洋溪大桥钻孔灌注桩施工技术
2017-09-04
1 工程概况
洋溪大桥（杭新景高速公路连接线）主桥部分上部结构为120m四塔三跨双索面自锚式悬索桥，下部构造为承台式，引桥上部结构为30m预应力小箱梁，下部构造为系梁立柱盖梁形式，主引桥基础均采用钻孔灌注桩，全为嵌岩桩基，桩径有1.8m、1.2m两种，桩长为16.5m到30.5m不等。地质情况较为复杂，因为采砂的原因，上部基本为卵石层，下部主要是中风化白云岩及中风化含炭硅质泥岩，部分下部为石煤层。施工采用冲击钻成孔，水下C30混凝土灌注。
2 施工工艺
2.1 施工放样
该桥基桩中心采用坐标法全站仪直接定位。施工时依据设计桩位布设框型导向架，施沉护筒，根据护筒与钻机吊绳的间距时刻检查钻孔偏位情况。
2.2 护筒安制
洋溪大桥主要由直径1.8m钻孔灌注桩作基础，故护筒采用14mm钢板卷制而成，内径2.0m，每节1.5m，全密实焊缝焊接。埋设时通过搭建的施工平台制作导向装置，然后通过振动锤加压沉入护筒，护筒上表面高度比施工平台上表面略低，便于操作及安全防护。护筒沉入穿过卵石层达到中风化岩层面，以有效控制塌孔情况发生。必要时，在钻进过程中，对护筒进行跟进。护筒平面位置的偏差不得大于5cm，偏斜度不得大于1%。
2.3 泥浆制备
洋溪大桥钻孔所用泥浆由当地寻找的优质黄土作为原料组成，在洋溪大桥复杂地质中，泥浆具有重要的意义，平衡桩外水压力，并在孔壁形成泥皮，隔断孔内外渗流，防止坍孔的作用。该工程泥浆的pH值取8～10为宜，相对密度1.1～1.15，粘度20S～35S，胶体率不小于95%。冲击钻成孔前，保持护筒内水头，将黄土投入护筒中，由冲击钻锤上下调和好泥浆后开始钻孔作业，随着钻孔深度的加大应及时投放黄土，若有确保泥浆性能指标不变。
2.4 钻孔
本桥采用冲击钻成孔。钻锤由铸铁制成，重约8t ，梅花锥状，外径为1.78m。为提高其对石头的冲击破碎能力，在钻锤周边加焊合金锥角，用JKL6（A）卷扬机提升钻锤。钻机开钻前经过准确对位，检查钢丝绳是否在桩中，并检查钢丝绳是否有足够的承重能力（有无破损），转向装置是否完好。开始钻进时，应匀速提升小冲程冲击，一般为1.0m～1.5m，当钻孔达到3m深后，可增大冲程，一般采用1.5m～2.0m，严禁增大冲程，防止溶洞上壁突然破裂而导致的卡钻发生。当进入岩层分界线以上1m时，适当减小冲程以平稳度过分界线，防止偏孔、斜孔的发生。冲击钻在刚开钻时钻架容易下沉偏位，施工时要经常校核孔位，可以采用卷尺测量钢丝绳与护筒的相对位置来进行粗略的测量，如需调整，应及时用千斤顶校正钻架。冲击岩层对钻锤的磨损较大，需经常对钻锤的磨损情况进行检查，并及时以坡口形式补焊，以免造成缩孔，顶起对锤头转向装置进行检查，防止其失灵形成梅花孔。
2.4.1 塌孔
（1）塌孔指孔壁上的土体或部分岩体脱落到孔中的情况，主要由于孔外压力过大，而导致孔壁稳定性降低，发生塌孔。主要原因有以下两点：1）未及时进行造浆，使孔内泥浆性能指标下降，从而导致孔壁岩土塌落；2）漏浆：钻进过程当中，泥浆经由土层或非钻进孔洞渗出，而导致泥浆性能指标下降。
（2） 根据塌孔发生原因，我们可以分析，补救措施当然是降低事故发生的危害，防止事故再次发生。根据不同情况，采取以下措施：1）一般性塌孔发生后先向孔内注水提高水位，平衡孔外压力。然后加入黄土，提高泥浆比重；2）对于因岩溶和严重裂隙而造成的塌孔，采用继续加长护筒的方式进行堵漏。必要时也可以加入袋装水泥形成水泥浆进行补漏。
（3）预防措施：1）时刻保持对泥浆性能指标的监测；2）对孔内水位保持高度重视，保持孔内水位高于外侧1～2m，如果水位降低，应观察周围有无泥浆外漏，判断是否存在漏浆现象，如有漏浆现象，先保持孔内水标高，加粘土或黄土以保持泥浆性能指标，并及时分析原因，参照处理办法进行补救。
2.4.2 钻孔偏斜
（1）原因分析：岩层交界处地质倾斜，钻进时冲锤失去平衡而发生孔道偏斜，如洋溪大桥7#、10#墩桩基。（2）处理措施：发现孔道偏斜时，即在孔内投放与岩层相同的石块至开始斜孔的位置，校正孔位，以小冲程钻进，反复多次可以通过倾斜岩层。如果仍不能有效解决，可以灌注水下混凝土，达到一定强度后，再以小冲程钻进通过倾斜岩层。（3）预防措施：在钻孔灌注桩施工之前，仔细研究地质报告，在钻进标高接近设计岩面交界处减小钻机冲程，并时刻关注钢丝绳的垂直度，以此判断是否出现斜孔现象。
2.4.3 卡锤
（1）原因分析：1）塌孔而引起的埋锤；2）补焊的锤头下放太快； 3）由于斜孔锤头斜搁在孔中。
