宁德特大桥海上钻孔灌注桩冲击成桩施工工艺

周承波

（中交第二航务工程局有限公司）

宁德特大桥海上钻孔灌注桩冲击成桩施工工艺

周承波

（中交第二航务工程局有限公司）

钻孔灌注桩属于隐蔽工程，成桩环节多，施工过程容易出现质量事故以及人为不可估计因素，必须重视施工全过程质量监控。结合宁德特大桥冲击钻施工所面临的实际地质、水文以及设计桩长、桩径等具体情况，着重就桩基成孔方式及配套设备选择、成孔过程、灌注水下混凝土以及事故处理等环节的质量程序和关键点质量控制方法进行讨论和分析，并结合实际施工中出现的若干问题，提出保证钻孔灌注桩施工质量的监控措施。

钻孔灌注桩；成孔技术；灌注混凝土

1 工程概述

沈海复线宁连高速宁德段A2标桥型布置为左幅2×（4×30）+3×30+3×40+2 ×（3×30）+32×（5×30）m、右幅2×（4×30）+3×40+4×30+33×（5×30）m预应力砼连续箱型梁。

本标段全线范围为宁德特大桥（局部）长5 430 m，共有724根桩，均为排架式结构，其中直径1.8 m桩基708根，总长42963米，直径2.2 m桩基16根，总长1 028 m，桩基长度在23～77 m不等，包括196根摩擦桩、528根端承桩。

2 施工条件及重难点分析

2.1 施工条件概况

(1)地质条件。本标段沿线场地内地层自上而下顺序依次特征描述为下：淤泥、粉质粘土、含卵石粉质粘土、卵石、残积砾质粘性土、全风化花岗岩、砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩、碎块状强风化辉绿岩、微风化辉绿岩。其中摩擦桩设计桩底岩层为砂土状强风化或者碎块状强风化花岗岩，端承桩设计桩底岩层为入微风化花岗岩、中风化花岗岩或者微风化辉绿岩，设计入岩深度0.5～7 m不等。

(2)水文条件。桥区内水系主要为宁德海湾海水，桥址区内地表水主要为三都澳（漳湾）海水。据《福建省三都澳地区水文、工程环境地质综合调查地质报告（1:5万）》资料对于潮汐类型记载，该潮汐属于正规半日潮，一个太阴日内发生四次“潮”（两次高潮、两次低潮），且每次潮周期历时12 h 35分左右。太平洋潮波的传入产生沿海潮汐，海区开阔，而近岸水浅，沿海潮汐聚集能力形成一种大潮差，高潮水位6～7 m，低潮水位1～3 m，潮差3～7 m。

(3)施工环境条件。在桩基施工前，钻孔施工平台已施工完毕，标准钻孔平台长33 m，宽13 m，采用钢管桩、型钢以及贝雷梁组合搭设而成，如图3所示。

图3 钻孔平台布置示意图

2.2 施工重难点分析

根据地质条件特性需要选择不同的施工策略，宁德特大桥所处地理环境，给施工工艺选择带来难度，具体表现如下：

（1）淤泥质土层 。本标段桥址区淤泥层厚度在20～35.2 m不等，一般在25.2 m，局部路11.8 m，呈深灰色，饱和，流塑状，鳞片状结构，含腐植质，嗅味臭，干强度中等，韧性较低，切面光滑，摇震反应慢，属高压缩性土，力学强度差，在钻孔过程中容易出现淤泥层穿孔漏浆、塌孔以及在混凝土浇筑过程中相邻护筒在淤泥层串孔的现象。

（2）卵石层地质。本标段卵石层厚度5～20.7 m不等，浅黄色、青灰色，饱和，中密，下粗上细，分选及磨圆较差，结构疏松，次圆状，新鲜坚硬，一般无风化现象。成分以花岗岩为主，火成岩次之，粒径为3～8 cm，少数大于10 cm，个别可达20 cm，呈现出孔隙大、透水强、压缩性低和抗剪强度大等特点。由此，建筑结构会由于卵石颗粒松散，颗粒不均，胶结性差、摩阻力较大等特性造成在钻进时钻具容易出现模式，甚至出现卡钻、孔壁坍塌及进钻困难等问题。

（3）大潮差施工难点分析。本工程由于海区开阔，近岸水浅，潮汐能量聚集而形成大潮差，高潮水位6～7 m，低潮水位1～3 m，潮差3～7 m，对钻孔桩施工中孔内泥浆水头影响较大，若水头过高，护筒内压力远大于外压力，则容易在护筒底口的淤泥层或者卵石层出现穿孔漏浆，反之，若护筒内水位低于外面潮水位，则有可能在外压力的作用下，卵石层或者淤泥层出现坍塌的现象。

