红岩潭特大桥深水区大直径钻孔灌注桩成孔施工技术
2017-03-20
1.概述
（1）在建的永武高速红岩潭大桥位于江西省武宁县巾口乡境内，设计长度800m，跨径为20～40m，跨越柘林湖汊。下部结构为桩基础，桩径为2.00m、2.20m、2.50m三种（其中2.50m桩径为左幅加宽段、2.20m桩径为右幅、2.00m桩径为桥台桩），上部构造为20～40m预应力T梁。
（2）桥址范围内原为河道，两侧桥台位于岗丘，东桥台山体坡度约150～200，地形较平缓，覆盖层较薄，西桥台山体斜坡中部，坡度400～500，地形高差较大，基岩裸露，植被发育较差。水面宽度约700m，最大水深约27m，施工期间湖水水位标高在60m～62m间，洪水期水位可达64m标高。
（3）区内地层依次为粉质粘土、园砾土、卵石土、块石、全风化粉砂岩、强风化砾岩、中风化砾岩，桩尖持力层进入中风化砾岩。
2.工程施工难点
2.1施工栈桥与平台的搭设。工程地质勘察时已查明其湖床覆盖层薄，且极不均匀，部分墩位基岩完全裸露。设计的桩径较大，施工机具及配套设施相应也较复杂，这给施工便桥与作业平台的搭设带来较大难度。
2.2钢护筒下置困难。因水深、桩径大，所用钢护筒必然大且长，其制作、运输和安装有一定的难度。桩位布置为排架桩型，对钢护筒就位偏差要求高。其地形东面较为平缓，覆盖层薄，护筒埋深浅；西面较陡，坡度最大处在400～500之间，部分湖床基岩裸露，护筒下置困难且无覆盖层，施工过程中极易造成护筒底漏浆和串孔。特殊情况下水下对接钢护筒，满足密封和冲击钻孔过程中的抗振动要求，也是施工的又一难点。
2.3岩溶区段的施工。在作业部分桩孔位置岩溶发育，且大小不一。虽然多为充填溶洞，但有的溶洞高度达7～8m，施工中极易产生埋钻和偏孔及掉钻头等孔内事故。
3.施工工艺技术
针对以上施工难点，我们主要采取了以下工艺措施。
3.1水上施工便桥与作业平台的搭设。
（1）为满足施工要求及安全生产需要，水上施工采用了重型钢栈桥为施工通道，钻机施工平台采用了钢平台方案。栈桥桥面宽为4.5m，栈桥的位置在桥梁的左侧，主要是考虑桥梁左幅为加宽段，桩基直径较大，桥面宽度是为了确保运输成型钢护筒和钢筋笼的需要；因湖床覆盖层薄且不均匀，栈桥基础采用稳定性高的双排4根820×8mm钢管桩，两排纵向间距为3m，钢管桩间采用剪刀撑连接，横桩间距为1.55m，纵桩间距为3m，以15m为一标准跨，保证其稳定性。桩顶垫梁采用2I25a工字钢，其上纵向铺设贝雷桁架做主梁，贝雷梁采用单层双片，共两组，贝雷桁架每组间用90cm花架连接；贝雷桁架顶部横向布设I22a工字钢作横向分配梁，间距0.75m；其上纵向铺设I12.6工字钢作纵向分配梁，间距30cm；顶面铺设厚8mm钢板作桥面板。
（2）钻机平台为15m×30m，共16根820mm钢管桩承重，钢管桩间同样采用了剪刀撑连接，桩顶垫梁为2I25a工字钢，其上横桥向铺设贝雷桁架做主梁；贝雷桁架顶部纵向布设I28a工字钢作分配梁，间距0.75m；顶面铺设厚8mm钢板作桥面板，因水中墩左、右幅的桩径不同，每个平台布设两台冲击钻机同时施工。水上作业平面布置及栈桥断面如图1、图2所示。
图1栈桥与平台平面布置示意 图2A-A栈桥断面 （3）重型钢栈桥和钢平台所用钢管桩的插打深度、承载力均以满足钢栈桥和钢平台的稳定性和最不利荷载的要求为目的，钢栈桥桥墩钢管桩插打深度，在覆盖层较厚的地段为不小于6m，在覆盖层较浅的地段插打深度最低为不小于3m。在无覆盖层的地段利用船舶上安放潜孔钻，对应桥墩位置，均匀布置若干个150mm～180mm的孔，钻孔深1.0m以上，预埋75～100mm的钢桩，外露60cm，安放组焊钢管桩桥墩（钢管桩底部30cm处加焊锚固型钢），浇注水下凝混凝土，固定钢管桩桥墩，确保了其稳定性。
3.2水中钢护筒的下置。在平台施工结束后，利用全站仪放出每根桩的准确位置并做出标记。钢护筒的内径定为桩径+20cm，钢护筒采用壁厚为14mm的钢板，用卷板机卷制，一片钢板宽度为1.5m，采用平接方法焊接，两端头部位加焊四道10cm宽20cm长的加强板，以最长焊接9m长的钢护筒为一节，采用50T汽车吊进行吊装。为保证钢护筒的平面偏差及垂直度满足规范及设计要求，利用重力原理两点定线，即在搭设完毕的施工平台上焊制框架式导向架，导向架为上下二层正方形井字架，井字架中心为桩位中心，导向架采用I40的工字钢制作，上层导向架焊制在施工平台上，下层导向架则低于施工平台顶面4m以上，导向架内部预留4cm的空间作为钢护筒的下放空间。钢护筒的安装，首先利用吊车在施工平台上将第一节钢护筒提升，顺导向架下放，利用上层导向架固定钢护筒于中心位置，待第一节钢护筒稳定后，进行第二节的焊接，为保证钢护筒中心与桩中心一致，第一节的钢护筒可以焊接固定在上层导向架，焊接完成后进行整节钢护筒的下放，如仍不能满足要求，则进行第三节钢护筒的焊接，依此类推，当钢护筒下放至河床稳定后，测量护筒中心，调整无误后先用120KW振动锤振动下沉，钢护筒顶标高控制在不小于设计桩顶标高1m范围，钢护筒振动到位后，使用全站仪及坡度尺检查并确认平面偏差及垂直度，割除多余钢护筒。
