珊瑚礁孔洞地质条件下钻孔灌注桩施工技术

郗永磊，桂 林

(中交二航局第二工程有限公司，重庆 401121)

0 引言

珊瑚礁岩具有密度低、孔隙大、结构性强、脆性高、各向异性等显著特点。在形成过程中，因钙质物沉积不均匀，易在地层中形成不规则孔洞。目前，国内尚无以珊瑚礁岩作为桥梁基础持力层的设计和施工经验，面对钻孔灌注桩施工过程中遇到的孔洞，传统的处理工艺为采用低强度等级混凝土或砂浆填充封堵。由于珊瑚礁地层孔洞具有显著的不规则性，体积巨大，填充封堵处理的不确定性因素较多，此工艺孔洞顶部的封堵混凝土较薄，在桩身混凝土浇筑过程中，孔洞区段的孔壁易因侧压力过大而破坏，引起桩基混凝土外漏，无论从进度、成本方面都无法保证施工要求。中马友谊大桥采用创造性的孔洞处理工艺，解决了系列难题，为类似地质基础施工提供参考。

1 工程概况

中马友谊大桥跨越Gaadhoo Koa海峡，连接马累和机场2个岛屿，是马尔代夫首座桥梁工程，主桥为五墩六跨(100+2×180+140+100+60)m组合混合梁V形墩刚构桥，桥长760m。主桥基础采用直径3.6～3.2m，3.2～2.8m的变截面钢管复合桩基础，最大桩长118m。主墩基础结构如图1所示，各墩位桩基参数如表1所示。

图1 主墩基础结构Fig.1 Foundation structure of main pier

表1 主墩桩基参数Table 1 Parameters of main pier piles

2 工程地质条件

3 珊瑚礁孔洞处理

3.1 总体思路

成孔过程中，采用水下混凝土封堵珊瑚礁孔洞，并在钢筋笼对应位置布置柔性护套，多重处理，减少地质缺陷对成桩质量的影响,确保顺利成桩。

3.2 混凝土封堵

钻进过程中，通过钻压和钻进水头的变化，并结合地质CT扫描结果，判断孔洞顶口及底口高程。钻进至孔洞底后提出钻杆和钻头，向孔洞内浇筑C25水下混凝土封堵孔洞，超出孔洞顶6m以上，待混凝土面高度保持平稳，则孔洞填充完成。待混凝土强度≥10MPa 后继续钻进至设计孔底标高，进行后续桩基施工。

3.3 柔性护套防护

3.3.1结构形式

在桩基孔洞位置相对应的钢筋笼上架设土工布并用箍筋缠绕固定。具体结构为在钢筋笼主筋上焊接土工布架力筋，以确保钢筋笼保护层厚度满足要求。架立筋由4cm长φ16钢筋柱和3m长φ16纵向钢筋组成，每间隔2根主筋布置1组。然后在架立筋外侧缠绕3层土工布，第2层和第3层土工布之间缠绕1层塑料薄膜，并在上下口用铁丝绑扎，最后在土工布外侧绑扎螺旋钢筋加强。柔性护套制作必须牢固，确保钢筋笼下放和混凝土浇筑过程中不发生滑落、移位，如图2所示。柔性护套高3m，以孔洞顶为基准，上下分别为1m和2m，该区域内不设置垫块。

图2 柔性护套结构Fig.2 Flexible jacket structure

3.3.2相关材料特性

1)土工布 选择400g/m2型，其物理力学参数如表2所示。

表2 土工布物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of geotextile

2)加强箍筋φ12螺纹钢，抗拉设计强度值400MPa。

3)铁丝 选用8号铁丝，直径4mm，抗拉力设计值1.96kN。

3.3.3结构强度验算

1)计算荷载

根据JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技术规范》计算新浇筑混凝土对柔性护套的侧压力：

(1)

F=γcH

(2)

式中：F为新浇混凝土对模板的侧压力值(kN/m2)；γc为混凝土的重力密度(kN/m3)，本次计算取14kN/m3(减去水的容重)；V为混凝土浇筑速度(m/h)，考虑40m3/h的混凝土浇筑速度，除以孔径截面面积，本次计算取6.496m/h；t0为混凝土的初凝时间(h)，可按照时间确定，当缺乏试验资料时，可以采用t0=200/(T+15)(T为混凝土的温度，℃)，混凝土的初凝时间取30h；β1为外加剂影响修正系数，不掺加外加剂时取1.0，掺具有缓凝作用的外加剂时取1.2，本次计算取值1.2；β2为混凝土坍落度影响修正系数；当坍落度<30mm时取0.85，坍落度50～90mm时取1.0，坍落度110～150mm时取1.15，本次计算取1.15；H为混凝土侧压力计算位置处至新浇混凝土顶面的总高度(m)，值本次计算取60m(桩基混凝土顶面距离土工布位置处高度)；h为有效压头高度。

