海灣灘涂地層鉆孔樁施工及病害防治技術

文／邵天泰 中鐵二十局集團第三工程有限公司 重慶 400065

引言：

近年來我國經濟的迅速騰飛，跨區域交通運輸的需求增長較快，一大批結構新穎、技術復雜、施工難度大的大型橋梁相繼建成。其中隨著海洋強國戰略的深入實施，北海市為打通向海經濟發展之路，廣西省組織建設了重點工程——西村港跨海大橋。跨海大橋的建設已有先河，但尚處于起步和發展階段，可提供借鑒和參考的資料相對較少，加之該地區地質相對復雜、氣候多變，這為工程的實施增大了不小難度。如針對海灣灘涂地區的大直徑、超深鉆孔灌注樁基施工，部分專家和學者已有研究，如：嚴赪強[1]以滬蘇湖鐵路青浦特大橋（金澤橋段）5#樁基為例，對其鉆孔灌注樁施工中的關鍵環節進行了分析；李莉[2]對鉆孔樁施工工藝及防范措施進行了分析；周啟輝、劉亞祺[3]以蕪湖長江三橋主橋2 號橋塔墩44 根φ3.0 m 的群樁基礎為對象，研究了大樁基施工質量措施；袁振華[4]闡述了海上鉆孔樁施工的鋼護筒插打方法和總結海上鉆孔樁施工方法；王裕恒[5]探討了珠海橫琴項目鉆孔樁施工工藝、施工技術措施以及在鉆孔樁施工時施工難點與施工預防措施；黃園祿[6]以平潭海峽公鐵兩用大橋為依托對復雜海域地質環境中超大直徑鉆孔樁的施工技術進行了研究。本文在前述筆者研究的基礎上，針對西村港跨海大橋進行了深入分析，詳細研究了鉆孔平臺設計、鋼護筒選擇、鉆機選型、海水造漿、泥漿處理、鋼護筒周轉使用，以及常見問題防范及處理措施。

1.工程概況

西村港跨海大橋位于西村港出海口處，西起渤海路向東延伸跨越西村港，由西引橋、主橋、東引橋三部分組成,全長2544.4m。樁基共558 根，其中：主塔樁基108 根、樁徑2m、樁長82m，樁中心距 3.75m，鉆孔樁采用海工C35 水下混凝土。整個項目場地巖土層在鉆探深度范圍內共揭露12 個工程地質層，地質自上而下主要分為第四系全新統人工堆積層、海相沉積層，第四系中更新統北海組海相沉積層，第四系下更新統湛江組海相沉積層等，地質結構復雜且場地位于西村港潮間帶，受海水潮汐的影響為樁基礎施工帶來巨大挑戰。

2.鉆孔樁施工關鍵技術

2.1 施工場地（平臺）準備及方案選取

施工場地或工作平臺的高度考慮施工期間可能出現的最高水位或潮水位，并高出其上0.5-1m。鉆孔平臺設計主要考慮以下幾個方面：樁基平面位置、樁基施工設備、機械荷載、泥漿處理設備、混凝土灌注、鋼筋籠安裝。樁基采用FXZ-400 全液壓大功率氣舉反循環鉆機施工，泥漿護壁，鋼筋籠在鋼筋加工廠加工制作，分節段運輸，現場機械接頭連接，履帶吊分節下放。混凝土由自有拌合站供應，經棧橋運輸至樁位，采用導管法灌注，自平衡法進行靜載試驗。

2.2 鋼護筒施工

2.2.1 一般原則

（1）筒壁厚度：t=D/150（cm）式中，t-護筒壁厚；D-護筒直徑。

（2）護筒直徑：護筒的內徑應比樁徑大20-30cm，一般不大于40cm。

（3）護筒高度：宜高出施工水位或地下水位2m，并高出施工地面0.5m，同時還應滿足孔內泥漿面高度的要求。

（4）護筒埋置深度：根據地質條件綜合判定，一般情況下粘性土、粉土不小于1m，砂類土不小于2m，松軟土層應進入堅硬密實土層中至少0.5m；水中筑島，護筒埋入河床以下1m 左右，必要時打入不透水層。

（5）護筒允許偏差：頂面位置為5cm，傾斜度為1%，但長護筒應根據傾斜度計算底口不得超出樁位，否則應加大護筒直徑。

2.2.2 本次選擇情況

護筒內徑宜比樁徑大200mm～400mm、通過徑高比來推算壁厚、護筒頂標高比鉆孔平臺低30cm、入土深度對于深水護筒L=[(h+H）rw-Hro]/(rd-rw)計算，主要由樁位的地質情況確定，h 護筒內水頭高按4m 計算，且入土深度不小于2 倍護筒直徑。

