刘贵新
北京赛瑞斯国际工程咨询有限公司 北京 100070
摘要 本文结合乌玛公路A7标段镇罗黄河特大桥12#墩钻孔桩施工，对砂夹卵石复杂地层下钻孔灌注桩的施工特点、钻孔桩施工工艺及特征地层施工技术进行总结，旨在为同类钻孔桩施工提供一个相应的参考、借鉴。
关键词：桥梁工程 砂夹卵石 复杂地层 钻孔桩 施工技术
0 前言
复杂地质下的钻孔桩施工，一直是影响桥梁施工成本、工期的关键环节。如果施工不好，会导致孔桩塌孔、串联、桩身质量下降等现象，造成大量返工现象，施工难度大。本文通过研究钻孔桩施工特点，结合镇罗黄河特大桥12#主墩桩基础施工，对砂夹卵石复杂地质条件下钻孔桩施工技术进行总结，以期为复杂地质条件下桩基础施工提供技术支撑。
1 工程概况
1.1 工程简介
乌（海）玛（沁）公路青铜峡至中卫段工程是国家“十三五”规划内的重点公路工程项目，是宁夏高速公路规划网“三环九射八联”最重要的组成部分。镇罗黄河特大桥为其全线控制性工程之一。桥梁全长1289m，分为南北岸引桥、南北岸跨堤桥、主桥共5联设计钢-混组合梁连续梁桥。除主桥跨越黄河外，其余桥跨均处在黄河河床及漫滩。主桥桥跨布置为55m+6×90m+55m,设双变截面花瓶状实心片墩8#～14#，其中12#墩处于黄河中心水深最深处。12#墩承台矩形圆倒角整体式承台，其下布置12根直径?1800mm的钻孔灌注桩，按摩擦桩设计，呈矩形布置。桩长65.0m，桩身为水下C30混凝土。
1.2 地质水文概况
镇罗黄河特大桥桥址区场地地貌单元为黄河河床及漫滩，地势开阔，地形稍有起伏，桥轴线地面高程约1201.3～1208.9m，相对高差约 7.6m。桥梁横跨黄河地表径流，水面宽约 540m，最大水深约 4.5m，变化幅度 1.0～1.5m。
墩位处的地层结构较为复杂，主要由第四系全新统冲洪积层和上更新统冲洪积组成。12#墩范围内基岩以上更新统冲洪积占主导，其中底层主要分布为：①卵石：层厚0～20.3m；②圆砾：层厚20.3～32m、35～56m、69.5～79m；③中砂：层厚32～35m、56～63.3m；④粉质黏土：63.3～69.5m。
2 施工方案及钻孔设备
2.1 钻孔桩施工方案的确定
镇罗黄河特大桥地质情况复杂，在低水位期间搭设钢栈桥进行全桥主要施工通道。搭设钢管柱贝雷梁支栈桥及钻孔平台作为孔桩施工平台，进行主体钻孔桩施工。
2.2 钻孔设备的选型
2.2.1 钻孔设备的选型
基础钻孔桩需要穿过砂夹卵石层，然而该覆盖层孔壁自身稳定性差，透水性强。且存在细砂层的状况，钻进时极易产生塌孔、漏浆现象，严重者孔壁可坍塌至相邻孔桩造成相邻钻孔互串，对成孔、成桩质量存在极大的影响，塌孔处理十分困难。可见，钻机的选型及成孔工艺的确定及至关重要，是保证顺利成孔、成桩的关键。
针对工程的实际情况结合施工经验，目前可供选择的钻机型式主要有：冲击钻、冲吸钻、、套管钻、旋挖钻等。若采用冲击钻（或冲吸钻），成孔周期长、扩孔率大，且难以避免塌孔和漏浆、难以达到环水保要求；套管钻成孔时间较快，也能避免塌孔和漏浆发生，但经济效益较低。经综合比选，确定采用SWDM450旋挖钻机，钻孔直径500～3000mm，钻孔深度121m，最大钻杆扭矩450KN˙m，最大提升力420KN，钻孔时钻杆速度6～25r/min。
