复杂地质条件下的内河高桩码头嵌岩灌注桩成孔施工技术

2020-07-01陈火见曹健惠

建筑施工 2020年3期

关键词：钢护筒卵石成孔

陈火见黄华曹健惠潘君

中船第九设计研究院工程有限公司上海 200063

在我国桥梁、码头工程中，采用灌注桩作为基础的情况较为普遍。目前，对灌注桩承载性状和全过程施工进行研究的论文较多，对灌注桩成孔方面的研究，多为技术、质量控制方面，而对于复杂地质情况下的嵌岩灌注桩成孔施工，就不多见了。

本文将阐述某内河码头工程在复杂地质情况下嵌岩深度达5 m的灌注桩成孔施工，以期为今后类似情况码头施工建设提供经验借鉴。

1 工程概述

某内河码头总长362 m，宽30 m，采用高桩梁板式结构。码头排架间距7.0 m，每个排架下设6根φ1 000 mm钻孔灌注嵌岩桩，桩端进入中风化岩层5 m，桩基随岩基面起伏，桩长26.2～36.2 m。桩基外套钢护筒到桩顶，下端进入中风化岩0.5 m。

码头后方共设3座引桥，分别位于码头的两端和中间位置。3座引桥靠码头侧一跨为高桩墩台结构，下设2排φ800 mm钻孔灌注桩，桩底进入中风化岩面5 m。桩基外套钢护筒到桩顶，下端进入中风化岩0.5 m。引桥靠岸侧采用直立式低桩承台结构，顺防汛大堤岸线布置。承台结构采用L形挡墙，下设2排φ800 mm钻孔灌注桩，桩底进入中风化岩面5 m。桩基外套钢护筒到桩顶，下端进入中风化岩0.5 m。

防洪堤位于码头后方，与码头走向一致，采用直立式护岸结构，为L形钢筋混凝土挡墙。挡墙底板下布置2排φ800 mm钻孔灌注桩，桩基底进入卵石层3 m。

2 复杂工程地质情况及成因分析

2.1 地形地貌

从工程大区域来看，区内地形平坦，地势南高、北低，下游位于海积平原，上游大部位于河谷平原区和山前倾斜平原区。河谷平原地势平坦，由上游向下游略微倾斜，其横向宽度变化大，山前倾斜平原由丘陵区向河谷倾斜，由洪积扇和坡积群组成，在山前沟口断续分布。

从工程小区域来看，工程水域宽约250 m，河床由于采砂等人类活动，航道水域深度不一，底高程在-6.0～1.0 m之间，码头停泊水域底高程为1.0～4.0 m。码头近岸陆域为作为临时码头使用的不规则河漫滩地。

2.2 地基土构成

根据钻探揭露，按地基土时代成因、物理力学性质特征，将场地地基土自上而下依次分为以下5个主要层：

1）人工填土层：素填土（Qml）。

2）第1大层（河床河漫滩相沉积层Q4al）：①1砂混淤泥、①2淤泥质黏土。

3）第2大层（河床河漫滩相沉积层Q4al）：②1圆砾、②2粉土、②3淤泥质黏土、②4粉质黏土。

4）第3大层（冲洪积层Q3al+dl）：③1卵石混砂、③2砂混卵石、③3卵石。

5）第4大层（晚侏罗纪基岩J3）：④1强风化凝灰岩、④2中风化凝灰岩。

2.3 复杂地质情况

本工程地质情况的复杂性主要体现在第3大层和第4大层。第3大层最为复杂，从上到下主要由砂混卵石、卵石混砂和卵石构成，土质不均匀、卵石径大小不一、分层厚度变化大。

造成第3大层地质复杂的主要原因是该段河道为较早时期的采砂河段。河砂采走后，为了保持河岸的稳定，人工随意回填了大量大小不一的卵石，之后经过若干年的河床淤积，导致了目前的砂混卵石层、卵石混砂层和卵石层的复杂地质情况。

第4大层的地质复杂性主要体现在岩面起伏变化大、岩石强度变化大，给判定中风化岩面造成了一定的困难。造成复杂地质的原因是该区域处于剥蚀丘陵区，地形起伏大，风化岩风化程度不一。

3 筑岛平台及成孔施工流程

3.1 筑岛平台

本码头工程的嵌岩灌注桩，除少量可以进行陆上施工外，其余大部分桩基均处于水上。因此，必须有一个用于灌注桩成孔施工的机械作业平台，该平台必须高出水面，形成一个干作业的施工环境[1]。

原计划搭设钢平台，该钢平台必须满足具备移动荷载为55 t履带起重机（臂长22 m）、6 m3混凝土搅拌车（25 t）、25 t汽车、冲击钻机（13 t）配3 t冲锤、回旋钻机（10 t）及常规施工机具等的施工需要，并满足周转材料堆载。因此，钢平台采用钢管桩、H型钢和321型钢梁结构。搭设钢平台时，钢管桩需采用起重船进行水上沉桩，拔除钢平台钢管桩时采用浮吊配合振动锤进行。但该内河水域在附近下游桥梁限高的情况下，起重船和浮吊无法到达施工现场。受此情况限制，作业平台方案改为筑岛平台。

筑岛平台（图1）前沿超出码头前沿线3 m，两端超出码头平台轮廓2 m。临水面钢板桩支挡，以形成直立面，减少土方量，也减少对过洪断面的影响。钢板桩内填塘渣，上下游两端分别延伸10 m，以便筑岛端部放坡。筑岛主体回填塘渣及碎石土，标高超出河道常年平均水位1 m。驻岛平台形成后，可保证未发洪水的情况下，灌注桩成孔处于一个干作业的施工环境，使水上作业变成了陆地干作业，改善了作业环境，施工质量也可得到更好的保障。

