长江中下游复杂地层中超长钻孔桩施工质量控制

刘永红

（中铁六局北京铁建公司，北京100036）

1 工程概况

1.1 线路概况

沪通长江大桥是沪通铁路、通苏嘉甬铁路、锡通高速公路共同的过江通道，为公铁两用桥梁，全长11 076.262m，本标段由主航道桥、跨南岸大堤简支钢桁梁桥以及南岸引桥组成。其中主航道桥采用沉井基础，跨南岸大堤简支钢桁梁桥和南岸引桥均采用钻孔桩基础。沪通长江大桥全桥桥式概略如图1所示。

1.2 南岸引桥合建段钻孔桩设计概况

南引桥公铁合建段钻孔桩共540根，总计38 968m，均为φ1.5m摩擦桩。钻孔桩采用C30水下混凝土。钻孔桩行列式布置，其中S01#～S10#墩、S11CJ+GL墩及S12CJ+GLY墩钻孔桩基本间距4.0m×4.5m；S11HT及S12HT墩钻孔桩基本间距3.9m×3.9m；S12GLZ墩钻孔桩间距4m×4m。标准墩位钻孔桩布置如图2所示。钻孔桩设计参数及单桩材料数量如表1所示。

2 工程水文地质条件

2.1 工程水文特征

桥址区地下水为第四系松散岩类孔隙水。按埋藏条件及水力性质分为3种类型，即上层滞水、孔隙式潜水、孔隙式承压水。

1）上层滞水：主要赋存于两岸表部人工填土中，无统一自由水面，接受大气降水和地面排水的垂直下渗补给，以蒸发为主要排泄方式，水量较小。

2）孔隙式潜水：主要赋存于桥址区两岸表部全新统②1粉土中，有黏性土覆盖或夹层地段具有微承压性质。孔隙潜水与长江水呈互补关系，受大气降水或江水侧向补给，水量较丰富。

图1全桥桥式概略图（单位：m）

图2标准墩位钻孔桩布置图

表1南引桥公铁合建段钻孔桩设计参数表

3）孔隙式承压水：主要赋存于黏性土以下的砂类土中，即第②层、第③层、第④层、第⑤层的砂层中。含水层厚度较大，一般超过70m，富水性好，渗透性强。由于在长江南侧主河槽段长江下切，河床达下部砂层中，因而江水与该层地下水存在互补关系，水力联系密切，水位动态随季节及潮汐变化，水量丰富。

2.2 工程地质特征

沪通长江大桥南岸桥址区属场区位于下扬子断块东南部。近场区断裂构造较为发育，但这些断裂均距工程场地较远,不会对工程场地的稳定性产生直接影响。南引桥公铁合建段位于南岸一级阶地前缘与长江高漫滩区。工程区域内主要为农田、鱼塘、村落，地面高程1.8～6.9m，覆盖层上部为松散～中密状粉土、粉砂及淤泥质粉质黏土，厚30～50m；其下中密～密实状粉土、粉细砂，厚25～40m；覆盖层中下部为密实状粉细砂、中粗砂及砾砂，分布在高程-70m以下。地质分布情况如图3所示。

图3南岸引桥地质钻孔柱状图（单位：m）

3 工程水文地质条件对钻孔桩施工质量影响

钻孔桩施工区域地下水位基本在地表下1～2m，地层复杂，覆盖层层厚较薄，交换频繁，主要以粉细砂层为主，中间夹杂流塑状淤泥质粉质黏土。在施工过程中钻孔桩施工易塌孔，易埋钻，粉细砂层中钻孔施工泥浆含砂率过高，清孔困难，泥浆护壁不易控制，泥皮过厚会导致钻孔桩承载力降低，泥皮过薄会导致塌孔。因此，需要根据地质条件，选择合适的成孔设备及成孔方式与施工顺序，确定泥浆质量及供应，采用适当的清孔方式灌注超长混凝土桩。

4 钻孔桩质量控制措施

4.1 成孔设备及成孔方式选择

目前，国内外钻孔桩成孔设备主要有回转钻机、冲击钻机、旋挖钻机3种[1]。

1）回转钻机：回转钻机特点为其特点是可用于各种地质条件，尤其土质和砂质地层成孔效率高，护壁效果好，成孔质量可靠，且施工无噪声；机具设备简单，操作方便，费用较低，用水量大，泥浆排放量大。

2）冲击钻机：冲击钻适用性较强，可适用各种地质条件，但施工效率低，成孔较慢，在软弱地层中泥浆护壁较厚，影响钻孔桩承载力，且耗电量大、噪声大。

3）旋挖钻机：旋挖钻机适用性较强，施工效率高，成孔速度快，且自备电力，但施工泥浆护壁较差，尤其在粉细砂层中施工钻孔桩易塌孔，且自身不具备清孔设备，导致钻孔桩成孔后清孔困难，且成桩质量不易保证。

根据本工程的地质特点，采用回转钻机反循环成孔方式。

4.2 施工布置

4.2.1 施工场地布置

根据现场施工需要，桥位下游侧修筑一贯通施工便道，便道宽7m，采用建筑弃料填筑，顶面采用混凝土硬化，沿墩位处两边修筑支便道，便于施工机械和施工人员通过和操作。

钻孔设备就位和钢护筒埋设前需修筑钻孔平台，钻孔平台采用建筑弃料和矿渣填筑整平，并用压路机压实。钻孔平台四周做好排水设施防止积水（见图4）。

图4钻孔桩施工场地布置图

4.2.2 钻机及钻孔顺序布置

为防止施工过程对已完工桩的影响，要求钻孔桩成桩48h后，已完工桩达到一定强度后方可在相邻近桩位钻孔。安排钻孔桩施工作业顺序如下（以40根桩的墩为例）：A、B、C、D分别代表该墩施工的4台钻机，后边的序号表示桩基作业顺序，具体如图5所示。

