京港高铁鳊鱼洲长江大桥桩基成孔方案遴选★

许 斌，王同民，宁伯伟

(1.中铁大桥局集团有限公司，湖北 武汉 430050； 2.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430056)

1 工程概况

1.1 总体布置

京港高铁鳊鱼洲长江大桥，全长4 257.58 m,其正桥桥跨布置为(65+100+60)m跨黄广大堤连续梁桥+2×49 m简支箱梁桥+(49+2×140+49)m预应力混凝土独塔斜拉桥+15×49 m简支箱梁桥+(2×50+224+672+174+3×50)m钢混混合箱梁斜拉桥[1-2](见图1)。

因上部结构荷载大、水文地质条件复杂，全桥均采用钻孔灌注桩群桩基础。桩基直径分φ1.8 m,φ2.5 m,φ3.0 m,桩长从65 m到120 m，钻孔深度从70 m到152.15 m不等。

1.2 施工条件

桥位地质复杂,河床为淤泥、粉砂、细砂、人工抛石；其下为全新世河流冲积相的软塑～可塑状粉质黏土及稍密～中密或密实状粉土、粉、细砂；夹层为中更新世河流冲积相的密实状卵砾石层、下更新世河流冲积相的密实状卵砾石层硬塑～坚硬状黏性土、第三系下统新余群泥质粉砂岩及砾岩。覆盖层总厚度50 m～81.5 m不等，透水性强，遇水易软化坍塌。基岩为三叠系嘉陵江组(T2)泥质灰岩及灰岩(P1)，串珠状、大型溶腔极为发育。地下水富孔隙水、裂隙岩溶水，同时地下承压水发育。

汛期水位高，局部冲刷深度大。每年7月～10月为主汛期，施工水位按20 a一遇设防，钻孔平台顶高程定为+24.05 m。河道局部冲刷深度大，其中北汊达-12.56 m～-19.44 m。

九江侧永安大堤曾发生溃堤，黄梅侧黄广大堤也是历来有名的长江干堤险工险段，历史上出现过溃堤、管涌等诸多险情，进场后实地踏勘，在汛期也存在地下水集中出溢等问题，故跨大堤段，必须避开汛期选择低、枯水位窗口期完成地下基础施工。

为遴选复杂地质条件下不同桩径和桩长的桩基合理成孔方案，施工前，进行了工程承载力试桩试验、成孔工艺试验。

2 工程试桩

在北岸大堤背水侧，江心鳊鱼洲上进行了两组各3根承载力试桩验证试验(见表1)。

表1 试桩参数表

2018年汛期之后，进行了逐桩地质钻探，并进行工程试验桩施工。试桩采用钢护筒与优质膨润土造浆护壁，BG380型旋挖钻机成孔，成孔后采用成孔检测仪进行检测，成孔孔深、孔径、垂直度满足要求。钢筋笼长线法制造，分段安装，每根桩的平衡点设置CH-20000荷载箱1个，每套钢筋笼共设振弦式钢筋计40个，位移传感器12个。水下混凝土采用导管法灌注。

桩身达14 d龄期后，进行了超声波桩身完整性检测，6根试桩实测深度-波速(H-V)曲线、深度-波幅(H-A)曲线和深度-PSD值(H-PSD)曲线未见明显异常，依据TB 10218—2019铁路工程基桩检测技术规程评定为5根Ⅰ类桩，1根Ⅱ类桩。

7月17日，通过自平衡法完成6根试桩的极限承载力检测。实测6根试桩单桩极限承载力分别为：SZ1:12 970 kN；SZ2:12 970 kN；SZ3:13 970 kN；SZ4:17 084 kN；SZ5:20 679 kN；SZ6:13 351 kN。

总体结论是试桩单桩极限承载力差异性较大，实测桩侧摩阻力基本等同于设计参数建议值，但没有富余量。试桩的桩端承载力大于岩土设计参数建议值，根据桩基的实际受力模式，当荷载从桩顶传递到桩端时，克服桩周土体的侧阻力后实际荷载已经很小，故即使桩端承载力实测值再大，也不考虑将其作为优化摩擦桩设计的依据。

故根据试桩报告，给出摩阻力推荐值，优化简支梁段桩基设计，全部采用直径1.8 m摩擦桩，每墩设20根桩，将桩端设置于灰岩岩面，以有效控制沉降，则有效桩长最短73.5 m，最长86.5 m,成孔深度约80 m～90 m不等。对连续梁、斜拉桥桩基，均按嵌岩柱桩设计。

