软土地质大直径超长钻孔灌注桩施工关键技术研究

蔡 鹏

上海市基础工程集团有限公司 上海 200002

以上海为代表的长江三角洲沿海地区，软土分布广泛，其地基承载力弱、沉降明显的特点给该地区内桥梁工程的设计和施工造成了很多不利的影响，特别是大跨径的桥梁，其形式、跨径、基础构造等往往受到地质条件的制约。

嘉松公路越江新建工程主桥采用自锚式悬索桥结构，一跨越江。主桥的基础采用大直径钻孔灌注桩，桩径达2 m，成孔深度超过100 m，其成桩直径及深度在上海陆地地区均为首次。桩基在成孔过程穿越淤泥、细粉砂等不利地层，桩基施工过程中需要着重解决孔壁稳定、成孔垂直度、清孔除砂、大方量混凝土连续灌注等一系列关键技术难题[1-2]。

1 工程概况

嘉松公路越江新建工程位于上海市松江区黄浦江上游主航道，桥位处地质属滨海平原区地貌类型，包含淤泥质黏土、淤泥土、粉砂、黏土等各类土层，粉砂、粉细砂层厚度大。

主桥桥型采用双塔双索面钢箱梁自锚式悬索桥，主桥全长596 m，跨径布置为130 m＋336 m＋130 m，一跨越江。桥型如图1所示。

主桥主墩单侧承台基础采用34根直径2.0 m钻孔灌注桩，有效桩长100 m。桩端进入⑩粉质黏土层，单桩设计承载力极限值为32 000 kN（桩端注浆前）。

2 成桩关键工艺

2.1 成孔设备选择

上海地区属于典型的软土地质，下卧层淤泥、粉砂层厚度大，地下水位高，一般的钻孔桩施工多采用回旋钻机、旋挖钻机等设备。

本工程桩基桩径2 m，桩长100 m，成孔深度约107 m，超出常规的回旋钻机、旋挖钻机的成孔能力，需采用大型的反循环钻机、液压全回转钻机或大型的旋挖钻机方可满足成孔需要。相对而言，旋挖钻机成孔效率较高，但孔壁稳定较差，需配合人工造浆，设备成本较高；大型的反循环钻机以及液压全回转钻机成孔效率稍逊于旋挖机，但成孔稳定性较好。综合考虑各类因素后，本工程主桥桩基施工选用GF400泵吸反循环钻机成孔，配长120 m的φ325 mm高强抗扭钻杆以及三翼双腰带刮刀钻头钻进成孔。该设备最大成孔直径4 m，最大成孔深度150 m。

2.2 泥浆制备

成孔泥浆采用人工造浆结合原土造浆，钻进施工前制备约单桩所需用的人造浆于泥浆池存储，钻进过程中人造泥浆泵入孔内进行循环。

人造泥浆主要采用膨润土制备，经对比试验，配比如下：水∶膨润土∶碱∶纤维素＝1 000∶80∶0.5∶0.2。

泥浆主要参数如下：黏度22～25 s，相对密度1.04～1.05，含砂率＜0.5%，胶体率＞97%，pH值9～11。

首桩成孔时，人造泥浆结合原土造浆进行泥浆循环，成孔完成后，在清孔时补充部分人造泥浆，后续桩基施工可对泥浆循环利用，并根据泥浆的性能指标补充，泥浆性能应以黏度及相对密度控制为主。

2.3 钻进成孔

2.3.1 成孔施工

成孔采用反循环钻进，根据不同的地层进尺，控制钻机的钻压、转速，钻压控制范围10～25 kN，转速控制范围20～40 rad/min，泵量控制范围100～180 m3/h。

初始钻进时，钻具下入孔内，钻头应距孔底钻渣面20～50 cm，并开动砂石（泥浆）泵，使冲洗液循环2～3 min，然后开动钻机，慢慢将钻头放至孔底。轻压慢转数分钟后，逐渐增加转速和增大钻压，并适当控制钻速。

