離器出口接泥漿管通入孔內(nèi)。二次清孔時，空壓機將高壓風(fēng)通過高壓風(fēng)管經(jīng)導(dǎo)管送入鉆孔內(nèi)，鉆孔內(nèi)泥漿及孔底沉淀物被送入的高壓風(fēng)沖起，由于負(fù)壓作用迫使混著沉淀物的泥漿從導(dǎo)管中吸出，泥漿吸出之后直接進(jìn)入泥漿分離器，經(jīng)過泥漿分離器對泥漿的篩分過濾，懸浮在泥漿中的細(xì)砂被泥漿分離器分離出來，由出砂口排出。

過濾完畢的泥漿流入相鄰孔內(nèi)，由于鉆孔時已將鄰近的護(hù)筒通過管路連通，被機械凈化了的泥漿在護(hù)筒中再次通過沉淀凈化，然后經(jīng)相鄰兩護(hù)筒的連接管流入正在進(jìn)行二次清孔的鉆孔內(nèi)，形成一個完整的循環(huán)路徑。二次清孔開始時先向孔內(nèi)供優(yōu)質(zhì)泥漿，然后送風(fēng)清孔。停止清孔時，應(yīng)先關(guān)氣后斷水，以防水頭損失而造成塌孔。如此反復(fù)循環(huán)凈化，使清孔后的泥漿指標(biāo)和孔底沉淀厚度滿足規(guī)范和設(shè)計文件規(guī)定要求。

圖1二次清孔示意圖

5灌注水下混凝土

在灌注水下混凝土施工之前，應(yīng)充分作好施工準(zhǔn)備工作：⑴對水下混凝土的配合比進(jìn)行優(yōu)化，保證水下混凝土使用最佳配合比，水下混凝土的坍落度控制在18～22cm之間；⑵儲備足夠數(shù)量砂子、碎石、水泥和其他材料，保證水下混凝土施工的連續(xù)性；⑶在水下混凝土灌注之前，要求對各種施工機械進(jìn)行全面質(zhì)量檢查，確保施工機械技術(shù)狀態(tài)良好，滿足連續(xù)施工要求；⑷導(dǎo)管在使用之前，應(yīng)進(jìn)行調(diào)直、試拼組裝，做水密承壓試驗，準(zhǔn)確記錄試壓編號及自下而上標(biāo)示尺度。

5.1 混凝土生產(chǎn)

拌和平臺設(shè)置2套90型攪拌機及配套生產(chǎn)線生產(chǎn)混凝土，每臺攪拌機配置1臺80型拖泵輸送混凝土。混凝土所用原材料均由船運補給，其中碎石、砂等地材由拌和站抓斗由運輸船直接抓運至儲料倉，而水泥和粉煤灰等膠凝材料則在駁船上設(shè)置9個100t散裝水泥罐運輸至平臺旁，利用駁船上配備的空壓機將粉狀膠凝材料氣吹進(jìn)儲料罐內(nèi)。

5.2 水下混凝土灌注施工工藝

第二次清孔結(jié)束后，立即安排水下混凝土灌注，灌注采用直徑φ305mm帶游輪螺母的導(dǎo)管，每次使用前均進(jìn)行水密承壓試驗，以保證密封性能可靠和在水下作業(yè)時導(dǎo)管不滲漏，水密試驗的水壓為1.5MPa。灌注施丁平面布置大、小料斗和導(dǎo)管夾板，規(guī)范規(guī)定的首批混凝土灌注計算式計算導(dǎo)管1m埋深所需首批方量，并取1.2倍保險系數(shù)后確定大料斗容積。首批灌注前，先將大、小料斗均裝滿混凝土。

大料斗裝滿時先打開大料斗閥門將混凝土通過溜槽流入小料斗內(nèi)，同時繼續(xù)送料至大料斗，待小料斗將滿時拔起導(dǎo)管塞，下灌首批混凝土，待首批混凝土成功下灌后用測繩測量混凝土頂面標(biāo)高，確保導(dǎo)管埋深滿足規(guī)范要求。連續(xù)灌注水下混凝土，灌注過程中經(jīng)常測量混凝土頂面標(biāo)高，當(dāng)計算確定導(dǎo)管埋深到6m后即暫停灌注，安排拆除導(dǎo)管。拆除導(dǎo)管前慢速起拔導(dǎo)管，控制起拔高度，快速拆除導(dǎo)管。繼續(xù)按照測量混凝土頂標(biāo)高確定導(dǎo)管埋深，滿足拔管要求即暫停灌注，并拆除導(dǎo)管。

6鉆孔過程中的質(zhì)量控制及成孔檢查

⑴鉆孔過程中要經(jīng)常用水平尺和線錘檢查轉(zhuǎn)盤的水平度和鉆架的垂直度，確保成孔軸線順直。

⑵深孔鉆進(jìn)時，要經(jīng)常觀察排渣口的出漿情況，若發(fā)現(xiàn)排渣不連續(xù)，可能是因風(fēng)力不足所致，要立即起用中間風(fēng)包，中間風(fēng)包設(shè)置的位置一般距泥漿面50～60m左右。

⑶鉆孔過程中需要調(diào)配泥漿時，不得將堿或膨潤土直接倒入孔中，應(yīng)用水稀釋后緩慢加入泥漿循環(huán)池內(nèi)。

⑷滾刀鉆頭每次使用前后應(yīng)認(rèn)真檢查各牙輪安裝位置、方向是否正確，焊接是否牢靠。鉆孔鉆具拆除后，應(yīng)有專人對鉆具焊縫螺栓連接部位及鉆頭合金、滾刀進(jìn)行檢查，及時進(jìn)行修補和更換。

（5）成樁檢測

當(dāng)樁基混凝土灌注28d后，根據(jù)設(shè)計要求的頻率和檢測方法進(jìn)行成樁檢測。檢測時，將樁頂?shù)耐练介_挖，露出樁頭，風(fēng)槍鑿除樁頭頂面的浮漿，露出新鮮樁基混凝土，通知現(xiàn)場監(jiān)理、質(zhì)量檢測部門進(jìn)行樁基檢測。

7 結(jié)語

近幾年，大直徑鉆孔灌注樁的運用越來越普遍，這是因為它具有單樁承載力高，抗震性能良好，無振動，鉆孔時對土壤沒有擠密作用等優(yōu)點，通過該大橋大直徑水下灌注樁工藝的實踐，可為同類型橋梁施工提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]JTJ041-2000，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2]JGJ94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[3]趙煒.復(fù)雜地層條件鉆7L灌注樁的施工方法[J].山西建筑，2014（22）：58-59.