大直径超深钻孔灌注桩施工技术分析

王海峰

【摘要】本文结合具体的工程实例，分析了水中大直径超深钻孔灌注桩的施工方法和施工工艺，以及积累的不良地质条件下水中大直径超深钻孔灌注桩施工经验，可供类似工程施工时参考。

【关键词】桥梁工程；大直径钻孔灌注桩；施工技术；成孔；钢筋笼；水下灌注

1工程概况

该桥全长5143.4m，其中包括正桥、北引桥和南引桥三部分。正桥上部结构桥跨布置为（112+3×168+112）m，采用下承式连续钢桁梁结构，为加大中跨结构刚度，在中跨设置加劲拱；正桥滩地地段采用54.12m预应力混凝土连续箱梁；引桥采用32m预应力混凝土简支箱梁；跨越大堤、北展宽区大堤地段采用主孔为80m的预应力混凝土连续箱梁。均以钻孔灌注桩基础为主，灌注桩桩径为φ2.0m～φ2.5m不等，桩长为70～102m。

2工程特点、难点

⑴桩径为φ2.5m，有效桩长102m，属于超长大直径钻孔桩，地层条件复杂，因此成孔难度极大，选用合理的钻孔设备和成孔工艺是桩基础施工的难点。

⑵水下混凝土灌注量大，如何在合理的灌注时间内进行混凝土供应和组织是桩基础灌孔施工的重点。

3施工固定平台布置

因同一桥墩上钻孔灌注桩相邻桩设计间距较小，为避免在钻孔过程中产生塌孔和钢管桩下沉，采用大跨度贝雷梁作主梁，将固定钻孔平台基础的钢管桩布置在承台以外3.6m处，中间利用部分钢护筒作为竖向支撑。

固定钻孔平台设计长度47m，设计宽度33m；以鋼管桩作为钻孔平台的基础，钢管桩设计规格为φ630×10mm，设计桩长27m，入土深度约18m；钢管桩基础在承台两侧分别设置两排，每排30根钢管桩，在固定钻孔平台与栈桥连接处增加3根钢管桩，位于桥墩承台同一侧的两排相邻钢管桩之间用剪刀撑连接，以提高钻孔平台的整体稳定性。

在顺桥轴线方向两根钢管桩顶布置两根工字钢作小垫梁，工字钢规格为I40b，然后在15组小垫梁上按垂直桥轴线方向布置通长的两根工字钢作上垫梁，垫梁规格为I40b，垫梁与钢管桩之间要求焊接牢固。在上垫梁上布置15组贝雷梁，贝雷梁每两片为一组，梁长为33m，两片贝雷梁之间用标准花架连接。

贝雷梁与上垫梁之间用U型螺栓连接。为增强纵梁的横向稳定性，在相邻两组纵梁之间安装剪刀撑连接，剪刀撑设计规格为[10槽钢。在贝雷梁上按垂直桥轴线方向布置12组次梁，次梁设计规格为2I40b工字钢，次梁与贝雷梁之间用U型螺栓进行连接。钻孔平台平面分配梁采用I32a工字钢，设计间距为0.4m，在分配梁上面铺设厚度为8mm压花钢板作面板；钻孔平台栏杆采用φ48钢管，栏杆立杆设计间距为1.5m，设计高度为1.2m。

钻孔平台顶面高程与栈桥顶面高程相等。在钻机安装就位之前，要求割除待钻孔的钢护筒与钻孔平台之间的竖向连接，采用钢丝绳等软连接方式将钢护筒悬挂在固定钻孔平台上，防止钻孔过程中钢护筒下沉掉入孔中，保持钻孔平台对钢护筒的平面定位作用，防止水流冲刷对钢护筒平面位置的影响。当钻孔灌注桩施工完成之后，再恢复钻孔灌注桩钢护筒与钻孔平台之间的竖向连接，以保证钻孔平台的稳定性。

