滨海滩涂环境下桩基施工控制

杨玉宏

(中铁十六局集团第一工程有限公司,北京 101300)



滨海滩涂环境下桩基施工控制

杨玉宏

(中铁十六局集团第一工程有限公司,北京 101300)

摘要：沿海桥梁桩基在淤泥滩涂地质环境下，地质条件差，建设环境复杂，施工组织和施工技术难度很大。以沈海复线高速公路宁德段A3项目为依托，通过介绍淤泥滩涂地质环境下钢护筒的设置及泥浆的选择等，总结出适用于沿海滩涂区淤泥地质环境下保证桥梁桩基施工质量、结构安全的技术要点。施工措施的采取有效地保证了质量、缩短了工期、降低了成本，取得了良好的经济效益。

关键词：滨海滩涂；潮汐；桩基施工；钢护筒；成孔；混凝土灌注；泥浆配比

沈海高速复线宁德漳湾至连江浦口高速A3标段宁德滨海特大桥某标段施工长度2 550 m，共设计桥梁桩基340根：∅1.8 m钻孔灌注桩276根，桩长为63～77 m不等；∅2.0 m钻孔灌注桩64根，桩长为62～69 m不等。设计永久钢护筒底标高依据地质情况和施工工艺要求确定，数量按穿透淤泥层计，工程量为3 268.21 t。

1 工程概况

1.1 地质分析

宁德滨海特大桥地质属冲海积平原地貌，自上而下分层为淤泥层、粉质粘土、卵石层、残积砂质粘性土、全风化花岗岩、砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩、微风化花岗岩，其中対桩基施工影响最大的是淤泥层，最小淤泥层17.8 m，最大淤泥层厚32.8 m，平均层厚在22～28 m左右。滩涂淤泥层属性：高压缩性、高含水性、重度较小。桩基成孔及灌注风险系数增大。

1.2 气候及海相分析

宁德当地雨季长、降雨量大、台风频繁。受潮汐影响，有周期性地涨潮落潮；海湾滩涂上施工潮差大，退潮时滩涂裸露，涨潮时水深3～5 m，每天涨落潮两次。正常施工作业时间短，桩基成孔过程不易控制。

1.3 成本分析

钢护筒设计数量严重不足，按照设计建议无法完成施工；原设计桩头含在淤泥层中，需在流塑态的淤泥中进行开挖，开挖基坑不宜成型且功效低；焊接牛腿及截桩头困难(在狭小的基坑中需用污水泵抽水才能工作)，承台施工缓慢；桩基作业处于养殖区，泥浆需集中运输处理等。

2 冲击钻孔桩施工

2.1 施工工艺流程

根据地质钻探资料分析，本工程采用冲击钻孔桩工艺施工。经测量放样完成桩基作业平台施工和钢护筒安装施工，利用相邻的钢护筒作为泥浆池配合泥浆船进行泥浆循环完成桩基施工。

冲击钻孔桩施工流程：桩基作业平台施工→钢护筒施工→冲击桩成孔施工→钢筋笼加工与安装→桩基混凝土灌注→检桩→截桩头等。

2.2 优化施工工艺

(1)桩基施工前，通过试验确定泥浆配合比。一般工程采用配比为8%，即8 kg的膨润土可掺100 L的水作为膨润土泥浆护壁，必要时加入CMC、纯碱、PHP、纤维物质等来确保泥浆护壁的稳定。现场实际施工时，选择含纳离子相对较多的黏土(含钙离子相对较多的黏土在停钻、下钢筋笼时易于结粒沉淀)，其含量为20%，添加10%带纤维素的膨润土、0.5%～0.65%的工业用氢氧化钠、0.003%丙烯酰氨(PHP)，泥浆调配好之后再开钻[1]。

(2)在钻进过程中，通过增设泥浆旋流除渣器，主要清除钻渣及大部分粉砂，泥浆旋流除渣器出口端再加设一个极细粉砂过滤网，用来过滤剩余粉砂颗粒，确保泥浆质量。在清孔时，采用离心式清孔器循环泥浆，使含砂率快速达到规范要求。

(3)钢筋笼制作时主筋采用直螺纹套筒连接，大大节约了钢筋笼的制作时间和下放时间，也在很大程度上降低了塌孔和缩颈的风险。

(4)通过优化设计方案，提高桩顶、承台标高，平均桩顶标高提升在0.7～1.5 m之间(承台底基本与淤泥顶齐平)。通过提高桩顶标高，不仅减少截桩、承台施工时的基坑开挖难度，而且有效的利用钢护筒；同时，能保证施工过程中孔壁的稳定性、确保成孔安全，而且能保证桩基质量、显著的提高桩的抗弯刚度。