3 成孔工艺试验

采用XR550,BG380,KTY4000钻机进行了成孔工艺试验，比较各型钻机在不同地质条件下的成孔效率(见表2)。

表2 各型钻机成孔工艺参数表

XR550旋挖钻、BG380旋挖钻在覆盖层中成孔效率高，单桩进尺分别达到了5.3 m/h，6.9 m/h(净掘进时间)。进入基岩后，XR550在钻头接触岩面后，摩擦杆扭断。BG380在基岩中改为三次成孔，按1.2 m,1.5 m,1.8 m分 三次扩挖至满足孔径要求，但超过90 m孔深后扭矩不足，钻杆摩擦杆存在扭断风险，且分次成孔不能显著降低所需扭矩，存在较大风险，故旋挖钻有效成孔孔深建议不宜超过90 m。采用TKY4000旋转钻，在覆盖层中成孔效率远低于旋挖钻，特别是在黏土层更易糊钻，钻进困难。但在基岩与90 m以上超深孔因钻杆为等强设计，抗扭能力强，加之旋转钻配重大，钻具机重达1 900 kN，能提供大于450 kN·m的扭矩，配合楔齿、球齿滚刀钻头，能有效在次坚石、坚石中钻进，故在基岩内钻进，以旋转钻能力更强。

4 成孔方案遴选

经工程试桩、成孔工艺试验，对鳊鱼洲长江大桥桩基施工方案进行遴选(见表3)。对简支梁桥桩基，全部优化设计为摩擦桩，不嵌岩，进入灰岩岩面即可终孔，并采用旋挖钻快速成孔。对厚覆盖层复杂岩深地质条件下的超长嵌岩桩，采用旋挖+旋转钻接力成孔方案。对北汊水中墩，下卧巨型溶腔的超长嵌岩桩，采用基于桩周预注浆稳固处理后的大功率旋转钻成孔。对南汊斜拉桥直径3.0 m大直径嵌岩桩，桩长在大功率旋挖钻能力范围的，采用三次扩孔成孔工艺。

表3 成孔方案遴选汇总表

5 桩基成孔方案的实施

5.1 旋挖钻快速成孔

对N1～N11号墩等简支梁段，桩基采用直径1.8 m摩擦桩，长度在90 m以内，采用旋挖钻快速成孔。

1)钻机选型：在钻机选型上，由于旋转钻机在黏土层易糊钻，钻进效率极低，每小时进尺约0.1 m～0.3 m,根据成孔工艺试验结果，选择综合性能好，在覆盖层中及黏土层中钻进效率最高的是宝娥BG380型旋挖钻,实现对摩擦桩的快速成孔。2)为降低桩基沉降，优化了桩基终孔条件，将摩擦桩桩端设置于黏土层与灰岩交界面。参考地勘单桩柱状图，排除桩底2.5倍桩径范围内的基岩存在的溶腔，对此范围存在的溶腔，以桩周注浆充填处理。对终孔条件进行优化，结合现场钻芯取样，由驻地地质工程师进行终孔地质确认，在桩底进入灰岩面即终孔，在满足承载力要求的前提下，避免嵌岩钻进，以实现旋挖钻快速成孔，同时避免因桩端嵌岩，造成旋挖钻扭矩不足，钻杆扭断、卡钻掉钻风险。3)钻孔过程中，针对厚透水粉细砂覆盖层，采用钢护筒复打深插穿过不透水层，并用优质膨润土造浆护壁防坍措施。4)为缩短清孔时间，降低水下混凝土灌注前孔内泥浆含砂率，利用水封导管设置三通，采用泵吸反循环+泥浆分离器形成快速二次清孔技术，降低了坍孔风险，提高了清孔效率。5)由于鳊鱼洲区段地表覆盖层为长件淤积粉细砂层，承载力低，为避免红线内大面积换填和场地硬化，施工中采用预制钢筋混凝土走道板，直接在洲上铺设，实现免硬化快速施工通道与平台。

5.2 旋挖钻与旋转钻机接力快速成孔

跨黄广大堤汪家洲险段，堤基为粉细砂，每当水位超过20.0 m(吴淞)以上时，堤后田地民舍就发生大面积散浸、管涌、融土险情，明流外溢。1998年汛期水位超过22.2 m以上时，出现险情57处，堤脚出现大量管涌，汛后将塘填平至地面。2018年汛期，大堤背水侧N23号墩附近在汛期也相继出现地下水集中出溢险情。为保证堤防安全，5月～10月不能进行钻探、钻孔、承台基坑开挖，施工有效窗口期短。特别是背水侧N23号墩，受制于堤防要求，在成孔工艺选择上，必须选择成孔效率高的施工方案。

