南四湖二级坝除险加固工程溢流坝交通桥钻孔灌注桩质量控制

叶成威 方明耀

一、工程简述

南四湖二级坝除险加固工程溢流坝交通桥位于溢流坝堰顶上方，顺坝向长度为400.0m，桥面汽车荷载等级为公路-Ⅰ级，桥面高程为38.50m，桥面总宽为12.0m，行车道宽度为9.0m，交通桥共20 跨，单跨跨度为20.00m，采用装配式后张法预应力混凝土简支空心板梁桥。基础均为C30 混凝土钻孔灌注桩，桥墩设计桩径1.8m 灌注桩38 根，桩长26.8m；桥台设计桩径1.2m 灌注桩8 根，桩长18.0m。根据地质报告主要地质情况为：面层～31.6m 淤泥质壤土；31.6～29.2m 粘土；29.2～26.7m 重粉质壤土；26.7～14.7m 中粉质壤土；14.7m 以下为重粉质壤土。

二、材料筹备、施工设备选型

（一）原材料选择与筹备

为确保工程质量，考虑周边原材料市场供应情况，施工单位选择向商品混凝土公司购买混凝土搅拌和运输服务。混凝土原材料以及外加剂全部由施工单位购买并运送至商品混凝土公司仓库单独存放，使用时由施工单位派人监督使用，防止未经施工单位检验和监理签认的原材料投入到工程中。水泥、钢筋经建管、监理、施工三方考察认定使用“中联”水泥、“山东莱钢”钢筋。

护壁泥浆采用膨润土、优质粘土拌制。

（二）施工设备选型

灌注桩施工设备的选择对能否保证施工质量以及功效的高低起着至关重要的作用。选择合适的施工设备是实现质量控制的首要条件。泥浆护壁回旋钻成孔灌注桩的施工设备主要包括成孔的钻机、泥浆循环设备、钻杆、钻头与保径圈，成桩的导管、料斗、球塞、混凝土拌制与输送设备。

根据设计指标及现场场地，并经建管、监理考察，施工单位试选国峰250 车载式钻机和DFH-300B 作为本工程的主要钻机机型。国峰250 钻机参数为：发电机功率75kW；钻头最大直径2500mm，最大深度≤300m；动力头转速9r/min；动力头扭矩20000kN·m；砂石泵流量600m³/h，扬程40m，功率37kW；泵吸式反循环排渣；钻杆螺纹连接1948mm×2m；钻塔高6m；整机外形9m×2.4m×3.3m；整机重15t。钢筋笼吊装选择25t 汽车吊；电焊机采用30kVA。

三、试验桩选择及成果

为有效地检验钻孔灌注施工设备及施工工艺的可靠性，在全面开展施工前必须进行试验性钻孔、灌注等工艺。通过试桩可以验证地质资料与实际地质是否相符、桩基施工工艺、灌注工艺和钻机是否合理，以及推测拌和站的混凝土供应能力，以便在施工中进行改进。

溢流坝交通桥共46 根灌注桩，线型布置，范围在20m×20 跨=400m 内。根据地质报告以及建管、设计、监理、施工四方会议商定，选择具有普遍代表性的19#桩进行试验性施工。

试桩前施工单位根据现场实际情况及试验目的编制了《钻孔灌注桩成孔工艺试验方案》，并报项目监理部进行审核批复。

施工单位首先采用反循环钻机国峰250 进行试钻，施工至地下4m，土层中含砂量迅速增加，为确保施工质量防止塌孔，经研究施工单位立即改用正循环DFH-300B 钻机。成孔后，19#桩孔参数如表1。

表1 19#桩孔参数表

四、施工组织与质量控制

（一）场地布置及施工准备

溢流坝交通桥位于溢流坝堰顶，东西向布置。因溢流坝堰顶被国道（G518）借用，是湖东湖西唯一交通道路，且有二级坝内货运码头，交通流量非常大。施工单位在堰顶南侧修建了导行道路，对灌注桩施工区域进行封闭隔离。

施工单位充分考虑场内空间和施工便利情况，布置2 台套钻机，分别在9#、38#桩同时向中间陆续进占施工。泥浆池全部布置在堰顶北侧铺盖位置，泥浆池大小根据灌注桩设计混凝土量4 倍（灌注桩68m³×4=约272m³）以及重复利用和沉渣清理情况考虑，泥浆池设置为15m×20m×1.2m=约360m³。

因溢流坝堰顶兼顾车辆通行，经多次加固维修后，现存表层为钢筋混凝土厚45cm，下部以浆砌石为主，厚约0.6～0.8cm。钻机就位前以桩位坐标为圆心破除半径1.2m 范围内的钢筋混凝土和浆砌石，经人工清理后埋设高2.0m 钢护筒。钢护筒壁厚4mm，直径为2.0m，埋设时必须高出地面30cm，防止异物掉入桩孔，四周空隙处用粘土分层回填密实，防止穿孔。钢护筒埋设过程必须经常复核其中心位置与桩位重合，偏差不应超50mm，垂直度不应超1%。