3 钢护筒控制

3.1 施工准备

3.1.1 桩基施工平台搭设

因本项目处于滨海滩涂中，淤泥层平均在22～28 m之间，需搭设牢固稳定的工作平台。施工平台采用6根∅800 mm钢管桩分两排(每排3根)沿横桥向布设在桩基两侧，其上沿桥纵向搭设工字钢I50，再在纵梁上布设横向工字钢I45，然后在横向工字钢上采用[22的槽钢作为平台面板形成临时工作平台。根据打桩机械作业长度和宽度、钢护筒施工预留孔口采用正方形，与道路设计中心线垂直或平行。预留正方形边长应大于钢护筒直径40～50 cm，便于导向架起吊与下放。

3.1.2 钢护筒加工

钢护筒加工采用工厂化集中生产。先将一定规格的单片钢板移至辊床卷板机滚压成型，通过龙门吊移至拼装轨道(拼装轨道要水平，确保调运来的各个短节轴心一致)，利用二氧化碳保护焊将各节焊接成一体，并用十字撑支撑钢护筒内壁，保证成型的成段钢护筒不变形，便于施工现场安装。将拼装好的成段钢护筒移出拼装轨道，进行下一段钢护筒拼装。拼装的钢护筒长度，应根据现有的运输设备及道路状况等综合考虑决定。

3.1.3 导向架加工

为了保证桩基中心点施工准确，现场钢护筒安装必须采用导向架辅助施工。导向架内壁直径与钢护筒外径保持一致，最上口做成喇叭口，便于钢护筒喂入。

3.2 钢护筒施工长度确定

为了加快施工进度，降低施工成本，提高桩基成桩质量，必须对钢护筒的施工长度进行控制。由于滨海滩涂淤泥参数的不确定性，桩基开始施工时，通过对前几根桩基进行试验，总结施工参数，反馈和指导后续桩基施工。

3.2.1 试验桩基施工

(1)第1根桩基，设计孔深66.31 m(护筒顶至孔底长度)，淤泥层厚度22.50 m，桩基施工平台距淤泥表面4.3 m。施工钢护筒总长度27.18 m，其中包括钢护筒顶高出施工平台0.2 m，穿透淤泥层至卵石层。

桩基施工前，将护筒内加满水形成高出淤泥表面一定水头，复核桩位后开始施工。桩基施工至淤泥层层底，护筒外侧与淤泥表面结合处漏浆，直至浆液面(水头高度)与淤泥表面齐平；多次回填膨润土，依然漏浆，涨潮时水头高度与潮水面相平，退潮时水头高度降至淤泥表面齐平。

后续钻孔施工，只能采取水头高度与淤泥表面齐平的方式作业，直至成孔。成孔后，各项指标检查正常，孔底沉渣符合规范要求，灌注正常，成桩质量检测为一类桩。

(2)第2根桩，与第1根桩基平行施工，地质构成、安装钢护筒长度及施工工艺均同第1根桩。但在钢护筒吊装施工中，未一次性准确定位，多次下放、起吊，造成淤泥层扰动，穿孔后地表下陷(实为淤泥层层底塌方)，拔出钢护筒重新安装。拔出的钢护筒，底部一节被压扁。后回填素土，重新下护筒18.12 m，水头高度调至与淤泥表面齐平，桩基施工正常，成桩质量检测为一类桩。

(3)第3根桩，设计孔深66.80 m，淤泥层厚度22.70 m，施工桩基平台距淤泥表面4.5 m。施工钢护筒总长度12.08 m，此时钢护筒底口位于不透水淤泥中，其中包括钢护筒顶高出施工平台0.2 m，未穿透淤泥层。水头高度可以自由调节，在实际施工中，本桩水头高度调至与淤泥表面齐平，桩基施工正常，成桩质量检测为一类桩。

3.2.2 试验桩基施工技术要点

当水头高度保持与淤泥表面一致时，桩基施工只要控制好泥浆比重，桩基成孔比率几乎可以达到百分之百，桩基成孔与钢护筒施工长度的影响不大。

在滨海滩涂环境下，护筒埋置深度尽可能深入到不透水层黏性土内1～1.5 m且不得小于3 m。结合本工程地质情况，通过经验计算和现场统计数据分析，水头高度h和埋入地下钢护筒长度H一般为 h/H=1∶8.5～1∶10.5的比例关系(也可以利用大型通用有限元软件ABAQUS对桩基施工的成孔、成桩阶段进行全过程建模，计算在保证施工安全的条件下钢护筒的理论长度，但往往理论计算长度要比实际施工的长度长很多)。

