钻孔灌注桩在珊瑚礁地质条件下的施工工艺

2010-08-13祝敏杰

中国港湾建设 2010年6期

祝敏杰

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

灌注桩成孔工艺一般有冲孔、钻孔、旋挖等工艺，其中钻孔因其钻进速度快、成孔好、清孔干净、费用低是最普遍应用的一种施工工艺，常用设备就是潜水钻机。但因地质条件不同，对于一般淤泥质土、黏性土、回填土及砂土等潜水钻机钻孔穿越方便，成孔效果较好，而对于其他坚硬地质如粉细砂层、风化岩层以及有孤石、卵石的地层则不宜采用潜水钻机成孔。

本文结合巴布亚新几内亚瑞木镍钴项目码头工程，介绍钻孔灌注桩在珊瑚礁地质条件下用潜水钻机与冲击锤结合的施工工艺。

1 珊瑚礁的形成及范围

珊瑚礁的主体是由珊瑚虫组成的，珊瑚虫在生长过程中能吸收海水中的钙和二氧化碳，然后分泌出石灰石，变为自己生存的外壳。每一个单体的珊瑚虫群聚在一起，新陈代谢，生长繁衍，不断分泌出石灰石和其他生物的碳酸钙骨骼堆积在一起，形成巨大的胶体并黏合在一起。这些石灰石经过以后的压实、石化，形成岛屿和礁石，也就是所谓的珊瑚礁。

根据珊瑚礁在海洋中所处的位置和礁体的形态，可分为岸礁、堡礁、环礁、台礁和点礁。岸礁和堡礁又通称为近岸礁，近岸礁靠近大陆的边缘，它像花边一样镶嵌在大陆或岛屿的边缘或周围，是非人工筑起的水下防波堤，起着保护海岸的作用。本工程中遇到的就是岸礁。

2 工程简介

巴布亚新几内亚位于太平洋西南部，西与印度尼西亚的伊里安查亚省接壤，南隔托雷斯海峡，与澳大利亚相望。巴新瑞木镍钴项目是中巴合资共同开发建设红土矿采矿、选矿、矿浆输送和冶炼的项目。码头工程位于巴新马当市东南55 km的Basamuk海边，为1座5万吨级码头和1座工作船码头，5万吨级码头作为后方冶炼厂配套的专用码头，需满足接卸后方冶炼厂建设期、运营期和生活期所需的各种设备、材料及物资。

2个码头有3座引桥，共有φ1 000 mm灌注桩6根和φ1 200 mm灌注桩23根。

3 勘测资料

根据3座引桥位置分别钻孔，结合3个钻孔资料归纳地质情况如下：

1）珊瑚：乳白～灰绿色（表层太阳照射颜色较深），细粒结构，中等风化，质脆易碎，孔隙发育，取芯困难，钻进过程中漏水。层底标高－8.77 m，层厚6～9 m。该层标贯击数最表层裸露部分N值大于50击。

2）珊瑚屑：浅灰绿色，饱和，松散～稍密。土质不匀，混黏性土及砂，珊瑚屑约占50%。层底标高－17.98 m，层厚9.2 m。该层标贯击数不大，较软，钻进速度快。

3）粉砂：深灰色，饱和，稍密～中密，切面粗糙，摇振反应较迅速，含贝壳碎片，夹黏性土。层底标高－21.37 m，层厚3.4 m。该层标贯击数N值为28击左右。

4）细砂：深灰色，饱和，密实，质较纯，切面粗糙，摇振反应较迅速，下部含较多砾石。层底标高－28.13 m，层厚6.8 m。该层标贯击数N值为35击左右。

5）含砾中砂：灰白～灰绿色，饱和，密实。含砾约占15%～20%，含较多黏性土。层底标高－34.83 m，层厚6.7 m。该层标贯击数N值大于50击。

6）卵砾石：深灰色，饱和，密实，砾石粒径1～2 cm，约占15%～20%，卵石最大粒径4 cm左右，约占30%～35%，混黏土或砂。层底标高－47.15 m，层厚12.3 m。该层标贯击数N值大于50击。