鋼護筒參數確定：鉆孔施工平臺在鋼護筒處設活動蓋板，活動蓋板構造材料同施工平臺。鉆孔樁施工時，掀開取掉蓋板漏出鋼護筒，鉆孔樁施工完后，取回蓋上蓋板恢復施工平臺。

護筒頂標高確定：鉆孔平臺標高=累年最高潮位（3.3m）+浪頭計算高度（0.7m）+貝雷梁高（1.5m）+橫向分配梁高（0.2m）+橋面板厚（0.01）≈5.8m，護筒頂標高比鉆孔平臺低30cm，確定護筒頂標高為5.5m。

2.3 鉆機選型

在樁基施工時，將沖擊鉆、反循環鉆機兩種類型鉆機分別進行實驗性鉆孔施工。經過比選，反循環鉆機具有扭矩大、循環氣密性良好、成孔速度快、清孔徹底、整機重量輕、移動方便、鉆孔施工中鉆機振動小、穩定性好等優點。反循環鉆機更適用于深水區域復雜地質地層超深、大孔徑群樁施工，實踐證明選用反循環鉆機施工是成功的，為后續施工節約了大量時間。

表1 鋼護筒選取

2.4 泥漿配置

2.4.1 泥漿的作用

泥漿可作用在井孔壁形成一層泥皮，阻隔孔外滲流，保護孔壁免于坍塌；在沖擊鉆和正循環回轉鉆鉆進中，其懸浮鉆渣的作用更為重要。

2.4.2 泥漿主要檢驗指標

泥漿一定要用優質粘土方能對護壁及懸浮鉆渣起到良好的效果，應特別注意“比重、粘度、含砂率、膠體率”四項主要指標。最佳質量泥漿指標見表2。

表2 最佳質量泥漿指標

2.4.3 泥漿配置

高級泥漿的原料和配合比尚未定型，一般有膨潤土、羧基纖維素（CMC）、鉻鐵木質素磺酸鈉鹽（FCi，又稱分散劑）、硝基腐植酸鈉鹽(簡稱煤堿劑)和碳酸鈉(Na2CO3，又稱純堿)組成，其用量最好先作試配，各種摻入劑宜先制成小劑量溶劑，按循環周期均勻加入（每循環周期比重差不宜超過0.01），并及時測定泥漿指標，防止摻入劑過量。其中：

（1）膨潤土：一般用量為水的8%，即8 公斤膨潤土可摻100 公斤的水；對于粘土地層，可降低到3-5%；較差的膨潤土用量為水的12%左右。

（2）羧基纖維素（CMC）：具有讓地基土表面形成薄膜和降低失水量的作用，摻加量普遍在0.1%以下。

（3）鉻鐵木質素磺酸鈉鹽（FCi，又稱分散劑）：可使鉆渣顆粒聚集加速沉淀，摻加量為0.1-0.3%。

（4）硝基腐植酸鈉鹽(簡稱煤堿劑)：和鉻鐵木質素磺酸鈉鹽的作用和摻加量一致，添加時選一。

（5）碳酸鈉(Na2CO3，又稱純堿)：調增PH 值，使粘土顆粒分散，可增加水化膜厚度，提高泥漿的膠體率和穩定性，降低失水量。一般情況下，純堿在膨潤土中的添加比例控制在5%左右。

2.4.4 海水造漿

采用海水摻加粘土、膨潤土等造漿。在平臺設置泥漿箱，作為泥漿循環鉆渣沉淀池，設置泥漿分離器處理鉆渣；樁基護筒埋設到位后用Ф325mm 泥漿管串聯鋼護筒作為輔助泥漿池。

圖1 護筒用Ф325*8mm 泥漿管串聯

2.4.5 泥漿處理

在樁基護筒埋設到位后將群樁護筒用Ф325×8mm泥漿管串聯，縱向2 根、橫向3 根串聯形成一個整體，見圖2。在平臺上設置泥漿箱，作為泥漿循環鉆渣沉淀池；設置泥漿分離器處理鉆渣，鉆渣采用挖掘機從鋼板箱挖出裝車后外運處理。在整個棧橋布設泥漿管道連通至岸上泥漿池內，泥漿管道與樁基孔內泥漿相連，主要處理灌注過程中孔內多余泥漿。

2.5 混凝土灌注

2.5.1 導管水密試驗

水下混凝土宜采用鋼導管灌注，導管直徑與樁徑及混凝土澆筑速度相適應，直徑一般為200～350mm；導管的中間節為2.5m，配1～3 節1～1.5m 的短管，按自下而上順序編號和標示尺度，導管接頭采用螺旋連接套連接或恰口直接連接；鋼導管內壁光滑、圓順，內徑一致，接口嚴密；導管組裝后軸線偏差，不超過鉆孔深的0.5%并不大于10cm。導管使用前進行水密承壓和接頭抗拉試驗，嚴禁采用壓氣試壓。進行水密試驗的水壓應不小于孔內水深1.3 倍的壓力，也應不小于導管壁和焊縫可能承受灌注混凝土時最大內壓力p 的1.3 倍。p 的計算公式：

