鹦鹉洲长江大桥中塔大直径钻孔桩施工技术研究
2017-07-31
1 概述
直径大于或等于2.5m的钻孔灌注桩即为大直径桩，目前特大型桥梁水上墩基础越来越多的采用大直径钻孔灌注桩设计，本文结合鹦鹉洲长江大桥中塔水上施工大直径钻孔桩施工技术，对该地质条件下水上墩钻孔桩施工方案进行研究分析。
2 工程概况
2.1 桥式布置
武汉市鹦鹉洲长江大桥全长3420m。其中：主桥长2100m，采用200+2×850+200m三塔四跨钢板结合梁悬索桥；大桥跨汉阳江滩进入长江，于武昌造船厂鲇鱼套附近上武昌岸。
2.2 中主塔墩基础概况
2#墩为鹦鹉洲长江大桥的中主塔墩，中心里程ZK10+850.000。基础为39根φ2.8m钻孔灌注桩，桩基采用行列式布置，纵桥向布置5排，横桥向布置9列，桩底标高-19～-25.4m（黄海高程，下同），桩长20～26.4m。
2.3 地质情况
据钻孔揭示及区域地质资料，2#墩基础位置覆盖层为粉砂，基岩多为微风化生物碎屑灰岩，主要为方解石，岩质硬。个别孔位有少量破碎生物碎屑灰岩。由于围堰吸泥下沉过程中形成锅底，部分位置已至岩面顶，在-5.0～岩面多为回填砂覆盖层，在高程-9.26～-12.9m以下为微风化生物碎屑灰岩，基岩埋藏浅，岩面倾斜，岩体较完整，承载力高。
3 施工总体方案
2#塔为水上施工，采取水上钻孔平台的方式。首先施工钻孔桩施工平台，形成平台后采用大型振动打桩机进行钢护筒插打，采用大直径钻头开孔，再采用大型振动打桩机进行钢护筒复打跟进，跟进完成后采用常规钻头进行成孔施工，混凝土采用水上搅拌站供应，垂直导管法灌注成孔。
4 施工方案及施工步骤
4.1 钻孔平台搭设及护筒插打
钻孔平台基础采用万能杆件进行拼装，钻孔平台横向分配梁采用大型钢等强焊接而成，纵向主梁采用贝雷梁组拼。本工程钻孔桩直径达到φ2.8m属于大直径钻孔桩，钢护筒插打在围堰内进行，属于静水施工，因此钢护筒选择壁厚δ=20mm，内径φ3.0m可以满足，由于钢护筒直径大承载要求高，因此钢护筒围堰下沉到位后，利用两台200t浮吊作为起重设备。吊装钻孔平台贝雷梁，然后在贝雷梁上安置导向架，导向架精确定位后，利用200t浮吊起吊APE400B振动打桩机插打钻孔桩钢护筒。
4.2 泥浆
4.2.1 泥浆拌制及循环
由于水上施工场地狭小，现场的泥浆制备远远不能满足施工需要，因此在岸上采用集中拌浆的方式进行泥浆制备，同时采用机驳作为泥浆船浆拌制好的泥浆运输到水上墩位处。泥浆循环系统由沉渣池、泥浆泵、泥浆管、空压机组成，采用邻近插打好的钢护筒作为沉渣池。
4.2.2 泥浆性能指标
泥浆在冲击钻孔中起护壁和悬浮钻碴的作用。应备用足够的造浆优质粘土红土等进行泥浆制备。泥浆性能指标应符合表1要求。
4.3 冲击钻砸孔施工
钻机布置在钻孔平台上，根据施工作业面大小、桩基平面布置情况、进度安排、动力供应情况综合考虑钻机数量，初步考虑共摆设13台钻机分3个循环完成39根钻孔桩，全部采用冲击钻钻孔正循环钻进，采用气举反循环清渣。
4.3.1 钻机摆放要平整、稳固、平面位置偏差要符合规范及设计要求；位置要结合平台受力支承情况，合理布置，开钻顺序要统一安排，避免干扰。由于2#塔岩层倾斜且岩层顶面无强风化层，同时岩层顶覆盖层为粉细砂及回填砂，钻孔桩施工过程中会出现护筒底口漏砂的钻孔泥浆流失的现象，因此2#塔钻孔施工分三步骤进行，第一步用于护筒直径接近的大钻头进行开孔，开孔满足一定深度（护筒刃脚可全部嵌入岩层），第二步采用APE400B振动打桩机进行护筒复打跟进，第三步采用正常的钻头进行常规冲击钻成孔施工。