7）最深孔钻到－70.57 m，主要为含砾石、砂土等一系列土层，标贯击数都很大。

4 钻机选型

根据地质钻探资料，表层珊瑚礁比较坚硬，护筒不能直接下沉，由于珊瑚礁不规则，表面不平并且硬度很大，潜水钻机直接钻进较困难，容易毁坏钻机，并且桩位不能保证，需要先用冲击钻进行冲孔。待冲孔一定深度穿透表层珊瑚礁坚硬部分后，换用潜水钻机进行钻孔加快进度，钻到护筒底部时用振动锤配合液压钳进行护筒沉放，然后再进行潜水钻机钻孔。

5 施工工艺流程

5.1 搭设施工平台

根据珊瑚礁的顶面和灌注桩的桩顶标高用型钢制作贝雷架，安放好后在上面根据桩位排架安放用槽钢制作的桩架轨道并加固牢靠。见图1。

图1 施工平台的搭设

5.2 准确放设桩位

在桩架轨道上准确放设桩位控制点，横纵两个方向分别在贝雷架和轨道上做点，用拉绳的方法能够准确定位桩中心点。

5.3 冲击锤进行表面冲孔

利用吊机将冲击钻机吊至桩位处，准确定好位置，钻机加固后不要移动，开始进行冲孔作业。冲孔很慢，需要经常查看冲进速度，避免影响进度，把表层坚硬部分冲透即可停止，一般为1～2 m。

5.4 潜水钻机进行钻孔

把冲击钻机移到其它桩位冲孔，将潜水钻机正位进行钻进。由于珊瑚礁比较坚硬，开始钻进时钻头要抬起少许，避免钻头及钻杆的自身质量太大对钻机造成损害，最好换用大功率的钻头，GZ1500钻头转速较低，对钻进坚硬地层比较适合。待穿透珊瑚层后进入珊瑚屑层钻进速度明显加快，由于珊瑚和珊瑚屑在勘测钻进过程中漏水，为防止以后沉放完护筒底部漏水，钻到距护筒底部还有3 m左右即可停止。

5.5 沉放护筒

把潜水钻机移到其它桩位，用吊机把护筒吊至钻完孔桩位处，调整护筒垂直度慢慢下放护筒使其自然进入钻孔内，由于侧壁摩擦进入一定深度后不能下沉，用型钢进行横纵方向加固护筒保证其垂直度。由于护筒要穿入硬土层，另外此区域地震比较频繁，因此本工程采用壁厚为16 mm的钢护筒。用吊机吊液压钳和振动锤（液压钳和振动锤用螺栓连接成一个整体）进行振沉护筒，在振沉过程中要随时注意护筒的垂直度，利用液压钳夹护筒的侧面位置进行纠偏效果很好，确保护筒的垂直度和桩位的准确。由于液压钳的配电柜及管线太多不好操作，最好1个引桥统一钻完孔后一起沉放护筒。见图2。

图2 护筒的沉放

5.6 护筒内存放膨润土

根据此地区钻探资料反映，地下层内很少有黏性土层，并且很多土层都有孔隙、漏水，钻孔过程中需要用大量泥浆护壁。在陆地制作大的泥浆坑进行制浆还远远不够，需要在护筒内利用潜水钻机进行制浆，这将大大加快制浆速度和制浆数量，保证满足钻孔用浆量。由于本地区没有找到可以制浆的土质，从国内运输膨润土进行制浆。膨润土放到护筒内后最好要等几天，让土充分溶解以增强效果。另外制浆用水最好用淡水进行，确保膨润土充分发挥效用。

5.7 潜水钻机正式钻孔

钻机就位后先启动泥浆泵和转盘，使之空转一段时间，待泥浆置换一定数量达到预期的泥浆浓度后，方可开始钻进。接、卸钻杆的动作要迅速、安全，争取尽快完成，以免停钻时间过长，增加孔底沉淀。

开始钻进时，进尺应适当控制，在护筒刃脚处，应低档慢速钻进，使刃脚处有坚固的泥皮护壁。钻至刃脚下1 m后，可按土质以正常速度钻进。

钻进过程中，每进尺2～3 m，要检查钻孔直径和竖直度，检查工具用圆钢筋笼（外径D等于设计桩径，高度3～5 m）吊入孔内，使钢筋笼中心与钻孔中心重合，如上下各处均无挂阻，则说明钻孔直径和竖直度符合要求。

