五峰山長(zhǎng)江特大橋4號(hào)墩鉆孔樁施工關(guān)鍵技術(shù)

陶 俊 中鐵大橋局集團(tuán)第四工程有限公司

史良洪 馮傳寶 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部

1 工程概況

新建連鎮(zhèn)鐵路五峰山長(zhǎng)江特大橋?yàn)檫B鎮(zhèn)鐵路跨越長(zhǎng)江的一座特大型橋梁，為全線的重點(diǎn)控制性工程。五峰山長(zhǎng)江特大橋主橋?yàn)?(84+84+1092+84+84)m鋼桁梁公鐵兩用懸索橋，主梁上層采用設(shè)計(jì)行車(chē)速度為100 km/h的雙向八車(chē)道公路橋面，下層采用250 km/h雙線客運(yùn)專(zhuān)線及200 km/h預(yù)留雙線客運(yùn)專(zhuān)線（見(jiàn)圖1）。

圖1 五峰山長(zhǎng)江大橋橋型立面布置圖（m）

主橋4號(hào)墩為南岸臨江陸地主塔墩，基礎(chǔ)采用左右塔柱分離式承臺(tái)(中間設(shè)系梁連接)、群樁基礎(chǔ)形式，共計(jì)布置67根φ2.8 m鉆孔樁。承臺(tái)上游側(cè)布置35根，下游布置32根，樁基呈梅花型布置，縱向7排，橫向13排，行間距為5.1 m和5.8 m。由于上、下游巖面埋深差異較大，故上下游鉆孔樁采用長(zhǎng)短樁設(shè)計(jì)。其中，下游側(cè)為短樁，樁長(zhǎng)50 m～95 m，上游側(cè)為長(zhǎng)樁，樁長(zhǎng)65 m～128 m。端承樁設(shè)計(jì)，要求上游樁尖嵌入弱風(fēng)化石英閃長(zhǎng)斑巖不小于22 m，下游樁尖嵌入微風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖不小于4.5 m。鋼護(hù)筒15 m參與受力，設(shè)計(jì)直徑3.2 m、壁厚25 mm。鉆孔樁具體布置見(jiàn)圖2。

圖2 主橋4號(hào)墩鉆孔樁布置圖（cm）

2 工程地質(zhì)

4號(hào)墩上游側(cè)表層為拋石及塊石填土。拋石及塊石以下為覆蓋層，覆蓋層上部為填土，厚約5 m～6 m，中部為軟塑狀粉質(zhì)黏土，厚15 m～35 m，下部為硬塑～堅(jiān)硬狀粉質(zhì)黏土，局部含碎石，厚25 m～30 m。基巖以含礫凝灰質(zhì)泥巖為主，不均勻夾雜凝灰質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)泥巖、凝灰質(zhì)角礫巖，底部為燕山期侵入的石英閃長(zhǎng)斑巖，弱風(fēng)化基巖面高程在-44 m～-56 m（地面高程為+6.5 m），巖體強(qiáng)度較低且軟硬不均。基巖受石英閃長(zhǎng)斑巖侵入影響，巖體破碎，巖塊強(qiáng)度變化大。

4號(hào)墩下游側(cè)地表覆蓋層為粉質(zhì)黏土、含碎石粉質(zhì)黏土，覆蓋層層厚約30 m～40 m。覆蓋層以下為強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖。樁基持力層為微風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖，強(qiáng)度高，天然抗壓強(qiáng)度達(dá) 36 MPa～42 MPa，最大達(dá) 90 MPa～120 MPa。

3 主要施工難點(diǎn)

4號(hào)墩鉆孔樁采用陸上施工方法施工。在清理場(chǎng)地、插打鋼護(hù)筒并完成混凝土鉆孔平臺(tái)施工后，采用回旋鉆機(jī)+沖擊鉆組合完成鉆孔施工。然后分節(jié)安裝鋼筋籠，采用氣舉反循環(huán)法清孔。泥漿指標(biāo)及孔底沉淀層厚度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求后，采用垂直導(dǎo)管法完成水下混凝土灌注。

4號(hào)墩鉆孔樁主要施工難點(diǎn)如下：

（1）4號(hào)墩?qǐng)龅卦瓲顬樯笆洗a頭，碼頭表層約3 m～6 m深的素填土內(nèi)夾雜鋼筋、碎磚等建筑垃圾，臨江側(cè)地表以下5 m～7 m范圍內(nèi)分布有原碼頭防護(hù)拋填的粒徑30 cm～50 cm塊石，嚴(yán)重影響鉆孔樁鋼護(hù)筒插打。且設(shè)計(jì)要求鋼護(hù)筒15 m參與受力，即鋼護(hù)筒需自地面下沉約24 m至-17.5 m高程，下沉深度較深，下沉阻力非常大。