钻机就位后，底座和顶部要平稳，先利用水准尺对转盘进行粗平，调平后用水准仪检测顶面是否水平；钻机顶部起吊滑轮缘、转盘中心和桩位中要求在同一铅垂线上，偏差不得大于20cm。

（二）钻孔施工

开钻前施工单位需书面上报监理工程师，申请开钻施工，经监理工程师检查复核钻头定位、转盘平整度、泥浆制备情况、泥浆检测设施、人员等合格后，方可正式开钻施工。

开钻时必须慢速钻进，钻头全部进入地层后，方可逐步加速钻进。钻进过程中需时刻注意泥浆的比重和含沙率变化，根据变化情况确定添加粘土或清水，并根据地质报告判断钻头进入何种地质情况，预判后续可能遇到情况。因故停钻时，应保持筒内水头大于护筒外水头，且泥浆的比重及粘度要符合护壁要求以防塌孔、缩颈。

在溢流坝交通桥灌注桩钻孔施工过程中，遇到以下2 种特殊情况：

1.孤石

13#桩孔施工至地表下6.4m（高程约为+27.7m）时，钻头产生剧烈震动，无法进钻。施工作业人员立即汇报至现场管理人员和监理，经建管、监理、施工、作业人员会商，根据表状初步判断为小块孤石，进入孔壁约1/4，可采用高转速低进尺，使钻机不产生剧烈震动为准，施钻过程中适当增加泥浆比重。经过约10小时的施钻，孤石被磨移，影响进尺段有2.4m。为防止偏斜，建议在该段提升一次钻头，并进行复钻一次。

2.砂层

根据地质报告，当28#、29#桩孔施工至地表下约8m（高程约为+26.1m）时遇到砂层，地质报告中表述该砂层为中粗砂或砂混壤土。作业人员感觉触碰到砂层时，立刻停钻进行含砂量检测，经检测确认进入砂层后，立即调整泥浆比重为≥1.14g/cm 和粘度19～28Pa·s。为防止塌孔和缩颈，泥浆比重和粘度将保持至混凝土灌注。在砂层中钻孔进占时，一定要放缓进尺速度和浆液高度，确保泥浆护壁效果。

成孔后，监理工程师需立即对孔深、孔径（不小于设计孔径）、倾斜度（小于1.0%）进行检测，判断是否达到设计要求，禁止用超钻来代替孔深。

钻杆测量孔斜法：将带有钻头的钻杆放入孔内封底，在孔口处的钻杆上装一个与孔径或护筒内径一致的导向环，使钻杆保持在桩孔中心线位置。然后采用带有扶正圈的钻孔测斜仪对钻杆进行分点测斜，并将测得的各点数值在坐标仪上描点作图，即求得桩孔的偏斜值。

孔底标高=实测孔深（测绳测量或钻杆）+地面标高

（三）清孔

经监理工程师检验合格后，立即进行第一次清孔。本工程采用反循环钻孔，对清孔较为有利，对沉渣清除较快速、干净。

终孔后，将钻头提至距孔底的0.2～0.3m 处，使之空转，将残存在孔底的钻渣吸出；必要时投入适量纯碱以提高泥浆比重和胶结能力，使沉渣排出孔外。一般第一次清孔时间为30～60min 为宜。

因钢筋笼吊装及导管安装需一定时间，为防止该段时间内产生的沉渣超出设计及规范要求，导管安装完成后必须进行沉渣和泥浆比重检测，如需等待混凝土到位时间，必须开展二次清孔。

（四）钢筋笼制作与吊装

根据施工单位施工经验，本工程按整节钢筋笼制作完成后，其整体钢度较大，可采用单根单节吊装，既能保证钢筋笼的焊接质量，又可方便施工，并能提高施工进度。制作φ12cm 厚3cm 中心带孔的混凝土饼，在主筋外侧每2m 设置一道，每道装4～5 个，既能保证钢筋笼保护层厚度，又可方便钢筋笼下滑。其他钢筋笼按设计和规范要求进行制作焊接。钢筋笼制作完成后，必须经监理工程师检查验收，合格后进行声测管安装。

声测管现有较成熟的成品，连接采用多道“O 型”橡胶圈密封，质量可靠，安装方便。声测管安装固定后必须进行注水加压，检验端头、连接部位的密封性，加压过程中如有渗水需拆除重新连接安装，并检查密封圈和声测管是否受损，如有受损直接进行更换，不建议修复使用。钢筋笼放置时间较长时，在吊装前对声测管的密封性进行一次复检。