3 钻孔方式选择

根据本桥桩基直径、长度及所属地层、水文情况，项目部首先考虑同时使用冲击钻配合正循环回旋钻两种钻孔方式，由于回旋钻不适合中、微风化花岗岩层施工，所以回旋钻最初被考虑用来施工摩擦桩施工，但在实际钻孔过程中，相对于冲击钻而言，发现回旋钻成孔在本桥桩基施工中暴露出以下缺点：

（1）本桥桩基淤泥层比较厚，在淤泥层钻孔时由于回旋钻钻进速度快，对于淤泥层反复扫孔力度不够，出现严重缩孔现象。

（2）回旋钻一清完毕后除相关部件提锤消耗时间过长，若在提完钻锤后，发现钻锤刮孔壁等其他情况导致孔底成渣过厚需要恢复一清时，重新组合下锤所消耗的时间同样过长。

（3）本桥卵石层厚度大、强度高，回旋钻在本桥施工过程出现钻杆损坏现象频繁。

（4）回旋钻在钻孔过程中泥浆较稠，故孔壁泥浆护壁层厚度达到5～7 cm，大大降低了桩周摩擦力。

综合以上原因并考虑到：

（1）本桥端承桩占73%，端承桩微风化花岗岩层平均饱和强度106.5 Mpa。

（2）在施工过程中，能保证钻机及桩锤在平台之间能满足快速吊装及转运需要，相比而言冲击钻更加轻便。

（3）保证钻孔平台在钻桩施工过程中的安全受力以及节约钻孔平台结构受力材料，相比而言轻盈的冲击钻更占优势。

因此决定本标段桩基全部采用冲击钻，采用CK2500钻机配合8t梅花型冲击钻锤钻孔。

4 钻孔过程关键点控制

4.1 冲孔过程控制

整个钻孔灌注工序过程中开孔及钻进过程至关重要，为后续冲程、泥浆、桩锤和钻进等工序操作时技术指标的选择提供参考依据。在本项目实施过程中，根据具体桩位分析实际淤泥层性质，并配合相应的钻孔过程控制（泥浆性能、水头、钻孔方式、冲程等），护筒埋深平均控制在8m左右，最长不超过10m，在实际钻孔中取得很好的结果。同时，制作了6mx3mx1.5m铁制泥浆箱作为泥浆沉淀池并在泥浆箱一端安置泥浆振动分砂器，大大提高了清除泥浆内残渣的效率。这里泥浆的护孔作用主要是保证卵石层及开孔段不产生塌孔现象，另外为满足排查需要，对泥浆的要求主要在相对密度上。泥浆的主要技术指标见表2。与此同时，冲孔过程控制开孔，护筒内钻进，正常钻进三个部分。

表2 泥浆主要性能指标

（1） 开孔

开工前先检查钻头直径以及钢丝绳的磨损情况，根据本桥实践经验，钻头直径：Φ1.8m直径桩基钻头直径按Φ1.79-1.80m控制，Φ2.2m直径桩基钻头直径按Φ2.19-2.2m控制，经实际验证该钻头尺寸能保证较好的成孔直径，在卵石层结束后要及时检查钻锤的磨损情况，发现磨损的要及时补焊恢复，确保卵石以下岩层不出现严重缩孔现象。

开孔具有导向作用，因此开孔的孔位必须准确，开孔的平面位置决定了最终成桩位置，更有利于后续承台系梁和立柱墩身的施工控制。

（2）护筒内钻进

钻进过程中要根据钻具运转的平稳情况判断钻头是否摩擦护筒及孔内是否有异物。发现问题应采取有效措施进行处理。钻进至护筒底口部位时，需特别注意钻头碰挂护筒底口同时采用小冲程，防止钻头碰刮护筒容易致使护筒下沉、倾斜等现象。为保证钻头正常使用，在钻进过程中不得强行进行，需要根据护筒倾斜情况适当调整，待钻头整体钻出护筒大约2m时，才允许正常进行工序。

（3）正常钻进

① 根据土层优劣情况，在钻孔施工过程中冲程分别作如下规定：若为中风化、卵石层、微风化花岗岩等土层时一般采用大冲程(4～5 m)，最大冲程不得超过6 m，防止卡钻，冲坏孔壁或使孔壁不圆。对于强风化花岩层等强度不大的岩层采用3～4 m中等冲程，如孔内岩层表面不平整，应先投入粘土、小片石，将表面垫平，再进行冲击钻进，防止斜孔、坍孔事故。

