汕湛高速公路西江特大桥桩基成孔施工技术

徐梅州,刘红胜

(保利长大工程有限公司,广州 510640)

桩基工程是建筑工程项目施工的基础部分,其施工水平对工程的整体质量具有决定性作用。结合广东汕湛高速公路西江特大桥工程实例,介绍了主体桥梁在工程地质结构复杂、水位变化大的条件下桩基成孔施工技术,并对桩基施工中的困难给出了相应的解决方法。

1 工程概况

西江特大桥位于汕(头)湛(江)高速公路清远清新至云浮新兴段西江特大桥设计施工总承包SSZB合同段(清云高速公路西江特大桥项目),起讫点桩号K113+300～K116+300,总长3 km。全桥共3联:2×47 m+(202 m+738 m)+4×45 m,主桥为边跨202 m(清远侧)+主跨738 m的双塔双跨吊钢箱梁悬索桥,主桥下部结构采用大直径钻孔灌注桩基础。两侧引桥(悦城东互通主线桥、鱼鳃坑大桥)上部构造为预应力混凝土小箱梁和T梁,下部构造采用柱式墩和薄壁墩,钻孔灌注桩基础。悦城东互通C、D匝道桥上部构造采用现浇混凝土箱梁,下部构造采用柱式墩,钻孔灌注桩基础。

桥区属西江流域,位于亚热带,气候温和,多年平均日照时数为1 282～2 243 h,多年平均气温在14～22 ℃之间,年际变化不大,全流域最低和最高的气温记录分别为-9.8 ℃和42.5 ℃。西江流域径流主要由降雨形成,流域内干、支流的洪、枯水期出现与降雨时空分布具有一定的规律性,汛期为5～10月,枯水期为11月～次年4月。常年水位变化大,设计最高通航水位17.630 m,最低通航水位0.730 m,枯水期水位+1～+5 m。土壤多为在第四纪沉积质上发育形成的赤红壤。地质为西江河套地带沉积阶地,地势起伏较大,地质结构主要为四层:软土+粘性土+砂层+基岩结构。地下水位高,上部为素填土层,层厚约2～3 m,中部为残积土层,下层为风化岩层。全桥桥位处覆盖层厚度变化大,呈不连续分布,直接影响到护筒埋设深度和成孔方式的选择。

2 钻孔施工方案

根据钻机性能及土层厚、入岩深、岩石坚硬等桥区地质情况分析来确定桩基础施工的形式,对于两个主墩采用回旋钻及冲机成孔。南引桥桩基数量少,采用冲机成孔;北引桥桩基数量多,采用旋挖钻成孔;北岸索塔部分桩基最初采用回旋钻成孔。由于卵石、粗砂层较厚,容易造成钻杆堵管,虽然进尺速度较冲机快,但是总的时间更长,因此北塔桩基改为以冲机为主、回旋钻为辅。

3 旋挖钻施工工艺

3.1 施工准备

针对工程所处地理位置及特点,在北引桥桩基施工前,必须做好以下几项施工准备工作:1)修筑便道:北引桥14号、15号墩位于西江北岸滩涂区,滩涂区地面标高为+4～+9 m;从地连墙周边便道靠下游向滩涂区放坡修建便道至墩位处,并在C匝道及北引桥0号承台至6号墩沿主线修筑一条施工便道,如图1所示。2)将水、电引进现场。3)装配泥浆池,泥浆池布置考虑4～5个墩共用。

3.2 钢护筒打设

钢护筒用15 mm钢板卷制而成,直径比设计桩径大20 cm,长度不小于3 m。钢护筒顶部焊接两个吊环,供拔护筒时使用。护筒埋设前先根据桩位引出四角控制桩,以控制护筒埋设位置。控制桩用φ12 mm钢筋制作,打入土中至少30 cm。护筒埋设采用旋挖钻机,先用钻机钻一个和护筒同口径的孔,而后将护筒下放对正,再用钻机下压到位。护筒周围要填土、捣实,避免漏浆,护筒中心与桩位中心偏差不大于50 mm,并保证护筒垂直、稳定。混凝土灌注结束,并排尽水泥浆至新鲜混凝土,使用起重设备缓缓提出护筒,防止落入大土块,影响桩顶混凝土质量。护筒全部拔出后,如有变形,需重新整修达到相关要求后,再埋设到其它桩位,重复使用。

