水中钻孔灌注桩施工技术探析

刘鹏盛

（福建省闽西交通工程有限公司， 福建 龙岩 364000）

1 工程概况

漳平南互通A匝道2号桥位于漳平市芦芝乡，跨越九孔江北溪及鹰厦铁路。左线桥起讫桩号为AK0+818.25～AK1+569.75，全长751.5m。上部桥型布置为5×30m+5×30m+5×30m+5×30.5m+4×35.5m预制连续T梁。右线桥起讫桩号为AK0+818.25～AK1+530.25，全长712m。上部桥型布置为5×30m+5×30m+5×30m+4×29.5m+4×34.5m预制连续T梁。下部结构采用柱式墩，桩基础采用钻孔灌注桩。其中4#～9#墩位于九龙江中，平均水深为10m，桩径为1.6m，桩长为28～34m，桩型为摩擦桩，桩端岩层为碎块状强风化花岗岩，桩基数量共24根。

2 地质条件

桥址范围的地层从上到下分述如下：①粉质粘土，呈软塑状态，含有少量粗砂，层厚5.30～7.60m；②粗砂，夹杂少量卵石，呈中密状态，层厚2.60～5.10m；③卵石，呈稍密～中密状态，次圆状，粒径为30～50mm，局部含有漂石，块径为600～900mm。卵石颗粒间填充粗砂和粘性土，层厚3.20～6.80m；④残积粘性土，含有少量卵石，呈可塑状态，层厚1.50～3.10m；⑤全风化花岗岩，手捏易散，岩体极破碎，呈硬塑状态，层厚2.10～6.40m；⑥砂土状强风化花岗岩，风化强烈，岩芯呈砂土状，属于软岩，散体状构造，层厚1.10～10.60m；⑦碎块状强风化花岗岩，中粗粒花岗结构，裂缝发育，岩体破碎，层厚11.40～32.10m；⑧中风化花岗岩，岩体完整，属于较硬岩，块状构造，层厚7.10～12.70m。

3 钻孔平台方案比选

3.1 围堰筑岛方案

通常情况下，水深≤3m且流速≤1.5m/s，河床土质渗水性较小，采用土袋围堰；水深≤5m且流速≤3.0m/s，河床较为平缓，采用膜袋围堰；水深≥4m且流速较大采用钢笼围堰。该方案不需要大型打桩机施工设备，围堰筑岛的材料可以就地取材，施工难度小，施工成本低。但是在江中围堰筑岛会减少江道的过水面积，在暴雨或汛期会出现排洪不畅的现象，施工安全无保障。另外围堰筑岛会导致江道的生态环境受到破坏，钻孔灌注桩施工中的泥浆会严重污染江道，环保无法满足政策规定。

3.2 浮式钻孔平台方案

该方案主要分为浮箱式或船组式钻孔平台，由浮箱或铁驳船、承重分配梁、连接系统、定位锚碇系统及面板组成。该方案适用于流速≤2m/s，通航较小和河床覆盖层较薄的河流。该方案施工速度快、施工成本低和施工难度较小。但是钻孔平台的稳定性不佳，受洪水、水深和流速的影响较大，灌注桩成孔精度和施工安全不好把控。

3.3 固定钻孔平台方案

该方案是指在江中施打钢管桩，接着搭设钢便桥和钻孔平台，最后进行灌注桩施工。该方案适用于水深≤25m，河床覆盖层厚度≥5m的河流。该方案钻孔灌注桩的成孔精度和施工安全不受洪水、水深和流速等因素的影响，施工质量和安全均有保障。但是施工中需要大量的钢材，施工成本较高。

