桥梁深孔大直径钻孔灌注桩施工技术研究

2023-03-09祖重熙

工程建设与设计 2023年4期

祖重熙

（中国土木工程集团有限公司，北京 100038）

1 引言

桩基是桥梁的重要组成部分，其施工质量决定着桥梁建设的成功与失败，深孔大直径钻孔灌注桩在施工时有较高的技术要求，且难以控制其施工质量，在具体施工时常会有较多的问题出现，在问题出现后也有较大的处理难度[2]。因此，为确保深孔大直径钻孔灌注桩的施工质量，对其施工技术开展进一步研究非常有必要。

2 工程概况

达拉大桥位于缅甸仰光市区，横跨仰光河，是连接仰光市中心与达拉镇的市政公路桥。大桥跨河主桥部分为双塔斜拉桥。斜拉桥部分总长690 m，其中主跨长370 m，两侧边跨长2×160 m。主跨跨中桥面标高56.987 m，桥塔中心桥面标高53.684 m，双桥塔斜拉索160束。

从技术层面看，达拉大桥主桥斜拉桥在开展水上深孔大直径桩基础施工时有较大的施工难度大和施工，大体积混凝土承台施工时，质量控制难度大，现场施工组织难度大。达拉大桥是缅甸施工难度最高的桥梁，做好达拉大桥桩基施工的研究，确保其桩基成桩质量，不仅对保障桥梁安全和稳定有重要意义，也可为后续深孔大直径钻孔灌注桩的施工提供一定的借鉴。

3 施工技术研究

3.1 施工平台

初定的施工平台有两个设计方案：（1）采用大型驳船桩基施工+预制板模板桩帽；（2）采用钢栈桥平台桩基施工+钢套箱桩帽。为确保下部结构施工质量和工期要求，经对比发现，大桥横跨仰光河，主桥为双塔斜拉桥设计，两主墩（塔）均位于河道中间，主墩（PY1）距达拉侧河堤坝约230 m，墩位处平均水深约15 m，主墩（PY2）距仰光侧河堤坝约180 m，墩位处平均水深约20 m。边墩（仰光侧）高39.7 m，墩位位于河堤坝边缘，边墩（达拉侧）高度33.6 m，墩位处平均水深约1.5 m。桥位处仰光河，河道水面宽约700 m，雨季最高水位+3.506 m，旱季最低水位-3.234 m，受潮汐影响，高差相对较大。主河道航运繁忙，交通量较大。大桥施工大型设备、材料较多。大桥各部工期节点十分紧张。综合考虑以上施工条件，选择以钢栈桥平台桩基施工+钢套箱桩帽的方案进行施工。

达拉侧钢栈桥全长231.64 m，仰光侧钢栈桥全长183.4 m，桥面净宽8.0 m，钢栈桥桥面标高+7.136 m。钢栈桥桩基础采用单排3根φ630×10 mm钢管桩，横向中心间距3.0 m，桥墩跨度为12.0 m。为增强钢栈桥整体稳定性，每7跨设置1个加强墩，采用双排3根φ630×10 mm钢管桩，纵横向中心间距均为3.0 m，管桩上部设置剪刀撑，在加强墩顶设置纵梁伸缩缝，管桩顶主横梁采用双排I45工字钢横梁，钢栈桥纵梁采用10片贝雷梁，自制支撑杆，桥面分配梁采用I25工字钢，间距30 cm，使用U形螺栓固定，桥面板采用10 mm钢板，桥面栏杆，立柱采用80 mm方钢，水平杆采用60 mm和40 mm方钢，栏杆高1.2 m。

3.2 桩基施工

1）钻机型号。结合地质条件和成孔深度进行考虑，决定选择扭矩和压力较高、排渣能力较强的反循环钻机GF-400L进行施工[3]，该类钻机有200 kW的额定功率，可有效满足施工需要。

2）施工准备。为制定钻孔桩施工时钻孔设备的安装和操作计划，需做好如下准备工作：（1）桩位放线。在平台上放出桩位中心，并做4个护桩以标识；（2）收集并准备用于钻孔桩的材料和设备（钻机，膨润土搅拌机，起重机，钢筋制造等）；（3）检查设备、混凝土、电力、水、膨润土的供应系统的运行情况。

