沪通长江大桥超长钻孔桩优质PHP泥浆施工技术研究

李进洲，王远立

(中铁第四勘察设计院有限公司，武汉 430063)

沪通长江大桥超长钻孔桩优质PHP泥浆施工技术研究

李进洲，王远立

(中铁第四勘察设计院有限公司，武汉 430063)

沪通铁路沪通长江大桥为公铁两用桥，其3号墩和4号墩为140m+336m+140m三跨连续刚性梁柔性拱专用航道桥中的两个主墩，钻孔灌注桩桩径2.50m，有效桩长115～120m，实际钻孔深度130～140m。针对桥址区长江厚砂层河床区钻孔施工易坍孔、成孔质量差的实际情况，对超长钻孔桩泥浆施工技术展开研究，对淡水PHP泥浆的性能、配方、拌制工艺和使用工艺等几方面进行重点论述。施工实践表明，沪通长江大桥超长钻孔桩淡水PHP泥浆性能优越，护壁效果好，胶体率高，可以显著提高钻孔效率，保证成孔质量，具有高回收率、环境污染少和良好的经济效应。

沪通长江大桥；超长灌注桩；成孔；优质PHP泥浆；施工

1 概况

1.1 工程概况

沪通长江大桥专用航道桥为刚性梁柔性拱组合三主桁结构，见图1。设计跨径布置为(140+336+140) m，钢桁梁主桁均采用N形桁，节间距14 m，主跨横向主桁间距为17.25 m(总桁宽34.5 m)，边桁桁高15.7 m，中桁桁高15.997 m，柔性拱矢高60 m。铁路采用正交异性钢桥面板上设置道砟桥面，公路桥面系采用正交异性整体钢桥面板，并与主桁的上弦杆焊接成整体。下部结构均为钻孔桩基础，矩形带倒角承台，圆端型空心墩[1-2]。

专用航道桥3号、4号主墩承台顶高程分别为-5.0、-12.0 m，位于河床面以下；2个主墩均采用36φ2.5 m钻孔摩擦桩基础，行列式布置，桩长分别为120、115 m，桩底持力层均为硬塑黏土。承台为矩形，平面尺寸(55×25×6.5) m(横桥向×纵桥向×承台厚度)。专用航道桥2、5号墩采用28φ2.5 m钻孔摩擦桩基础，行列式布置，桩长117 m，桩底持力层为密实砂层。承台为矩形，平面尺寸(43×25×5.0) m(横桥向×纵桥向×承台厚度)[1-2]。

图1 专用航道桥立面布置(单位：m)

1.2 工程地质特点

桥址位于长江三角洲平原区，海陆交互频繁，地层成因复杂，区内第四系为一套河湖、滨海相松散沉积物，总厚度可达 240 m 以上，其厚度受基岩面高程变化及长江侵蚀深度控制。第四系土层的形成和结构与长江三角洲的发育、江海变迁、气候、植被等自然变化有着密切的联系，具有层序复杂、相变剧烈、厚度较大的特点。

1.3 钻孔桩施工工艺

根据地质水文条件及墩位位置，专用航道桥3、4号墩桩基础通过搭设辅助钢平台及钻孔平台进行钻孔施工，辅助钢平台及钻孔平台高程与钢栈桥一致。钻孔平台施工完成后依次进行钻进成孔，钢筋笼接长、下放，水下混凝土灌注施工。

根据试桩结果并通过对各种大型钻具的对比，专用航道桥3号墩和4号墩选定了ZJD4000型全液压钻机。配置2种钻头，单环四翼刮刀钻头，适合于松散土层中钻进；滚刀钻头，适合于土层中遇到零星大漂石或基岩中钻进。

钻机钻进成孔共分为4个阶段。

(1)第一阶段，用φ2.5 m的常规钻头改成φ2.65 m的钻头，在护筒内采用清水钻进的方式钻至护筒底口2.0 m以上部分，采用刮刀钻头反循环加压清水钻进(图2)，然后通过泥浆泵将混合泥浆经泥浆净化器处理后泥浆回流入护筒内，钻渣经泥沙分离后由运渣船运至指定位置处理。