（2）4號(hào)墩鉆孔樁為直徑2.8 m，最長(zhǎng)128 m的大直徑超長(zhǎng)鉆孔樁，孔深最大可達(dá)135 m，進(jìn)入巖層深度深，持力層巖石強(qiáng)度高，對(duì)鉆機(jī)性能要求非常高。樁位巖體較為破碎，裂隙發(fā)育，且存在軟硬不均現(xiàn)象，鉆孔過(guò)程中有漏漿塌孔的風(fēng)險(xiǎn)，成孔施工難度非常大。

（3）地質(zhì)巖層走向傾斜較大，最大傾角可達(dá)45°，單根鉆孔樁直徑范圍內(nèi)巖面高差約2.8 m，對(duì)鉆孔過(guò)程中孔身垂直度控制極為不利。

（4）巖層分布不均，上下游差異較大，且軟硬巖層交替，鉆孔施工較為困難，應(yīng)選擇合適的鉆孔設(shè)備，在鉆孔過(guò)程中，泥漿和鉆進(jìn)參數(shù)的選擇成為鉆孔樁成敗的關(guān)鍵。

針對(duì)以上難點(diǎn)，從場(chǎng)地布置、鋼護(hù)筒施工、鉆機(jī)選型、泥漿指標(biāo)和循環(huán)、鉆進(jìn)程序控制等方面制定措施，確保主橋4號(hào)墩鉆孔樁順利完成。

4 關(guān)鍵技術(shù)措施

4.1 場(chǎng)地布置

鋼護(hù)筒施工完成后,上下游圓端承臺(tái)區(qū)填筑石渣，澆筑20cm厚地坪砼形成鉆孔平臺(tái)。同時(shí)布設(shè)泥漿溝槽用于廢棄泥漿的回收利用。布置兩臺(tái)100 t門(mén)吊用于鉆機(jī)拼裝、移位及鋼筋籠下放等吊裝作業(yè)，門(mén)吊跨度為55 m，主鉤額定吊重量為100 t，副鉤額定吊重量為25 t。另在上、下游各布置一臺(tái)TC7035B-16型塔吊用于吊裝鉆桿、導(dǎo)管等輔助吊裝作業(yè)。

4.2 鋼護(hù)筒施工

鋼護(hù)筒插打采用大小護(hù)筒套打的方法，先埋設(shè)φ3.4 m工具護(hù)筒，采用沖擊鉆在工具護(hù)筒內(nèi)鉆孔至標(biāo)高-2.5 m進(jìn)行清障，安裝導(dǎo)向架，利用250 t履帶吊配合YZ230振動(dòng)錘進(jìn)行鋼護(hù)筒插打，將φ3.2 m工作護(hù)筒插打至設(shè)計(jì)標(biāo)高-17.5 m后，拔除工具護(hù)筒并用砂回填。工作護(hù)筒內(nèi)徑為φ3.2 m，壁厚δ=25 mm，材質(zhì)為Q345C，護(hù)筒長(zhǎng)度25.6 m，底節(jié)15.6 m為永久鋼護(hù)筒。

鋼護(hù)筒垂直度控制在1/200以?xún)?nèi)，平面位置偏差不大于50 mm。為確保鋼護(hù)筒的插打精度，采取以下控制措施：

（1）在樁位處設(shè)置導(dǎo)向架，導(dǎo)向架采用錨固筋與地面錨固。

（2）插打過(guò)程中采用兩臺(tái)全站儀進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，控制垂直度。

（3）鋼護(hù)筒插打標(biāo)準(zhǔn)采取設(shè)計(jì)護(hù)筒底標(biāo)高為準(zhǔn)，鋼護(hù)筒插打到位后，將+7.2 m以上多余部分割除，然后拔出工具護(hù)筒，并用砂回填（見(jiàn)圖3）。

圖3 底節(jié)鋼護(hù)筒定位

實(shí)踐證明，采用套打技術(shù)，在順利穿透不利地層的同時(shí)有效的降低了插打?qū)φ駝?dòng)錘的需求，經(jīng)過(guò)50天的插打，67根護(hù)筒全部順利插打到位，其護(hù)筒垂直度最大偏差為10 cm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4.3 鉆機(jī)選型

根據(jù)上下游不同地質(zhì)情況，合理選擇鉆機(jī)，在滿(mǎn)足施工要求的情況下使設(shè)備利用率達(dá)到最大化：

上游側(cè)為長(zhǎng)樁，樁長(zhǎng)65 m～128 m。基巖以含礫凝灰質(zhì)泥巖為主，不均勻夾雜凝灰質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)泥巖、凝灰角礫巖，底部為燕山期侵入的石英閃長(zhǎng)斑巖，巖體強(qiáng)度較低且軟硬不均。布置6臺(tái)KTY4000型鉆機(jī)進(jìn)行施工。

下游側(cè)為短樁，樁長(zhǎng)50 m～65 m。地基為微風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖，強(qiáng)度高，天然抗壓強(qiáng)度達(dá)36 MPa～42 MPa，最大達(dá)90 MPa～120 MPa，布置6臺(tái)JKL-16型沖擊鉆進(jìn)行施工。

鉆孔順序按照優(yōu)先岸側(cè)、相鄰樁不得同時(shí)開(kāi)鉆、先長(zhǎng)樁后短樁的原則進(jìn)行。

4.4 泥漿指標(biāo)及循環(huán)

