深水超长钻孔桩成孔工艺及水下混凝土施工技术

张 岩

摘要:以滨州黄河公铁两用大桥施工为例,根据本工程的特点,重点介绍了施工便桥及水中工作平台的搭设,黄河水文地质情况下的钢护筒埋设,钻孔,混凝土浇注以及相应的质量控制。

关键词:超长钻孔桩;水下混凝土;成孔工艺

中图分类号:U443.154文献标识码:B文章编号:1009-8631(2009)12-0062-02

1、工程概况

滨州依河傍海,是京津唐和山东半岛两大经济区的接合部,又是环渤海经济圈与黄河经济带的交会点,在区域经济发展上,具备“洼地效应”的明显优势,但奔腾的黄河加上交通单一性共同制约了这一优势的发挥。黄河公铁两用大桥建设,铁路的北延,改变了这一局面,加快了黄河三角洲开发,区域和谐发展以及增强胜利油田储运能力,都具有十分重要的意义和作用。

滨州黄河公铁两用大桥是滨港铁路的重要组成部分和控制性工程,是中国黄河上第一座公铁两用大桥,也是山东省第一个采用BOT方式由企业投资建设的公铁路桥工程项目。大桥由铁路桥和公路桥两部分组成,其中,铁路桥长6980米,公路桥长3470米。跨越黄河的主桥长约2700米,其中跨越黄河主河槽的钢桁梁段长781米,大桥主跨采用120+3×180+120五跨一联的平弦连续钢桁梁结构,钢桁梁使用特种钢12000余吨。大桥采用上下层布置,上层公路,下层铁路。主桥公路桥面宽19米,双向四车道,距目前黄河滩地高度约30米。主桥单跨180米。公路连接线南岸与国道205线相连,北岸与滨州市南外环公路相接,双向四车道,一级公路标准,连接线长约3.5公里。黄河公铁路两用大桥主跨钢桁梁180米的跨度,据现有资料考证,它刷新了世界同类型中“第一跨”的世界纪录。跨度180米的公铁两用大跨度钢桁梁,采用临时墩悬臂架设法架设。临时墩支点反力大,1200吨/桁。临时墩的建造和撤除是钢梁架设的难点之一。水中临时墩为便于拆卸采用钢架式结构形式。钢梁采用温差法纵移成功,大大降低了钢梁纵移难度。钢梁大吨位支座就位安装,在设计中没有考虑临时支点、业主提供的千斤顶没有保险箍的情况下,成功完成了全桥12个支座的安装就位。项目成果填补了国内铁路领域特大桥施工,特别是钢桁梁特大桥施工的空白。

黄河公铁两用大桥上部结构采用大跨度钢桁梁结构,基础采用大直径超长钻空桩基础,施工时受到黄河洪水、凌汛影响大。该项目具有技术含量高、施工复杂、枯水期段、工程紧等特点。水中2号墩是工程的重中之重,能否在枯水期内完成是关系到大桥能否如期完工的关键。工程建设者创造性地采用钢板桩围堰和封底施工技术。同时因地制宜,水上工程采用陆地施工方法,搭建了栈桥和起吊平台,经受住了洪峰和特大冰凌的考验。2006年4月,2号桥墩安全出水,胜利完成关键工程。

2、施工工艺

桩基采用反循环泥浆护壁回旋钻进成孔,孔深100m,钢筋笼长度60m,分节制作钢筋笼,钢筋笼的连接设计为焊接,为了缩短钢筋笼的连接时间,经试验及征得设计同意,采用钢套筒连接、吊装入孔、导管法灌筑混凝土成桩的施工方法。整个工艺分为成孔和成桩2部分。成孔部分包括回转钻进成孔,泥浆护壁及一次清孔。成桩部分包括钢筋笼制作、吊装、导管安放,二次清孔,混凝土灌筑。由于本工程的钻孔深度达100m,直径为1.8m,且底部砂层较厚,在钻进过程中要保证孔壁稳定与及时排渣。因此适宜采用反循环钻孔方式,采用气举反循环钻进对稳固孔壁、及时排渣非常有利,因为孔壁不会受潮流冲刷,而孔内泥浆的静水头压力,具有支撑孔壁的作用。同时利用钻头底部的吸渣口,可高效率排出底渣,排渣彻底。

3、施工技术

3.1施工准备

(1)栈桥、钻孔平台搭设

由于此桥横跨黄河,2号墩桩基位于主河道上,为了便于施工,决定搭设临时栈桥,并采用构架式搭设的方法。在紧贴桥位的上游,栈桥共计搭设480m。钻孔平台采用φ73钢管,桩间距根据桩基布设情况而设,纵向6排,间距4.1m,横向7排,3.6m。纵横梁采用25工字钢,面板采用30槽钢。栈桥及钻孔工作平台高程,按往年达到的最大高程加1m控制。为增加施工平台稳定性或整体刚度,各钢管桩之间用角钢纵平连接。栈桥两侧及工作平台四周用φ40mm钢管制作防护栏杆,高度1.0m。(见下图)

(2)钢护筒制作与埋设

护筒采用10mm的钢板制作,外径200cm,为防止钢护筒底部卷口毛病,底部采用双层壁厚钢护筒,高约30cm。根据浮吊性能和工作平台高度等,将护筒分为2节,下节12m,上节6m,共18m,打入河床深度8m左右,护筒对接处切割成30°±2.5°的斜口,两个护筒对接在一起,破口为60°±5°,焊缝必须光滑,等级不低于Ⅱ级。

