大直径全护筒嵌岩式桩基础成孔施工技术

2021-10-05张盛

工程建设与设计 2021年17期

关键词：钢护筒护筒成孔

张盛

（中国土木工程集团有限公司，北京 100038）

1 工程概况

2 工艺选择

2.1 常用成孔方式

根据不同类型地质条件，常用桩基成孔方式与适用条件见表1。

表1 常用桩基成孔方式与适用条件

2.2 成孔方式选择

大桥位于海域，横跨2 条航道，因澳门为旅游城市，环境保护要求严格，工程施工环保标准非常高。为避免施工对环境造成污染和破坏，桩基施工时避免使用泥浆护壁成孔工艺，采用清水成孔工艺（即干作业成孔）。所有桩基采取全护筒施工方式，护筒沉放至风化岩层或其他稳定岩层。

工程地质勘探资料显示，大桥两端场地为人工填海形成，砂类土层较厚，中间区域为海域，淤泥土层、砂土层、黏土层较厚，桩端要求嵌入中风化岩层。通过综合考虑市场施工资源、设备施工效率、成桩质量等因素，桩基施工在中风化岩层以上覆盖层部分采取冲抓方式钻进，桩端进入中风化岩层部分采取反循环钻进成孔（Reverse Circulation Drilling，RCD）方式。

3 主要施工工艺

3.1 钻孔设备选型

桩基施工采取全护筒。常用沉放护筒设置包括振动锤、摇管机、全回转钻机，结合工程地质情况、环保要求和设备施工效率分析，考虑到工期紧张和桩基作业场地受限原因，项目选用摇管机来沉放钢护筒，采用履带吊配合抓斗和冲锤协同钻进。待钻孔至持力层基岩面时，使用RCD 机磨岩并达到设计嵌岩深度。

3.2 钢护筒选材

由于桩径大、桩身长，沉放钢护筒需穿过较厚地层至稳定岩层，在钻进过程中护筒所受扭矩大，容易发生变形和屈曲，故而护筒的材料、厚度及施工方法将直接影响成孔质量。根据护筒直径（最大直径3 m）、设备施工扭矩（最大扭矩11 000 kN·m）、沉放深度（最大深度103 m）、土体对护筒的摩擦阻力（土层平均重度19 kN/m3、均匀分部侧阻力比0.99、底端阻力比0.01）等参数进行计算，并与施工经验数值比较分析，可以得出钢护筒各项参数取值。

在沉放钢护筒时，由于底节钢护筒需切割土体并钻进，受力较大，故而底端1～1.5 m 钢护筒壁做加厚处理，并在护筒底部设置合金刀头。

3.3 主要施工步骤

3.3.1 临时栈桥和平台搭设

在海域作业区域沿桥梁方向搭设作业平台和临时栈桥，然后与陆地相连作为施工通道。临时栈桥宽8 m，标准跨度15 m，使用800 mm 直径钢管桩、1.5 m×3 m 的标准贝雷片和型钢搭设，桥面由拉森钢板桩铺设而成。桩基施工作业平台所用材料与临时栈桥用材料相同，桥面用10 mm 厚钢板铺设而成。

3.3.2 定位放线

依照设计图测定桩位及地面高程，将基桩点位坐标值于现场使用全站仪进行放样。在距桩位中心2 m 位置固定3 个坐标控制工具，以便在护筒钻进时检查护筒是否偏移。钻进过程中用水平尺检查套管壁垂直度。

3.3.3 钻进取土

1）在已开出桩位坐标的位置安装钢护筒，使用重型液压摇管机将第1 节护筒带入足够的深度直至风化花岗岩或其他稳定地层。在土层掘进过程中，钢护筒底部应保持低于钢护筒内的泥面2 m 以上的间距。

2）用吊机配合抓斗在钢护筒内挖掘。钢护筒以焊接方式连接。桩孔开挖施工过程中，护筒每钻进5 m，即检查套管偏移量及垂直度。如护筒偏移量和垂直度超出允许范围，需将已开挖桩孔用合适的材料回填，拔出护筒，然后重复上述步骤。

3）挖掘过程中，遇有地下障碍或石块，使用冲锤凿除并用抓斗取出石渣。到达岩层以后，使用RCD 方法进行嵌岩钻进，钻头从钢护筒内安装至岩面标高。RCD 钻机安装于套护筒顶部，用液压夹或其他特殊连接件组装钻杆，钻机顶部动力水头通过重型钻杆驱动底端钻岩钻头钻进，钻出的石屑泥浆通过气举反循环系统泵送到地面水箱内进行沉淀，沉淀水再循环注入桩孔内以补充水压。