正常钻进时，应合理调整和掌握钻进参数，加接钻杆时，应先将钻具稍提离孔底，待冲洗循环3～5 min再拧卸加接钻杆。在易坍孔地层中钻进时，应适当加大泥浆的相对密度和黏度来稳定孔壁。

根据对试成孔及试桩的成孔时间统计及分析，首根试成孔时间51 h、首根工程桩试桩成孔时间44.5 h，在正常情况下该规格桩基单桩成孔时间45～50 h。

2.3.2 成孔施工关键技术控制要点

成孔过程中，直径2 m的钻孔灌注桩，每根桩使用膨润土7 t。

在整个成孔过程中，严格控制孔内泥浆指标，特别是终孔后泥浆含砂率的控制，满足清孔后灌注混凝土的要求。

成孔施工时，钻具（钻头、主动钻杆和副钻杆）要保证垂直度、同心度和连接紧密可靠，避免漏气影响泵吸反循环钻进和钻具脱落事故发生。每次开钻前，施工现场对钻具的垂直度、连接性和钻头的直径磨损情况进行检查。

钻进过程中应经常注意孔内的异常情况，当出现钻杆跳动、机架摇晃、不进尺、漏浆等现象时，应及时停钻，查明原因，排除故障或做出处理后再恢复施工。

续接钻杆时，先停钻，维持泥浆冲洗循环一段时间，将孔内钻渣沉淀分离，并通过泥砂分离处理系统降低泥浆中的含砂量，然后提钻。卸杆和续接钻杆后再进行加深续钻。钻进至设计标高终孔时，应保持钻机空转不进尺一段时间，直至泥浆指标达到一次清孔要求，以确保下笼后二清的可靠性。

2.4 清孔及除砂

钻进成孔至设计标高后，进行成孔检测及渣样勘验，各类指标满足设计要求后进行第1次清孔，由于本工程地质出土层含砂率高、砂层厚，因此在清孔时采用ZX-250泥浆净化装置对孔内泥浆进行除砂处理。一清清孔时间2～3 h，测量孔底沉渣满足规范后进行提钻。

在钢筋笼及导管完成安装后，灌注水下混凝土之前，进行二次清孔。二清采用气举反循环清孔，空压机选用GFY-75G型空气压缩机，空压机制气量为13 m3/min，最大压力为1.05 MPa。

2.5 钢筋笼加工及安装

钢筋笼在加工场制作，采用短线台座法预拼装制作，制作时从笼顶至笼底逐节制作。钢筋笼共分为12节制作，标准节长度为9 m。

考虑到钢筋笼直径较大，为防止运输及吊装钢筋笼过程中变形，在每道加劲箍位置设置“△”形支撑。

钢筋笼预拼装制作完成，在分解之前将声测管用定位环和铁丝临时固定在钢筋笼内侧。并在每节钢筋笼第1道加强箍位置对称布置吊耳。

钢筋笼利用汽车吊分节安装，孔口直螺纹套筒对接接长。钢筋笼安装顺序为：竖立→对接→下放→固定。钢筋笼吊放入孔时，要保证钢筋笼吊绳的竖直方向与设计桩孔的中心方向一致，可在钢护筒顶部设置定位支架，支架沿护筒上口均匀布置，以定位支架作为钢筋笼安装的定位基准，确保钢筋笼安装精度。

2.6 水下混凝土灌注

本工程桩基采用C35水下预拌混凝土，设计坍落度为200 mm±20 mm。混凝土由拌和站集中拌和后运输至现场灌注。施工前通过试验确定混凝土的配合比。

利用3.5 m3料斗和2辆混凝土罐车同时进行初灌，混凝土初灌量为16 m3，初灌后的埋管深度3.0 m。

主墩桩基单桩初灌量约8.5 m3，为确保混凝土初灌后的埋管要求，现场3 m3料斗配合2台15 m3罐车同时灌注，混凝土初灌时利用橡胶隔水球和料斗底部止水钢板止水。