当h=0时，相当于地面桩基施工(或陆地桩基施工)，水头高度一般与地面齐平，采用钢护筒临时支护，埋入地下钢护筒3.02～4.53 m(施工中采用的每节钢护筒长度为1.51 m)，即可满足施工。

3.2.3 钢护筒长度控制

按照水头高度h和埋入地下钢护筒长度H的比例关系可知，水头高度h变为1.0 m左右，实际控制为1.0 m，地下埋入钢护筒临界长度H变为8.5 m(按1∶8.5计算)，至少需要永久性钢护筒8.65 m(截桩时考虑嵌入承台15 cm)。总安装钢护筒长度根据桩基施工平台距离滩涂淤泥顶高度D灵活控制，总长度计算式为：L=8.5 m+D+0.2 m+1.0 m=D+9.7 m(护筒顶高出平台0.2 m)。

4 桩基成孔控制

4.1 水头高度控制

在滩涂表面以上0.3～0.4 m的护筒处开出一个水口，接上胶皮管并密封不漏水，将其另一端用木筏绑住，漂浮于水面成连通器，胶管上口高出水面的高度等于所需水头高度。施工时，只需向护筒内注入泥浆，胶管上口将自动溢出多余的泥浆，就可保持护筒内水头稳定。通过该连通式自动稳定水头装置，确保施工时的水头稳定，保证成桩质量。

同时，根据试验桩取得的施工控制参数进行调整：

(1)当h=0时，水头高度与地面齐平，相当于在陆地上进行桩基施工。

(2)当h=1.2 m时，现场水头高度应低于1.2 m，甚至考虑与地面齐平，按陆地桩基施工处理。涨潮时，适当地调整至水头高度，不影响桩基成孔施工。

4.2 泥浆比重控制

成孔过程中，泥浆比重控制应按照规范要求调制，过浓与过稀均不利于桩基成孔。泥浆比重过大，一般发生在淤泥层或粘土层，原因是施工速度较快，没有及时稀释泥浆，易造成梅花桩，没有进尺；泥浆比重过小，泥浆护不住壁，易塌孔或偏孔。

淤泥层钻进过程中，泥浆的各项指标要控制在：相对密度1.25～1.3 g/cm3，黏度25～28 Pa·s。进入岩层前，适当加大泥浆比重，能尽快将岩石碎块浮出，加快施工进度。第1次清孔后泥浆的各项指标控制为:相对密度1.2～1.25 g/cm3，黏度22～24 Pa·s[1]。现场情况表明，泥浆比重稍大时，泥浆浮出的岩石碎块较大；泥浆比重相对较小时，泥浆浮出的岩石碎块成颗粒状，进尺较慢。

5 桩基灌注控制

5.1 混凝土质量

混凝土主要组成为粗骨料、细集料和外加剂等。混凝土配合比不合理，粗骨料多细集料少时，导管灌注返料困难，现场钻孔情况表明易出现蜂窝或部分区域内无粗骨料现象；正常混凝土和易性较好，外观上看不到大的骨料，流动性好，灌注速度快，灌注时发出震耳的隆隆声。

混凝土的质量可通过现场的坍落度试验来判别，最佳坍落度现场测试为200 mm比较适宜。

5.2 导管埋入深度控制与灌注速度控制

在灌注混凝土之前，注意潮汐的涨落，保持孔内水头高度，防止孔壁坍塌。在整个灌注时间内，采用选定好的导管，确保出料口伸入先前灌注的混凝土内至少2 m，以防止泥浆及水冲入管内，且不宜大于6 m，经常测量孔内混凝土面层的高程，及时调整导管出料口与混凝土表面的相应位置。为保证灌注混凝土有足够的压力，混凝土漏斗距桩头应控制在适当的范围内。灌注混凝土时，溢出的泥浆引流至泥浆池及时循环至泥浆船。混凝土连续灌注，直至灌注的混凝土顶面高出设计桩顶标高0.5～1.0 m，以保证混凝土强度。

当混凝土顶面升到钢筋笼下端时，为防止钢筋笼被混凝土顶托上升(浮笼)可采取以下措施：

(1)尽量缩短混凝土总的灌注时间，防止顶层混凝土进入钢筋骨架时混凝土流动性过小。

(2)当混凝土顶面距钢筋骨架底部1 m左右时，降低混凝土的灌注速度。当混凝土拌和物上升到骨架底口4 m以上时，提升导管，使其底口高于骨架底部2 m以上后再恢复正常灌注速度。

