跨江大橋超長大直徑灌注樁施工控制技術

王 海 峻

(南京市公共工程建設中心，江蘇 南京 210019)

0 引言

隨著我國沿江城市的發展，跨江大橋成為了解決城市江南江北交通通行的不二選擇。跨江大橋主塔基礎一般采用超長大直徑混凝土灌注樁，但由于其超長和大直徑成為了質量控制的難點，施工進度往往影響主塔總體施工工期。因此，本文以跨江大橋主塔超長大直徑灌注樁施工為例，探討了施工控制，分析了影響因素，選擇了合理控制指標，希望能對類似的工程提供參考。

1 工程概況

某過江通道工程全長約13.17 km，主線橋梁長約11 810.5 m、隧道長約241 m、道路長約1 118.5 m。跨江大橋主橋采用主跨1 760 m的單跨門型塔整體鋼箱梁懸索橋，主橋跨度布置采用580 m+1 760 m+580 m，矢跨比1/9。南、北塔基礎采用超長大直徑灌注樁，本文以北塔的樁基為例，北主塔基礎采用66根直徑2.8 m鉆孔灌注樁，按摩擦樁設計，樁長110 m，樁端進入中風化粉砂巖。樁頂標高-4.715 m，樁底標高-114.715 m。鋼筋籠主筋采用32 mm螺紋鋼，每2 m架設一道加勁箍筋，箍筋采用10 mm的圓鋼，混凝土為C30水下混凝土。

北塔墩位于漫灘上，地面高程2 m～7 m，覆蓋層上部為厚約10 m的松散～稍密層狀粉土粉砂夾少量淤泥質粉質黏土，其下為厚約40 m的松散～密實狀細砂夾軟塑狀黏性土、粉土，底部為厚30 m左右的中粗砂、圓礫組成的混合土，基巖為粉砂巖，巖體基本質量等級為Ⅴ級。具體地質特性見表1。

2 灌注樁施工難點分析

2.1 疫情影響大

2020年1月起，受新型冠狀病毒疫情影響，樁基、吊車等設備因交通管制無法正常運送到施工場地，部分材料無法采購、部分工人無法按時返回，原計劃2月初開始施工不得不推遲，正式開工時間為2020年3月18日。根據國家、省市疫情防控要求，鋼筋加工等密閉的場地，加工人員不能過于密集，降低了工作效率。

2.2 涉水作業，作業平臺要求高

表1 各工程地質層承載力及樁基參數推薦值一覽表

本項目的主塔樁基在長江岸邊，水位受長江徑流與潮汐復合影響，主要受長江徑流控制，汛枯季分明，最高潮位發生在汛期，最低潮位發生在枯期。水位每日漲、落兩次，為非正規半日潮。漲潮歷時3個多小時。長江下游汛期為5月～10月，11月～次年4月為枯季，水位最高月份為7月、8月份，最小月份為1月、2月份，經過統計分析，6月份水位75%概率在5 m以下，近10年的水位平均值為4.48 m，如表2所示。因此，地面平臺標高選定為+5.0 m，樁基須在6月底前全部施工完畢，考慮到機械設備、臨時用電、泥漿等處理和撤場工作時間，在平臺施工的根樁必須在6月中旬施工完成。根據現場場地和施工工效，將66根樁分為48+18兩批施工，遠離棧橋平臺的48根樁計劃在枯水期整平平臺上施工完成，剩余18根樁在鋼平臺上施工。

表2 主塔位置長江水位統計表 m

2.3 施工工期緊

如前所述受新冠疫情影響原定開工時間推遲，項目正式開工時間為2020年3月18日。需要在6月中旬施工完成，總的施工時間剩89 d，成樁的速度需要保證2 d一根樁，工期壓力非常大，一旦發生不可控的意外事情將直接影響總體的施工工期。