4.3 泥浆质量及供应

4.3.1 泥浆池及泥浆循环系统布置

根据钻孔桩施工工期及施工顺序安排，钻孔桩成孔设备均采用泵吸反循环钻进及泵吸饭循环清孔。每个墩位处布置一处泥浆池，并配以拌浆机、泥浆分离器布置区及储渣池。泥浆池布置如图6所示。

图5南引桥公铁合建段钻孔桩施工顺序图

图6泥浆池布置图

泥浆池分为3个区，其中2个为循环池，1个为沉淀池，主要功能是钻孔桩钻进过程中泥浆循环使用。

拌浆区主要功能是成孔泥浆拌制和储存，钻孔桩钻进过程中通过泥浆泵抽至循环池中，清孔过程中用泥浆泵抽至孔内。

泥浆净化区主要布置1台200m3/h泥浆分离器和2台100m3/h泥浆分离器，2台100m3/h泥浆分离器主要是钻孔过程中对泥浆池中泥浆进行净化处理，1台200m3/h泥浆分离器主要用于第一次清孔和第二次清孔使用。

4.3.2 泥浆配制

泥浆质量是成孔工艺的关键，为确保粉细砂层与塑状淤泥质粉质黏土互层中护壁质量，泥浆采用优质膨润土、纯碱（Na2CO3）、水等原料组成，配合比为（水∶纯碱∶膨润土）=（950∶4.5∶130）。膨润土：采用以蒙脱石为主的优质钠质膨润土；纯碱（Na2CO3）：主要作用是增大pH，使黏土颗粒进行分散；制浆用水：地表水。泥浆主要指标如表2所示。

表2新拌制及清孔后泥浆控制指标

4.4 成孔钻进及清孔质量控制措施

4.4.1 成孔钻进

在钻进过程中，钻头在护筒底口上下各1m范围内，钻机必须采用低转速，低钻压，低进尺钻进，防止塌孔和钻头触碰护筒。钻至钢护筒底口1m以后方可进行正常钻进。

由于本地层土层变化多，在正常钻进时，必须根据地质资料和渣样情况，关注土层的变化。每进尺2m或土层变化处均立即捞取渣样，判断地质情况，记入钻孔记录表，与地质资料剖面图核对，根据实际情况随时调整钻机钻速，进尺速度。

当钻孔至地层变化处时，采用低钻压、低转速钻进，使孔壁形成良好的导向，以防止此处成孔产生过大偏斜。不同地层钻进过程中钻机及泥浆控制指标如表3所示。

表3不同地层钻进参数及泥浆指标

4.4.2 清孔

为确保桩底承载力，消除沉渣的影响，满足混凝土灌注要求，钻孔桩清孔分为一清和二清。一清是指在钻孔过程中对泥浆净化，保证含砂率不能过高，避免钢筋笼安装时沉淀过多，导致二清时间过长，且孔底沉渣不易清除；二清是指钢筋笼安装完成后混凝土灌注前清孔，保证泥浆各项指标满足混凝土灌注要求[2]。

钻孔过程中尽量控制泥浆循环管路长度，以保证泥浆循环过程中粉细砂有足够沉淀的时间。另外，在终孔前5m时，需采用泥浆分离器提前净化泥浆。终孔后清孔时必须保证钻机旋转状态，并提离孔底约20cm。

钢筋笼安装完成后应及时采用泥浆分离器进行二次清孔。孔底沉渣厚度采用刻度2cm的无收缩测绳悬挂4～6kg的圆柱形测锤进行量测。测孔深用的测绳应定期检验并进行长度校正。

4.5 混凝土灌注质量控制措施

4.5.1 首批混凝土灌注量

首批混凝土的方量应能满足导管初次埋置深度不小于1.5m和填充导管底部间隙的需要，首批混凝土必须用足够大的料斗储备一次灌注，不能用混凝土罐车连续灌注代替。

4.5.2 混凝土拔球隔水栓

灌注混凝土前需在填充导管内安设橡皮球及泡沫隔水栓塞双层保护，且要求隔水栓尺寸与导管内径相当，增加与管壁之间的摩擦力，减少混凝土灌注过程中对桩底的扰动。待储料斗和漏斗储满混凝土后，开始“拔球”灌注混凝土，拔球后混凝土要连续灌注，不得停顿，保证整桩在混凝土初凝前灌注完成。

4.5.3 混凝土标高测量

混凝土顶面高程测量采用专门制作的锥形测锤进行，要求测绳采用钢丝绳，测量工具制作完成后要求检校其准确度。为确保混凝土顶面标高测量准确，在混凝土灌注至桩顶时，采用触探杆检测混凝土顶面标高。

4.5.4 防止钢筋笼上浮

为防止钢筋笼上浮，需要：（1）将钢筋笼吊环与钢护筒焊接；（2）当混凝土面升至接近和初进钢筋笼骨架时，减慢灌注速度；（3）拆卸导管和提升导管时，尽量保证导管居中垂直，防止触碰钢筋笼。

4.5.5 桩顶混凝土灌注

混凝土灌注到桩上部5m以内时，不再提升导管，待灌注至规定标高一次提出导管。拔出最后一节导管时应缓慢提出，以免桩内夹入泥芯或形成空洞。

5 结语

本文针对长江中下游地区复杂地层中超长钻孔桩施工易塌孔、清孔难、混凝土灌注难控制等问题，在成孔设备选择、泥浆配制、清孔方式、混凝土灌注要点等方面进行了比选和分析研究，并总结出一套较为适用的施工技术，I类桩达到了98%以上。对类似工况施工有较强的指导意义。