汉源大渡河大桥巨厚砂层大直径灌注桩施工技术

刘 祥，兰 沁，周春华，胡孝荣，谭启奎

（1.成都探矿机械厂，四川 成都 610083；2.四川省地矿局四〇三地质队，四川 峨眉山 614200；3.四川省地质工程勘察院集团有限公司，四川成都 610072）

1 工程概况

汉源大树大渡河大桥位于汉源县富林镇杨泗营村及桂贤乡银政村，跨越大渡河，距下游180～230 m 为汉源吊桥，可供小车通过，下游260～280 m处为汽车轮渡（载质量20 t），距离汉源县城约3 km，距离峨眉山市144 km，经汉源、雅安距离成都273 km。大桥全长708.4 m，共4 个墩。主桥为133 m＋255 m＋133 m 连续钢构，共2 个墩（2 号墩、3 号墩），主墩承台厚6 m，平面尺寸24.0 m×17.5 m，基础为12 根Ø2500 mm 的钻孔灌注桩，桩长平均约67 m，桩间距为6.5 m；引桥共2 个墩（1 号墩、4 号墩），为4孔43 m 简支梁，北端连接省道S306 线，南端连接新建的大树镇。主桥2 号墩的12 根钻孔灌注桩，钻孔直径2500 mm，钻孔深度63～75 m 不等，按照钻孔间隔施工分2 批进行（如图1 所示），总进尺819.85 m，施工时长130 d。

图1 钻孔施工顺序Fig.1 Pile hole drilling sequence

2 地层情况

主桥2 号墩位于大渡河主河床边缘，处于桥位区左岸（北岸），冬季约1/3 处于河漫滩上，约2/3 处于水中，夏季全部处于河水中，采用砂砾石筑岛形成施工场地。

2 号墩地层情况：0～11.50 m 为中密—密实砂卵石、漂石层，卵石成分为花岗岩、石英岩、玄武岩、流纹岩等，质地坚硬；11.50～59.30 m 为中密中砂层，局部密实，上部为细砂，中部夹粗砂，饱和，属非液化土；37.20～42.50 m 为砂卵石层透镜体；59.30～70.20 m 为密实砂卵石、漂石层；70.20 m 以深为灰岩，弱风化。

2 号墩基岩上伏覆盖层存在多层砂土及卵石夹土（质土），在11.5～49.4 m 之间除厚5.5 m 的卵石夹土外均为砂土，且砂层巨厚，这对桩基施工是不利的，应选择合理的成孔技术措施，确保成孔施工的安全。

3 施工设备及配套

根据该工程特点及公司设备情况，配置冲击钻孔设备7 台套，1 台备用，详见表1 所示。

表1 主要施工设备Table 1 Main construction equipment

4 施工前的准备

4.1 筑岛

2 号墩施工场地开阔，用挖掘机和装载机配合，采用砂卵石筑岛，填筑高度比现有水位高出1.5 m左右，考虑到钢筋笼的制作，筑岛面积为65 m×32 m。在筑岛过程中，为防止冲刷，在筑岛迎水面采用钢筋笼填装大卵石进行护岸［1］。

4.2 孔口护筒的埋设［2］

在筑岛完成后对场地进行平整，用全站仪精确测量出墩位和孔位，再用挖埋法安设孔口钢护筒，钢护筒尺寸为Ø2800 mm×16 mm×3200 mm，钢护筒埋设深度为3 m，护筒口高出地面0.2 m，具体埋设方法如下：

（1）用挖掘机挖设Ø3500 mm、深2.6～2.8 m 基坑，基坑底部用锄头人工摊平。

（2）用25 t（250 kN）吊车将护筒四点吊起下放到基坑里，并用全站仪将护筒位置与桩位对正，桩位与护筒位置偏差＜50 mm，倾斜度＜1%。

（3）用挖掘机填埋粘土，护筒底部之上1 m 用粘土填埋夯实，防止护筒漏水和不均匀沉降，再往上用砂卵石填埋夯实，并用大量的水渗透回填部位，到饱和为止（水夯）。

（4）护筒埋置好后，将桩位引到护筒上，用锯条切割做好记号，以便安放钻机。

（5）护筒埋设过程中曾遇到孔底有大量的河流浸水，采取的应对方法是装载机就近取材，向孔内倒入烧过的石灰石（一定程度上有固化效果），直接用挖掘机刨平，再用全站仪定位下放护筒。下放后用装载车向护筒周围填埋黄泥，人工刨平即可。从后期的钻进情况来看，只要孔口护筒足够长（3 m），周围填料被机械压实过，护筒就能很好地保护好孔口。