2.2.2 钻头选择
SWDM450旋挖钻机钻头分为螺旋钻头、旋挖斗、筒式取芯钻头等种类众多。螺旋钻头应用于坚硬基岩较好，成本较高；筒式取芯钻头通用性较差；旋挖斗适应地层范围宽，钻进效率高。由于地层较为复杂，圆砾、卵石、砂砾等均有，为提升效率且适应复杂地质，选用双开门旋挖斗。
3 施工准备
3.1 护筒制作及埋设
1）钢护筒采用壁厚15mm钢板在加工厂内卷制，内直径为2.2m，分节加工成型。
2）全站仪放样桩位及护桩，安装护筒定位导向架，利用履带吊配合分节安装钢护筒。钢护筒接头采用单边V字坡口融透焊，并焊接补强钢板。采用履带吊配合DZP120振动锤插打，直至护筒全部埋设到位高出平台0.5m。护筒埋设深度为承台底标高以下0.5m，即从钻孔桩平台顶面标高以下12.5m左右。
3）护筒顶面中心与桩位偏差≤50mm，倾斜度≤1%。
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图1 钢护筒焊接及插打示意
3.2 钻机就位
钻机就位的基本要求为水平、稳固、准确。护桩十字线确定桩中心，旋挖钻通过调整系统、行走系统微调，并由驾驶室内电脑控制系统对中，锁定即可完成就位。
3.3 泥浆制备及循环
根据12#墩地质水文条件，全孔段均为易坍塌的砂夹卵石覆盖层，宜采用高浓度泥浆护壁。经过试桩试验，确定最终配合比为膨润土：片状氢氧化钠（NaOH）：羧甲基纤维素（CMC）=1500Kg：25Kg：100Kg。泥浆可根据不同桩位特性进行调配，优质泥浆的主要性能指标：相对密度1.13～1.15，胶体率＞95%，含砂率＜2%，黏度为18s（特殊情况可适当调整），pH值8～9。泥浆控制要注意以下几点：
1）为保证成孔速度和质量，泥浆总量应达到设计方量的1.5倍方可钻进。
2）宜采用拌浆机拌浆，使泥浆搅拌均匀。
3）充分水化泥浆，需搅拌完成后静置 24h 以上。
泥浆循环系统：于黄河桥岸边修建一座泥浆池，用于供应及回收泥浆。在钻孔桩平台处安放泥浆分离器，以相邻钻孔作为泥浆过滤沉淀筒，与钻机一并形成泥浆循环回路。泥浆池内优质泥浆经过管路输送至钻孔内，再由泵将钻渣及泥浆一并吸出，经泥浆分离器净化后再进入到沉淀筒内，再由泥浆泵将泥浆抽至泥浆池沉淀，至此完成循环回路。
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图2 格雷安泥浆分离装置
4 钻孔施工
4.1 孔桩钻进控制
1）开钻时应以抵挡慢速钻进，防止钻速过快导致的桩位偏差超出规范要求。
2）钻进过程中要保证内水头高度始终保持不低于黄河水位高度，以防止静水头压力过小而导致坍孔，保证泥浆正常循环。
3）钻进施工时应注意控制钻头的提升、安放速度，尤其在离开泥浆面时，当一斗钻进完成后，应缓慢提升，防止速度过快导致的泥浆抛洒浪费及环境污染。同时减少泥浆扰动，防止钻渣上浮过快不沉淀无法有效吸出沉淀，导致泥浆含砂率超标，无法起到泥浆吸渣的作用。
4）控制钻进速度，当钻进接近护筒底口位置1～2m左右时，采用低钻速钻进，并控制进尺，保证护筒底口部位底层稳定；当钻头据护筒底部3～4m，再恢复正常钻进状态。
5）钻进时，应及时捞取钻渣渣样，并根据渣样判断地层变化并做好记录。根据底层情况及时调整钻速及进尺。