在鉆孔施工過(guò)程中泥漿的凈化采用機(jī)械強(qiáng)制凈化。每臺(tái)鉆機(jī)配1臺(tái)250 m3/h泥漿分離器及1個(gè)沉渣桶。沉渣箱和泥漿分離器布置在鉆孔平臺(tái)臨江側(cè)，通過(guò)泥漿管與鉆機(jī)（回旋鉆機(jī)）/鉆孔內(nèi)泥漿泵（沖擊鉆）連接。鉆孔時(shí)鉆機(jī)排出的帶渣泥漿抽至沉渣桶，經(jīng)過(guò)篩網(wǎng)過(guò)濾，去除粒徑大于10 mm的鉆渣，然后流入泥漿分離器進(jìn)行凈化處理后通過(guò)回漿管路流回孔內(nèi)。分離出的鉆渣通過(guò)溜槽排放至渣船上（見(jiàn)表1、表2）。

表1 回旋鉆機(jī)各地層泥漿控制指標(biāo)

表2 沖擊鉆機(jī)各地層泥漿控制指標(biāo)

4.5 鉆進(jìn)程序控制

（1）開(kāi)孔節(jié)段，檢查鉆機(jī)平面位置及垂直度符合要求后，開(kāi)始鉆進(jìn)作業(yè)，先進(jìn)行反壓循環(huán)，置換孔內(nèi)泥漿并觀察鉆桿有無(wú)漏水情況。然后進(jìn)行正常鉆進(jìn)，并且做好鉆進(jìn)記錄。

（2）針對(duì)不同地層采用相應(yīng)的鉆頭及鉆壓、鉆速、進(jìn)尺速度，以最大限度的滿(mǎn)足施工需要和降低鉆機(jī)設(shè)備損耗。相關(guān)鉆進(jìn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3、表4。

表3 覆蓋層鉆進(jìn)數(shù)據(jù)表

表4 巖層鉆進(jìn)數(shù)據(jù)表

（3）針對(duì)大傾斜巖面容易導(dǎo)致斜孔采取的措施有：①開(kāi)鉆前，對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行抄平。②杜絕鉆進(jìn)過(guò)程中鉆桿、鉆架大幅擺動(dòng)，力爭(zhēng)平穩(wěn)鉆進(jìn)。③用吊線法測(cè)量鉆桿和沖繩的垂直度，發(fā)現(xiàn)垂直度超標(biāo)，及時(shí)糾偏。④采用“進(jìn)二退一”的鉆孔方法，結(jié)合掃孔時(shí)的扭矩大小判斷孔的垂直度。⑤通過(guò)渣樣變化來(lái)判斷地層的變化，以便及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)，預(yù)防斜孔。⑥密切注意鉆機(jī)在鉆進(jìn)過(guò)程中的鉆機(jī)轉(zhuǎn)速、鉆壓、沖程等狀態(tài)參數(shù)的變化，并根據(jù)鉆頭標(biāo)高判斷其所處地層情況，調(diào)整合適的鉆壓、轉(zhuǎn)速和沖程。

（4）終孔時(shí)終孔標(biāo)高以鉆孔平臺(tái)頂面為基準(zhǔn)測(cè)定，采用鉆桿長(zhǎng)度和測(cè)繩測(cè)量相互校核。

（5）鉆孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，回旋鉆將鉆頭提離孔底5 cm～10 cm，鉆機(jī)慢速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行氣舉反循環(huán)抽漿清孔；沖擊鉆機(jī)采取導(dǎo)管氣舉反循環(huán)清孔，同時(shí)調(diào)整泥漿性能以滿(mǎn)足鋼筋籠安裝要求。

（6）當(dāng)?shù)?次清孔完畢，采用超聲波檢測(cè)儀檢查孔徑、孔斜等，檢測(cè)結(jié)果均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求后方可進(jìn)行鋼筋籠安裝及第2次清孔。當(dāng)孔底沉渣小于5 cm時(shí)，方可灌注混凝土。

5 結(jié)束語(yǔ)

五峰山長(zhǎng)江特大橋4號(hào)墩于2016年1月18日施工第1根鉆孔樁，于2016年10月24日完成最后1根鉆孔樁的施工，總歷時(shí)281天，針對(duì)該墩磚石覆蓋層、大斜巖面、超硬巖質(zhì)、巖層分布不均、軟硬巖層交替等情況，通過(guò)采取澆筑混凝土平臺(tái)、鋼護(hù)筒套打、合理的設(shè)備選型、泥漿控制及鉆進(jìn)參數(shù)控制等措施，特別時(shí)采用鋼護(hù)筒套打技術(shù)和根據(jù)不同地質(zhì)選取不同的鉆機(jī)設(shè)備，有效保證了鉆孔樁的成孔質(zhì)量，最終順利完成全部鉆孔樁施工。經(jīng)超聲波檢測(cè)顯示67根樁基均為Ⅰ類(lèi)樁。