4.3 钻机的安装

由25 t 吊车吊放安装钻机，并将钻头的中心对准孔的中心，要求保证“四点一线”，即钻头中心、钻架顶部的起重滑轮外槽缘、护筒中心、基桩设计位置中心在同一条竖直线上，偏差≯20 mm。

5 成桩施工技术

5.1 冲击钻进

孔口护筒和钻机安装就位，经校核无误后开钻。开孔反复加泥和“人头”石，使用低冲程（1～2 m）冲击，挤密孔口护筒底口；在巨厚砂层、砂卵石层中钻进时，采用3～4 m 的冲程，“人头”石与黄泥比例必须调整适当，确保孔壁有层50～100 mm“厚墙”，防止钻进、清孔及灌注过程中的孔内坍塌事故出现；在基岩层中钻进时，根据岩石强度和钻头本身状况，合理选择冲程，一般稍小些。

施工过程中随时观察设备的完好情况，特别是锁芯、钢绳等，以防止掉锤现象发生。要经常检查锤的尺寸，如磨损严重应进行补焊，在下内护筒前钻头直径应保持在2630 mm 左右，最小不低于2600 mm（因为内护筒外径为2632 mm）。在施工期间随时对锤头直径和绳头进行抽查，通过抽查强化了机组人员对钻孔孔径严格要求的意识，为后续的内护筒和钢筋笼的顺利下放奠定了基础［3］。

5.2 除渣工艺

在工程开工前设计准备了3 套钻进除渣系统。

（1）利用2 台3P 型泵、振动筛（公司自制，且自带泥浆池）以及相关的泥浆管路等除渣，如图2所示。

图2 振动筛循环系统示意Fig.2 Schematic diagram of the vibrating screen circulation system

（2）利用2 台3P 型泵、ZX-200 型泥浆净化装置以及相关的泥浆管路等构建的系统除渣，如图3 所示，此系统需单独挖设一个泥浆池。

图3 旋流器循环系统示意Fig.3 Schematic diagram of the hydrocyclone circulation system

（3）利用捞渣筒捞渣钻进，如图4 所示。

图4 捞渣筒除渣示意Fig.4 Slag removal diagram of slag bailing drum

各工艺使用情况如下：

第一种除渣工艺对卵石层效果比较好，但对砂层却无能为力。第一批孔时，对振动筛各方面性能参数还在摸索，不断调节振动筛的倾斜度、筛网的网眼尺寸等，后逐渐完善，完善后的振动筛细筛网网眼为3 mm×3 mm，下面用粗筛网和横架支撑，振动泵为1.2 kW。

第一批孔在钻进到砂层且ZX-200 型旋流器还未能正常使用时，试图采用细密的筛网除掉砂粒，但从当时的观察和事后钻孔失水情况来看，振动筛的使用具有一定的局限性。当把振动筛上的振动泵开启或者使用粗筛网时，砂粒漏到振动筛自带的泥浆池中再次被3P 型泵抽回孔底，不能清除；当把振动泵关掉或使用细筛网时，砂粒随着大部分泥浆被排到泥浆池外，浪费严重，孔内泥浆不断地被稀释。可见，针对砂层，通过振动筛网除渣原理存在很大的局限性。

在遇砂层振动筛效果不佳时，开始探索ZX-200型旋流器的各种性能，ZX-200 型旋流器在除渣原理上与振动筛有很大的区别，它是采取分级除渣的：先粗筛振动筛除粗颗粒，再渣浆泵抽入旋流装置中，细颗粒便通过旋流器沉渣嘴流到细筛网，振动去掉部分水后排出。使用中对钻孔泥浆进行了测量，结果如表2 所示。从表中可看出，ZX-200 型旋流器比振动筛除渣更优越。旋流器泥浆净化装置经过第一批孔长时间运转后，新配置的旋流器部件（塑料件）磨损严重，其间也对其进行过胶焊，但始终不耐用，后经过设计，自己加工了钢质旋流器，效果显著［4-5］。

表2 除渣效果对比Table 2 Comparison of cuttings removal performance

另外2-9 号孔在下完护筒后（护筒长12.1 m，没有起到隔离砂层的效果），为使孔壁稳定又要得到较快的钻速，采用了孔内自循环加捞渣筒捞渣钻进相结合的方法，同时在捞渣前停泵2 h，使渣粒沉底一并捞出。

5.3 内护筒的加工与下放

内护筒主要作用是隔离砂层，内护筒每节长度为5.4 m，外径为2632 mm，孔底护筒采用厚度20 mm 钢板、跟进护筒采用厚度16 mm 钢板，卷板机卷制成形，采用坡口对焊连接。内护筒的加工质量符合《钢结构加工规范》要求，内护筒加工制作主要技术要求为：内径偏差＜±10 mm；椭圆度（两垂直方向内径差）＜±10 mm；长度偏差＜±15 mm；所有纵、环焊缝均须符合焊缝的二级要求，焊接评定按国家现行《建筑钢结构焊接规程》执行［6-7］。