图2 泥浆循环示意

(2)第二阶段，提钻恢复成φ2.5 m钻头，正循环改为反循环，启动反循环泥浆循环系统，调整孔内泥浆，当孔内泥浆指标符合要求后，优质泥浆护壁反循环减压钻进，在护筒底口附近慢速钻进，形成稳定孔壁。钻头出护筒5 m后恢复正常钻进，根据不同土层的特点，在钻孔过程中及时调整护壁泥浆指标和钻进速度，每小时进尺不得超过5 m，孔内补充优质泥浆。

(3)第三阶段，第一次清孔阶段。当钻深达到设计高程以上0.5～1 m位置时，泥浆指标按终孔的泥浆指标控制，从而尽量缩短终孔后清孔的时间。当钻深达到设计高程后，将钻头提离孔底30～50 cm连续清孔2～3 h，缓慢旋转钻具，补充优质泥浆，进行反循环清孔保证泥浆质量，使桩底沉渣厚度不大于10 cm。

(4)第四阶段，为了使桩身混凝土与护筒直接接触并保证桩身的有效直径，使护筒与桩身混凝土结合为整体，需对护筒内壁的泥皮以及淤泥进行清理，当第一阶段(护筒内)钻进结束，检查完钻杆，更换钻头后，在始终处在护筒内(距钻头约60 m)的钻杆上安装两护筒内壁清扫器(间距20～30 m，终孔时下层清扫器离护筒底口约1.0 m)，边钻孔(边拆钻杆)边清除附着在护筒上的泥砂和泥皮。

护壁泥浆在钻孔中非常重要，尤其是对本工程大直径深孔，钻孔所遇地层主要为黏土层和砂层，造浆性能较差，泥浆控制显得尤为重要。要制配优质泥浆护壁，此外还要研究一套泥浆净化和现场调度调整的方法，减少泥浆对周围环境的污染。

2 PHP泥浆的调配技术

2.1 造浆方法

专用航道桥3号墩和4号墩在开钻前，按照第一批次待钻钻孔桩数量及结构，计算耗用泥浆方量，然后严格按泥浆配合比在其他钢护筒内投放造浆材料并制造优质泥浆。

专用航道桥3号墩处泥面高程约为-5.0 m，4号墩处泥面高程约为-10.0 m，长江天生港专用航道桥常水位高程约为0.00 m。以3号墩为例，未钻空置护筒架空高度约10.30 m，可存储63.70 m3泥浆，单桩成孔泥浆需求量563.50 m3，在第一批次钻孔桩开钻前，先选用9个未施工过的桩位空护筒，计算好钢护筒内淡水方量(不足可以补充)，然后按照配合比例加入造浆原料，最后将已准备好的镀锌铁质风管分节安装通入孔底以上0.5 m处，连接供气管道，开启空压机供气，使造浆材料充分融合溶解，待充分搅拌水解后(需要24 h以上)，利用泥浆泵将优质泥浆排至所需孔内。由于首批钻孔桩考虑进场设备开钻存在先后性，而且成孔速度快，必须先制备足够泥浆，确保第一根钻孔桩泥浆需求，才允许开钻，后续钻孔桩开钻后，均按照上述方式采用边钻进边造浆原则，时刻保证所有正在钻进的孔有泥浆可用，同时从节约成本和及时供应出发，在钻孔桩浇筑前，提前将空置护筒内淡水抽掉，待混凝土浇筑时，用泥浆泵抽取浇筑时排放的泥浆到空护筒内存放，以备其他钻孔桩钻进时需要。