2.4 成孔難度大

該樁長110 m，整平過的平臺標高為+5.0 m，樁底標高為-114.715 m，實際成孔深度為119.715 m，樁端需要進入中風化粉砂巖，入巖深度約33 m，鉆進成孔難度加大、成孔時間加長，容易產生塌孔。

2.5 泥漿指標要求高

成孔完成后，下方鋼筋籠需要約8 h，安裝導管需要約4 h，要在這么長的時間內保持孔壁質量、不發生塌孔，對泥漿質量要求很高，泥漿的各項控制指標需要精準控制到位。

2.6 混凝土灌注時間長、方量大

根據計算單根鉆孔樁混凝土設計方量677.4 m3，為超長大直徑灌注樁，根據以往澆筑經驗，混凝土澆筑需要約10 h，混凝土澆筑時間長，對混凝土連續供應、連續澆筑質量控制要求高，澆筑質量直接關系到樁的實體質量。

3 施工控制技術

3.1 作業平臺選擇

為了提高地基承載能力和降低長江水位影響，需要對原地面進行處理，根據以往類似工程平臺處理經驗，原地面通過碎石進行填筑，平整后澆筑30 cm厚C25混凝土形成作業平臺，供樁基和起吊設備行走使用，平臺頂標高+5.0 m。為了防止突發洪水對平臺的影響以及環保要求，在平臺四周筑造高1.5 m，寬2 m的臨時圍堰，提高平臺的安全性。

3.2 樁基施工工藝和鉆機選擇

根據本工程的地層特點、現場成樁速度、泥漿處理等方面綜合考慮，選用旋挖鉆樁基施工。

為了滿足流水作業2 d施工完成一根樁的施工速度，結合地層特點，投入4臺XR550D旋挖鉆機和1臺SR405R旋挖鉆，根據兩種鉆機的施工特性，原地面80 m范圍內采用SR405R旋挖鉆機成孔，80 m以下部分采用XR550D旋挖鉆機接力成孔。成孔時間控制在48 h。

3.3 泥漿制備質量控制

泥漿選用優質膨潤土、堿、聚丙烯酰胺等原料制成PHP泥漿進行護壁，采用ZJ1000泥漿攪拌機攪拌制漿，造漿配合比見表3。

表3 1 m3膨潤土泥漿配合比

泥漿造漿后檢驗泥漿比重、粘度、含砂率、膠體率、pH值等指標，鉆孔過程中隨時檢驗泥漿比重和含砂率，根據地質情況的變化隨時調整泥漿的性能指標，保證泥漿的各項指標符合規范要求。本工程樁基上部穿過粉砂及粉細砂地層，該地層均屬于極易坍孔地層，在鉆進過程中，有大量的粉細砂溶于孔內泥漿，造成了泥漿含砂率高，根據現場實際情況泥漿性能指標不同地層的控制指標符合表4要求。

3.4 成孔質量控制

3.4.1鉆機的垂直度和速度控制

鉆機就位后應定期檢查穩定性，不得產生位移和沉陷。鉆機就位時與平面最大傾角不超過4°，鉆頭中心與樁位中心的偏差值不得大于2 cm，鉆桿傾斜度不大于0.5%。

表4 不同地層泥漿指標控制值

初始鉆進采用低速鉆進，在鉆進護筒底部時，要低速減壓鉆進，反復掃孔，直至形成一定的泥皮后才正常鉆進。在粘性土層中，鉆機的進尺速度可適當加快；在砂土層中，鉆機的進尺速度要減慢，以防坍孔。鉆進過程中對鉆桿的提升速度應加以控制，嚴禁過快提升，防止鉆頭下方出現負壓區，出現塌孔。

3.4.2水頭壓力控制

由于施工時間段內，長江岸邊的河水漲幅變化大，為了鉆進工作的正常開展，需要觀察長江邊水位情況，及時調整護筒內的泥漿高度，確保護筒內水頭高出長江水位最高值2 m以上。