4.3.2 钻孔前应对钻孔的各项准备工作进行检查，钻孔时应按设计资料及实际地质情况绘制地质剖面图，在钻进过程中，进尺的快慢根据土质情况来控制；根据设计资料和工程特点，各地层钻进冲程和泥浆比重见表2
4.3.3 在钻孔过程中要时刻监控钻渣取样，复核实际地质情况是否与设计相符，如遇和地勘资料出入较大情况出现，及时向设计单位报告，调整桩基结构。
4.3.4 当钻进至接近钢护筒底口位置1-2m左右时，为防止护筒底部偏移和入岩时斜孔，采用小冲程（0.5-0.8m）密击（8-12/分钟）、低转数钻进，并控制进尺，以确保护筒底口位置地基的稳定；当钻头钻出护筒底口2-3m时，再恢复正常钻进状态。升降钻具应平稳，尤其是当钻头处于护筒底口位置时，必须谨慎操作、防止钻头钩挂、冲撞钢护筒扰动钻孔孔壁；
4.3.5 终孔前要慢速钻进，加强钻渣取样频率，进行地质核对。
4.4 清孔
钻孔至设计高程后进行清孔。清孔后泥浆指标按照相关规范执行。
4.5 钢筋笼制作、安装
2#塔钻孔桩钢筋笼主筋直径为Φ36，采用直螺纹连接。钢筋笼在钢筋笼加工车间进行下料并在铁驳上加工成整节钢筋笼，用铁板驳浮运到墩位处，由浮吊整体起吊安装。
4.5.1 钢筋笼的制作
钢筋笼制作采用长线法整体加工制作。制作时，按照设计尺寸采用做好定位圈钢筋，标出主筋位置，然后将主筋依次点焊在加劲筋上，要确保主筋与加劲筋相互垂直，不变形并在定位圈钢筋上焊接十字钢筋支撑。
4.5.2 钢筋笼的存放
钢筋笼在驳船上整体加工制作完成后，部分可存放在铁驳上，其余由机驳倒运至2#墩，利用已经插打的护筒进行存放。
4.6 水封导管的安装及二次清孔
4.6.1 水封导管安装
桩身混凝土灌注采用垂直提升导管法施工。采用Φ325mm快速卡口接头导管，导管使用前组装编号后进行水密承压、接头抗拉试验，合格后下放，然后吊装混凝土灌注架。混凝土灌注架用型钢组拼而成，上设储料总槽，保证砍球时首次灌注有足够的混凝土储备量。
导管在使用前和使用一个时期后，除应对其规格、质量和拼装构造进行认真检查外，应做拼接、拉力、水密试验。导管使用前按顺序组装编号，进行水密、承压试验和接头抗拉试验，严禁用压气试压，并编写试验报告，进行水密试验的水压应为孔底静水压1.3倍压力，经过15min不漏水即为合格。确保导管状态良好。
导管可在钻孔旁预先分段拼装，在吊放时再逐段拼装。分段拼装时应仔细检查。变形和磨损严重的不得使用，导管内壁和法兰盘表面如粘附有灰浆和泥沙应擦拭干净。
4.6.2 二次清孔
导管安装到位后进行二次清孔，采用换浆法向导管内注入新鲜泥浆，换出孔底沉碴，清孔时所换新鲜浆液达到孔内泥浆含沙量逐渐减少至稳定不沉淀为度，确保孔底沉淀的厚度不大于50mm。
4.7 钻孔桩混凝土施工
4.7.1 混凝土的生产、运输
由于是水上施工无法采用陆上混凝土，因此2#塔混凝土由水上混凝土工厂“大桥海天3号”供应，由其自带泵机泵送至平台顶面，利用布料机和导管进行水下混凝土灌注。
4.7.2 混凝土的灌注
开始灌注水下混凝土时，导管底口离孔底0.4m左右。砍球前要安装隔水栓，砍球后保证初灌混凝土导管埋深在1.0-3.0m。灌注过程中，导管的埋深测量采用同步多测点的办法，避免因孔径大产生大的误差和测量错误。
结语
通过对本工程中主塔2#墩大直径钻孔桩施工的深入研究和总结，解决了水中钻孔桩施工方法，解决了斜岩面地层下的大直径钻孔桩的钻孔、成孔施工方法，可以为同类施工提供宝贵的实践经验。
参考文献
[1]《公桥涵施工技术规范》JTG/F50-2011.
[2]《城市桥梁工程施工与质量验收规范》CJJ 2-2008.