（2）处理措施：施工中卡锤以后，先分析卡锤原因并尝试使用钻机队锤头进行拉拽，如果仍然不行，则动用吊机进行辅助，同时拉锤。拉拽时切忌持续用力，因间断提升、下放，反复进行，防止用力过猛，导致钻机或吊机翻转。反复可以松动土体或岩壁，过度的拉拽也有可能导致孔壁破坏而导致卡锤更加严重。对于塌孔而卡锤的现象，一般通过拉拽无法提升被压钻锤，可以尝试用吊机配合自制小钻将锤埋置的周围，然后利用钻机进行晃动，试着取锤。有时还可以配以水下爆破法将锤头松动。这样反复几次，一般都可以成功取出锤头。洋溪大桥8#-7桩基就因为塌孔而卡锤通过以上方法成功取锤，挽回经济损失。自制小钻可以利用一些型钢做成长条状，洋溪大桥曾采用过圈状，但是实际效果不佳，由于自重太轻，未能达到预期效果。
（3）预防措施：1）预防塌孔情况的发生，在较复杂地质区间采用小冲程钻进，减少埋锤的可能；2）刚补焊过锤牙的锤头，不宜下放过快，不宜进行钻进，因当慢速落锤，最低点从岩面每次多深入1m，并提起，反复数次，直至能无阻碍到达孔底后，方可正常钻进。 2.5 水下混凝土的灌注
（1）首批混凝土的灌注是全桩混凝土灌注成功的关键，必须严格控制。（2）根据施工经验比较，漏斗下口与导管顶口相接处改变过去的栓阀，采用提板软垫法。（3）混凝土拌合物继续灌注过程中，要重点控制导管的最大、最小埋深。拆除导管后，灌注进行前，导管埋深控制在2～6m，施工现在的埋深情况，宜根据混凝土供应情况，天气情况，水温情况等等进行综合分析。（4）混凝土灌注到桩基上部时，为保证混凝土密实可采用长柄取样盆的方法来确定。
2.6 灌注事故处理
（1）短桩。由于混凝土灌注不到位而造成的，主要是因为测量不准。桩基水下混凝土灌注过程中每次灌注均要进行测量，以数据来验证是否为正常情况，一般采用测绳进行测量，而锤头是比较主要的，洋溪大桥设置锥形厚底中空锤头，下表面为平面，用以感受混凝土面，而锤头的重量能让人感受到穿过混凝土面的过程，以达到测量面的准确。中空的设计能取到部分混凝土石子，以再度验证数据的正确性。
（2）断桩及泥夹层。断桩是由于在灌注过程中因特殊原因中断灌注，桩头离设计位置较深不能进行接桩处理而形成的，这种情况就需要我们做好预防措施，灌注前确认所有机械设备正常就位。断桩也可能由于泥浆中泥渣沉积而造成泥夹层出现。泥夹层形成的原因一般有以下两种：1）灌注过程中由于埋管太浅，后灌的混凝土冲破先灌注的混凝土表层而覆盖在原混凝土表面沉淀的泥渣层上形成夹层断桩。2）导管埋深太浅或导管拔出混凝土以致导管内进水。以上两种事故主要是在灌注过程中控制导管最小埋深不准确而造成的。施工中应采取有效措施，仔细谨慎，多次量测可以避免事故的发生。 （3）导管吊不出。主要是导管埋深过大，超过起重能力而造成的。在灌注过程中导管埋深超过8m时，要及时拆管，优先考虑使用带丝扣连结的导管而不使用法兰盘联接形式的导管，因为法兰盘将增加与混凝土接触面的阻力。在施工过程中也有可能由于混凝土供应不及时，导管埋置时间过长而导致导管吊不出，故混凝土等待过程中，必须让导管在一定范围内晃动，以保证其正常工作。
2.7 体会
（1）钻孔灌注桩施工要制定详细施工组织设计和应急处理措施，在施工中应选派有经验的技术人员上场指导。水下混凝土灌注前应详细检查施工机具的安全性及工作状况，准备好处理施工事故的其他设备，以防发生意外。
（2）复杂地质区域的钻孔桩施工，钻进时要详细阅读地质柱状图，做到早预防，塌孔发生时要确保锤头不埋没。相比之下冲击钻要比回旋转钻灵活的多，因而在溶岩地区的施工要优先考虑使用冲击钻。
（3）钻孔灌注桩，顾名思义，两个重点，钻孔和灌注。在钻孔过程中，要注意过程控制，需专门的专业技术人员，在现场控制，从上至下注意以下几个问题：1）钢丝绳垂直度（预防斜孔）；2）钢丝绳相对护筒位置（预防偏孔）；3）孔内相对外部水位及泥浆性能指标（预防塌孔）；4）护筒外水质（观察是否漏浆）；5）勤清孔，做好泥浆循环工作，及时分析岩样，灵活控制钻孔方式（大小冲程的选择）。
3 结语
在灌注过程中，首灌尤为重要，是不可逆的过程，首灌如果失败，势必对混凝土造成浪费并且严重影响施工进度。首灌方量计算必须准确，做好一切准备后，方可进行首灌工作，如果有不正常情况，应立即停止灌注，减少不必要的损失。首灌混凝土宜采用坍落度相对较大的混凝土进行施工，可以有效的避免因首灌混凝土凝固、破裂而形成的夹层、断桩。灌注过程在前期重在迅速，现场的量测、记录，必须快。时刻关注浇筑方量和混凝土面标高的关系，来综合判断量测的准确性。当混凝土面接近设计桩顶标高时，准确就占据主导地位，混凝土面宜比设计桩顶标高高出0.5～1m。必要时，采用长柄容器来判断混凝土面，在不确定混凝土面的时候，宁可多浇混凝土以保证桩基质量。
