關于橋梁大直徑鉆孔樁施工技術應用

李 莉

(山西路橋建設集團有限公司，山西 太原 030006)

1 工程概況

某橋梁工程總長約10.136 km，按雙向八車道標準進行設計，基礎采用大直徑鉆孔樁，南、北岸分別為20根和130根。其中，北岸鉆孔樁的樁徑為3.8 m，在B13#～B47#墩與B53#～B82#墩分布，樁長分為3種，分別為105、108、111 m，均為摩擦樁，樁頂標高相同，為-3.0 m。考慮到該橋梁鉆孔樁的樁徑與樁長都很大，故需要采用大扭矩鉆機，此次采用的是KTY-4000動力頭鉆機，其技術性能為：①鉆孔直徑：在強度低于120 MPa的巖層中，鉆孔直徑為2.0～4.0 m，在強度低于200 MPa的巖層中，鉆孔直徑為2.0～3.5 m；②最大鉆孔深度可達130 m；③動力頭鉆速在0～15 rpm；④動力頭扭矩為300 kN·m；⑤鉆桿直徑和長度分別為300、3 000 mm；⑥總功率為285 kW；⑦外形尺寸為7 380 mm×7 470 mm×8 160 mm；⑧主機重量為44 t；⑨鉆具系統重量為130 t。現以該橋梁工程為例，對其大直徑鉆孔樁施工技術進行以下分析。

2 施工工藝

2.1 鋼護筒埋設

為起到防腐的作用，從-35.0 m標高處開始向上設置鋼護筒，此次設置的鋼護筒為永久鋼護筒，其內徑比樁徑大0.3 m，即4.1 m，采用Q345C型鋼板，板厚分為兩種，分別為32.0 mm和27.0 mm，到平臺的頂端鋼護筒的總長度為45 m。將整個鋼護筒分成3節均在施工現場制造，制造完成后運輸到施工位置進行焊接接長與埋設。各節護筒的起吊借助200 t履帶吊進行，埋設采用2臺振動打樁機進行聯合振動插打，期間采用平臺的鋼管樁作為導向，這樣能起到降低起吊高度的作用。因鋼護筒的接長對接焊引入了自動焊，且每個工序所使用的施工方法均合理得當，所以鋼護筒埋設整個過程都非常順利，為各墩埋設2根鋼護筒只需要36 h左右的時間，而且所有技術指標都能達到要求。

2.2 鉆機擺放

對于鉆機現場擺放，需要充分考慮以下兩點：①鉆機的受力要和平臺結構良好匹配，使底座的支點盡可能處在鋼管樁處，同時要與鉆機的移位、拆除及后續灌注施工相統籌，以盡可能地為施工提供方便；②將鉆機組裝到位以后，鉆機底座應達到穩定并保持水平，同時鉆架的中心、鉆機動力頭回轉中心與鉆頭、鉆桿及樁徑的中心必須處于同一條鉛垂線，這是確保孔位準確無誤且保持順直的基礎。一般情況下，偏位不能超過50 mm，傾斜度不能超過1/200。

2.3 泥漿配制與技術指標控制

泥漿利用淡水進行配制，通過按照適當的比例對PHP、膨潤土與CMC進行混合而成，為適應該橋梁所在地區的地質條件，泥漿性能指標需達到以下要求：①基漿(由膨潤土和堿混合而成)：比重應小于1.05 g/cm3，粘度在20～22 Pa·s，含砂率應小于0.3%，膠體率應大于98%，失水率應小于15 mL/30 min，泥皮厚度為1.5 mm/30 min，pH值為9～10，靜切力為2～4 Pa；②新漿(通過在基漿中添加PHP制成)：比重應小于1.065 g/cm3，粘度在25～30 Pa·s，含砂率應小于0.3%，膠體率為100%，失水率應小于10 mL/30 min，泥皮厚度不超過1.0 mm/30 min，pH值為10～12，靜切力為4～6 Pa；③鉆進泥漿(由新漿和鉆屑混合而成)：比重應小于1.20 g/cm3，粘度在25～30 Pa·s，含砂率應小于10.0%，膠體率為96%，失水率應小于18 mL/30 min，泥皮厚度為2.0 mm/30 min，pH值為7.5～9，靜切力為3～5 Pa；④回流泥漿(即鉆進泥漿通過凈化或補充新漿后得到的泥漿)：比重應小于1.15 g/cm3，粘度在19～25 Pa·s，含砂率為0.5%～2.0%，膠體率為98%，失水率應小于15 mL/30 min，泥皮厚度為1.5 mm/30 min，pH值為7.5～9，靜切力為3～5 Pa；⑤清孔泥漿(即回流泥漿和新漿的混合)：比重在1.06～1.13 g/cm3，粘度在17～22 Pa·s，含砂率不超過0.50%，膠體率為98%，失水率應小于10 mL/30 min，泥皮厚度應小于1.0 mm/30 min，pH值為7.5～9，靜切力為3～5 Pa；⑥當泥漿達到以下指標時，需棄用：比重大于1.3 g/cm3，粘度超過42 Pa·s，含砂率超過10%，膠體率小于90%，失水率大于25 mL/30 min，泥皮厚度超過5 mm/30 min，pH值小于7或大于14，靜切力小于1 Pa。