(3)用工字钢或者槽钢横穿钢筋笼吊环支承于施工平台上，然后固定工字钢或槽钢，防止钢筋笼上浮与下沉。

在钢筋笼下端增设锚固于混凝土内的锚固钢筋，在灌注将近结束时，因导管内混凝土柱高差减小，压力降低，而导管外的泥浆及所含渣土稠度增加，比重增大，如出现混凝土顶升困难时，在孔内加水，稀释泥浆，并掏出部分沉淀土，使灌注工作顺利进行。在提升最后一段长导管时，提升速度要慢，以防止桩顶沉淀的泥浆挤入导管下形成泥心。

5.3 含砂率控制

桩基施工至设计深度时，应停止钻进，开始清孔。清孔优先推荐离心式清孔器，泥沙从封闭的锥形筒一侧靠污水泵管道泵入，利用离心力将渣子从锥尖甩出，多余泥浆回流至桩基孔内，完成单个清孔流程。

离心式清孔器优点：①加快清孔速度，使泥浆中的含砂率快速达到规范要求；②运用锥尖上安装的活动闸阀控制清孔后期的泥浆流失，使泥浆比重和粘度都有保证，防止因泥浆变稀而导致塌孔(扩孔)、缩颈等事故发生，大大提高了成桩质量。

5.4 泥浆比重控制

泥浆比重的大小，直接影响着灌注桩质量的优劣。灌注混凝土前泥浆的指标：相对密度1.20～1.22 g/cm3，黏度20～22 Pa·s。

若泥浆比重过小，则泥浆护壁效果大打折扣(泥皮松动或脱落)，轻则灌注即将结束时泥皮剥落浮在桩基顶部(泥皮在灌注过程中被剥落，由于泥浆重度较混凝土重度相对较小，浮在混凝土表层的上方)，对于深桩多达3～4 m，直接造成桩头顶升困难，引起混凝土超方、因测量埋深不准诱发拔管错误而断桩或因拔管不及时诱发导管埋深过浅而夹泥断桩；重则引起灌注前或灌注过程中孔壁缩径甚至塌方，降低桩基成桩质量或成为废桩。

泥浆比重过大，一般情况下孔底不干净，用测量绳测孔底，感觉发黏，测绳上下拉动吃力。灌注后检桩(达到龄期)，桩底下部强度较差，需要钻芯验证甚至要返工处理。对于孔深较大的桩基，泥浆比重可以适当放大，只要保证灌注前孔底不粘锤且泥浆始终处在循环状态中，成桩质量完全可靠。

6 结束语

通过缩短永久钢护筒的长度和提高桩顶、承台标高减少截桩、承台施工难度，不仅保证了桩基的施工质量，而且有效的缩短了工期，节省钢护筒1 700余t，降低了成本，取得了良好的经济效益。

参考文献

[1]张小波，朱吉建.厚淤泥地质条件下桩基施工难点技术研究[J].施工技术，2012(S2):26-28

On the Construction Control of the Pile Foundation in the Environment of an Intertidal Zone

Yang Yuhong

( The 1st Engineering Co. Ltd. of the 16th Bureau Group of China Railway,Beijing 101300,China )

Abstract:Since coastal bridges are built in the environment of silt or in intertidal zones,the geological conditions there are very poor and the construction environment is complex, in which case there is great difficulty in the organization of the construction and construction techniques.With the A3 Project of the Ning-De Section of the Shen-Hai Double-Line Expressway as a practical example, and upon the basis of introducing the provision of steel pile casing in the geological environment of the intertidal zone, and the choice of the right mud,important points of construction control to ensure the good quality of the construction for the pile foundation of bridges and the safety of structures in the geological environment of intertidal zones are summed up in the paper.These technical measures help ensure the good quality of the construction of the pile foundation, effectively shorten the construction duration and lower the cost, with nice economic effects achieved.

Key words:intertidal zone;tide;construction for pile foundation;steel pile casing;pore-forming;pouring of concrete;mix ratio of the mud

收稿日期：2016-01-11

作者简介：杨玉宏(1983—)，男，工程师，主要从事道路桥梁方面的技术工作49505580@qq.com

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.021

中图分类号：U445.551

文献标识码：B

文章编号：1672-3953(2016)03-0077-04