在存放空间方面，浇筑成桩后的基桩架空高度能存储约104 m3泥浆，随着后续基桩不断成桩，泥浆存放空间随之增大，所以随着成孔数量增加，造浆成本和泥浆供应压力会越来越小。不过，为了防止发生意外漏浆或其他突发情况，造成孔内泥浆性能无法满足3号墩和4号墩钻进成孔质量要求，特在3号墩和4号墩钻孔平台上分别设置专门存放区，提前配置500 t钠基膨润土、5 t聚丙烯酰胺(PAM)和2 t纯碱等人工造浆材料，以备应急之需。

2.2 优质PHP淡水泥浆

(1)优质PHP淡水泥浆配合比

PHP泥浆，自20世纪60年代钻孔灌注桩在我国出现以来，因其触变性好、比重轻、低固相、黏度高、成孔后泥皮薄、失水量小、不分散、经济而无污染，得到了广泛应用[3-7]。

3号墩和4号墩超长钻孔灌注桩施工中PHP泥浆的主要构成原料包括了淡水、钠质膨润土、聚丙烯酰胺(PAM)、纯碱和羧甲基纤维素(CMC)等，其配合比如表1所示。

表1 PHP泥浆配合比

3号墩和4号墩超长钻孔灌注桩施工中PHP泥浆中的钠质膨润土，为浙江省湖州安吉膨润土厂生产，包装规格为1 t/袋，其成份组合是高岭土、纯碱、聚丙烯酰胺、纤维素等，该土为厂家按照比例拌和，一般不需要重新添加纯碱等辅助原料，若针对特殊地层，特别是易坍塌型地层，为进一步提高泥浆质量，需要根据反复试验确定添加辅助原料。理论上1 t钠基膨润土按照上面的性能要求可造浆15 m3，但是3号墩和4号墩现场条件有限，1 t土可造浆10 m3左右。3号墩和4号墩钻孔桩施工中泥浆钠质膨润土具有相对密度低，黏度好、含沙量和失水率小、泥皮薄、稳定性强、固壁能力高、钻具回转阻力小、钻进率高、造浆能力大等优点。

PHP泥浆中的纯碱主要是使黏土颗粒进行分散，使泥浆pH值增大到10左右，从而增加水膜厚度，提高泥浆的胶体率和稳定性，降低失水量。同时，提供钠离子(Na+)，对钙质土进行改性处理。

PHP泥浆中的聚丙烯酰胺主要是使泥浆具有良好的触变性，保持不分散、低固相、高黏度的优质性能。

(2)原料检测与泥浆配制

在3号墩和4号墩钻孔桩施工中泥浆进场钠质膨润土主要按照如下步骤进行。

①使用取土管，对单规格土按上、中、下原则取样，取3份，用天平取500 g，烧杯量取5 000 mL淡水。

②在塑料瓶中进行溶解配制(用塑料瓶配制相比手动搅拌溶解更全面)。

③将配置好的泥浆静止24 h。

④使用泥浆3套件、pH试纸、量筒对泥浆性能进行检测，检测指标主要是比重、含砂量、黏度、pH值、胶体率等五大项目。

按照上面步骤配制的新浆性能控制指标如表2所示。

表2 新浆性能控制指标

(3)基浆制作

基浆的拌制必须经过强劲的搅动才能形成胶体。沪通长江大桥专用航道桥3号墩和4号墩超长钻孔灌注桩施工中根据现场实际情况，制浆选用在未施工过的桩位空护筒内配置。首先计算好钢护筒内淡水方量(不足可及时补充)，然后按照配合比例加入造浆原料，最后将二清使用的铁质风管分节安装通入孔底0.5 m处，连接供气管道，开启空压机供气，使造浆材料充分融合溶解，待充分搅拌水解膨化后(一般需要24 h以上)，利用泥浆泵将优质泥浆排至所需孔位内。

专用航道桥3号墩和4号墩超长钻孔灌注桩施工中新制备的PHP泥浆性能指标见表3。

表3 新制备的PHP泥浆性能指标

(4)PHP优质泥浆系统施工工艺

①清除护筒内的淤泥质黏土层。

3号墩和4号墩超长钻孔灌注桩施工中首先采用小比重泥浆钻进，钻进至护筒底口停止钻进，钻进过程中利用原土进行造浆，但是必须对泥浆性能进行监测，并适时补充已配置好的优质泥浆进行调整。