2.4 鉆進成孔

根據現場的地質條件，為每臺鉆機均配備了籠式刮刀鉆頭，并準備滾刀牙輪鉆作為備用，鉆進參數由于地層的不同而有所不同，具體為：在砂層時，鉆壓按150～200 kN控制，轉數為3～4 rpm，進尺速度為2～3 m/h；在礫砂層時，鉆壓按200～300 kN控制，轉數為4～5 rpm，進度速度為0.5～1.5 m/h；對于鋼護筒底部端口處的地層，鉆壓應小于150 kN，轉數為3～4 rpm，進尺速度為0.5～1.0 m/h；在黏土層時，鉆壓應小于250 kN，轉數為5～7 rpm，進尺速度為0.15～0.40 m/h；在風化巖層時，鉆壓按400～600 kN控制，轉數為5～6 rpm，進尺速度為0.10～0.25 m/h。鉆進成孔時必須嚴格按照以上參數進行控制。經施工實踐可知，以上鉆進參數和所有技術指標都與工程實際情況相符，在15～18 d周期內完成成孔。鉆孔完成且經檢驗確認合格后，應盡快開始清孔，清孔的方法為換漿法，并借助彎頭細泥濘機，使孔底沉渣厚度達到要求。

2.5 鋼筋籠制安

鋼筋籠的安裝應達到鉆孔底部，其總重量為82 t，為了使鋼筋籠保持穩定，在鋼筋籠制作過程中需按照3 m的間隔距離設置環形加強箍，采用角鋼通過彎制而成，并為每個鋼筋籠均配備足夠的壓漿管與探測管。所有鋼筋籠均在現場通過臺座的設置進行生產，由于長度過大，所以按12.0 m長進行分節，并采用直螺紋進行連接。將鋼筋籠吊放到孔內后，于孔口處采用型鋼平臺將其拉住，以免鋼筋籠在后續的施工中發生下沉或上浮。

2.6 混凝土灌注

樁身采用強度等級為C30的混凝土，摻加適量防腐外加劑，考慮到基樁的樁徑與樁長都很大，單根基樁的灌注量就可以達到1 300 m3，故必須做好混凝土拌和工作，本次采用2個生產能力不低于180 m3/h的拌和站，以滿足樁身連續灌注要求。在拌和站拌和完成的混凝土采用攪拌車通過棧橋盡快運輸到現場，然后卸料至輸送泵當中，經由漏斗及溜槽連續輸送至導管中進行灌注。采用這樣的方式，可滿足首灌不低于40 m3的要求。灌注時使用的導管在第一次埋設過程中，埋深需達到3.0 m，中間則可以按照6～10 m控制。導管在每次使用之前都要進行嚴格的試驗，包括壓力試驗與水密試驗。混凝土的灌注時間應嚴格控制在13 h以內。

3 問題防范與處理

考慮到本次大直徑鉆孔樁的施工環境比較惡劣，且地質條件復雜，故在施工開始前應針對所有可能產生的問題進行深入分析，然后采取有效措施加以防范。實際施工中，通過科學的調度與嚴格的防控，發生了以下幾個問題，但都得到了有效解決。

1)包鉆。在旋轉鉆進過程中，稍不注意就有可能發生包鉆。對此，施工中應適當增加泥漿的實際循環量，并使用比重相對較低且粘度較小的泥漿，同時借助吸泥機及時將大塊黏土吸出；若黏土將鉆頭完全包死，則需要將鉆頭從鉆孔中提出，將包裹在鉆頭上的土塊徹底清除，然后再繼續下鉆。

2)漏漿。這一問題多產生于護筒底部端口-35.0 m附近，當漏漿情況嚴重時，鉆孔中的泥漿會伴隨江水的起落而大幅起伏。針對這一問題，可通過對鋼護筒進行接高并回填黃黏土的方法來解決。

