文章编号:1009—4539(2017)03—0064—05 ・桥梁工程・ 深水卵石层大直径超长钻孔桩施工技术 张旭洁 (中铁十七局集团第一工程有限公司 山西太原摘030032) 要:桥梁深水基础是一种不同于一般基础的特殊基础工程,其不仅受水流及环境的作用,还会受地质条件、施 工过程等因素的影响。结合福建南平延顺高速公路浆甲大桥的施工特点,重点研究了内河流域库区环境下,深水 大卵石覆盖层条件下桥梁预穿卵石层预先成孔技术,其泥砂分离净化装置、桩基快速清孔换浆装置等的成功应用, 解决了深水(28 m)大卵石覆盖层环境桩基施工的技术难题,可为今后类似的深水桥施工提供参考。 关键词:桥梁深水基础大卵石覆盖钻孔桩 中图分类号:U445.551 文献标识码:B DOI:10.3969/j.issn.1009—4539.2017.03.016 Construction Technology of Ultra-long Bored Pile with Large Diameter in Deepwater Pebble Bed Zhang Xujie (China Railway 17 Bureau Group 1 Engineering Co.Ltd.,Taiyuan Shanxi 030032,China) Abstract:Bridge deepwater foundation is a kind of special foundation engineering that differs from general foundation engi— neering,it is not only affected by water and the role of the environment,but also affected by factors such as geological con— ditions and the construction process.Combined with the construction characteristics of Jiangjia Bridge located on Yanshun Highway in Nanping of Fujian Province,this paper mainly studied the pre pore—forming technology of bridge crossed pebble layer in advance covered by deepwater pebble bed under the environment of inland rivers reservoir area.The successf1ll aD— plication of silt separating and purifying device,and pile foundation quick—cleaning hole and swapping slurry device solved the technical diiculfties of pile foundation constuctrion covered by deepwater(28 m)pebble bed.It could provide a refer— ence for similar deepwater bridge construction in future. Key words:bridge;deepwater foundation;boulder covered;bored pile 1 工程背景 福建南平延顺高速公路浆甲大桥横跨于南平 沙溪口水电站上游3.15 km的库区,主墩基础采用 4根D=280 cm钻孔灌注桩,设计为端承桩,桩尖至 钻孔平台达53 m。桥位处水位一般86 m,最高水位 88.26 m,大桥主墩位于主河道内,最大水深28 m, 如图1所示。地质分层从上到下依次为:卵石一卵 石土一砂土状强风化云母石英片岩一碎块状强风 化云母石英片岩一中风化云母石英片岩。 收稿日期:2017—01一O8 基金项目:中铁十七局集团有限公司科技研究开发计划项目(20144)9) 作者简介:张旭洁(1986一),工程师,现从事桥涵工程施工及技术 研发。 