4钻孔灌注桩施工关键技术

4.1设备选型

综合分析本桥的地层、水文条件、钻孔深度、施工场地条件，结合施工单位的施工管理水平和施工经验等各种因素，通过精心比选，本桥钻孔灌注桩施工选定ZSD250、DW300和GPS250型等三种型号的气举反循环回转型钻机，并备用2台冲击钻机，用于在钻孔灌注桩施工过程中处理遇到的孤石或片石。

4.2泥浆制备

根据对地层条件和钻机类型的分析，确定采用优质膨润土加水解聚丙烯酰胺泥浆，确保钻孔穿越不同地层时不发生扩孔、塌孔，保持孔壁稳定。水中固定钻孔平台用钢管在钢护筒顶面以下1.5m的位置将钢护筒相互之间连通，利用其作为泥浆池和沉淀池，其泥浆进出口和钢护筒内联通。同时在岸上设置较大的泥浆循环池和沉淀池，作为灌注混凝土后置换泥浆的储存池和净化池。

4.2.1原浆制作

将膨润土、纯碱和水搅拌制成原浆。

4.2.2水解聚丙烯酰胺

聚丙烯酰胺（即PAM），本工程选用的PAM为未水解的、含量为8%、分子量为300万。使用前应先进行水解，施工现场水解PAM使用常温法，水解PAM的设计配合比是按PAM∶NaOH∶水=10∶1.15∶70配制，在搅拌筒中搅拌，直至PAM全部水解于水中，水解好之后，放置3～4d后即可使用。

4.2.3 PAM泥浆制备

PAM泥浆的特点是失水量少、泥皮致密和护壁效果好。其制备方法是在原浆中加入一定比例的水解PAM，使两者充分混合，PAM用量根据实测泥浆指标来确定，一般每立方米原浆加入水解PAM20～30kg。采用气举反循环方式排渣，应随时测定泥浆性能指标，确保钻孔内泥浆的质量。

如果发现泥浆性能指标较差，不能满足护壁要求，可在泥浆中加入适量化学处理剂，提高泥浆黏度，改善泥浆性能。钻孔灌注桩在钻孔过程中，对泥浆的性能指标规定如下：在开孔阶段和砂层中钻进时，泥浆相对密度1.03～1.15，黏度22～25s，含砂率<4%，pH值为8～10；在黏土层中钻进时，泥浆相对密度1.05～1.25，黏度18～20s，含砂率<4%，pH值为8～10。

4.3钻机安装就位

钻机安装就位方法是采用汽车将钻机运到固定钻孔平台上，用汽车吊将钻机安装就位，钻机安装就位的要求是钻机转盘中心与钻孔灌注桩中心线在同一竖直线上，对钻误差不大于2cm。在钻机就位过程中，要求使用水准仪检测钻机的整体水平，钻机机架四角的水平误差不大于5mm。如水平误差不符合精度要求，可以用不同厚度的钢板调整。

4.4钻孔施工技术

根据钻孔灌注桩的地层条件，正确地选择钻头类型，钻孔施工方法与技术要求如下：

4.4.1开孔钻进

在钻孔灌注桩开钻时，应首先启动泥浆循环设备，进行正循环，然后，再开动钻机，将钻头轻轻地放入孔底，轻压慢转，待钻头全部钻入地层中之后，再逐步加大钻压和转速到正常值；当钻孔深度达到9m以上时，改用气举反循环作业方式。在钻孔灌注桩的钻孔过程中，应随时注意出水口水量大小，避免因钻进速度过快，造成钻渣无法及时排出引起堵管。要求在反循环出浆口处安装泥浆分离器，对泥浆中的钻渣和沙进行分离处理。

4.4.2正常钻进

当在淤泥和黏土层钻进时，要求控制钻孔进尺，每钻进一个回次的单根钻杆要及时进行扫孔，保证钻孔直径符合设计与施工规范要求；在钻孔灌注桩正常钻进过程中，要根据钻渣的变化情况来判断地层的变化，并根据地层的变化来调整泥浆的性能指标，以保证成孔速度和成孔质量。