取上式中较小值，侧压力为413.6kN/m2。

2)土工布强度验算

柔性护套体系在混凝土均布压力作用下，2层箍筋之间的土工布力学行为可简化为单向膜，计算可等效为多跨连续的悬索受力，按照悬链线计算理论进行计算，受力如图3所示。

图3 箍筋与土工布体系受力Fig.3 Stress of stirrup and geotextile system

3)上下两端锚固验算

在土工布包裹区域的最上端采用铁丝绑扎，在周长方向每延米范围内产生拉力27.4kN，由于单层土工布的撕破强力为0.56kN，经计算至少布置17个铁丝绑扎点才可以满足受力要求，实际设置绑扎点36个，在距土工布端部3排箍筋范围内平均分布绑扎点，每排箍筋上平均分布12个锚固点，锚固点的安全系数为2.2。

选择8号铁丝，直径4mm，可以承受拉力1.96kN，大于撕破拉力，铁丝的安全系数为2.5，受力满足要求。

绑扎点位置处的箍筋需要与主筋焊接，焊接区域按照5mm×5mm控制，按照剪切强度值110MPa计算得到可以承受拉力2.75kN，大于撕破拉力，焊接点的安全系数3.6，满足受力要求。

套筒上下两端需采用弯起钢筋(与竖直向夹角30°)与主钢筋笼纵筋连接，将锚固力传递至主筋，总锚固力为241kN，选用φ16螺纹钢，设计拉力值80.4kN，环向布置16根，安全系数为4.6，满足受力要求。斜向筋与钢筋笼主筋需等强焊接。

4)加强箍筋强度验算

箍筋为主要的环向受力结构，由混凝土自重产生的径向均布压力作用，其直径按照2.8m考虑，间距10cm，考虑每层箍筋承受10cm范围的所有混凝土自重压力。计算模型如图4所示。

图4 箍筋抗拉强度计算模型Fig.4 Calculation model of stirrup tensile strength

按照上述的计算模型建立平衡条件：

(3)

T=0.1Pd=0.1×413.6×1.4=57.9kN

箍筋的抗拉设计强度取值为ft=400MPa，箍筋的拉力计算公式如下：

T=ftA

(4)

计算后得：T16=ftA=90.4kN>57.9kN，箍筋受力满足要求。

经过计算，在钢筋笼的外围设置3层土工布包裹，且土工布的外侧设置双肢直径12mm的螺纹钢筋作为箍筋，可以满足混凝土浇筑过程中土工布和箍筋的受力要求。

4 施工工艺

4.1 孔洞位置确认

由于珊瑚礁岩具有不均匀性，地质勘察资料仅能揭示单个地勘孔的地质情况，对于地勘孔周边地质情况代表性不强，需采用地质CT对孔洞的位置及形状进行复核。利用地下孔内声波CT探测技术对23号墩位地质扫描成像，成功探测出珊瑚礁孔洞的分布位置及形状，23号墩珊瑚礁孔洞位于-67.000～-75.000m区域。

4.2 钻进成孔

采用ZJD4000反循环回旋钻清水钻成孔，不同地层选择合适的钻头形式、钻进速度及钻进压力等钻进参数，防止桩孔出现斜孔、缩径、孔壁错台等质量问题。通过反复调整钻进参数，总结出珊瑚礁岩成孔钻进参数如表3所示，主要施工要点如表4所示。

表3 各地层钻进参数Table 3 Drilling parameters of each formation

表4 钻进各阶段施工要点Table 4 Key points of drilling construction at each stage

4.3 钢筋笼施工

钢筋笼在钢筋加工场制作，由驳船运输至施工墩位，采用履带式起重机与钢筋笼下放架相结合的方式接长、下放，先安装内层钢筋笼，再安装外层钢筋笼，钢筋笼安装前将混凝土滚轮垫块安装好。为了缩短钢筋笼安装时间，接长采用套筒机械连接方式，钢筋笼标准节长12m，单节最重约8.5t，单根最重为80.2t。

4.4 混凝土浇筑

采用水下混凝土施工工艺浇筑桩基，钢筋笼安装完成后，及时安装导管，导管使用前必须进行水密和接头抗拉试验。混凝土浇筑之前，进行孔底沉渣厚度测量，如沉渣厚度不能满足要求，则立即进行二次清孔，清孔过程中保证孔内水头高于水面2m以上。

封底混凝土用球胆作为隔水栓，计算好首批混凝土方量，加工相对应容量的首封大料斗和2m3的浇筑料斗，浇筑前先用绳吊住小料斗隔水球，关闭首封料斗卸料口，在首封料斗中放满混凝土，同时罐车在小料斗内放满混凝土，封底时剪断吊绳，视小料斗内混凝土下落速度打开首封料斗卸料口，让混凝土一次迅速连续卸放到孔底，完成封底。正常浇筑时导管的埋深控制在2～6m，直至完成桩基混凝土浇筑。

5 结语

在珊瑚礁孔洞地质条件下，保证桩基施工质量的重点是成孔质量控制及礁灰岩孔洞的封堵质量控制。本工程通过合理的钻机选型及不同地质的钻压控制，保证了成孔的效率和质量；利用地质CT扫描技术，准确判断各墩位地下孔洞形状及位置，以便有针对性地制定封堵方案；提出混凝土封堵+钢筋笼柔性护套保护技术，成功对礁灰岩孔洞进行封堵。通过上述措施，顺利完成了中马友谊大桥主墩35根大直径超长桩基的施工，为珊瑚礁地质基础施工积累了宝贵经验。