图1 浆甲大桥地理位置平面图 在大卵石覆盖层环境中,钢护筒安装需穿过卵 石层并进入密实土层,而穿透卵石层很难实现;在 水深达28 m的环境下进行钻孔桩施工,钢护筒下口 处内外压力差非常大,极易发生漏浆,同时混凝土 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 201 7(03) 64 铁道建筑技术・桥梁工程・ 灌筑时可能发生混凝土外泄问题;直径2.8 m、孔深 双面焊缝满焊牢固。焊接时应注意保证焊缝饱满 53 1TI,钻孔施工需泥浆量大,且云母石英片岩在冲击 连续,焊缝两侧钢板应拼接整齐,控制焊接造成的 破碎后形成细小沙粒,常规滤渣效果差,换浆周期 钢板变形¨ 。 长,加大了塌孔发生机率,施工难度大。 (2)钢护筒的安装 2施工工艺流程及操作要点 钢平台在铺设顶层分配梁及面板时,于桩基大 致位置预留钢护筒安装位置。在测量班对桩基进 2.1 施工工艺流程 行精确放样后,制作钢护筒安装导向架。 钻孔灌注桩施工工艺流程如图2所示。钻孔灌 导向架是用不小于[20型钢按稍大于钢护筒外 注桩施工是一项质量要求高,须在一个短时间内连 径的尺寸焊接而成的两榀井字架,分别按测量放样 续完成多道工序的地下隐蔽工程,施工必须要认真 位置固定于钢平台的顶面及接近水面处,并在对应 按照施工工艺流程进行。 边的中点焊接4根或8根[20竖向导向槽钢,在钢 护筒的下放过程中起到钢护筒上口的平面位 钢护筒加工、拼装 ● 置和钢护筒整体垂直度的作用 ],如图3所示。 钢护筒安装 + 平台 护筒内卵石层冲击穿过 导向槽钢 ● 钢护筒振沉 ● 下榀井字架 ● + l护筒内外液面差控制I 护筒底附近河床挤密 } 巍i卷 一 ● + L—.………J 造浆 图3导向架结构示意 + 冲击钻钻孔、成孔 钢护筒下放前应计算该钢护筒整体重量是否 ● H H’伲 萱 超出起重设备的起重能力,若超出,应在最底节钢 护筒用2 mm厚的钢板将底端密封。在钢护筒的下 安放钢筋笼 放过程中,适时向钢护筒内加水,利用护筒外的水 ● 安放导管、浇筑混凝土 浮力与内部水重力差进行下沉。 导向架安装牢固并测量复测其平面位置及垂 图2钻孔桩施工工艺流程 直度满足要求后,用吊车将加工好的钢护筒逐段自 2.2施工操作要点 导向架内下放,下放过程中应对钢护筒进行编号, 以方便随时掌握钢护筒底端与河床的相互关系。 2.2.1钢护筒施工 (1)钢护筒的加工 在钢护筒底端未到达河床时,在其顶端焊接临时限 位措施,便于与后续节段的接长操作。 浆甲大桥水中钻孔灌注桩所使用的钢护筒均 后续节段接长时,应在已下放节段上口设临时 采用新购钢板在后场进行分节卷制成型加工。所 平面限位板,方便后续节段与已下放节段对接时, 需钢护简直径及钢板厚度见表1。 钢板表面能平顺对接。对接焊缝采用单面焊缝,焊 表1 桩所需钢护简直径及钢板厚度 接时应重点注意焊缝饱满、连续,并尽量减小焊接 桩径/cm l钢护筒直径/cm 1分节长度/m l钢板厚度/mm l单节重/t 引起的护筒变形,以便钢护筒的顺利下放及后期钻 280 l 320 l 1.5 l14 l1.656 4 孔施工过程中避免泥浆外露。 在钢护筒底端到达河床并能承受自重后,及时 钢护筒采用三辊卷板机将钢板逐步卷成所需 用水准仪或检查护筒顶口边沿的倾斜度,确定倾斜 直径的圆筒,接头处采用双面焊缝满焊牢固。为提 度不大于1%,否则立即调整导向架,通过导向架下 高工效,将3~4节钢护筒对接成整体,对接处采用 榀微调,使护筒顶口倾斜度满足要求,即认为钢护 铁道建筑技术RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2017【03) 65 ・桥梁工程・ 为:在孔壁形成泥浆护壁,预防孔壁土体坍塌造成 塌孔;维持孔内外水压平衡,预防地下水流向孔内 图4低浆面泥浆循环系统原理 (2)护筒底附近河床挤密 在开始造浆钻进时,采用极高稠度浓浆,加抛 造成塌孔;将冲击破碎的钻渣通过较大的泥浆比 重,悬浮至孔口后,经过滤、沉淀,净浆再次被泵送 至孔底进行循环,从而实现钻渣外运,加快钻孔进 尺;浆甲大桥主墩钻孑L桩直径2.8 m,钢护筒直径达 3.2 m,桩位处水深达30 m,孔口至护筒底达35 m。 鉴于泥浆的上述作用,在施工中应根据工程实际, 在不同施工阶段针对性地调整泥浆稠度、比重、含 沙率等技术指标。 (1)护筒内外液面差控制 对于本桥钻进工序,泥浆比重一般控制在1.3 以上,以利于泥浆护壁的形成及钻渣悬浮外运,而 这种情况下,在护筒底处因护筒内外比重差造成的 片石、稻草、干水泥等,在护筒底口下端2 m范围内 进行反复加料挤密,增强护筒底口附近河床的抗漏 浆能力。 (3)减少施工扰动 在护筒上端,将护筒与平台上部结构的连接解 除,使平台在自由上下变形时,不再对护筒造成 扰动。 2.2.3泥浆净化改进技术 由于本桥主墩桩基直径D=280 cm,钢护简直 径达320 cm,孔深达53 m,单孔泥浆量达400 m ,同 压强差达155 kPa,在冲击锤下落、提升过程中,护筒 底内外压力差变化较大,对已稳定的护筒底土层持 时河床下卧岩层为云母石英片岩,此种岩层在冲击 钻孔过程中,形成了大量的细小粒径粉砂,悬浮在 续造成扰动,因此容易造成大量漏浆。 护筒内液面低,对护筒底的威胁就小,较弱土 66 铁道建筑技术泥浆中,在钻孔过程中通过常规方法进行过滤、沉 淀的效果很差,钻渣不能及时清出,很大程度上降 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 207 7 f03J ・桥梁工程・ 低了桩孔钻进速度。 管,达到密实作用。为使灌筑工作顺利进行,应尽 量缩短灌筑时间,坚持连续作业,使灌筑工作在首 批混凝土初凝以前的时间内完成。 3.1 导管安装及二次清孔 在浆甲大桥的钻孔桩施工中,投入了2台新型 泥浆净化设备加强泥浆过滤施工环节。选用的ZX 一200型泥浆净化装置液体处理能力达200 in /h, 渣料筛分能力为25~80 t/h,分离粒度为d50为 0.06 mm。在施工过程中进行对比发现,清孑L换浆 作业时间由63 h减少至42 h,效果较明显 。 2.2.4空气反循环抽渣装置应用 钢筋笼安装完毕后安装导管,全套导管事先必 须按规范要求做水密试验,保证导管的水密性良 好,在安装导管时注意:丝扣处要刷洗干净并涂抹 黄油,检查垫圈完好后拧紧,保证不漏水。导管使 用前应进行水密承压试验。 气举抽渣装置在钻进终孔后的清孔换浆,难以 在短时间将泥浆比重降低,如加水降低泥浆稠度 后,细小粒径粉砂易沉积在孔底,使桩底沉渣厚度 指标难以达标。经技术攻关小组研究,自制空气反 安装导管的过程中必须记录编号、安装顺序、 和长度,作为灌桩拆管的依据。导管安装完成后, 再次检查孔底沉碴厚度,不符合要求时,采取二次 循环抽渣装置,可快速将孔底沉积细砂迅速抽出。 该装置用空气压缩机将高压空气通过管道压 至抽渣管端部,被压人的空气在孔底泥浆的压力下 沿抽渣管向上高速攀升,同时带动抽渣管内泥浆向 上高速运动,孔底沉渣随泥浆及空气混合物快速被 抽至孔口排出,其原理见图5。 抽渣管 换浆清孔,清孑L至孔底沉碴厚度满足要求后,及时 快速灌筑首盘封底混凝土。 3.2封底混凝土灌筑 按《公路桥涵施工技术规范》(JTG/TF 51— 2011)要求,首批灌筑混凝土的数量应能满足导管 埋置深度(≥1.0 m)和填充导管底部的需要,所需 混凝土数量计算如下 : ≥ (日 + )+ 一n 2 2 : × (0.4+1.0)+ — _= ×23.375=10.27 m 4 式中, 为灌筑首批混凝土所需数量(m );D为桩孔 直径2.8 m; 为桩孔底至导管底端间距,取0.4 m; 为导管初次埋置深度,取1.0 m;d为导管内径 0.3 m;h 为桩孔内混凝土深度。 当h 达到埋置深度 时,导管内混凝土柱平 衡导管外泥浆压力所需的高度:h =Hw・rw/r = 51×11/24=23.375 m。实施过程中,按首批混凝土 17 m >10.27 m 控制,此时导管底口埋深为:(17一 图5空气反循环抽渣装置原理 h1×,rrd /4)/(,rrD /4)一H1=2.49—0.4=2.09 m。 施工中采用的混凝土罐车有5 m 、9 m。两种,第一 通过空气反循环抽渣装置的应用,有效地将主墩 钻孔桩清孔换浆时间从7 d降低到4 d,效果显著。 车料拌制8 ITI 。先将导管顶端8 m 的料斗灌满用 第一辆8 m。罐车放满,第二辆9 ITI 罐车停至料斗 3水深28 m大直径钻子L桩水下灌筑混凝 土施工技术 灌筑钻孔桩身混凝土采取直升导管法进行水 下灌筑。灌筑时,混凝土拌和物通过导管下口在首 次灌筑的封底混凝土的包裹下,顶着初期灌筑的混 凝土及其上面的泥浆不断上升。在混凝土灌筑过 程中,为保证桩基础的密实度,要定时抽插振动导 口,在砍球开始灌筑的同时,及时向料斗中放料,在放 料过程中勿使料斗底口露出,直至第二辆车内混凝土 全部放完,至此,已完成17 m 封底混凝土的灌人。 灌筑混凝土前,先自孔内及泥浆池内抽出与封 底混凝土数量相当的泥浆,以免泥浆突然上升溢出 造成河水污染。 3。