3)堵管。樁身灌注過程中導致堵管的原因包括：導管損壞、導管和孔底之間的距離過小、二次清孔結束后等待時間過長、隔水栓的設置不合理、混凝土存在質量問題或灌注時導管埋深過大。為防止堵管現象的發生，施工中注意以下幾點：導管安裝前由專人進行檢查，確定是否存在損傷與破裂；外觀檢查合格的導管，在使用前還要進行各類試驗，如抗拉拔試驗與水密承壓試驗。在水密試驗過程中，水壓應達到孔內水壓1.3倍以上；導管底部和鉆孔底部之間的距離應控制在300～500 mm，當出灌量足夠時，可取較大值；嚴格按照要求制作和安裝隔水栓，隔水栓的橢圓度與直徑都應達到要求，同時長度不能超過200 mm；在二次清孔結束后，盡快開始灌注，若因故無法立即施工，需在施工前再次清孔。

4)鋼筋籠上浮。樁身灌注過程中導致鋼筋籠上浮的原因包括：混凝土初凝或終凝時間過短，導致孔內混凝土提前硬化結塊，伴隨孔內混凝土液面不斷上升，將鋼筋籠托起；清孔過程中孔內存在大量懸浮砂粒，導致灌注時砂粒發生回沉，形成砂層，伴隨混凝土液面不斷升高，導致鋼筋籠的底部被托起；將混凝土灌注到鋼筋籠的底部時，因灌注的速度過快，導致鋼筋籠發生上浮。為避免這一問題的發生，不僅要保證灌注用混凝土的質量和做好清孔，在將混凝土灌注到與鋼筋骨架底部還有1 m的距離時，需減慢灌注速度；同時在混凝土液面到達鋼筋籠底部上方4 m的位置后，開始適當提升導管，使導管的底部比鋼筋籠的底部高至少2 m，之后方可將灌注速度恢復至正常值。

5)樁身強度不足或離析。導致這一問題發生的原因包括：施工時對混合料配合比沒有進行嚴格的控制、混凝土攪拌不充分或水泥存在質量問題。對此，為避免這一問題的發生，首先要嚴格把關水泥質量，并對混凝土配合比進行嚴格控制，按照要求的時間進行攪拌，保證混凝土和易性。

6)樁身夾渣或斷樁。導致這一問題發生的原因包括：混凝土的初灌數量不足，導致導管埋深較淺或根本無法進入到初灌的混凝土當中；灌注時對導管提升長度的控制不準確，將導管從混凝土中拔出；灌注所用混凝土的初凝時間或終凝時間過短，或灌注持續了太長的時間，導致上部混凝土硬化結塊；清孔過程中孔內存在大量砂粒，灌注時這些砂粒發生回沉，產生砂層，不僅影響混凝土液面上升，而且如果混凝土將砂層沖破，則砂粒或浮渣將進入到混凝土當中，導致混凝土硬化后產生斷樁。對此，首先要對導管埋深予以嚴格控制，一般不能超過2～6 m，同時根據理論灌入量通過計算確定孔內混凝土液面高度，由此對導管提升長度進行控制，保證導管埋深始終不低于2 m。另外，灌注施工持續時間不能超過初凝時間的1.5倍。

7)樁頂不密實或強度無法達到要求。導致這一問題發生的主要原因為超灌高度不足、浮漿過多或對孔內混凝土液面高度的測定不準確。因此，當樁徑小于1 000 mm時，超灌高度要達到樁長4%以上；而當樁徑大于1 000 mm時，超灌高度需達到樁長5%以上。另外，在樁頂10 m范圍內灌注的混凝土，需對其配合比做適當的調整，如通過增加碎石的含量來控制浮漿數量。在樁身灌注到達最后階段時，應采用硬桿筒式取樣法對孔內混凝土液面的實際高度進行測定，以保證測定結果的準確性。

8)灌注因故中斷。導致灌注中斷的原因有很多，若采取應急措施后依然無法恢復，則需采取下列方法處理：剛開灌不久時，因孔內的混凝土數量還比較少，所以可將導管去除，并吊起鋼筋籠，再通過重新鉆孔到達原孔底，吊放鋼筋籠并清孔，重新開始灌注施工；將導管快速取出，并清理導管中殘留的混凝土，對導管進行檢查，經檢查確認無誤后，重新對導管與隔水栓進行安裝，然后按照標準方法開始灌注；拔除鋼筋籠，在灌注的混凝土實際強度不低于C15時，用同等級別的鉆頭重新進行鉆孔，同時將之前灌注時產生的浮漿清理干凈，之后用500 mm鉆頭沿樁中心垂直向下鉆進300～500 mm深，以此完成接口處理，最后按照標準程序繼續灌注即可。

4 結 論

該橋梁大直徑鉆孔樁施工現已完成70根，其中對65根進行了無損檢測，檢測結果表明均達到I類樁標準。從當前的實際情況看，基樁施工進展十分順利，印證了以上施工工藝方法的合理性與可行性。然而，大直徑鉆孔樁仍存在臨時設施數量較多、安全風險大和施工難度高的特點，還需要通過不斷的實踐來進一步總結相關經驗，從而為今后其他工程的施工提供技術參考。

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