超厚砂层地质条件下钻孔灌注桩的施工方法探讨

程千红，王立学

（兰州市政建设集团有限责任公司，甘肃兰州 730030）

1 工程概况

张掖市高台县六坝黑河大桥位于高台县城北约1.5 km处，为跨越黑河而设。根据现有河床宽度及主河道、上下游已建桥梁情况，拟建11跨25 m(4×25 m+3×25 m+4×25 m)预应力混凝土连续箱梁桥连接黑河两岸。该桥下部结构采用三柱式桥墩，两岸为肋板式桥台，均为钻孔灌注桩基础，全桥长283.0 m。桥面全宽15.0 m。箱梁布置为2片边梁、2片中梁和1片中间梁。桥墩采用130 cm柱式桥墩，桥台采用肋板式桥台，桩基直径150 cm，其中桥墩桩基30根，每根长30 m，桥台桩基12根，每根长15 m。

2 区域水文地质条件

工程位于河西走廊中段，南部为祁连山北麓，中部是走廊平原，北部是合黎山地，地势南北高，中间低，形若马鞍，境内主要河流黑河在桥址处自东向西流经。本桥地貌单元属河流侵蚀堆积的黑河河漫滩地貌，河床宽浅，该河床摆荡明显，主河槽宽约280 m，低河漫滩地宽约500～1 000 m。地形相对平坦，起伏较小。

本桥址含水层为第四系全新统冲、洪积砂层，类型为孔隙潜水。主要靠大气降水（包括春融季节的冰雪融水）补给，故地下水随季节而明显变化，一般小于1.5 m。此外，由山前洪积平原潜流和雨水渗透补给，并与黑河河水具有明显的水力联系。

根据地勘资料二号钻孔位于桥梁跨中以北28 m处，能够代表该区域的地质情况，见表1。

表1 2号钻孔详细情况一览表

3 桩基施工方案比选

该工程地处祁连山北麓黑河流域，地下水位高，砂层厚度达到20 m以上，施工难度大。在施工基础时,设备的选型非常重要,要根据现场条件、工期要求、地质情况及成本分析等,用科学的方法来选择设备和工艺手段,用最佳的施工工艺,在保证质量、工期、安全的情况下产出最佳的效益。

3.1 冲击循环钻机与回转钻机在施工过程中的优缺点

钻进口径相同的条件下,冲击循环与回转循环各有优点,一般在粘土、亚粘土、淤泥质土层、粉砂层施工时,回转钻机要比冲击循环钻机施工快1倍左右,冲击钻机自重大搬迁困难、时间长等因素,在土层中施工不如回转正循环钻机快,但在卵砾石层、基岩施工中,冲击反循环钻进明显比回转钻机要快3倍左右,从上述情况分析来看,冲击循环在施工复杂地层即卵石层,嵌岩钻孔桩成孔速度上优点明显,尤其在一些丘陵山区地带较为适用,优越性更加显着。

在桩孔成型方面,冲击循环施工孔径一般在粘土、亚粘土、淤泥质土层、粉砂层施工时易坍孔,易缩径,但桩的垂直度比较好。在卵、砾石层施工中都采用冲击循环钻进,由于冲击力较大,容易坍孔,充盈系数偏大。

在成本消耗方面冲击循环的成本消耗要比回转钻机消耗大,冲击钻机动力功率大、耗电量高。钢丝绳消耗大,因自身重量大,搬迁运输成本也比较高。但在卵、砾石层、漂石、块石、基岩施工中,冲击钻进效率高,而回转钻机研磨材料消耗大,钻进速度慢,成孔周期长,如遇大漂石、大块石、硬度较高的花岗岩回转钻机是无法钻进,只用冲击反循环钻机来完成。

在环境影响方面,冲击反循环钻进振动对周围环境影响比回转钻进要大,特别是冲击下部坚硬基础岩面时,冲击对周围产生较大振动，噪音较大，对周围生活环境造成较大影响。

3.2 旋挖钻机施工

旋挖钻机是一种多功能、高效率的灌注桩桩孔的成孔设备。旋挖钻机一般适用粘土、粉土、砂土、淤泥质土、含有部分卵石、碎石的地层，适应于干式（短螺旋）、湿式（回转斗）及岩层（岩心钻）的成孔作业。

旋挖钻机行走机动、灵活，施工方法具有施工质量可靠、成孔速度快、成孔率高、适应性强大，废浆少、低噪音、污染小保护了环境，克服了机械成孔时孔底沉淤土多，桩侧摩阻力低，泥浆管理差的缺点，极大地提高了施工质量。成本方面较冲击钻及回转钻机高。

结合本项目地质情况，施工环境、工程规模及成本分析等，选用正循环回转钻机进行桩基施工。

4 施工工艺

桩基施工工艺见图1。

4.1 施工准备

（1）本项目位于黑河流域，场地部分在河滩地，部分在河道水域，采用筑岛方法及施工围堰，变水中施工为旱地施工。场地准备要确保护筒安设方便，钻机就位稳固，转移运输方便。

（2）制浆池、沉淀池和泥浆池，以及设置泥浆循环净化系统，根据桩基间距两组桥墩（6根桩）设置一组。

图1 桩基施工工艺图

（3）根据设计单位移交的测量控制点，布设施工测量控制网，依据施工测量控制网进行施工放样。首先放出墩位中心线，再放各桩位中心线，并设置护桩。

4.2 埋设钢护筒

（1）钻孔前应设置坚固、不漏水的钢护筒，钢护筒内径应大于钻头直径，使用回转钻机钻孔应比钻头大20 cm。

（2）护筒顶面宜高出施工水位或地下水位1.5～2 m，还应满足孔内泥浆面的高度要求，在旱地或筑岛时应高出施工地面0.5 m。

（3）护筒埋设时应使护筒平面位置中心与桩设计中心一致，中心偏差不得大于5 cm，倾斜度偏差不大于1%。岸滩上护筒埋深砂类土不小于2 m，当表层土松软时，宜将护筒埋置到较坚硬密实的土层至少0.5 m。