6）钻孔过程中应注意控制钻垂直度，并用护桩及时校核钻头中心位置与设计桩中心位置的偏位，发现有偏位过大现象应及时调整钻头位置进行钻进。
4.2 特征地层钻进注意事项
1）细卵石层钻进
卵石层在地层以下20.3m位置，层状密实度为稍密-中密，卵石一般粒径＜6.5cm，最大不超过18cm。类似砂层，较为容易切削。钻进时可采用高档钻速，约为18～25r/min速度,钻进效果较为理想。
2）砂层及砂夹圆砾石
砂夹圆砾石层中稳定性较差，且钻进时易破坏稳定，易造成塌孔。应减低钻速采用中档，约为12～18r/min速度，同时提升泥浆黏度，可达18～20s,保证泥浆护壁的稳定性，防止塌孔。高黏度泥浆能够及时带走孔内钻渣，保障孔内干净。同时应适当增加扫孔次数,防止缩孔。
3）软硬地层转换
由硬地层钻到软地层时,可适当加快钻进速度;当软地层变为硬地层时,应减速慢进;对硬塑层采用快转速钻进,以提高钻进效率
4.3 钻进中出现的问题分析
1）缩孔、塌孔
根据12#墩孔桩渣样情况分析，砂夹卵石为地层中的主要构成，桩身中部多处有中砂夹杂（层厚32～35m、56～63.3m），并在桩底部位伴随有部分粉质黏土（63.3～69.5m）。中砂层的结构性特别差，基本无聚集现象；粉质黏土结构稳定性较差，且不容易聚集，造成桩中部、底部等部位塌陷导致的缩孔、塌孔现象产生。现场施工中主要采取增加泥浆护壁结构强度，最主要方法就是加重泥浆比重，使其达到1.15左右，通过泥浆护壁结构性好的特点稳定地层中不稳定的结构层，达到防止缩孔的目的。同时在护壁稳定后需要重新钻进，保障钻孔桩内清洁。
2）漏浆
漏浆产生的原因主要为：一是护筒嵌岩深度不足，导致的泥浆外泄；二是由于钻进过程中，黄河水位涨落过快导致的内外压差过大。解决上述两类问题主要方法：一是通过增加钢护长度，继续振入岩层中，在原有嵌岩深度基础上增加至2m即可，同时调整泥浆比重，达到1.14即可解决。二是及时调整孔桩内水头高度，降低内外压差大小达到基本平衡状态，通过实践在黄河水位稳定状态下时，达到压力平衡位置为钻孔内泥浆水头高度低于护筒顶部高度1m左右。如黄河水位上涨，即将钻孔内的水头高度提高至低于护筒顶面0.2m左右即可平衡。
3）沉渣过厚
由于砂本身结构性差，不聚集，且具有一定流动性。钻进过程中砂层沉淀过快，导致桩底沉积过厚，难以清理，延长清理时间，影响施工进度。根据此种情况，主要采取办法是泥浆分离装置与改变泥浆黏度办法同时进行。泥浆分离器分离泥浆与砂，保证泥浆的纯净度同时，降低泥浆含砂率。改变泥浆黏度通过加入适当片状氢氧化钠（NaOH）和羧甲基纤维素（CMC），提高泥浆黏度（约20s），通过泥浆吸附钻进中的砂，防止沉淀过快。
4）钻进速度慢
黄河由于淤塞、常年涨水缘故导致河床分为2道，上游冲刷下大的块石在河床地面及靠近河床处沉积，地质较硬导致钻孔较慢。现场实践中钻头磨损较大，通过2套钻头轮换施工方式降低钻头磨损增加进度。通过钻头加压钻进方式提高进度，SWDM450旋挖钻机自带多种加压钻进方式，本项目采用钢丝绳加压，即钻杆顶部加压油缸通过钢丝绳将压力传递至钻头处进行加压。
4.4 成孔
4.4.1 成孔检查