跨黄广大堤连续梁桥位，地表覆盖层厚55 m～91 m不等，上部为粉质黏土及粉细砂，中部为少量细圆砾土，下部为硬塑黏土；基岩为弱风化泥质粉砂岩和灰岩，基岩内岩溶极其发育，钻探揭示有连续串珠状大溶洞，最大溶腔高度13 m，处于半填充状态，溶腔内存有承压水。

黄广大堤连续梁上部结构荷载大，单桩承载力要求高，均采用超长嵌岩桩设计。其中N22,N23号墩采用直径1.8 m桩基，桩长75 m～110 m，最深孔底标高为-97.66 m，从地面向下，最大成孔深度达116 m(见图2)。

为发挥不同类型钻机在覆盖层和基岩中各自成孔优势，最大限度缩短成孔周期，保证嵌岩桩在复杂岩溶地质条件下的成孔安全和质量，采用旋挖与旋转钻接力成孔方案。

1)开钻前完成测量放样、场地布置、泥浆制备。2)插打护筒，将护筒插打至粉细砂与黏土层交界面，即穿过透水层，确保旋挖钻快速成孔过程中不发生坍孔。当一次插打到位困难时，采用旋挖钻配合，复打跟进。由于采用接力成孔工艺，护筒直径采用2.1 m内径，插打过程中，严格控制护筒垂直度小于0.5%，确保旋转钻钻具在下钻过程中不擦挂护筒底口。3)泥浆制备与护壁。钻进过程中，及时向孔内补充泥浆，保持泥浆面不低于地面标高，且须高出地下水位面以上1.5 m～2.0 m。4)旋挖成孔。根据地勘报告，对粉细砂、黏土覆盖层采用旋挖钻快速成孔。成孔过程中，要严格控制垂直度小于0.5%，避免旋挖钻接力过程中形成错台或梅花孔。5)根据地质柱状图，旋挖钻应钻进至基岩面以上并保留1 m～2.0 m左右的覆盖层，提前更换为旋转钻，防止旋转钻在岩面跳钻、斜孔。旋转钻安装前，采用超声波成孔检测仪进行成孔质量检查，根据旋挖钻成孔情况，调整旋转钻转盘中心与成孔中心对正。旋转钻开钻，应严格采用减压钻进，并确保钻具顺利通过护筒底口和旋挖成孔，以低转速慢慢落至孔底，保持最大80%左右的钻压(扣除浮力之后)，嵌岩钻进至成孔，过程中不得全压钻进，确保成孔垂直度。成孔垂直度的保证，是钢筋笼安装、水下导管安装及水下混凝土灌注安全的重要条件。

钻孔过程中及时取样，核对地质情况，确保终孔条件与设计相符。N23号墩部分桩基成孔工效统计表见表4。

表4 N23号墩部分桩基成孔工效统计表

黄广大堤连续梁桥桩基于2018年11月28日开始钻孔，于2019年5月30日完成全部基础桩基施工，并在汛前顺利完成承台等地下工程，也确保了渡汛安全。

5.3 桩周预注浆稳固后超长大直径嵌岩桩旋转钻成孔

北汊航道深水基础多，N12～N19号墩共8个，占全桥的73%[3]。深水桩基面临着厚透水覆盖层遇水易塌、嵌岩深度大、岩溶特别发育、桩长孔深等施工难题。其中以N15号墩最为典型[4]。

根据钻探及CT扫描结果解析[5](见图3)，显示勘察范围内下伏灰岩-80 m～-90 m高程范围内有较多小型溶腔、溶洞、溶隙发育，岩体的完整性、连续性差；-90 m～-118 m高程28 m范围溶蚀发育，为大范围溶洞，解析桩位最大溶腔高度达25 m～28 m。

根据综合地勘成果，N15号墩采用15φ2.5 m钻孔灌注桩基础，桩底穿过溶腔进入底板完整灰岩，桩底标高最深为-126.4 m，最大钻孔孔深达152.15 m(钻盘标高25.75 m)，最长桩基桩底标高-126.4 m(见图4)。

对水中超长大直径嵌岩桩，采用水上钻孔平台、护筒复打跟进至不透水层，桩周预注浆稳固处理后大功率旋转钻机成孔。

由于覆盖层厚度较大，局部冲刷严重，桩基底部下伏大型溶洞，存在塌孔风险，故需将钢护筒底口插打进入不透水层，保证钻孔过程中护筒内外水头，同时也避免在岩溶层钻孔过程中，水头变化导致护筒底口及周边不透水层发生坍塌。

针对现有地勘已经揭示的典型溶洞，对桩周采用超前钻孔，袖阀管双液浆预注浆处理，实现对空溶洞、半填充溶洞的充填，对溶洞及桩周破碎岩体的稳固，对岩层裂隙的封闭，减少坍孔的发生[6-9]。