4.3 泥浆备制

泥浆性能指标，按地质情况确定，其各项指标参见表2。

造浆后应试验全部性能指标，钻孔过程中应随时检验泥浆比重和含砂率，并填写泥浆试验记录表。

4.4 钻孔

4.4.1 安装钻机

钻机安装前，检查钻机平台是否平整、稳固。钻机安装主要控制钻机及钻架的稳固可靠性，保证位置准确。钻机安装完成后，进行试运转，并检查下列各项，若不符合要求应进行调整、加固。

表2 泥浆性能指标

（1）钻机平台、钻机及钻架稳定牢固，不产生位移及沉降。

（2）应对钢护筒的位置及直径进行复查，钻头、钻杆中心与护筒中心的偏差不得大于5cm。

（3）电力及机械系统运转正常，备好造泥浆粘土和泥浆池。

（4）钻机就位后，应测量护筒顶及平台标高，用于钻孔过程中进行孔深测量参考。孔内出土不得堆积在钻孔周围。

4.4.2 钻进

（1）开钻前应在护筒内存进适量泥浆，开钻时宜低档慢速钻进，钻至护筒下1 m后再以正常速度钻进。

（2）砂类土钻进时容易坍孔，钻进时选用平底钻头，控制进尺，低挡慢速。

（3）开钻前调制足够数量的泥浆，钻进过程中如泥浆有损耗、漏失应予补充。每钻进2 m或地层变化处，应在泥浆槽中捞取钻渣样品，查明土类并记录，以便与设计资料核对。

（4）钻进过程中经常测量孔深，并对照地质柱状图随时调整钻进技术参数。达到设计孔深后及时清孔提钻，清孔时以所换新鲜泥浆达到孔内泥浆含砂量逐渐减少至稳定不沉淀为度。

4.4.3 检孔

钻进中应用检孔器检孔，检孔器用钢筋笼做成，其外径等于设计孔径，长度等于设计孔径的4～6倍，按要求检查钻进中和终孔的孔径。

4.4.4 清孔

在终孔后停止进尺，稍提钻头离孔底10～20 cm空转，并保持泥浆正常循环，以中速将相对密度1.03～1.10的较纯泥浆压入，把钻孔内悬浮钻碴较多的泥浆换出。直至孔底钻碴清除干净。

清孔应达到以下标准：泥浆比重不大于1.1，含砂率小于2%，粘度17～20 s。同时保证水下混凝土灌注前孔底沉碴厚度，摩擦桩不大于30 cm。严禁采用加深钻孔深度的方法代替清孔。

4.5 钢筋笼制作安装

钢筋笼制作成整体，一次吊装就位，避免现场焊接，以减少现场焊接工作量，缩短成孔后灌注混凝土的时间。由于砂层厚，成孔后不及时灌注混凝土容易造成沉渣指标超标。

4.6 混凝土灌注

（1）浇筑水下混凝土前应检查沉渣厚度，沉渣厚度应满足设计要求，如沉渣厚度超出规范要求，则利用导管进行二次清孔。

（2）采用导管技术灌注水下混凝土，导管内径为30 cm，导管采用钢管，每节2～4 m,钢导管内壁光滑、圆顺，内径一致，接口严密。导管直径与桩径及混凝土浇筑速度相适应。使用前进行试拼和水密、承压和接头抗拉试验，按自下而上顺序编号和标示尺度。导管安装后，其底部距孔底有250～400 mm的空间。

（3）计算和控制首批封底混凝土数量，下落时有一定的冲击能量，能把泥浆从导管中排出，并能把导管下口埋入混凝土不小于1m且不大于3m深。足够的冲击能量能够把桩底沉渣尽可能地冲开，是控制桩底沉渣，减少工后沉降的重要环节。

（4）桩基混凝土采用罐车运输配合导管灌注，灌注开始后，应紧凑连续地进行，严禁中途停工。在灌注过程中，应防止混凝土拌和物从漏斗顶溢出或从漏斗外掉入孔底，使泥浆内含有水泥而变稠凝结，致使测探不准确；应注意观察管内混凝土下降和孔内水位升降情况，及时测量孔内混凝土面高度，正确指挥导管的提升和拆除；导管的埋置深度应控制在2～4 m。同时应经常测探孔内混凝土面的位置，即时调整导管埋深。

4.7 质量检验

按设计要求在钢筋笼安装时预埋声测管，成桩后采用声波透射法进行检测。钻孔桩钻孔允许偏差见表3。

表3 钻孔桩钻孔允许偏差

5 结语

在桩基施工时,设备的选型非常重要,对不同的地层采用不同的施工工艺方法。要根据现场条件、工期要求、地制质情况及成本分析等,用科学的方法来选择设备和工艺手段,用最佳的施工工艺,在保证质量、工期、安全的情况下产出最佳的效益。本工程地处河西走廊北麓黑河流域，针对砂层厚，地下水位高等特点选用正循环回转钻机施工桥梁桩基础，总结出了相应的施工工艺和技术参数，对类似地质情况的基础施工具有一定的借鉴作用。