4.4.3钻孔施工的注意事项

⑴在钻孔灌注桩的钻进过程中，应及时向钻孔内补充泥浆，保持护筒内的水头高度，保证孔壁稳定。如出现较严重的漏浆、钻杆断裂等异常情况时，应立即停止钻进，分析产生异常现象的主要原因，并正确地进行处理。

⑵在升降钻具的过程中，要求做到慢速、平稳，防止钻头碰挂孔壁。

⑶加接钻杆的要求是首先停止钻进，将钻头提离孔底的高度约为30cm，维持泥浆循环5min以上，以清除孔底沉渣，并将管道内的钻渣携出排净，然后再加接钻杆。停机以后由于孔内气体的排出，泥浆面下降较多，应及时用正循环泵补充泥浆，保持钻孔内的水头。钻杆连接螺栓应拧紧上牢，认真检查钻杆接头处的密封圈，以防钻杆接头漏水漏气，使反循环无法正常工作。

⑷当钻孔终孔之后，要及时采用电子探孔仪对钻孔灌注桩的孔径、孔深、钻孔垂直度进行探测，要求一次检验合格率为100%。

4.5第一次清孔

该大桥钻孔灌注桩具有孔径大、超孔深等特点，因此，终孔后泥浆各项指标调整所需时间较长，为了缩短成桩时间，在保证护壁稳定的条件下，当钻孔深度接近设计高程时，在泥浆循环管路上安装一台泥浆分离器，对循环泥浆进行双重净化，然后再注入钻孔内。

4.6钢筋笼制作与安装

钻孔灌注桩钢筋笼具有直径大，长度较长，重量较重等特点。主筋设计为φ25圆钢，采用滚压直螺纹套筒连接方式。

4.6.1钢筋笼制作

为保证钢筋笼主筋滚压直螺纹套筒在下沉时准确对接，在施工现场设置了与钢筋笼总长相当的钢筋加工平台，在钢筋笼安装之前，要求在钢筋加工平台上进行钢筋笼的预连接，保证每节钢筋笼与相邻节段准确连接，钢筋笼安装的技术要求是边拆解、边吊装。钢筋笼每节制作长度为13.5m，采用专用的运输车辆直接运至固定钻孔平台上。

4.6.2钢筋笼安装

采用浮吊或汽车吊安装，钢筋笼下沉到设计位置之后，用抽拉式粗钢丝绳作为吊环悬挂在固定钻孔平台的横梁上，为保证钢筋笼位置准确，要求吊环对称布置。

4.7灌注水下混凝土前的二次清孔

以灌注水下混凝土的导管作为清孔吸管，在导管上口加工一个弯管和导管接头，在弯管中部安装一根钢管，伸入导管内，作为向孔底输送高压风的管路，高压送风管路长度要求大于孔内水头到出浆口高度的1.5倍，且不小于15m。二次清孔示意图如图1所示。

高压送风管外接一台流量为22m3/min的空压机，导管弯管出浆口接泥浆分离器，泥浆分离器出口接泥浆管通入孔内。二次清孔时，空压机将高压风通过高压风管经导管送入钻孔内，钻孔内泥浆及孔底沉淀物被送入的高压风冲起，由于负压作用迫使混着沉淀物的泥浆从导管中吸出，泥浆吸出之后直接进入泥浆分离器，经过泥浆分离器对泥浆的筛分过滤，悬浮在泥浆中的细砂被泥浆分离器分离出来，由出砂口排出。

过滤完毕的泥浆流入相邻孔内，由于钻孔时已将邻近的护筒通过管路连通，被机械净化了的泥浆在护筒中再次通过沉淀净化，然后经相邻两护筒的连接管流入正在进行二次清孔的钻孔内，形成一个完整的循环路径。二次清孔开始时先向孔内供优质泥浆，然后送风清孔。停止清孔时，应先关气后断水，以防水头损失而造成塌孔。如此反复循环净化，使清孔后的泥浆指标和孔底沉淀厚度满足规范和设计文件规定要求。