②在砂层钻进时，泥浆消耗量大，应及时补充PHP泥浆。

③钻孔过程中，对泥浆指标监测，单班不少于4～5次；若发现因地层原因造成泥浆指标损失，则加入新浆进行调整。

④循环净化。沪通长江大桥专用航道桥3号墩和4号墩超长钻孔灌注桩施工中因钻孔平台施工空间有限未设置泥浆沉淀池，每台钻机配置1台泥浆净化器，对泥浆进行处理。

3号墩和4号墩入孔泥浆指标及钻进过程中遇不同地层泥浆指标参见表4和表5的相关要求。

表4 入孔泥浆指标

表5 不同地层泥浆指标性能参数

3 气举反循环和平台泥浆循环净化系统

3.1 PHP泥浆的循环结构

沪通长江大桥专用航道桥3号墩和4号墩桩径大，桩长长、地质条件差，成孔难度大。综合考虑墩位处地质条件、施工进度计划安排以及成孔工艺的适宜性，各选用4台ZDJ-4000回旋钻机，采用气举反循环钻进成孔施工工艺。对于3号墩和4号墩成孔技术是否能够取得完美，关键在于泥浆的质量。沪通长江大桥专用航道桥3号墩和4号墩泥浆循环系统主要由循环池、存浆池、泥浆净化器及沉渣池(或运渣船)组成。单台钻机现场配备1个泥浆箱作为循环池，存浆池根据需要设置或考虑利用附近的钢护筒代替。泥浆经泥浆净化器(其技术参数见表6)处理后，使直径在0.074 mm以上的土颗粒筛分离出来，处理后的泥浆通过泥浆管泵流入钻孔桩钢护筒内进行循环，详见图3。

表6 泥浆净化设备主要性能

图3 专用航道桥3号墩和4号墩桩基泥浆循环系统示意

在PHP泥浆的循环结构工作的过程中，其主要考虑的是，将已经使用过的含粗颗粒较多的泥浆在经过了净化、絮凝、循环和得到稀释之后，使其含有的较大颗粒得到沉淀，之后将含有较高含量的PHP泥浆灌注到原有的泥浆中，使泥浆的黏度得到加强，以此来降低水分流失，调节性能参数，使原有的泥浆能够真正的满足钻进过程中所需泥浆的要求。

孔内由混凝土置换出来的泥浆经泥浆泵泵入，其他待钻钢护筒回收利用，对于混凝土浇至桩顶以上部分含有水泥浆的废浆不能回收再利用。钻渣和废浆采用运渣(车)船运至指定地进行处理。

3.2 PHP泥浆在钻孔灌注桩的施工

开孔钻进时要采用轻压慢转参数；正常钻进施工时，在黏土层中钻进时要控制进尺，每钻进一个回次时要及时扫孔，保证钻孔直径要求，正常钻进施工中要控制泥浆性能满足要求[3-7]。钻进及钻杆提升拆除的整个过程中要及时补充浆液量，以维持护筒内外的水头差不小于2.0 m，从而保持孔壁稳定。加接钻杆时，先停止钻进，将钻具提离孔底20 cm，维持泥浆循环5 min以上，以消除孔底沉渣并将管道内的钻渣携出排净。钻孔过程中采用反循环方式排渣，钻进过程中应每个班次测量泥浆性能指标2～3次，及时调整泥浆循环系统的泥浆指标。当钻进至设计高程时，应将钻具提离孔底5 cm，继续转动钻具，维持泥浆循环。终孔后，进行最后一次清孔。清孔和检孔完成后，在孔底注入5 cm高度的新浆，插入2根注浆管，一根为进浆管，另一根为出浆管，通过泥浆循环系统不断循环流动孔内泥浆，以保证孔底沉渣和孔壁泥皮厚度满足要求。