3.3.4 气举清孔

当钻至符合要求的孔底时，用气举清孔方法结合护筒内持续注入强大水压来清除桩孔底部岩屑。清孔过程中，收集水样以判断清孔是否干净，气举清孔的导管底部距离桩底距离100～200 mm。清孔过程中注意观察护筒顶部标高是否变化，仔细检查护筒内水位是否维持在正常标高以内。

3.3.5 超声波测试

钻孔灌注桩在安装钢筋笼前必须对桩孔进行超声波测试，超声波测试仪器探头沿桩孔垂直下降至桩孔底，过程中发射超声波至桩孔壁并接收反射波，以测定桩孔的直径、垂直度及整桩尺寸等。

3.3.6 钢筋笼制作与安装

1）为减少桩基上部结构施工时凿除桩头工作量，在制作钢筋笼时，钢筋笼顶部伸入上部结构的钢筋均采用PVC 管包裹，避免钢筋与混凝土接触。钢筋笼内径每2 m 设置1 个加强箍筋，与纵向主筋用U 形加强筋连接加固，每根纵向主筋至少有4 个加强箍筋与U 形加强筋连接加固，以加强钢筋笼的整体稳定性。

2）钢筋搭接受拉区采用机械连接方式、受压区域采用U形加强筋搭接。绑扎好的钢筋笼用吊机吊运组装，2 节钢筋笼之间每根钢筋用4 个U 形加强筋连接加固。

3）钢筋笼内的声测管和取芯管应固定在钢筋笼加强箍筋上，声测管距离桩底0.2 m，取芯管距离桩底1 m，测试管底部用2.5 mm 厚钢板烧焊密封。所有预埋管都应在浇筑混凝土之前进行水封，声波管及取芯管间以焊接方式连接。

3.3.7 混凝土浇筑

1）混凝土浇筑采用水下导管浇筑法，导管直径273 mm。

2）安装灌浆导管时，导管底部下至距桩底≥200 mm 位置，灌浆导管顶部与灌浆漏斗牢固连接，导管及灌浆平台需安全固定在钢套管顶部。

3）在初次混凝土浇筑时，在护筒内灌注2 m 高度与桩身混凝土相同等级的水泥浆，灌完水泥浆在导管上部使用隔离球隔离导管内水与水泥浆，之后开始浇筑混凝土。

4）浇筑过程中，灌浆导管底部埋深应保持＞2 m，每次拆管时要迅速连贯。要准确测定孔内混凝土上升速度，控制好导管提升速度。严禁把导管底端提出混凝土面，避免造成断桩。

5）每浇筑一搅拌车混凝土应测量孔内混凝土面标高，提拔导管时要准确测算埋管深度。混凝土浇筑工作接近完成时，要加强桩顶标高的测定，可用测锤尺量度混凝土面标高，以＞1 m桩顶标高为宜。混凝土浇筑完毕，立即拆除导管并清洗管内残留物，做好保养[1]。

4 成孔过程中孤石及地质夹层处理方法

4.1 施工过程中在桩基中上部位置遇到孤石的处理方法

1）当孤石体积小于桩径且厚度较薄时，采用冲锤破碎法。利用冲击动能破碎岩层，再用抓斗把护筒底部的碎石清走，继续下放护筒。

2）当孤石岩层体积和厚度较大，则采用RCD 钻机钻进和冲锤相互配合方法施工。先用RCD 机钻孔钻进，然后采用冲锤将岩石破碎，使用抓斗清除碎石后，继续下放护筒。

4.2 临近入岩段出现夹层处理方法

1）有夹层出现且厚度薄，钻机操作员需留意钻岩速率的变化，收集此处清出的岩样，石质正常不会出现跳钻现象。钻进速率和岩样取样无异常、无流沙，则无须处理，继续钻岩。此种工况，钢护筒入夹层上部硬岩30 cm，不继续跟进，不穿过夹层。为保证工程质量，钢护筒底部与岩石界限之间的距离应控制在4 m 范围内。

2）有夹层出现且厚度较大，钻机操作员需留意钻岩速度的变化，加密岩样收集频率，每隔0.5～1 m 取岩样观察。若钻进速度突然加快及收集的岩样石质变差并伴有泥沙涌入的情况，经确认后停止钻岩。移走RCD 钻机，进行水泥浆灌注封闭夹层，将夹层空隙填满，目的是有效封堵夹层，阻断桩孔外泥沙的流入。待24 h 水泥浆凝固后重新钻岩。此种工况，钢套管入夹层上部硬岩30 cm，不继续跟进，不穿过夹层。