钻孔深度要保证，贝雷架要支设牢靠，不能因钻机工作导致轨道变形，成孔后根据钻杆在钻机上的留出长度来校验成孔达到的深度。

5.8 成孔后再次注入膨润土

钻机钻孔一般都钻到砾（卵）石砂层，再钻进很困难，桩长在35～45 m，根据地质情况桩底标贯击数N值基本上都在50击以上。由于钻机钻进过程中制作新鲜的泥浆数量有限，此处地质情况含砂量很大，孔内悬浮于泥浆中的砂很多，含砂率远远超过规范规定，需要进行清孔处理。将一定数量（5袋左右）的膨润土再次倒入成好的孔内充分浸润。

5.9 利用钻机进行第一次清孔

待孔内膨润土充分浸润后（一般要至少1 d）即可利用钻机进行第一次清孔。

清孔的主要目的是清除孔底沉渣，孔底沉渣是影响灌注桩承载能力的主要因素之一。

清孔是利用泥浆在流动时所具有的动能冲击桩孔底部的沉渣，使沉渣中的岩粒、砂粒等处于悬浮状态，再利用泥浆胶体的黏结力使悬浮着的沉渣随着泥浆的循环流动被带出桩孔，最终将桩孔内的沉渣清除干净。将钻机的钻杆和钻头伸入到孔底，利用潜水泵进行泥浆循环，从泥浆池内抽出已过滤的泥浆，把孔内含砂量大的泥浆经过沉淀池流入泥浆池，在这过程中要时刻观测孔内抽出的泥浆含砂量以及泥浆池的泥浆浓度，一方面将孔底沉渣进行排除，另一方面将悬浮在孔内泥浆中的砂置换。直到孔口返浆比重持续小于1.10～1.20，测得孔底沉渣厚度小于50 mm，即第一次清孔完成。

清孔完成后，必须检测孔深、直径和倾斜度，其中孔径和孔深须达到设计要求，倾斜度不得大于1%。

清孔后孔内含泥量和孔底沉渣均须符合设计及图纸要求，然后立即吊放钢筋笼和沉放混凝土导管。

5.10 钢筋笼制作和吊放

钢筋笼提前在钢筋场地制作好后进行吊装，吊装之前要先对钻孔进行检测。检测使用的探孔器直径和钻孔直径相符，主要检测钻孔内有无坍塌及孔壁有无影响钢筋安装的障碍物，如突出尖石、树根等，以确保钢筋笼的安装。钢筋笼吊装时对准孔位，尽量竖直轻放、慢放，遇障碍物可慢起慢落和正反旋转使之下落，无效时，立即停止下落，查明原因后再安装。钢筋笼接长时要加快焊接时间，尽可能缩短沉放时间。入孔后牢固定位，容许偏差不大于5 cm，并使钢筋笼处于悬吊状态。

5.11 混凝土导管安放

安放导管应注意导管由孔顶向下插入时必须用滑阀（或密封球）将下口封住，否则孔内的泥渣有可能进入桩身混凝土中影响混凝土质量。另外导管的接口处要密封严密，不得漏气，有必要进行导管的气密性检测，无误后方可使用，以防止漏气漏浆而影响灌注。

在混凝土灌注前利用导管进行第二次清孔。当孔口返浆比重及沉渣厚度均符合规范要求后，应立即进行水下混凝土的灌注工作。

5.12 混凝土灌注

采用导管灌注进行钻孔灌注水下混凝土的施工，为防止发生断桩、夹泥、堵管等现象，在混凝土灌注时应加强对混凝土搅拌时间和混凝土坍落度的控制。混凝土搅拌时间不足会直接影响混凝土的强度，混凝土坍落度采用18～20 cm，并随时了解混凝土面的标高和导管的埋入深度。在施工过程中，要控制好灌注工艺和操作，抽动导管使混凝土面上升的力度要适中，保证有程序地拔管和连续灌注，升降的幅度不能过大。在灌注过程中必须每灌注2 m3左右测一次混凝土面上升的高度，确定每段桩体的充盈系数，《建筑施工操作规程》规定桩身混凝土的充盈系数必须大于1。同时要做好记录，这对日后发现问题桩或评价桩的质量具有很大作用。