混凝土正常灌注过程中，根据混凝土上升高度计算拆管长度，导管在混凝土中的埋深最小为3 m，累计灌注时间约6.5 h，灌注速度约53 m3/h。

2.7 桩底注浆

根据设计要求，工程桩基采用桩底后注浆以提高单桩承载力，减小基础沉降，桩基的声测管兼作注浆管。

压浆孔开塞在桩基首灌混凝土完成初凝后，用清水将压浆管底压浆孔冲开，确保压浆管路系统畅通。开塞时，开塞压力取4～6 MPa。若水压突然下降，表明单向阀已打开，应立即停泵，封闭阀门10 min，以消散压力。若观察到有水外喷现象，应继续关闭阀门，每2～5 min后再次观察，直至管内压力消散。

待试桩第1次荷载试验完成后，进行桩底注浆，注浆材料采用水泥浆，采用注浆量和注浆压力双控，以压浆量控制为主，压力控制为辅。当压浆压力达到控制压力3.0～3.6 MPa，并在持荷5 min后达到设计压浆量的80%，出现冒浆时，可认为满足要求。注浆时依据4根声测管的顺序压注，单桩注浆水泥用量约5.4 t。

3 试验及检测

在桩基正式施工前，对试成孔进行了成孔检测，24 h内，成孔孔径的最小值、最大值、平均值均满足设计要求，无明显坍塌和颈缩，孔壁较稳定，成孔的垂直度为0.43%，所采用的施工设备及施工工艺可满足软土地质下成孔需要。

经试成孔检测，第1次清孔后的沉渣厚度为8 cm，经24 h静置后的沉渣厚度为83 cm，48 h后的沉渣厚度为107 cm。说明土层含砂率较高，沉淀速度较快，后续施工需要快速衔接，并应注意加强二次清孔的质量。

试桩完成后，采用超声波透射法对成桩质量进行了检测，桩身完整性较好，属Ⅰ类桩。同时在桩底注浆前、注浆后对桩基承载力进行了2次静载试验，试验采用自平衡法进行。经试验验证，桩底注浆前单桩极限承载力大于32 085 kN，注浆后单桩极限承载力大于34 335 kN，均满足设计要求。

4 结语

1）根据工程实践，对于在类似于上海地区的软土地质内施工大直径超长钻孔灌注桩，可采用反循环成孔工艺，施工效率较高，成孔质量可靠。

2）由于携带砂性土的软土地层的特点，大部分土层的土体较差，不具备直接制备泥浆的条件，成孔钻进施工前，应提前制备人造泥浆，作为成孔的循环泥浆。人造泥浆的控制参数宜以黏度及相对密度控制为主，可循环利用。

3）成孔钻进速度应根据不同土层特性进行设置，在砂层钻进时，应采用低速钻进，控制进尺速度，并适当加大泥浆相对密度，确保护壁稳定。

4）对于砂层较厚的地质，应重点控制成孔后的第1次清孔质量，清孔时配合除砂以及采用人造泥浆改良循环泥浆的性能，一清完成后应尽快开展后续工作，缩短工艺衔接时间，以减少孔底沉渣的沉淀。

5）钢筋笼的加工精度直接影响现场钢筋笼安装的时间，除控制预拼装的精度外，还应做好成品钢筋笼在运输、起吊、安装过程中的保护，防止笼体变形。

6）二清施工采用气举反循环清孔具有良好的效果，但施工前应根据计算结果确定空压机设备的选择以及气管安装的深度，空压机选型不当或气管安装深度偏差过大，会影响清孔效果，严重的将导致孔壁失稳。

7）水下混凝土的灌注是大直径超长钻孔桩施工的关键环节，特别是对混凝土初灌量的控制，是混凝土灌注控制的关键。大直径桩的初灌方量往往较大，现场应采用大料斗配合搅拌车做连续灌注，确保初灌的质量。