3）钢筋笼制作。钢筋笼严格按设计和规范要求分节制作，每根桩分为11节钢筋笼，标准节长12 m，总质量75 t。钢筋笼由内至外使用41 mm、51 mm钢筋作为内侧、外侧纵向主筋，由内至外使用13 mm、16 mm、19 mm钢筋作为3层箍筋，主要箍筋间距自100~300 mm规律设置[4]。由于钢筋笼直径大，为防止钢筋笼在储存、运输、安装过程中变形，钢筋笼内设置三角支撑筋及斜支撑筋。内设钢筋内支撑骨架。每节钢筋笼之间使用钢套筒连接，钢筋的套筒试验应每500个进行1次试验，钢筋使用套丝机打丝。钢筋笼在加工厂内使用特制的模具进行集中加工，使用汽车运输至现场，暂存于钢栈桥上。钢筋应符合相关的规定，并应满足设计文件的要求。钢筋应有出厂合格证，外观检查合格后每批应按要求抽取试样。

4）护筒埋设。本工程钻孔灌注桩钢护筒埋设采用振动锤施沉。为了便于反循环钻机钻头施工，且考虑到钢护筒安装过程中可能会出现的规范内的垂直度偏差，本项目钢护筒内径由原设计的2.5 m扩大至2.66 m，壁厚20 mm，总长48 m，标准段长10 m，总质量约20 t，护筒之外部分桩基孔径维持2.5 m。由专业加工厂进行加工制作，汽运至现场。通过采用护筒下放导向架来控制护筒下放垂直度及用于孔口进行对接，接口采用坡口焊。采用龙门吊利用240振动锤下放，下放过程随时检查护筒垂直度及位置是否正确，必要时拔出重下。在完成后由现场工程师确认买入深度是否达到设计要求。此外，在打桩时，应通过铅锤检查钢套管的垂直度，确保其处于误差范围内。连接钢护筒时，为确保连接时稳定，应将护筒和导向架固定在4个角落，并在护筒顶附近安装3~5 mm厚、3~7 cm宽的垫板，以保证焊接质量，另一护筒通过吊车起吊至指定位置，并以20个等距将钢板进行8 mm的焊接，以确保垂直度。两个护筒在焊接时使用的焊接方法为药芯焊丝电弧焊或气体保护金属极弧焊，坡口焊。现场焊缝每10个接头进行一次检测，工厂焊缝进行10%的测验。

5）泥浆制备和处理。本工程的护壁泥浆以膨润土造浆为主，泥浆通过自然沉淀或净化装置回收重复利用。所用膨润土为缅甸当地膨润土，现场在专用的搅拌桶或泥浆箱内配制泥浆，钻孔时根据地质情况选定泥浆比重，控制泥浆黏度。

水上平台泥浆系统由钻机、泥浆箱、循环管路、泥浆净化装置等组成。施工准备阶段既需要在现场准备泥浆箱[5]。将成组的钢护筒打入后，将其与钢管连接起来，循环使用膨润土。同时在栈桥上布置3个6.0 m×3.0 m×1.5 m的泥浆箱（容积27 m3），分别作为沉降池、制备箱、膨润土箱，并设置泥浆净化装置对沉降后的泥浆进行处理。

在钻井过程中，反向循环排出的钻井泥浆和泥渣首先在沉淀池中沉淀，泥浆通过立式泥浆泵泵送到ZX-200泥浆分离装置，未沉淀的细颗粒通过离心机进行净化。净化后的泥浆返回孔中，并将自然沉淀的钻渣使用挖掘机和自卸车从沉淀池中运出。废渣和未使用的细砂通过自卸车运输到废物处理场。具体如图1所示。

图1 泥浆循环流程图

6）钻机就位和复测。钻机就位前，由测量班负责测量护筒顶标高及桩位中心，由钻机班组长按照桩位中心拉“十”字控制线，钻机按照十字控制线标示的桩位中心就位。钻机就位后，调整各液压支腿使钻台平整。在钻机动力头下的驱动短节上挂线锤至“十”字线交点，复测钻机就位偏差。经测量符合偏差要求后方可开始钻进。