3.3冲击钻孔成桩施工。
（1）钢护筒安放就绪后，同一平台安装两台机组以完成两种不同桩径的钻孔。为做到互不干扰，同时预留进出的通道，两机组均以垂直与桥中心轴线间隔摆放。受平台场地限制，我们将泥浆循环系统安放在平台的下方，利用安放钢护筒时的第二层导向架为依托，设置泥浆循环沟槽和二层简易平台，取一节高1.5m的钢护筒做循环池自然悬浮于水面上，并用28mm钢丝绳吊挂在平台固定。泥浆的循环采用涡流泵从护筒内将泥浆抽上经简易泥浆除渣装置除渣后流入循环池，然后在循环池内经3PNL泥浆泵送入孔底，形成泥浆循环。 （2）钢护筒下置完后根据护筒空段长度倒入一定的粘土，然后开钻施工。因湖床覆盖层薄且不均匀，部分墩位地形坡度大，有的无覆盖层，施工中极易产生漏浆和串孔。为避免该现象发生，在泥浆正循环钻孔过程中，我们首先采取始终保持钻孔内外既定的水位差和泥浆浓度，起到护壁、固壁作用，防止坍孔。即利用护筒内的涡流泵根据孔内外的压力差调节护筒内的泥浆液面，实现液压平衡钻进。穿过护筒后孔内泥浆漏失量大时，则下入导管，灌注适量的水下混凝土并用钻锤捣实后回填一定量的造浆粘土，待混凝土凝固48小时以后透孔钻进，将裂隙充填和松散岩层固结。
3.3.1护筒底串孔的处理。护筒底发生串孔、孔内泥浆大量漏失时，我们先将钻孔回填至护筒底50～60cm，下入导管向护筒底灌注水下混凝土，同时用水文测绳在护筒外围根据深度变化大小找出串孔位置，补灌适量的水下混凝土，达到堵漏的目的。对18＃墩左幅桩孔，由于基岩完全裸露，我们先将护筒下置在离岩面2m左右位置，用加大的钻锤清水冲击钻进，后下入一根高压水枪至孔底进行吹洗排渣，反复钻进排渣多次，使扩孔孔深达2～3m后下置钢护筒，同时向孔底灌注水下混凝土封堵固结，其护筒外60～80cm四周由潜水员下潜垒一高1.5m左右的砂袋墙，对护筒外也灌注水下混凝土加固，待混凝土凝固后转入正常钻进。
3.3.2岩溶区钻进。
（1）施工岩溶区桩孔时，每当钻进至溶洞顶板时，尽量降低钻进冲程，防止因冲程过大，钻穿顶板时阻力突然变小，瞬时冲力过大产生掉钻、拉断钢丝绳等可能发生的孔内事故和其它意外事故。溶洞区段钻进时控制钻进速度，出现倒锤、粘锤等孔内异常情况及时提锤停钻，向孔内回填片石、黄土，待将该段回填至高出原孔段1～2m后，再下钻重新钻进，如此反复，直至钻穿该溶洞。对钻进中极易垮塌的孔段除回填片石、黄土外，有的还灌入水下混凝土进行护壁固结。即在大溶洞中，因回填的孔段较长，孔壁的稳定性相对较差，为防止再一次的坍塌，适量灌入水下混凝土，同时下入钻锤到孔内捣实，待混凝土凝固48小时以后重新钻进，基本能够顺利通过该段。
（2）施工至17＃平台左幅2.5m桩时，湖水水位处在最高位，钻进时钢护筒承受的内外液压差相对较大，当钻头刚钻穿护筒底部后，护筒内泥浆突然漏失，因孔内水位下降过大导致钢护筒挤压变形，该墩左幅两根桩都遇到了同样的情况。为此，我们采取先将水下钢护筒在距湖床1.5m位置割断，取出变形钢护筒，在湖水恢复到常水位时，重新加工一护筒，在其下端做一段长1.5m、直径比原有直径大10cm的部分，当该部分罩入水下原有预留护筒50cm左右时，由潜水员在护筒外沿罩入段的四周塞入棉胎止水密封，然后将对接护筒下置到位，为防止护筒外再次漏浆，同时为进一步密封接头部位，我们沿护筒外1.5m垒一高1.0m左右的砂袋墙，并灌注水下混凝土。通过这种方法处理的两个桩孔，钻进过程中均未出现串孔漏浆现象。
（3）当冲击成孔达设计孔深后，即进行清孔。清孔时先用除渣筛网将粒径2mm以上的大粒径钻渣排除，安装旋流除砂器进行进一步除砂（泥浆旋流除砂器如图3所示），并同时调整泥浆性能指标至规范范围内则及时进行钢筋笼孔内安装与水下砼的灌注工作。
4.结束语
红岩潭大桥钻孔灌注桩，桩径大、地形条件相对复杂、湖床覆盖层薄、局部基岩裸露、部分地段岩溶发育，施工难度相对较大，遇到的困难也多，但通过我们采取以上综合技术后，顺利完成了大桥的桩基础施工。