3.5 出渣處理

本項目單根樁的出渣量大，工程施工臨近江邊，場地有限，常規的出渣處理不能滿足現場施工要求，如何快速處理出渣關系到成樁速度。為了提高出渣效率，本項目出渣先通過篩分設備快速瀝干、晾曬后通過土方車外運出場地。

3.6 鋼筋籠加工及吊裝

鋼筋籠基本節段長度為12.0 m，頂部、底部設配節長度，接頭采用機械連接，接頭面積百分率為50%，分節吊裝到施工現場，進行安裝。本工程的鋼筋籠共分10節，長度分別為8 776 mm+12 000 mm×8+6 174 mm。

鋼筋籠采用2臺200 t和1臺100 t履帶吊機作為吊運設備，采用2點起吊，其中200 t履帶吊機作為主吊，100 t履帶吊機作為翻身用輔吊，吊機配合使鋼筋籠逐步豎立、對位入孔。

3.7 清孔質量控制

采用兩次清孔，鉆孔深度達到設計要求，對孔深、孔徑、孔的垂直度等進行檢查，符合要求后進行第一次清孔；鋼筋籠、導管安放完畢，混凝土澆筑之前，進行第二次清孔。第一次清孔、第二次清孔均采用氣舉反循環方法清孔，利用泥漿分離器過濾泥漿。

本工程樁基上部穿過粉砂及粉細砂地層，該地層均屬于極易坍孔地層，參考JTG—TF50—2011公路橋涵施工技術規范中易坍地層泥漿控制指標要求以及本項目的實際施工情況，本項目鉆孔樁二清完成后泥漿指標為：泥漿比重1.08～1.1，粘度19 Pa·s～28 Pa·s，含砂率8%～4%，沉渣厚度不大于15 cm。

二次清孔達到要求后，立即拆除清孔頭帽和高壓風管，進行水下混凝土灌注作業。

3.8 混凝土澆筑質量控制

3.8.1配合比控制

本灌注樁混凝土設計等級強度為C30，正式施工前，對混凝土的配合比進行設計和驗證，驗證合格要求后，正式進行開盤。混凝土坍落度為18 cm～22 cm，初凝時間不少于15 h，本項目的配合比見表5。

表5 C30混凝土配合比 kg/m3

3.8.2原材料控制

為了確保混凝土質量，在項目施工附近建立專門的混凝土拌合站，拌樓和料倉全封閉，由項目部管理人員親自對拌合站進行管理，派專人采購混凝土的粗、細集料，實現從料源到料倉的點對點管理，進場前對原材料按照規范頻率進行抽檢，合格后方可進入堆場。

3.8.3灌注控制

1)導管安裝。

采用內徑33 cm的壁厚1 cm快速卡口垂直提升式導管進行混凝土灌注，導管安裝前進行水密承壓和接頭抗拉試驗。試驗壓力為孔底凈水壓力的1.5倍，取4.2 MPa。導管加壓至試驗壓力后檢查有無滲漏情況，在無滲漏的條件下持荷時間不少于15 min，不滲漏即為合格。本工程選用的導管底節為4.3 m，標準節為3 m，共38節，頂節長度1.5 m，對每節導管進行編號，澆筑混凝土時按照編號順序進行安裝。

2)首次混凝土量。

根據JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術規范8.2.11公式可以計算出首次混凝土灌入量為15 m3，其中H1取0.3 m，H2取1 m，Hw取120 m，γw取10.5 kN/m3，γc取24 kN/m3。

混凝土澆筑過程中要嚴格控制導管埋深，控制在2 m～6 m。

3)現場混凝土澆筑設備配置。

根據混凝土生產方量、運輸時間、汽車泵送速度以及其他不利因素綜合考慮，計算得出現場需要配置15 m3大料斗和3.6 m3拔球料斗、2臺汽車泵、6臺混凝土攪拌車、2條拌樓生產線。