3.3 泥浆制备与循环

泥浆的质量控制是旋挖钻机成孔的关键因素。钻机钻进过程不能造浆,也不能进行泥浆的循环。开孔前需制备足够的高性能泥浆,以确保孔壁的安全。为保证泥浆的性能指标,该工程在泥浆池内集中制备泥浆,灌注过程进行回收后集中净化处理,重复使用,以降低施工成本,保证现场文明施工。

该项目土层基本情况为素填土、粘土、沙砾、风化花岗岩等,采用膨润土、纯碱配制优质泥浆,泥浆配置如表1所示。制备时先将泥浆池清理干净,加入一定配比的膨润土和纯碱经泥浆泵抽水进行拌和形成,过程中检测泥浆指标是否符合要求,随时进行调整,泥浆指标参数如表2所示。为了增加泥浆的粘度,减少其失水率,在配置泥浆时可加入适量的羧甲基纤维素(CMC),CMC为一种粘合剂可增加泥浆的粘度。

表1 泥浆制备表(质量比)

表2 泥浆指标参数

3.4 旋挖钻机钻进成孔

3.4.1 成孔工艺

旋挖钻机成孔工艺与其它桩基不同[1]。旋挖钻机采用静态泥浆护壁钻斗取土的工艺,是一种无冲洗介质循环的钻进方法,但钻进时为保护孔壁稳定,孔内要注满优质泥浆(稳定液)。

旋挖钻机工作时能原地作整体回转运动。旋挖钻机钻孔取土时,依靠钻杆和钻头自重切入土层,斜向截齿在钻斗回转时切下土块向斗内推进而完成钻取土;进入岩层时,自重力不足以使截齿切入岩层,此时可通过加压油缸对机锁钻杆加压,强行将截齿切入岩层,完成钻孔取渣。钻斗内装满土后,由起重机提升钻杆及钻斗至地面,拉动钻斗上的开关即打开底门,钻斗内的土依靠自重作用自动排出。钻杆向下放关好斗门,再回转到孔内进行下一斗的挖掘。旋挖钻机行走机动、灵活,终孔后能快速的移位或至下一桩位施工。

3.4.2 钻头

根据不同土层选用不同型号的旋挖钻头[2],以适应土层旋挖压力的变化。成孔选用挖泥钻头、挖砂钻头、截齿钻头三种钻头,如图2所示。选择依据为:1)对粘性土层使用挖泥钻头,挖泥钻头的底盖为单层。2)对砂层则采用挖砂钻头,挖砂钻头和挖泥钻头的结构基本一致。但为保证钻头的密封性,这种钻头的底部为双层底,施工时通过双层底的旋转打开和闭合。3)在风化花岗岩层钻进时,采用截齿双底钻头。

3.4.3 孔底沉淤控制

旋挖钻斗的切削、提升上屑的机理与常见回转钻进的正、反循环成孔的切削、提升形式完全不同。前者是通过钻斗把孔底原状土切削成条状载入钻斗提升出土,后者是通过钻头把孔底原状土打碎由泥浆循环带出土面。前者底部面缓,钻至设计标高对土的扰动很小,没有聚淤漏斗,所以要加强泥浆的管理,控制固相含量,提高粘度,防止快速沉淀,还要控制终孔前两钻斗的旋挖量。成孔深度达到设计要求后,继续进行钻机移位、终孔验收工作。

3.4.4 清孔检孔

成孔达到设计标高后,检查孔深、孔径、垂直度是否满足要求。成孔质量符合图纸和规范要求并经监理工程师批准,并立即进行第一次清孔。一次清孔采用钻头掏渣方式进行,直到泥浆主要性能指标满足要求,孔底基本无沉渣。