3水下混凝土灌筑 首批混凝土灌人孔底后,立即测探孔内混凝土 67 铁道建筑技术RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 201 7(031 ・桥梁工程・ 态,逐步进入初凝。后续混凝土灌筑应降低混凝土 面高度,计算出导管内埋置深度,如符合要求,即可 正常灌筑。如发现导管内进水,表明出现灌筑事 故,应立即进行处理。 为防止钢筋骨架上浮,首批混凝土灌人之后, 应降低混凝土的灌筑速度。当混凝土拌和物上升 到骨架底15 4 m以上时,提升导管,使其底口高于骨 架底部2 m以上即可恢复正常灌筑速度。 在混凝土灌筑过程中,由专人负责经常量测、记 录混凝土灌筑面高度及导管埋入混凝土的深度,以便 灌筑速度,缓慢进行,减少新灌混凝土对护筒底15 处已初凝的混凝土的扰动。待护筒底15混凝土已 达初凝时间后,混凝土灌筑按常规方法进行 J。 士.富 。 .日 目 浆甲大桥横跨于南平沙溪口水电站上游的库 区,通过在施工中采用预穿卵石层预先成孔技术, 解决了深水区卵石层覆盖层中钢管桩及钢护筒插 指导拆、拔导管,调整导管埋深,导管的埋深控制在2 ~打难题;通过大直径钢管桩内灌砂,提高了钢管桩 的稳定性;通过合理确定孔内外水位高差和泥砂分 离净化装置技术,解决了深水(28 m)大直径桩基钢 6 ITI之间,防止埋管过深提升困难和导管拔出混凝 土面而造成断桩事故,保证灌筑混凝土时混凝土顺利 上升。当混凝土灌筑至比设计桩顶标高高出0.5~ 1.0 m时,停止灌筑混凝土,以保证桩顶混凝土强度。 护筒底漏浆及快速清孔换浆等技术难题;在桩身混 凝土灌筑过程中,采用导管提升控制,防止混凝土 在灌筑将近结束时,由于导管内砼柱高度减 小,底口内部压力降低,而导管外的泥浆及所含渣 由钢护筒底口外泄,降低了施工成本,保证了浆甲 大桥的顺利施工。该技术的成功应用,为桥梁深水 土稠度增加,相对密度增大。如在这种情况下出现 砼顶升困难时,可在孔内加水稀释泥浆,并掏出部 分沉淀土,使灌筑工作顺利进行。为确保桩顶砼质 基础提供了可借鉴的施工经验。 垒生 丐义陬 量,桩砼灌筑要比设计高1.0 m以上。在拔出最后 段长导管时,拔管速度要慢,以防止桩顶沉淀的 泥浆挤入导管下形成泥心。在灌筑过程中,及时从 一[1]胡勇,杨仲杰.深水裸岩钻孔灌注桩施工技术[J].施 工技术,2007(1):50—52・ [2]金红岩・复杂地质条件下深水大直径钻孔桩快速施工 ’, .34.护筒底口混凝土外泄防治措施 : 墨 浆溢出。 _…… 一~ 。 铁道 浆甲大桥主墩钻孔桩孔深53 1TI,其中河床以上 部分34 1TI,在桩身混凝土灌筑过程中,当混凝土高 出河床后,因混凝土、泥浆比重均大于水,未初凝的 混凝土对钢护筒底口会产生较大的压力差,一旦超 过临界值,会发生混凝土突然外泄的情况,将可能 [4]梅瑞泰深水复杂地质大直径超长钻孔桩施工技术 『J_.公路交通技术,2009(8):87—90. [5]余绍宾.怀邵衡沅特大桥12#主墩深水基础施工技术 [J].铁道建筑技术,2016(3):78—81・ [6]刘涛・超厚粉细砂层地质长大钻孔灌注桩施工技术研 导致 为避免上述隐患的发生导 一 在施工中采用了调整 ,辈 ‘:■ .~……………~……… ,2016( 3):70 -7山3.西黼2 , ’ 导管拆除方案及混凝土灌筑节奏的方法。当孔内 混凝土面升至护筒底口附近时,再次复核导管埋 深、混凝土面标高与护筒底15的相互关系,此时应 拆除导管使导管埋深尽量偏小。之后连续灌筑,使 孔内混凝土连续上升,超过钢护筒底口,采用提插 [8]蔡惠华厚砂性土层钻孔泥浆应用技术[J].港工技术 与管理2014(2):23—27. ,[9] 中华人民共和国交通运输部.JTG/T F50—2011公路 桥涵施工技术规范[s].北京:人民交通出版社,2011: l(】 7_108. 导管的方法尽量多的灌筑混凝土,至混凝土灌不动 [10]魏青,陆霞,赵宏升・超长钻孔灌注桩成孔的质量控制 时: 篓些 星 。 口的相互关系,暂停混凝土灌筑,每隔1 h拆除1节 高皇 筒鏖[ 。 : ,0伟0英5(.4东):8沙0大-桥81.主桥桩基泥浆维护使 ‘(61。):山98 2 0: 。 导管,至导管埋深达规范允许的较小值后,尽量延 长暂停时问,此时导管底口已高出护筒底一定距 离,护筒底15上下一定距离的混凝土进入稳定状 [12]欧阳效勇任回兴,徐伟.桥梁深水基础施工关键技 术一苏通大桥南塔基础工程施工实践[M].北京:人 民交通出版社,2006:21—25.