4 泥浆现场管理

(1)对现场泥浆的测试数据进行综合分析，有针对性地进行调整处理。

失水量是影响孔壁稳定的重要因素，失水量超标，应迅速调整；若因受砂、黏土侵害，使泥浆的黏度和失水量过大，应在泥浆循环中强化除砂除泥，达到降黏降失水的目的[3-7]。

泥皮质量是泥浆黏度、含砂量及失水性能的综合反应，也是在钻进过程中，砂和黏土对泥浆破坏程度的集中反应，含砂土过大，势必造成泥浆性能的全面衰退和护壁能力下降[7-12]。

有时泥浆的失水量虽然不大，但由于泥浆含砂、土量高，密度高、黏度大，使其在孔壁形成的泥皮厚而疏松，且容易脱落，有时会使钻具产生泥包，对孔壁产生抽吸，破坏孔壁稳定，此时应废弃部分劣质泥浆，补充优质泥浆到孔内，通过全孔泥浆循环，恢复泥浆的护壁性能。

(2)采用大循环路线，从储备不同性能的泥浆库中泵送泥浆至需要的桩孔，对劣化泥浆进行调整处理，使之达到性能要求。

沪通长江大桥3号墩和4号墩在钻孔过程中各阶段泥浆性能指标按基浆、新浆、钻进浆、回流浆、清孔浆、弃用浆进行控制(表7)，取得了较好的技术、经济和环保效益。

表7 成孔过程中泥浆性能指标

5 结语

沪通长江大桥专用航道桥3号墩和4号墩钻孔桩为大口径超长钻孔桩，施工区揭露地层基本为第四系覆盖层，主要是黏土、亚黏土及粉砂层，其因沉积时间段不同，主要分为两种，一种是以黏土为主夹细砂或粗细砂，一种是以中、细砂、粗砂为主，夹亚黏土层，整体以砂层所占比例居多，属易坍塌型钻孔桩。3号墩和4号墩钻孔桩施工中采用PAM淡水造浆，既能造出优质泥浆，又能充分利用现有资源，确保成孔质量且减少资源浪费、维护了施工区域环境。

沪通长江大桥专用航道桥3号墩和4号墩钻孔成桩实践表明：

(1)PHP淡水泥浆性能优越，护壁效果好，胶体率高，可以显著提高钻孔效率，保证成孔质量；

(2) PHP淡水优质泥浆是一个涉及造浆供应、净化排渣、回浆处理的循环系统，具有高回收率和良好的经济效应；

(3)PHP淡水优质泥浆中的弃用浆，环境污染小，有利于排放。

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Research on Construction Technology of High Quality PHP Mud in Super Long Bored Piles of Hu-Tong Yangtze River Bridge

LI Jin-zhou， WANG Yuan-li

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063, China)

Hu-Tong Yangtze River Bridge on Hu-tong Railway is a combined highway and railway bridge. The P3 and P4 main piers of special channel bridge of three span (140 m+336 m+140 m) continuous rigid beam with flexible arch are a typical representative of super-long bored piles in the thick sand layer of the Yangtze River with 2.50m designed pile diameter， 115～120 m effective length and 130～140 m drilling depth. In view of the fact that the thick sand layer may lead to borehole collapse and low quality pile drilling， a study is conducted on the construction technology of mud in super long bored piles of Hu-Tong Yangtze River Bridge， and the property， formula， mixing process and use of freshwater PHP (partially hydrolyzed polyacrylamide) mud are addressed. The construction practices show that the freshwater PHP mud has superior performance， good effect of breast wall and may greatly improve the drilling efficiency and ensure the hole-drilling quality. And it proves to be of high recovery rate， less environmental pollution and good economic effect．

Hu-Tong Yangtze River Bridge; Super long bored piles; Bore-forming; High quality PHP mud; Construction

2015-03-10；

2015-03-20

李进洲(1975—)，男，工程师，2013年毕业于中南大学土木工程学院，工学博士，E-mail：Li_jinzhou0910@126.com。

1004-2954(2015)10-0081-05

U443.15

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.019