本工程水流速度为1.93m/s，平均水深为10m，无通航要求，河床覆盖层深厚，综合考虑钻孔灌注桩施工质量、安全、环保和施工成本等因素，最终选择固定钻孔平台方案。

4 钢便桥和钻孔平台设计、计算及施工

4.1 钢便桥和钻孔平台设计

本工程需要搭设钢便桥和钻孔钢平台，九龙江正常水位为155m，百年一遇洪水水位为164.01m，上年洪水位156.82m，钢便桥的桥面高程确定为160.3m，保证在正常水位情况钢便桥下有3.5m的净高，确保钢便桥施工安全性。钢便桥的起讫桩号为K0+926～K1+137，全长为211m，纵向单跨以9m的跨径布置23跨，桥面宽度为6m。钢便桥设置在下游与墩柱中心距离为3m的位置。基础采用桩径φ530mm×8mm的钢管桩，单墩布置3根钢管桩，横向间距2.25m。钢管桩之间在水平向与剪刀向采用[10a槽钢焊接牢固。每隔36m布设制动墩1个，制动墩由间距为2m的双排钢管组成，共6根钢管。下部结构为2根I40b工字钢横梁，上部结构为6片150cm×300cm国产贝雷片，贝雷片横向联结采用90型定型支撑片，纵向联结采用贝雷销。采用U型铁件将工字钢横梁和贝雷片联结成整体。桥面结构为I20a@40cm工字钢分配梁，梁上每隔2cm铺设纵向[25槽钢作为面板。防护栏杆采用直径为5cm镀锌钢管，栏杆高度为1.5m，栏杆立杆间距为1.5m，纵向设置2道水平横杆。钢平台尺寸为27m×10m（长×宽），基础采用桩径φ426mm×8mm的钢管桩，纵向单跨以9m的跨径布置3跨，单墩布置4根钢管桩，横向间距为4.3m+1.5m+4.3m。下部结构为2根I36b工字钢横梁，上部结构为8片150cm×300cm国产贝雷片，桥面结构为I36b@75cm工字钢分配梁，梁上每隔2cm铺设纵向[22槽钢作为面板。防护栏杆采用直径为5cm镀锌钢管，栏杆高度为1.2m，栏杆立杆间距为2m，纵向设置2道水平横杆。

4.2 钢便桥和钻孔平台计算

本工程钢便桥和钢平台均采用梁柱式钢管贝雷梁简支结构设计，主要计算荷载为结构自重、履带式起重机自重和吊重合计65t和汽车-20重车按55t计等，分别标识为荷载1～荷载3。所有钢构件均按照《路桥施工计算手册》计取容许应力，钢材容许应力提高系数取1.3，汽车冲击系数K取1.3，计算软件采用Midas，建模验算。以钢便桥为例，主要计算贝雷梁、I40b工字钢横梁和钢管桩的稳定性。

（1）贝雷梁受力验算

荷载组合为荷载1+荷载2，单片自重为2.75kN，弹性模量E为2.1×105MPa，惯性矩I为250500cm4，跨径l为9m，汽车中轴自重为24t，后轴自重为14t，单跨贝雷片纵梁线荷载q1=5.5kN/m，单跨桥面板及横向分配工钢线荷载q2=11.67kN/m，桥梁自重产生的线荷载q＝q1+q2=17.2kN/m，汽车后轴自重P11为280kN，中轴自重P12为240kN，起重机自重P2为650kN，所有活载均简化为集中力进行验算。汽车作用在跨中弯矩M1=0.25P11l=630kN·m，起重机作用在跨中弯矩M2=0.25P2l=1463kN· m， 桥面恒载产生最大弯矩M3=0.125ql2=174.2kN·m，起重机和恒载作用在跨中产生最大弯矩M=1.3×M2+M3=2076kN·m＜[M]=4256kN·m。汽车作用在临近支点产生的剪力Q1为266.3kN，起重机产生的剪力Q2为458.6kN，恒载产生的剪力Q3为77.4kN，起重机和恒载作用在支点处产生剪力Qmax=KQ2+Q3=674kN＜[Q]=1471kN。起重机在跨中产生最大挠度fmax＝（ KP2l3）/(48EI)+ 5ql4/384EI=4.63mm＜[f]=9000/400=22.5mm。贝雷梁的强度与刚度均满足使用要求。

（2）I40b工字钢横梁受力验算

荷载组合为荷载1+荷载2，跨径l为2.25m，工字钢截面模量W为1139cm3，截面积S为671.2cm2，惯性矩I为22781cm4，腰厚度d为12.5mm，按两跨连续梁计算，桥面槽钢产生荷载P1为54.8kN，I20a工字钢产生荷载P2为50.3kN，贝雷梁产生荷载P3为49.5kN，I40b工字钢自重P4为6.7kN，起重机产生机械荷载P5为845kN。横梁跨中产生的荷载P=（P1+P2+P3+P4+P5）/2=503.2kN，Mmax＝0.188Pl=213kN·m，Qmax=(0.688+0.688)P=693kN，横梁的强度σ ＝Mmax/W=98.1MPa＜1.3×[σ]=188MPa。支座处剪应力τmax＝QmaxS/（Id）=81.8MPa＜1.3 × [τ]=110MPa 。 最大挠度fmax=0.911Pl3/(100EI)= 1.1mm＜[f]=2250/400=5.6mm。I40b工字钢横梁强度与刚度均满足使用要求。