钢筋笼吊装采取四吊点法整笼吊装，1 号吊钩牵引直径16mm 可滑动钢丝绳为两个吊点。2 号吊钩牵引吊装扁担（扁担钢丝绳同为16mm）为两个吊点。吊装时1 号吊钩和2 号吊钩先同时起吊上升，待钢筋笼达到约为钢筋笼一半长度高度时停止起吊，然后2 号吊钩缓缓上升到钢筋笼呈约30 度夹角时，1 号吊钩缓慢下降到2 号吊钩钢丝绳稍微松弛，然后重复上述动作直至钢筋笼完全竖直，此期间严禁出现两吊钩配合不默契出现的钢筋笼变形现象。

为防止起吊过程中钢筋笼发生偏转碰撞，对钢筋笼质量产生影响或发生安全事故，钢筋笼两头必须绑上斜拉安全绳，在钢筋笼未竖直前，不得解除斜拉安全绳。

钢筋笼吊装到位后，应检查钢筋笼中心孔位偏差（参考钻孔偏差不应大于5cm），在钢筋笼保护层允许的条件下，尽量进行调整。

（五）导管选择和安装

导管在工地上首次使用时，需进行地面试装，并进行试压试验，合格后进行编号及标尺标注。溢流坝交通桥灌注桩经试配选用φ300mm 口径，壁厚5mm，管节长2m，漏斗下加配节长1.0m 和0.5m 导管。导管每次使用时必须检查内壁是否干净顺滑，防止隔水球塞通过受阻。

钢筋笼就位并检验合格后，需立即下导管。导管安装要求连接牢固、严密，导管应位于孔位中央，灌注前应进行升降试验；灌注首批混凝土时，导管下口距孔底的距离一般在30～40cm 为宜。

（六）混凝土水下灌注

灌注前需确定首灌料料斗容量，按设计指标及现场实际施工高程计算：

式中：

V—灌注首批混凝土所需数量（m³）；

D—桩孔直径（m）；

H1—桩孔底至导管底端间距，一般为0.4m；

H2—导管初次埋置深度（m）；

d—导管内径（cm）；

h1—桩孔内混凝土达到埋置深度H2时，导管内混凝土柱平衡导管外（或泥浆）压力所需的高度，即h1=HW×RW/RC；

HW—井孔内水或泥浆深度（m）；

RW—井孔内水或泥浆重度（kN/m3）；

RC—混土拌合物重度（24kN/m3）；

V=π×1.82/4×（0.4+1.0）+π×0.32/4×26.1×1.05/2.4=4.37m3。

灌注前导管口必须塞放隔水栓（球），防止灌注过程中导管内泥浆与混凝土混合，造成离析、断桩等质量事故发生。当首批混凝土在料斗中方量大于4.37m³时，快速释放隔水栓（球），混凝土依靠自身重力快速滑入孔底，并将导管出口掩埋。首批混凝土拌制时，可适当增加水泥和黄砂使用量，提高混凝土坍落度，使混凝土能快速包裹导管出口，可提高灌注质量。

首批混凝土在料斗内迅速下降时，后续混凝土即可持续倾倒进料斗，形成连续灌注。在灌注过程中，导管的埋深一般不宜小于2m 或大于6m；灌注速度较快，导管较坚固，并有足够的起重能力时，导管埋深可以适当加大埋深。混凝土灌注速度控制在混凝土初凝时间以内的同时，必须合理地加快灌注速度，这对提高混凝土的灌注质量十分重要。

在混凝土快速灌注过程中，必须时刻注意钢筋笼是否因混凝土灌注过快造成上浮。此时要立即采取措施，放慢混凝土的浇筑速度，反复地用钻机上的卷扬机“慢提快落”导管，即慢慢地将浮出的钢筋笼子带回浇筑的混凝土中。复位后，调整导管，减小导管埋深，并在钢筋笼口增设配重。

为确保桩顶质量，在桩顶设计标高以上灌一定高度，可按孔深、成孔方法及清孔方法确定，本工程取1.2m。

当混凝土灌注到桩长2/3 时，可按照现使用混凝土量，估算后段桩长所需混凝土量，并且初步计算该桩的充盈系数。混凝土充盈系数能间接反映该桩的质量，钻孔灌注桩充盈系数不得小于1.10，理想状态在1.15，有砂层或孤石时充盈系数略大，当充盈系数小于1.0 时，即可认定为废桩。溢流坝交通桥46 根灌注桩充盈系数最小1.10，最大1.45。

（七）灌注桩质量检测

溢流坝交通桥施工单位委托安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院分2 批次进行超声波检测，经测定46 根灌注桩全部为Ⅰ类桩；随机抽取5 根桩基进行高应变动测，经检测单桩承载力全部满足设计要求■