旋挖钻机钻进至桩底设计标高后即可进行孔桩成孔检查，成孔检查护筒标高、桩中心偏位、桩径、桩深、倾斜度等指标是否满足规范需求。采用检孔器方式查探是否缩孔，检控器用钢筋笼做成，其外径等于设计孔径，长度等于设计孔径的4～6倍且不小于6m，按要求检查终孔的孔径。用测绳测定孔桩的深度。标高采用水准测量方式，中心偏位采用全站仪定位测量方式。桩深可采用测绳吊挂重物测量。
4.4.2 清孔
清孔共分为2次，第1次清孔在旋挖成孔检查合格后进行, 第2次清孔在安装钢筋笼灌注水下混凝土前,采用泥浆反循环的方式。清孔前制备清洁的泥浆 ,以便在清孔时通过泥浆循环悬浮出孔内及孔底沉渣。清孔后,手摸正在循环的泥浆无粗粒感觉。
按设计要求加工和安装钢筋笼后,安装导管,在灌注水下砼前,利用导管进行第二次清孔。在导管顶部安设进浆连接头,与泥浆分离器连接净化泥浆。用泥浆泵将清洁泥浆压入导管内,再从孔底沿着导管置换孔底沉渣。清孔应达到以下标准：孔内排出的泥浆手摸无2～3mm颗粒，可注入清水将泥浆逐渐稀释。使泥浆比重1.03～1.1，含砂率小于2%，粘度17～20s。同时保证水下混凝土灌注前孔底沉碴厚度：柱桩＜5cm、摩擦桩＜15cm。严禁采用加深钻孔深度的方法代替清孔。
4.4.3 钢筋笼加工及吊放
钢筋笼加工按照设计要求及规范要求分节加工，钢筋笼入孔时，由吊车配合钻机吊装。
采用桩基钢筋笼安装定位导向装置保证钢筋笼定位准确，有效保证了钢筋笼安装的位置准确性。
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图3 钢筋笼准确吊放
4.5 水下砼灌注质量控制
1）严格控制首批砼量，确保导管初次埋深达到1.0m以上，并按首批砼用量加工孔口容料斗。首批砼灌注量 V计算按照《公路桥涵施工技术规范》（JTG F50-2011）中8.2.11公式计算。
2）首批砼的隔水措施必须严密，在料斗内加清水检查隔水门的隔水措施是否良好。对不密封处采用砂浆填抹缝隙。
3）水下砼灌注中，导管提升应保持轴线竖直和位置居中，逐步提升。每次提升导管前，先探测管内外砼面高度，导管一般埋置深度控制在3m～6m。
4）灌注中遇导管内砼不满时，后续砼应减缓灌注速度。不可整斗灌入，防止形成高压气囊，影响导管的密封性或使导管破裂，从而影响桩的质量。
5）为确保桩顶质量，采用“放心灌”超灌定位检测仪工艺施工。超灌高度与实际测量偏差不大于5cm。
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图4 水下混凝土灌注示意
5 效益分析
根据施工对比，同时在进度、施工质量、环保、安全、经济等方面取得了显著成效，详见表1。
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6 结语
通过对镇罗黄河特大桥12#墩桩基施工技术分析，在夹砂夹卵石地质下施工得出以下结论：
1）夹砂夹卵石地层中施工，摒弃了以往软弱地层结构下必须采用冲击夯实施工理念。旋挖钻施工，充分运用增强泥浆黏度、相对密度的方式保障钻孔桩护壁的稳定。
2）孔桩成桩速度快，且施工质量明显提高，扩孔系数低于钻孔桩，减少混凝土的超耗，显著提高了经济效益。取得了桩基检测全部为Ⅰ类桩的理想效果，值得今后同类加以参考和借鉴。
参考文献
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