钢护筒安装在施工平台完成后进行,用全站仪先粗略测放出桩孔中心位置后,在作业平台上安装钢护筒导向框架,钢护筒在导向框上分3层定位,导向框架上部在平台顶面高4m安装定位架,下部伸入平台下4m安装定位架,中部定位框固定在平台上,并确保护筒入土深度和垂直度。

3.2施工机械设备的选择

根据本桥的地质情况,地层中以黏土、沙土为主,选用QZJ—220型钻机。

3.3泥浆循环系统与排渣

泥浆采用孔内造浆技术,用泥浆管道连接,钻孔时利用泥浆船和输浆管道进行泥浆循环。

3.4成孔工艺

3.4.1钻孔

钻机就位前,应对钻孔前的各项准备工作进行检查,包括主要机具设备的检查和维修,钻机安装就位必须做到天车中心、转盘中心、钻孔中心在一垂直线上。

3.4.2钻进施工要点

(1)钻具下入孔内,钻头应距孔底钻渣面20-50cm,并开动泥浆泵,使稳定液循环2-3min,然后开动钻机,慢慢将钻头放至孔底,轻压慢转数分钟后,逐渐增加转速和增大钻压,并适当控制钻速。根据地质情况采用正反循环钻进。

(2)水中桩的施工,开孔阶段,砂层钻进泥浆比重要大。钻进时随时控制孔内水头,确保有足够的水头压力。

(3)当钻进至接近钢护筒底口位置1-2m左右时,须采用低钻压、低钻速钻进,并控制进尺,以确保护筒底部地层的稳定,当钻头钻出护筒底口2-3m后,再恢复正常钻进状态。

(4)保持井内水位并经常检查泥浆比重。反循环钻进时,孔内水位下降较快,应及时补水,在钻进过程中,始终保持孔内水位与护筒顶基本平齐,同时还应控制泥浆比重。当孔深大于50m时,可启动空压机,进行气举反循环钻进,以提高钻进效率;当孔深大于80m时,必须采取气举反循环方式钻进。钻进加钻杆时,要在钻杆连接处,增加密封圈,确保钻进时不出现漏水、漏气现象。

3.4.3清孔

钻进至设计高程后,可先检查钻杆长度,对所钻孔深度进行复核,然后在不起钻的情况下,将钻具提高孔底50cm左右,放入测绳对钻孔实际深度进行验证,确认已达到设计要求的孔深后,再停止钻进,保持钻头不接触孔底,慢速回转钻具,开始清孔,提钻后,对钻孔的孔径、垂直度进行测量,验孔器为一节10m长的钢筋笼,直径与钻孔桩的直径相同,上下口稍小。清孔采用反循环换浆法进行,泥浆比重控制在1.05左右,清孔时间,视孔径、孔深和钻渣含量而定。轻压慢转大泵量进行清孔30min以上,直至达到要求为止。

3.5钢筋笼加工及安装

(1)在成孔过程中,钢筋笼同时制作,因本桥桩基深100m,钢筋笼长60m,主筋采用φ28螺纹纲,为保证钢筋笼的质量及整体刚度,主筋采用对焊,为了节省连接时间,每节钢筋笼之间采用钢套管连接,箍筋采用电焊连接。钢筋笼分节制作,每节长度为9m,以防止在吊装过程中变形。

(2)钢筋笼的加工采用卡板成型法分段制作,10-20mm厚的钢板制成两块弧形卡板,其孤面直径为钢筋笼主筋中心直径。每隔2m左右预置一块卡板,按主筋位置在卡板上做出支托主筋的半圆形槽。卡板位置用测量仪器布设。

3.6灌筑水下混凝土的施工技术

(1)导管、漏斗安装完毕,由于孔深及下钢筋笼的时间较长,必须进行二次清孔,达到要求后,及时灌筑水下混凝土。灌筑首批混凝土,使混凝土压出管内之水并将导管埋入混凝土的深度不小于1.0m。

(2)水下混凝土灌筑开始后,应连续地进行,严禁中途停工,以免形式坍孔和断桩。严格控制导管埋深2-6m。

(3)当导管提升时,要保持位置居中。根据导管埋置深度确定提升高度,认真谨慎操作防止掉管事故发生。

(4)在灌筑过程中,当导管内混凝土不满,含有空气时,后续混凝土要徐徐灌入,不可整个地灌入漏斗和导管,以免导管内形成高压。

(5)桩顶灌筑高程应比设计高程超灌0.5-1.0m,多余部分应在承台施工前予以凿除,桩头应无松散层,以保证整个桩身混凝土达到设计要求的质量。

4、结束语

由于桩基较深,钢筋笼安装过程中,采用钢套铜连接方法施工,经检验,接头性能符合规范要求,施工速度提高5倍以上,加快了施工进度,确保了桩基质量。采用超声波检测钻孔桩混凝土质量合格率达100%。工作平台安装方便,结构稳定,便于施工。采用泥浆船循环系统,泥浆质量高,保护了生态环境。在类似的工程施工中,具有很好的借鉴作用。

参考文献:

[1]中华人民共和国铁道部,铁建设[2005]160号,铁路混凝土工程施工质量验收补充标准[S],北京:中国铁道出版社,2005.

[2]张誉,混凝土结构耐久性概论[M],上海:上海科学出版社,2003.

作者简介:张岩(1976-),男,山东济南人,现任滨州地方铁路局,工程师。