内护筒的下放在砂层钻进结束后进行，过程如下：把下放钢护筒的型钢井字架安放到位。利用25 t 吊车把加工好的钢护筒吊运至型钢井字架内，利用型钢井字架横梁上的2 组20 t（200 kN）链子滑车（每组2 台）进行受力转换，待力全部传至型钢井字架上的2 个吊点后，同时松2 台链子滑车，靠内护筒本身自重往下沉，待沉到预定深度后、临时固定；再利用吊车吊运第二节内护筒，与已下放好的第一节内护筒进行焊接并加焊外环，确保对接质量，对接好后重复以上步骤。若内护筒靠自重不能下沉，则利用型钢在内护筒上口处加设十字内撑（以防止震动下沉过程中内护筒井口变形），用120 t（1200 kN）振动锤振动辅助下沉。开动振动锤使内护筒下沉时，若发现内护筒有倾斜，要及时用牵引器校正。每振动1～2 min 要暂停一次，并校正内护筒一次［8-9］。

5.4 钢筋笼制作与吊放

钢筋笼采用分段制作，并进行编号，分段长度9 m，间隔2 m 在加强箍位置设置“十”字支撑，避免钢筋笼变形。在钢筋笼主筋外缘每隔2.0 m 设置“耳朵”保证钢筋保护层厚度，同一截面圆周均匀分布6个。钢筋笼加强箍与主筋之间以及箍筋与主筋之间均采用点焊连接，主筋接头用丝扣连接，螺母扣为M28×700 mm。

终孔后，开始下放钢筋笼。在吊放钢筋笼前先下放制作好的探孔器，规格为Ø2460 mm×9000 mm，底部顶部口径为Ø2260 mm，探孔器主要起导向作用，以确保钢筋笼顺利下放。

钢筋笼用吊车放入孔内，吊点设置在加强箍筋处，并进行了加强。钢筋笼分节吊放，当前一节钢筋笼放入孔内后，即用型钢穿入钢筋笼加强箍下面，临时将钢筋笼搁置在孔口上，再下第二节，在孔口对接，对接时上下主筋位置应对正，保证钢筋笼上下轴线一致。吊放钢筋笼入孔时应对准孔位轻放、慢放，若遇阻应停止下放，查明原因进行处理。钢筋笼全部入孔后，用钢绳捆绑在钻机底座上或直接焊接到内护筒上进行固定。

5.5 清孔

钻孔深度达到设计标高后，应对孔深、孔位、孔径、孔斜进行检查，符合设计要求后方可清孔。根据该工程桩基础设计要求、现行规范规定及该区地层特点，采用“浑水孔”（即全孔泥浆护孔平衡地下水及地层压力）灌注水下混凝土。清孔是在钢筋笼下放完毕后进行的，采取空压机反循环清孔，气液混合室保持在40 m 左右位置，压力为0.7 MPa，被反循环上来的泥浆部分直接排出孔外，向孔内加清水补给，部分通过旋流器泥浆净化装置，除砂后再返回孔内，防止孔内泥浆过清造成孔壁不稳定和孔内渣粒沉淀太快。清孔时保持孔内水头，防止钻孔坍塌。

5.6 混凝土的灌注以及相关问题［10-12］

5.6.1水下混凝土灌注前准备

做好水下混凝土配合比设计报批。导管采用Ø 325 mm×10 mm 方扣螺纹连接，做好导管拼装、密封性实验，对浇筑混凝土设备进行检查，确保浇筑过程中机具状态良好，并预备一台输送泵和一台发电机组，防止突发情况影响灌注。储料斗采用剩余内护筒材料改造而成，容积可达到12 m3。开盘时使用的漏斗容积2 m3，正常灌注时为便于操作采用小漏斗，容积0.5 m3。混凝土泵可将混凝土送到储料斗中，通过储料斗阀门调解混凝土流量大小，经梭槽流到漏斗中。导管、漏斗用吊车起吊安装，导管底口距孔底0.3～0.5 m。

灌注前进行空压机打泡，冲散、稀释孔底的沉渣浓浆，步骤为先在风管上加一配重，送入下放好的灌浆管，深度约30 m，此时浇注管距离孔底越近越好。

5.6.2灌注水下混凝土

漏斗安装好后，底口用胶纸做隔水塞，用封口板压住，即可搅拌混凝土。第一盘混凝土要适当加大含砂率，第二盘开始正常配料，至漏斗、储料斗装满混凝土，起拔封口板，然后打开储料斗阀门，即完成了开球，进入正常灌注。初灌混凝土量应满足导管在拔球后埋深≮1.0 m，即9.5 m3。开球后要检测导管埋深是否符合要求，导管内是否漏水。