3.5 钢筋笼制作及安装

钢筋笼采用分节加工及安装。桩基钢筋笼在陆地上钢筋加工厂内制作,由平板车运输及货船的运输方式到达至施工平台后,用汽车吊逐节下放进行安装。主筋均采用直螺纹套筒连接。在钢筋笼下方安装钢筋笼下放平台,其目的一是为了提供钢筋笼下放时的操作平台,二是在钢筋笼下放平台上设有可伸缩的牛腿,用于每节钢筋笼下放时的临时固定。钢筋笼下放到位后,为防止钢筋笼偏位,采用连接钢筋+套筒+垫板的形式固定在双拼槽钢上。

3.6 二次清孔

清孔的导管选用无缝钢管制作,管内直径为30 cm,壁厚8 mm。导管使用前和使用一定时间后对其进行水密承压和接头抗拉试验,并检查防水胶圈是否完好,有无老化现象。试验要求接头抗拉强度不低于母材强度,水密试验水压不小于1.3倍孔底水压且不应小于导管壁和焊缝可能承受灌注混凝土时最大内压力的1.3倍。经计算,水密试验压力为1.0 MPa。二次清孔采用正循环方式清孔[3]。由于一次清孔使用优质泥浆置换,且钢筋笼下放时间短,孔底基本干净,使用正循环方式清孔可以满足要求。

3.7 混凝土浇筑

桩基采用C30水下混凝土。桩基采用水下导管灌注法施工,单根钻孔桩的混凝土方量最大约为180 m3。混凝土由拌合站生产,混凝土运输车运输。根据计算,混凝土运输车混凝土容量为9～10 m3,能满足首盘混凝土方量要求(6.5 m3),因此采用混凝土运输车直灌的方式进行。灌注水下砼的分水球采用“封堵钢板+篮球”的方式,在砼灌注过程中设专人测量孔深并记录,用测锤在不同方向量测。严格控制导管埋深在2～6 m之间,防止埋管过深提不起来或埋管过浅脱空产生断桩事件。拆除导管前,还需测量准确砼灌注高度,同时每拆管一次前都要同搅拌站砼搅拌方量进行复核,以推算埋管深度是否合理[4]。

4 桩基钻孔施工中的困难及解决方法

由于西江特大桥的南索塔位于河滩斜坡处,岩面倾斜大且岩石强度高,容易造成斜孔并易卡钻、锤裂,处理将大大影响工期。针对实际情况,项目及时采取以下措施:1)要求专业队采购备用锤,以减少锤裂后焊锤过程中冲机停机时间;2)制定检查表格,要求现场施工员、专业队管理人员在冲进过程中定期提锤,检查冲锤有无裂纹、冲锤侧边牙有无磨损严重等;3)若发现斜孔迹象,及时回填片石重新钻进,减少偏孔的深度,降低修孔的难度;4)在岩层交界面冲进时,采用低冲程、勤检查的方法进行冲进;5)定期检查泥浆性能指标,定期清渣,防止泥浆过浓后造成冲锤不转、而导致梅花孔。

在北引桥桩基采用旋挖钻机施工,在施工过程中:1)由于原计划泥浆池太小影响进度,必须等上一条桩基浇筑以后才能开钻下一条,所以提出改进措施:新加泥浆池,增加人员造浆,使现场有250 m3的泥浆储存量;2)为保证成孔的垂直度,提出以下措施:首先利用护桩确定钻头的平面位置,然后根据钻机上的电子设备调整钻杆垂直度,钻进过程中测量组利用全站仪复核钻杆垂直度;同时要求专业队在钻孔过程中及时检验地基沉降情况。

5 结 语

汕湛高速公路西江特大桥跨越西江,地势起伏较大,全桥桥位处覆盖层厚度变化大,呈不连续分布,直接影响到护筒埋设深度和成孔方式的选择。根据不同桥段的地质情况,采用不同的钻孔方式,其中对北引桥桩基采用旋挖钻机施工,并对桩基护筒、泥浆、钻进等关键环节,采用相应的工艺对策,并解决了施工中遇到的各种难题,确保了施工顺利进行,保证了桩基工程质量。该桥桩基施工已完成,成孔后各桩基孔深、孔径、孔斜及沉渣厚度均达到工程质量检验评定标准,主墩桩基Ⅰ类桩比例100%,全桥桩基Ⅰ类桩比例95.3%。