在钻机选型上，选择能满足最大钻孔深度超过150 m，提升能力超过1 912.86 kN，最大扭矩不低于436.86 kN·m的KTY系列钻机[10]，钻头选择牙轮楔齿滚刀或球齿滚刀(见图5)。

钻孔采用旋转钻气举反循环法成孔。成孔过程中，根据单桩地质柱状图，BIM三维地质模型[11]，提前预判钻头与溶腔位置，通过减压钻进措施保证成孔的垂直度，钻头进入溶腔后通过孔内抛填黏土、片石反复造壁、增加泥浆比重与黏度等措施，保证正常钻进。在钻孔过程中，按岩溶综合处治措施及时处治，确保顺利成孔[12-14]。

成孔后采用超声波成孔检测仪进行成孔检测，检查孔形、垂直度、沉碴厚度等指标，同时也分析溶洞所在的位置与溶腔形成，推算桩身混凝土实际可能消耗，为钢筋笼顺利安装和水下混凝土灌注做好充分的技术准备工作。

钢筋笼采用浮吊或平台上履带吊机、龙门吊机分节安装，并做好声测管与钢筋接头的过程检查验收。

钢筋笼安装完成后安装水封导管，用导管及导管口的龙头、风管形成吸泥机，接泥浆分离器，使孔内二次清孔能快速完成，并最大限度分离出泥浆中的沉碴，降低孔底沉碴厚度。在孔底泥浆取样检测合格后，拆除泥浆分离器及风管，调整导管距孔底距离，采用导管法灌注桩身水下混凝土。

因孔深大，溶洞多处于桩身下部，在桩基水下混凝土灌注时，需定制大的储料斗，专用厚壁大直径导管，并进行相应的接头力学试验、水密试验。对施工中所有吊点、吊具进行专门设计制作，以满足异于常规桩基的特殊使用要求。

桩身混凝土达到设计强度，钻孔平台拆除之前，进行桩身完整性检测。

N15号墩钻孔桩共15根，自2019年4月12日首台钻机开钻，至12月24日最后一根桩成孔，前后历时256 d。成孔过程中，因岩溶处理，单桩成孔周期长、工效低，实际成孔平均工效约为0.15 m/h。

5.4 BG46旋挖钻分次扩挖成孔

主桥4号、5号墩基础均采用45根φ3.0 m桩，桩基呈行列式布置，纵向5排，横向9排，纵向行距为7.7 m，横向列间距为6.2 m，桩基础按柱桩设计，桩长38.5 m～65 m不等。采用泥浆护壁，旋挖钻机分次扩挖成孔[15]。

对覆盖层施工，采用全断面钻进，使用φ3.0 m双底双开截齿钻头,钻进至岩面时，更换钻头。

嵌岩段，采用φ1.5 m,φ2.0 m,φ3.0 m直径钻头分级扩挖成孔，碾压破碎方式钻进。坚硬岩层第一级φ1.5 m钻孔。采用牙轮岩石环切钻头(如图6所示)将岩石环切，破坏岩石的完整性，截齿捞渣斗清渣，直至孔底。然后利用φ2 m和φ3.0 m破碎钻分两次扩孔，采用双底双开捞渣钻头进行钻渣清理。岩层钻进过程中，泥浆比重维持不变。嵌岩段扩挖施工参数如表5所示。

表5 BG46旋挖扩挖施工参数表

通过采用BG46大功率旋挖钻分次扩挖成孔，顺利完成南汊主塔3.0 m大直径桩基施工。

6 结语

京港高铁鳊鱼洲长江大桥工程施工中，通过承载力试桩、成孔工艺试验，采用逐桩地质钻探与三维地质CT钻探和物探相结合的综合地勘手段，获取了详细的支撑资料，通过分析遴选，创新了钻孔工艺工法，针对不同的地质条件，分别采用了旋挖钻快速成孔、旋挖钻+旋转钻复合接力成孔、基于桩周预注浆稳固处理的复杂岩溶地质下超长大直径嵌岩桩大功率旋转钻成孔、BG46大功率旋挖钻分次扩挖成孔等新工艺，大幅提高了钻进工效，缩短了单桩成孔周期。

鳊鱼洲长江大桥在桩基施工过程中，采用超声波成孔检测仪对成孔质量进行检测，全部满足设计垂直度、孔径与孔底沉碴厚度要求。成桩后，经自检、第三方超声波检测，正桥所有桩身质量优良，完整性好，全部为Ⅰ类桩。

目前京港高铁安九段鳊鱼洲长江大桥顺利完成静态验收、联调联试、安全评估和试运营并正式开通运营。