3.9 其他保證措施

3.9.1備用樁基

為了提高樁基工作效率，減少機器故障維修時間，樁基發生故障后，故障部位的配件只換不修，配件從新的備用樁基中拆除，然后再維修故障配件，最大程度減少停機維修時間，提高工作效率。

3.9.2鉆頭防脫落保障措施

旋挖鉆鉆頭在超深成孔中掉落是成孔過程中一項難題，為了解決這一問題，在每根樁成孔前對鉆頭鋼絲繩進行仔細檢查，檢查合格后方可開鉆，一旦發現鋼絲繩存在斷絲、繩芯損壞等問題一律予以報廢。每施工完成5根樁，無論鋼絲繩質量如何，一律采取報廢處理，并將鋼絲繩剪斷，防止工人再次使用，降低鉆頭掉落風險。

4 關鍵控制措施

灌注樁在首根樁施工完成后，進行了認真的分析，對泥漿指標、鉆進速度、混凝土灌注等影響施工質量和效率的因素進行了優化，保質保量的完成了施工任務。

4.1 泥漿指標

JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術規范對于大直徑、超長樁的泥漿性能指標不作硬性規定。因此，本項目剛開始方案中泥漿控制指標泥漿比重應控制在1.05～1.2之間，粘度一般地層控制在16 Pa·s～22 Pa·s，松散易塌陷地層控制在19 s～28 s，含砂率新制泥漿不大于2%，膠體率不小于95%，pH值大于6.5。但是根據現場實際情況調整了一清撈渣方式和二清指標。

4.1.1一次清孔控制措施

本工程首根樁終孔后泥漿靜置24 h，泥漿砂率較終孔幾乎沒有變化，分析原因為項目砂層較厚，為了控制塌孔風險，鉆進成孔過程中，孔內泥漿相對密度、粘度、含砂率等指標相對偏大，泥漿較為粘稠。鉆孔過程中，大量的粉細砂溶于泥漿內，由于粒徑太小，始終處于懸浮狀態，無法沉淀。因此，針對本項目的泥漿配置及砂子粒徑特點，在后續施工過程中直接采用撈渣斗將孔底的松散物直接打撈干凈，完成一清工作，大大縮減單樁成樁周期，減小孔壁長時間浸泡而導致的坍孔風險。

4.1.2二次清孔控制措施

首根樁二次清孔的泥漿經過泥漿分離器分離后，泥漿的砂率高達15%，但是粘度降幅較大，為了降低泥漿砂率，將濾砂器的篩目由25目(0.6 mm)更換成40目(0.425 mm)，含砂率得到有效降低，二次清孔后泥漿指標為比重1.03～1.1，含砂率8%～4%，粘度18 Pa·s～30 Pa·s。

4.2 鉆進速度

本項目有33 m的巖層，旋挖樁司機為了保險起見，往往對該地層鉆進速度偏慢，經過首根樁試驗和對司機的重新交底后，在巖層的進尺速度控制在1 m/h～3 m/h，其他各層的速度見表6。

表6 鉆孔樁鉆進速度

4.3 首封混凝土灌注

首封混凝土灌注是質量控制的關鍵，設備根據3.8.3第(3)條要求配置，為了確保連續供應，聯系了相鄰標段的拌合站，作為備用站。

5 結語

1)認真分析了疫情對工程影響，通過選擇合理施工工藝，優化施工過程控制指標，在確保質量的前提下提高施工工效，在汛期來臨前順利完成了既定的任務目標。

2)針對不同地層對司機進行交底，提高不同地質條件下的鉆進速度，提高了鉆孔效率。

3)通過分析地層特性優化成孔后一清控制措施和二清控制標準，提高了出渣效率，確保了成孔質量。

4)通過分析現場實際條件，考慮不利影響，配置了符合要求的大小料斗、汽車泵、混凝土攪拌車、導管等。

5)為了減少樁基施工過程中停機維修時間和鉆頭掉落風險，制定了備件更換和硬性處理鋼絲繩措施，提高了樁基工作效率。