7）钻进成孔。结合背景项目的地质特点，选择三翼或四翼刮刀钻头进行施工，钻头上部增设导正器，有效确保垂直度。在护筒内钻进时，在原有钻头外侧安装4个翼板形成专用钻头，使钻头直径接近护筒直径。此外，在护筒内钻进时，先刷除护筒内侧的黏土，当钻至距护筒底口0.5 m处，提钻更换直径为2.4 m钻头，重新下钻。当钻进至护筒底口部位时，应采用轻压、慢转施工。待钻头进入稳定地层2 m后，再恢复正常钻进速度。在正常钻进时应控制钻进速度，宜采用减压钻进的方式，并随时观察钻杆、塔架的摆动与震动情况，在变层时放慢钻速，并上下提动钻具进行扫孔，确保钻孔垂直度，避免出现台阶孔。

考虑到本项目主墩有2.5 m直径和116 m最大桩长，有较高的垂直度要求，因此，在成孔施工时，需通过如下措施对钻孔垂直度进行控制：（1）钻机就位后，需采用水平仪进行测量，以确保钻机水平；（2）钻进过程中，需采用减压钻进的施工工艺，钻进时根据地质情况调整钻进参数，尤其是遇到变层及软硬不均的地层情况；（3）钻进过程中，应随时观察钻杆在钻台中的位置，如发现有钻孔偏斜的趋势时，应减慢钻孔速度进行扫孔；（4）钻进过程中，每钻完1根钻杆时，应进行一次扫孔，确保孔壁圆滑。

8）清孔。成孔后应分两次清孔。第一次清孔在终孔提钻前进行，将钻具提离孔底20 cm，上、下活动钻杆，低速回转，待孔内返出的泥浆性能指标符合验收要求，方可提钻；第二次清孔在钢筋笼下放完成后进行，采用灌注水下混凝土的导管作为吸渣管。二次清孔采用气举反循环工艺，补浆时采用新制备的优质泥浆，以加快清孔速度。清孔完成后，及时使用测绳测量钻孔深度和孔底沉渣厚度。清孔后沉渣厚度及泥浆指标应满足成孔验收指标要求。

9）钢筋笼安装。分节吊装钢筋笼，主墩钻孔桩采用100 t龙门吊进行吊装，钢筋笼起吊时，采用大小钩同步配合四点起吊的方法进行，起吊后应对准孔位。分节制作的钢筋笼端头放置定制的钢筋定位器，以便于与下一节准确对接。在孔口连接时，在保证连接质量前提下，应尽量减少孔口作业时间。两节钢筋笼连接时，应在两个相互垂直的方向观察钢筋笼是否垂直，调整好后采用套筒机械连接，连接完成自检合格后报验收。钢筋笼下放前，应及时去除钢筋笼内侧的临时支撑筋，去除过程中应拿紧扶稳，防止支撑筋落入孔内。在下放钢筋笼过程中，钢筋笼要保持竖直挺立，钢筋笼中心线与桩中心尽量重合，向下放送时速度要慢，减少钢筋笼对孔壁的剐蹭。钢筋笼安放时辅助固定及吊装的钢筋应延伸至地面，采用扁担固定至设计标高，防止钢筋笼掉落孔底。钢筋笼安放完毕后，采用测锤对每根声测管进行测量，确认声测管畅通后，及时对声测管进行密封。

10）灌注混凝土。混凝土由拌和站按照批准的配合比拌制，罐车运送至现场。施工现场准备好后立即浇筑初始混凝土，用于直径2.5 m桩的首盘浇筑。首批混凝土方量约为11.11 m3，采用6 m3大料斗和6.5 m3存料斗，浇筑时使用8 m3混凝土搅拌车1辆，在灌注前放入气球隔水塞。首先需将储料斗提起并置于钻孔旁，再通过大料斗装满存料斗，随后连接大料斗使用导管，最后通过斜槽连接存料斗与大料斗。在首盘浇筑后，应用铅锤测量孔底混凝土深度，确保导管埋设深度2.0~5.0 m。在浇筑施工时，每次均应缓慢且均匀地提起导管，严禁快速提起导管。