在灌注过程中，导管埋深控制在2～6 m，混凝土灌注应连续进行。为确保桩顶质量，在桩顶设计标高以上加0.5～1.0 m 混凝土浇筑高度，灌注结束后将此段及时清除。在即将灌注完毕前，应频繁地用竹竿插到浆液中，判断真正的混凝土面的高度，与后场做好交流配合，既可做到不浪费混凝土，又不至于在孔内还存留太多的砂浆。

5.6.3导管埋深控制

导管埋深控制至关重要，埋管太深吊车起拔不动、混凝土堵管，埋管太浅易提出混凝土面、造成断桩等不良后果。实际灌注过程中，一个65 m 左右的孔，灌注完毕基本上排出5 m 左右的纯砂浆。另外，混凝土灌注过程中，测锤并不能达到真正的混凝土面（仅可能测到砂浆面），因此导管埋深控制在2～6 m 还需有一定的技巧，如果按测的混凝土高度来控制，那很有可能就把导管底口提出混凝土面，进入砂浆层了，可能会形成断桩或对桩有不利影响，实际操作中，导管埋深建议按高限控制在6 m 左右（以测量高度计算），在保持混凝土不堵管的情况下，这种做法更为保守安全。

5.6.4钻孔灌注报废原因分析

2-12 号孔开球灌注3 m 时堵管，造成了灌注报废。经过分析，其原因有以下几个方面：（1）混凝土本身质量存在问题，和易性不好，且在灌注开盘时没有设置隔水塞，混凝土在经过75 m 的泥浆冲刷后方到孔底，其间离析严重。（2）浇注管距离底口2 m 爆裂，部分泥浆混入下落的混凝土造成污染。（3）后场混凝土跟进不及时，没有对前面离析污染的混凝土进行有效的翻卷。（4）孔底泥浆密度没有达到规范要求的1.1 kg/L，孔底泥浆在清孔打泡后密度最高1.3 kg/L 左右，但这不是主要原因，它并没有足够的能力阻挡密度2.4 kg/L 的混凝土的下落而造成堵管，只有混凝土本身才能造成混凝土堵管［8-9］。

5.7 孔口护筒的开挖

在浇注完成后，待混凝土初凝，用挖掘机对孔口护筒进行开挖。实际操作中只有对外护筒进行完全的切割，才能用吊车顺利地起拔上来。在割缝处进行焊接，以备下次使用。焊接后的护筒强度有限，例如2-9 号孔护筒因挖掘机在埋设其它护筒时向孔内带入了大量的石头，冲击时护筒内壁存在很大的挤压力，而把护筒挤爆，后对孔内泥石混杂物进行打捞，再补焊护筒方解决问题。

5.8 其它问题

5.8.1钢绳缠绕

为了避免钢绳缠绕，停钻后孔底循环时，最好把钻头提到孔口。2-4 号孔停钻后把钻头提离孔底1 m 左右，泵头配重又放到离孔底不远处，开始因为孔底泥浆太浓，钻头没有在钢绳的带动下旋转，可随着循环的进行，孔底泥浆也相应被稀释，钻头开始旋转，钻头、主卷扬与放入孔内的泥浆管和副卷扬钢绳缠绕在一起，造成后续处理困难。

5.8.2钢绳的使用

对于Ø2500 mm 的灌注桩，孔深70 m 左右，锤重钢绳磨损快，中途都有报废钢绳的情况，第一次割60 m 左右的钢绳较好，如果第一次割得太短，钢绳报废时剩下好的钢绳则因太短没有太大利用价值。

为节省钢绳使用量，节约施工成本，钢绳允许接头重复使用，但要求接头处不能过天车，最少保证好钢绳有L＝4 m＋7 m＋（2＋4）×1.5 m＝20 m 的长度（4 m 为天车向孔内第一个接头的距离，保证有4 m 的冲程，7 m 为天车到卷扬的距离，2 为卷扬被绳的圈数，4 为冲击时卷扬可以放绳的圈数，1.5 m 为卷扬一圈上的钢绳长度），其孔内有多少接头并不重要，只是过天车时注意钢绳不要偏出轨道。

6 结语

汉源大树大渡河大桥2 号桥墩基础钻孔灌注桩，桩径大，桩孔深，属于河水位以下的砂卵石层、特别的巨厚砂层施工，具有一定的技术难度，冲击钻进是最为有效的施工方法，采用泥浆净化装置进行除渣可达到较为满意的效果，通过对钻头直径的控制、护筒的使用、灌注时导管埋深的控制等措施，较为顺利地完成了该项工程，相关技术措施可为其他类似工程施工提供参考。