双套护筒在处理深水钻孔桩穿孔中的应用

2010-08-15李冠东

山西建筑 2010年7期

李冠东

1 工程概况

连江县粗芦岛大桥为一座跨海大桥，地处闽江口岸，位于连江县头镇东南角，东起于下塘山，西终于北山，全长559.5 m;横跨闽江乌猪港进入粗芦岛，地处福州海积平原边缘地带。桥位水深一般为8 m～24 m，水面宽为430 m，受潮汐影响较大，潮汐性质属半日潮型，潮差较大。根据测量资料统计:最高潮位4.5 m，最低潮位在-2.00 m，平均高潮位2.51 m，平均低潮位-1.59 m，最大潮差6.5 m，最小潮差1.14 m，平均潮差 4.10 m。潮流运动形式为往复流，涨潮流速最大为 1.03 m/s～1.65 m/s，最强潮在高潮前3 h，落潮时流速最大为0.82 m/s～1.29 m/s。

在进行该桥钻孔桩基础施工中，10号-1钻孔桩基础直径为1.8 m，钢护筒直径为 2.0 m，总长 21 m，入土深度3.3 m(黏土)，水深17.0 m，护筒钻孔桩钻孔深度达到53.5 m时出现穿孔现象。

2 穿孔原因分析

桩基钻进过程中，钢护筒内泥浆流失较快，通常肉眼可看到孔内水位高度明显下降，甚至降到正常海面以下时的现象通常称为穿孔现象;在桩基钻进到护筒底部以下一定位置，由于停电、造浆材料缺乏，孔内泥浆补充不及时使孔内泥浆比重达不到规定指标，护壁出现塌孔从而穿孔的现象通常称为反穿孔现象。穿孔现象部分是由于孔内外压力不平衡造成的，部分因为钢护筒底偏位较大(护筒半径加大10 cm满足不了)造成的。当孔内压力大于孔外压力出现穿孔时，不会出现塌孔现象，此时筒内泥浆不断流失，直到最低潮孔内外压力一样时结束(低潮时孔内水位低于海面3 m～5 m)。孔内由于泥浆的流失沉渣迅速沉淀、孔底部泥浆比重加大。涨潮时(潮差6 h)孔内水位不变，孔外水位迅速增加，使钢护筒在孔外水压远大于孔内压力的情况下变形。实际施工中，主要以孔内泥浆比重较大，孔外压力无法平衡孔内压力出现的穿孔现象较为突出。在14号-2，12号-2钻孔桩施工中出现穿孔的原因主要是孔内泥浆比重超过了设计容许的泥浆比重，使孔内外水头失去平衡，从而出现穿孔。10号-1钻孔桩钢护筒埋设时出现一定程度的倾斜，冲击钻在钻进过程中钻头与钢护筒底脚处经常摩擦，破坏钢护筒埋设深度范围内土体的稳定性，从而出现穿孔。

3 穿孔处理方案

在10号-1钻孔桩施工中出现穿孔后，对出现穿孔的原因进行分析，主要是10号-1钻孔桩位于河流中部，水深(18 m以上)、水流急，钢护筒安装时，护筒底脚处偏位大于10 cm(护筒半径比桩半径大10 cm，护筒底部偏位不得大于10 cm)。在冲击钻施工时下落和提升钻头不断的对钢护筒底部进行碰撞，使钢护筒和土体的稳定性遭到不同程度的破坏，从而出现穿孔现象。选择低潮时在钢护筒低潮位置向上1.0 m左右切开一个10 cm×5 cm矩形孔，使海水涨潮时能通过矩形孔流入孔内，平衡孔内外压力，确保钢护筒不变形。在原有钢护筒外重新安装一直径为2.2 m的钢护筒，钢护筒下沉深度比原有钢护筒深1.5 m以上。

4 施工方法

4.1 对穿孔位置进行填塞处理施工

1)穿孔一旦发生立即派专人观测孔内水头，确保孔内水头高度，当孔内水头高于孔外水头高度时，采用泥浆泵将孔内泥浆抽入泥浆池，以防穿孔进一步扩大，加大处理难度。在孔内水头低于孔外水头时，用泥浆泵将泥浆池中的泥浆抽入到孔内，防止钢护筒在外力作用下变形。