式中：

P——導管可能受到的最大內壓力(kPa)

2.5.2 混凝土灌注

采用Φ200～350mm 法蘭式導管自流式灌注混凝土，導管聯結要平直，密封可靠；導管下口距孔底30cm～50cm 為宜；砼坍落度160～220mm、粗骨料粒徑小于40mm；首盤澆筑時，初灌量必須保證導管底部埋入混凝土50cm 以上，混凝土儲量充足且能連續灌注，保證整樁在混凝土初凝期內灌注完成；正常灌注混凝土時，導管底部埋于砼中深度宜為2～6m 之間；每次拆卸導管前均要測量砼面高度，計算出導管埋深，然后拆卸；拆卸時，確保導管最小埋深2m，且一次拆卸導管不得超過6m。

需注意的是：混凝土灌注在二次清孔結束后30min內立即進行；混凝土灌注到達鋼筋籠底部時，適當減緩灌注速度，減少導管埋深，防止帶動鋼筋籠上浮。

2.6 鋼護筒周轉使用

水中引橋樁基鋼護筒根據工序銜接，將完成灌注樁基鋼護筒從海床面割除，后倒運至西岸護筒加工廠二次焊接加工，再重復利用加工后的鋼護筒進行埋設；岸上東、西引橋樁基鋼護筒各埋設2 根，每根樁基灌注完成后混凝土初凝前用振動錘將護筒拔出、重復利用，減少護筒投入量。

3.異常情況處置措施

3.1 孔底漏漿

3.1.1 原因分析

地層結構松散、不密實、欠固結；地層賦存松散巖類孔隙水，富水性強，具有承壓性，以及具有地下水，呈流動性；受潮汐漲、退潮影響；地下水水頭高。

3.1.2 處理措施

鉆孔發現漏漿后暫停，提鉆回填粘土靜置沉降7～15d時間后再次鉆孔，并提高泥漿性能，泥漿采用膨脹土、黏土，泥漿要濃，泥漿中夾雜木屑；接長鋼護筒至不跑漿漏漿處，增加6～12m 長鋼護筒，循環處理直至不跑漿、漏漿；控制鉆孔速度。初次發現跑漿漏漿時，放慢鉆孔速度，投入粘土、水泥用鉆頭攪拌，向孔壁外土層慢速注漿至跑漿漏漿處，慢速成孔。

3.2 塌孔

3.2.1 原因分析

樁基施工時未完全考慮潮汐影響，場地回填較低，且護筒內水頭低于漲潮后海面高度，形成水頭差，受側壓影響，該樁基在鉆進60m 左右時發生塌孔，將鉆桿埋設。孔壁失穩，鉆機及鉆桿自身穩定性不足造成晃動，鉆頭及鉆桿的重力作用迫使鉆頭中心線偏離鉆孔軸線，成孔周期長等原因。

3.2.2 處理措施

在地面處割斷鉆桿，將鉆機開至安全區域，并利用80t 吊車拔出鉆桿；由于鉆頭、鉆桿上部被塌孔土體覆蓋，拔出困難；隨后增加35t 懸吊泥漿泵對覆蓋物沖孔抽排；回填場地加高，接長鋼護筒，同時保證護筒內水頭高度高于最高潮水位，再重新進行鉆孔施工；縮短成孔周期，加強孔壁強度，增強鉆機及鉆桿穩定性。

3.3 縮徑

3.3.1 原因分析

樁基施工時未完全考慮潮汐影響，場地回填較低，且護筒內水頭低于漲潮后海面高度，形成水頭差，受側壓影響，該樁基在鉆進60m 左右時發生塌孔，將鉆桿埋設。孔壁失穩，鉆機及鉆桿自身穩定性不足造成晃動，鉆頭及鉆桿的重力作用迫使鉆頭中心線偏離鉆孔軸線，成孔周期長等原因。

3.3.2 處理措施

調整泥漿配比，優化泥漿比重、適當增加泥皮厚度，增強泥漿的護壁能力。進入粉質粘土地層時，應減慢鉆孔掘進速度，多次掃孔增加泥漿附著能力，以增強孔壁的穩定性；在鉆頭側壁加裝擴孔齒，對粉質粘土部位進行擴孔。改用大型吊裝機械安裝鋼筋籠，提高一次起吊重量，改單節鋼筋籠為雙節鋼筋籠吊裝、接長。

結語：

綜上所述，本文以北海西村港跨海大橋橋梁樁基施工為例，對其鉆孔灌注樁施工過程中的關鍵技術環節及施工控制要點進行了深刻分析，同時針對工程建設中的孔底漏漿、塌孔、縮徑等常見易出現的問題，提出了有針對性的防范與處理措施。經實踐證明，海灣灘涂地區超深、大直徑鉆孔灌注樁施工質量可靠，充分說明只要應用科學的施工技術，其樁基工程施工質量就可有效得到保證，可為今后類似工程施工提供參考。