②对于海上桩基，需根据潮水变化进行动态控制，护筒内常态水位控制在比护筒外水面高0.8 m以内，特殊情况不得超过1.5 m，但护筒内泥浆面不得低于外面潮水位，避免孔内外压力差导致的缩孔、穿孔等质量问题的发生。

4.2 终孔后清孔及检孔

（1）终孔及检孔

桩孔钻至设计标高后，对成孔的孔径、孔深和倾斜度进行检查，若桩基中嵌入岩石的深度和坚硬度满足设计要求，停止钻孔，捞取渣样并验孔。采用配套的桩基成桩检测系统对成孔、桩径、孔深、倾斜度等检查，按照设计规范及要求，成孔控制质量指标如表3所示。

（2）清孔

终孔各项指标检查合格后，利用钻机进行第一次清孔，待钢筋笼吊装入孔后，即以导管作为注浆管进行第二次清孔。

①清孔过程中保持孔内泥浆面的高度及泥浆比重，防止坍孔、缩孔。

②清孔时的技术参数控制以泥浆含砂率和泥浆比重为主。对泥浆比重，一清一般到 1.17～1.18左右，这样有利于二清时能迅速清除提钻锤以及下钢筋笼时刮碰孔壁而产生的新的沉渣，二清降至1.15左右；含砂率控制在1%以内。

4.3 水下混凝土施工

混凝土浇筑是桩基施工当中至关重要的一环，其浇筑过程是否顺利直接决定桩基最终成桩质量：（1）对施工区域现场进行清理，对搅拌机、罐车、泵车等机械设备进行检验，对砂、石、水泥、外加剂等原材料充足准备；（2）导管初次使用应做水密、接头抗拉试验，检查每根导管是否干净、畅通以及“O”型密封圈的完好性，防止漏气影响混凝土下放。

同样，混凝土配合比是桩基混凝土浇筑中不可忽视，不良的混凝土配合比将可能导致浇筑时混凝土下放困难、容易堵管、抱管甚至埋管等情况从而影响桩基成桩质量。本标段混凝土最重要控制点为坍落度（180～220 mm）以及初凝时间（不小于15 h）。

在首盘混凝土浇筑之前，必须对导管进行探底，保证导管下部悬空高度处于30～40 cm左右以保证混凝土的顺利下放，对于2.2 m桩径悬空高度宜取下限30cm，这样能最大程度冲走孔底可能存在的沉渣，保证孔底干净。桩基混凝土灌注过程中，实时监测混凝土顶面高度及导管埋深，应将导管埋深严格控制在4～6 cm范围内，防止导管埋深过浅导致夹泥断层或者埋置过深导致导管堵塞甚至埋管。

5 常见问题及处理预案

实施工序复杂且存在不可预测的问题，这里给出常见问题以及处理预案：

（1）钢丝绳破断、掉锤。采用打捞勾打捞钻头。打捞勾系Φ 40 mm的钢丝绳，钢丝绳端头连接到钻机的卷扬机上，将打捞勾放入孔底边，缓慢拖动至另一边，确认勾住钻锤上的钢丝绳后，再开动卷扬机，打捞出钻头，必要时汽车吊配合钻机一起打捞。

（2）护筒口冒浆。护筒内水头过高，或钻头起落时碰撞护筒使护筒口周围土体松散容易造成护筒口冒浆。本桥通过泥浆循环系统（上下移动孔内泥浆泵）使护筒内保持0.8m以内的水头高度。钻头起落时，注意缓慢进行，及时调整钻头位置，防止碰撞护筒。

（3）塌孔。塌孔问题的出现可能在护筒口淤泥层以及卵石层，当出现塌孔问题时，重新回填片石或黏土至塌孔段上部2至3米，然后重新冲击成孔。

（4）串孔。本桥相邻桩间距较大，且对相邻桩不采取同时开孔作业，故本桥不存在串口问题。

6 实施效果

至目前为止，宁德特大桥已完成95根钻孔灌注桩的施工，50根钻孔灌注桩成桩检测，没有出现一列塌孔、断桩的现象，桩基检测结果喜人，II类桩不到3%，其余全部为I类桩，这证明桩基施工每个阶段严格控制把关，做到一丝不苟，精益求精，就一定能取得令人满意的效果。

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[3]范启宏. 超长钻孔桩施工质量控制[J]. 黑龙江科技信息,2010(13)

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1007-6344（2016）07-0039-02

周承波（1973-），男，高级技师。