2)现场备黏土和河砂。向孔内投土填至地面以上2.0 m左右，确保孔内泥浆不再流失。

3)派潜水员熟悉水下穿孔情况，用船只将黏土袋、河砂袋运至出现穿孔的墩位处，通过吊在钻孔平台的滑轮将黏土袋、河砂袋放入孔底。

4)采用冲击钻机对孔内黏土实行小冲程冲击。缓慢的钻进，到钻锤再次钻出护筒底2.0 m左右后，向孔内投入水泥0.5 t，充分拌匀后静置12 h，开始正常钻进。

4.2 外套护筒的施工

1)经潜水员下水对钢护筒变形情况进行探测，护筒在水深中部变形最大、焊缝部分断开，向上或向下逐渐减小;护筒在地面以上4.0 m左右没有变形，护筒上口向下4.5 m左右没有变形。

2)安排潜水员实行水下切割。

3)潜水员将钢护筒切除完成、出水面后，用起吊设备将钢护筒提起，放在驳船上，运回岸边，用吊车吊起放到适宜的位置。将钻孔平台上的钻机移出，移动钻孔平台上原有工字钢到合适位置，重新测量孔桩中心点，制作井字架作为导向架，简易导向架的大小比外套钢护筒的大1 cm。导向架的中心与孔位中心位置重合。

4)购置直径为2.2 m，壁厚8 mm的钢护筒，在加工厂焊成节长为 9 m，6 m，3 m，1.5 m 不同长度，每节钢护筒采用对接焊，同时在每一条焊缝的周围用20 cm×10 cm×1 cm厚的钢板每间隔1.0 m焊一个连接片，确保钢护筒在下沉过程中和钻孔过程中不会出现焊缝脱焊断开，在钢护筒底端50 cm～100 cm范围，外贴1 cm厚同样弧度的加强钢板，防止振动沉入时卷边变形。用汽车吊将钢护筒堆放在岸边，船吊随时能起吊的位置。

5)钢护筒安装采用船吊起吊、振动锤配合人工进行。安装第一节钢护筒时，尽量选择水位降至底层井字架后，避免钢护筒破坏底层井字架。当下沉钢护筒的长度与切除钢护筒长度相当时，必须放慢下沉速度，使现有钢护筒能将切除钢护筒出露地面部分全部套入现有护筒内。钢护筒入土必须选择在平潮时进行，以防钢护筒受水流作用底部发生偏位现象。钢护筒在靠自重沉入地面一定深度不再下沉时，用船吊起吊振动锤，首先靠振动锤的重量下沉。在振动锤和护筒自重作用下仍无法继续下沉时，开启振动锤电源，振动锤的振动力由护筒传递给土体，使钢护筒沉入到设计深度。检查钢护筒的竖直度、焊缝情况等，符合要求后将钢护筒固定在钻孔平台上，按照正常的钻孔作业方法进行钻孔桩施工。

4.3 双套护筒的施工

1)当钻孔桩出现穿孔后，停止钻孔作业，人工在钢护筒低潮水位以上1.0 m左右切除10 cm×5 cm矩形孔，确保涨退潮自动控制孔内水头，防止钢护筒变形。

2)根据原有钢护筒埋置深度，定制钢护筒的直径和钢护筒长度，以便保证能及时进行钢护筒安装和钻孔桩的施工。钢护筒采用在加工厂焊成节长为9 m，6 m，3 m，1.5 m的不同长度，每节钢护筒采用对接焊，同时在每一条焊缝的周围用20 cm×10 cm×1 cm厚的钢板每间隔1.0 m焊一个连接片，确保钢护筒在下沉过程中和钻孔过程中不会出现焊缝脱焊断开，在钢护筒底端50 cm～100 cm范围，外贴1 cm厚同样弧度的加强钢板，防止振动沉入时卷边变形。同时，移动钻机，将原有用来保证钢护筒竖直度的井字架进行改装，井字架作为简易导向架的大小比外套钢护筒的大小大1 cm。导向架的中心与孔位中心位置重合。

3)钢护筒埋置采用船吊、振动锤配合人工进行。护筒安设前，将原有钢护筒割开的矩形孔用钢板焊好，及时进行外护筒的埋设。安装第一节钢护筒时，尽量选择水位降至底层井字架后，避免钢护筒破坏底层井字架。钢护筒入土必须选择在平潮时进行，以防钢护筒受水流作用底部发生偏位现象。钢护筒在靠自重沉入地面一定深度不再下沉时，用船吊起吊振动锤，首先靠振动锤的重量下沉。在振动锤和护筒自重作用下仍无法继续下沉时，开启振动锤电源，振动锤的振动力由护筒传递给土体，使钢护筒沉入到设计深度。检查钢护筒的竖直度和焊缝，符合要求后将钢护筒固定在钻孔平台上，按正常钻孔桩进行施工。