图1二次清孔示意图

5灌注水下混凝土

在灌注水下混凝土施工之前，应充分作好施工准备工作：⑴对水下混凝土的配合比进行优化，保证水下混凝土使用最佳配合比，水下混凝土的坍落度控制在18～22cm之间；⑵储备足够数量砂子、碎石、水泥和其他材料，保证水下混凝土施工的连续性；⑶在水下混凝土灌注之前，要求对各种施工机械进行全面质量检查，确保施工机械技术状态良好，满足连续施工要求；⑷导管在使用之前，应进行调直、试拼组装，做水密承压试验，准确记录试压编号及自下而上标示尺度。

5.1 混凝土生产

拌和平台设置2套90型搅拌机及配套生产线生产混凝土，每台搅拌机配置1台80型拖泵输送混凝土。混凝土所用原材料均由船运补给，其中碎石、砂等地材由拌和站抓斗由运输船直接抓运至储料仓，而水泥和粉煤灰等胶凝材料则在驳船上设置9个100t散装水泥罐运输至平台旁，利用驳船上配备的空压机将粉状胶凝材料气吹进储料罐内。

5.2 水下混凝土灌注施工工艺

第二次清孔结束后，立即安排水下混凝土灌注，灌注采用直径φ305mm带游轮螺母的导管，每次使用前均进行水密承压试验，以保证密封性能可靠和在水下作业时导管不渗漏，水密试验的水压为1.5MPa。灌注施丁平面布置大、小料斗和导管夹板，规范规定的首批混凝土灌注计算式计算导管1m埋深所需首批方量，并取1.2倍保险系数后确定大料斗容积。首批灌注前，先将大、小料斗均装满混凝土。

大料斗装满时先打开大料斗阀门将混凝土通过溜槽流入小料斗内，同时继续送料至大料斗，待小料斗将满时拔起导管塞，下灌首批混凝土，待首批混凝土成功下灌后用测绳测量混凝土顶面标高，确保导管埋深满足规范要求。连续灌注水下混凝土，灌注过程中经常测量混凝土顶面标高，当计算确定导管埋深到6m后即暂停灌注，安排拆除导管。拆除导管前慢速起拔导管，控制起拔高度，快速拆除导管。继续按照测量混凝土顶标高确定导管埋深，满足拔管要求即暂停灌注，并拆除导管。

6钻孔过程中的质量控制及成孔检查

⑴钻孔过程中要经常用水平尺和线锤检查转盘的水平度和钻架的垂直度，确保成孔轴线顺直。

⑵深孔鉆进时，要经常观察排渣口的出浆情况，若发现排渣不连续，可能是因风力不足所致，要立即起用中间风包，中间风包设置的位置一般距泥浆面50～60m左右。

⑶钻孔过程中需要调配泥浆时，不得将碱或膨润土直接倒入孔中，应用水稀释后缓慢加入泥浆循环池内。

⑷滚刀钻头每次使用前后应认真检查各牙轮安装位置、方向是否正确，焊接是否牢靠。钻孔钻具拆除后，应有专人对钻具焊缝螺栓连接部位及钻头合金、滚刀进行检查，及时进行修补和更换。

（5）成桩检测

当桩基混凝土灌注28d后，根据设计要求的频率和检测方法进行成桩检测。检测时，将桩顶的土方开挖，露出桩头，风枪凿除桩头顶面的浮浆，露出新鲜桩基混凝土，通知现场监理、质量检测部门进行桩基检测。

7 结语

近几年，大直径钻孔灌注桩的运用越来越普遍，这是因为它具有单桩承载力高，抗震性能良好，无振动，钻孔时对土壤没有挤密作用等优点，通过该大桥大直径水下灌注桩工艺的实践，可为同类型桥梁施工提供参考。

参考文献：

[1]JTJ041-2000，公路桥涵施工技术规范[S].

[2]JGJ94-2008，建筑桩基技术规范[S].

[3]赵炜.复杂地层条件钻7L灌注桩的施工方法[J].山西建筑，2014（22）：58-59.