图筑岛平台示意

3.2 成孔施工流程

本工程的嵌岩灌注桩与常规的灌注桩成孔工艺有所不同。在常规的成孔工艺中，钢护筒在混凝土浇筑后还需拔除[2]。在本工程中，嵌岩灌注桩设计有钢护筒全护壁，护筒从桩顶一直至中风化岩面下50 cm。钢护筒在灌注桩成孔后将作为桩体的一部分，不予拔出。

因此，嵌岩灌注桩成孔施工流程也和常规的灌注桩成孔施工流程不一样，在成孔过程中钢护筒沉设需及时跟进，以防坍孔或颈缩。具体成孔施工流程为：桩位放样→沉设第1节钢护筒→第1、第2大层成孔→焊接第2节钢护筒→第3大层成孔、沉设钢护筒→焊接第3节钢护筒→强风化岩成孔、沉设钢护筒→判别中风化岩层→嵌岩5 m成孔。

4 成孔试桩比选

4.1 试桩理由

本工程的嵌岩灌注桩成孔时需穿过土质不均匀、卵石粒径大小不一、分层厚度变化大的第3大层，极易坍孔埋钻，施工难度较大。码头及引桥全部采用嵌岩灌注桩作为桩基，嵌岩灌注桩基嵌入中风化岩面不小于5 m，成孔机械钻头在进入中风化岩层后成孔困难。鉴于上述情况，为了找到适合该地质情况的嵌岩灌注桩成孔施工工艺及机械设备，提高成孔施工效率，成孔试桩势在必行[3]。

4.2 成孔试桩

本工程共采用了3种机械进行成孔试桩，即冲击钻机械、回旋钻机械及旋挖钻机械。成孔的方式有2种：第1种，回旋钻+冲击钻成孔；第2种，旋挖钻成孔。

4.2.1 回旋钻+冲击钻成孔

灌注桩的钢护筒分节制造，采用钻打结合、振动沉设的方法施工，相当于引孔后沉设。成孔工艺将采用钻冲结合，即离散土层采用回旋钻成孔；进入强风化岩层后，则换冲击钻嵌岩成孔，无护筒段成孔均采用泥浆护壁。

采用回旋钻加冲击钻产生的主要问题如下：

1）成孔时间长，特别是冲击成孔，一根桩成孔完成大约需3 d。造成成孔时间长的主要原因是清渣和坍孔处理。

2）环境污染严重，因成孔过程中采用泥浆护壁，且冲孔过程中噪声比较大，故对环境影响严重。

3）充裕系数大，在强风化岩层中成孔，护壁的泥浆流失严重，很容易产生坍孔，充裕系数最高达到2.0。

4）机械移动缓慢，冲击钻机和回旋钻机靠的是滚轴移动，动作缓慢且移动不便。

4.2.2 旋挖钻成孔

从地面开始一直至完成5 m嵌岩，全部采用旋挖钻成孔。为了适应高出地面的钢护筒，钻杆需比正常的短5 m左右，以便于钻头抬出护筒弃泥土。

旋挖钻机为履带式，移动方便，成孔施工过程中噪声小，无泥浆护壁，环境影响小。

4.3 比选

通过成孔试桩，从效率、费用、环保等方面进行比较（表1）[4-7]，以便确定经济、合理、适用的成孔施工机械。

表1 成孔比选

从表1可以看出，采用旋挖钻进行成孔，虽然在综合单价上比回旋钻加冲击钻成孔要贵一些，但缩短了施工时间，且过程中不易坍孔，同时更环保。

5 完善旋挖钻机成孔施工

旋挖钻能在强、中风化岩层中成孔，主要是依靠加大压力将钻头截齿压入岩石，在强大的动力头输出扭矩的作用下，使岩石产生剪切破碎。旋挖钻机在施工过程中，通过动力头的旋转驱动钻杆，带动钻具旋转，在加压载荷与旋转扭矩的作用下，钻具与岩石的接触面之间就会产生剪切力，实现剪切破岩。

在使用旋挖钻成孔过程中，也碰到了在卵石层中成孔时钢护筒无法跟进、在进入中风化岩层后成孔效率低下、钻具磨损严重等不利因素。为了克服上述不利因素，在采用旋挖钻机成孔施工过程中，应不断进行完善。

5.1 扩孔钻头扩孔

在卵石层中成孔，若钢护筒不及时跟进，则易导致坍孔或颈缩。为了解决在卵石层中成孔时钢护筒无法跟进的问题，在进入卵石层成孔后，将旋挖钻机的钻头更换为扩孔钻头，采用扩孔钻头进行扩孔，加大孔径，以满足钢护筒顺利沉设的要求。

5.2 小直径钻头预破岩

当成孔施工进入岩层，特别是中风化岩层后，由于土层强度的提高，摩阻力增加，故成孔效率降低。

为了克服上述困难，在旋挖钻机进入中风化岩层后，首先将钻头更换为φ800 mm的嵌岩筒钻，对孔内岩芯进行松动，增加岩层自由面，以降低其应力水平，使之有利于大直径筒钻的进一步钻进，以提高其工作效率。然后将φ800 mm的嵌岩筒钻更换为φ990 mm的嵌岩筒钻进一步松动岩面。最后换用普通捞砂斗钻头入岩，破碎岩芯，同时钻进取渣。