（3）钢管桩承载力验算

当起重机位于墩位处时钢管桩处于最不利情况，钢管桩受力最大为693kN。钢管桩入土地层为6m粉质粘土+1m粗砂，钢管桩单桩轴向受压容许承载力[P]=U∑liτ，其中U代表钢管桩的周长，取值为1.664m；li代表进入土层深度；τ代表土层与桩壁的极限摩阻力，粉质粘土取值60kPa，粗砂取值为90kPa。[P]=1.664×（6×60+1×90）=749kN＞693kN。钢管桩入土深度为7m即满足承载力要求。钢管桩总长度为7+10+0.5=17.5m。

4.3 钢便桥和钻孔平台施工

钢管桩采用定位船配合施打，施工方法为悬打法，采用38t履带吊与振动锤相配合，钢管桩施打过程中应不断检查桩的垂直度和桩位偏差，垂直度偏差控制1%之内，当贯入度＜5cm/min，激振5min后无明显下沉即可停止施打。钢管桩接长采用满焊形式，焊缝应饱满，焊接质量应满足规范要求。钢管桩施工后应及时焊接水平撑和斜撑，桩顶找平后加焊钢盖板。接着按照设计要求安装工字钢横梁、架设贝雷粱、安装工字钢分配梁、铺设面板和安装护栏。对各个节点联结质量进行检查，确保钢便桥和钢平台的稳定性与安全性。

5 水中桩主要施工技术

5.1 设备选型

由于卵石层中存在较大的漂石，回旋钻机施工相对困难，钻头磨损较大。而冲击钻机采用重锤快打的方式即可成功击穿漂石。综合考虑地质条件、钻孔深度和环境制约等因素，本工程钻孔灌注桩选用JK-6型冲击钻机进行正循环成孔，清孔工艺采用气举反循环。

5.2 埋设钢护筒

钢护筒的直径为1800mm，壁厚为12mm。由于江水流速较急，对钢护筒埋设的垂直度影响较大。采用I25b工字钢制作成双层导向架，顶层导向架与钢平台工字钢焊接相联，底层导向架与钢管桩上水平撑焊接相联。采用120型振动锤振沉钢护筒，护筒埋设应准确与稳定，护筒平面位置偏差≤50mm，倾斜度≤1%。护筒进入不透水层深度为3m。采用工字钢将钢护筒固定在钻机平台上，避免孔壁坍陷时钢护筒掉落或倾斜。

5.3 护壁泥浆制备与控制

由于地层较为复杂，本工程采用优质泥浆进行护壁。在钢护筒内投入膨润土、碳酸钠和羧甲基纤维素，其中碳酸钠和羧甲基纤维素的掺量分别为0.05%和0.1%，采用桩锤搅拌均匀，泥浆的黏度为25～30s，比重为1.2～1.4，含砂率≤4%，PH值为8～11。粗砂层和卵石层泥浆比重为1.4，碎块状强风化花岗岩泥浆比重为1.2，其余土层的泥浆比重为1.3，孔内泥浆面应高出江面1.5～2.0m。

5.4 泥浆池设置

由于钢平台上场地相对狭小，水中桩施工存在无法设置泥浆池的共性难题。钢护筒顶面与河床的距离14～16m，桩基施工时将临近桩的钢护筒采用溜槽连接起来作为泥浆池，使得泥浆在≥2个钢护筒间进行循环和净化。已灌注混凝土的桩基钢护筒不拆除作为后续桩基的备用泥浆池，多余的泥浆采用槽罐车外运弃浆，避免泥浆污染九龙江。

5.5 沉渣厚度控制

由于地层中存在粗砂层、卵石层和强风化花岗岩，冲击成孔产生的钻渣较多，为了避免沉渣厚度超标，在沉淀池设置振动筛滤网，该措施能够有效地将岩屑过滤。清孔时在泥浆回流孔内位置设置滤砂器，利用滤砂器的涡流离心力将泥浆与粗砂分离，该措施能够有效减少泥浆的含砂率。

6 结束语

本工程桩基施工完成后按照设计要求进行成桩检测，检测结果满足设计要求。实践表明，上述的水中钻孔灌注桩施工技术能够确保桩基质量，为类似项目积累一定的经验。