倾斜岩层水上冲孔灌注桩施工技术分析

郭生强 中交四航局第二工程公司

1.工程概况

码头工程是国际商贸联系的纽带，可促进物流中转和区域经济增长。Boffa铝矿土配套码头工程位于几内亚博法市的Fatala河下游东岸，该工程拟建一个矿石转运码头和一个多用途码头，前者沿岸线布置2个8000t级内河驳船泊位，其前沿设计底高程为-7.4m，码头面高程为+4.1m，单个泊位长度为130m，泊位总长260m；后者单独布置在转运码头东北侧，泊位长度为125m。工程共用灌注桩117根，桩径均为1200mm，桩长17.7～35.7m，典型结构如图1。桩基持力层为砂岩层，由地质钻孔资料可知，区域砂岩坡度较陡（坡比达1:2.4），若采用常规方法下沉钢护筒，容易导致偏孔及漏浆发生。为保证上部结构稳定，结合工程建设实际，对其在倾斜岩层的水上沉桩技术进行探讨。

图1 矿石转运码头结构图

2.工程地质条件

该工程建设区域地形起伏大，地貌单元多，岩土层分布厚度变化大，地质构造相对简单。从现场的地形地貌及钻探所揭露的地层情况看，不良地质作用不发育，场地属稳定场区，适宜建筑。地质钻孔揭露的土层由上至下主要为淤泥、淤泥混砂、中砂、角砾混粘性土、粘性土混角砾、残积土、全风化砂岩、强风化砂岩（上）、强风化砂岩（下）、中等风化砂岩。其中，强风化砂岩（上）、强风化砂岩（下）、中等风化砂岩工程地质性质较好，可作为桩基持力层。

3.施工技术分析

3.1 工艺流程

结合工程建设条件，水上冲孔灌注桩施工主要包括施工平台修建、桩机定位、钻孔、清孔、钢筋笼安装、水下混凝土浇注，以及桩身检测等，其施工工艺流程如图2所示。

图2 灌注桩施工工艺流程图

3.2 倾斜岩层沉桩方案

为保证钢护筒两侧同时进入倾斜岩层而不存在空隙，可通过以下方式进行钢护筒施工：（1）钢护筒刃脚处外贴Φ=10mm、宽20cm的钢板并焊接加强；（2）钢护筒插打遇阻时，先停止插打，观察泥浆是否存在漏浆迹象，如无迹象则继续冲孔，如有漏浆迹象，填入碎石或块石并进行短程冲击以堵漏浆孔；（3）如按上述方法施工后，依然存在漏浆，则在冲孔一段距离后，钢护筒尝试继续跟进，以保证护筒进入岩层内一定范围。

3.3 主要施工方法

3.3.1 前期准备工作

1）土方平台填筑及钢平台定位：根据现场地形及施工需求，在引桥靠陆侧回填土方形成施工平台，其坡比为1:1，高程为+3.65m。在土方回填过程中，采用分层回填，分层碾压，并控制分层厚度为1m。施工平台碾压完成后，在四周用防护栏杆围蔽，并树立警示标语。矿石转运泊位、多用途泊位位于水域，需采用搭设临时钢平台方式进行沉桩操作。钢平台采用Ф600mm钢管桩作为基础，单桩长15～22m，其搭设工艺为：临时管桩沉桩→桩顶开槽口焊接型钢主梁→铺设工字钢分配梁→铺8mm钢面板→安装护栏。根据地质资料可知，临时钢管桩难以完全进入强风化砂岩，为保证平台基础顺利施工，现场先施工嵌固深度较深的钢管桩，搭设平台稳定后，继续施工嵌固较浅的钢管桩，最后搭设上部平台。

2）施工测量放样：对建设单位提供的坐标基点、水准基点及测量资料进行检查和核对，引入现场后实施保护。根据设计文件采用全站仪测设出各钻孔桩的中心位置，其误差须控制在规范要求范围。在平台上设置护桩时须保证护桩稳定，不影响施工；在桩基成孔过程中随时用交汇法测出其中心位置，检查是否偏孔。之后测设钢护筒顶面标高，并定期进行复检。

3）钢护筒的制作与沉放：施工前对钢护筒进行沉桩可行性分析计算，受力计算表明，钢护筒入土深度达5.0m以后，贯入速率骤减，小于1.0mm/s，继续沉桩则存在困难。根据区域地质条件，钢护筒采用宽2m、长6m，厚度δ=10mm的钢板（材质为Q235钢）制作，成型后钢护筒直径为1250mm。钢护筒分节加工，并采用电焊接缝。钢护筒加工标准为垂直度偏差不超过1/300，椭圆度不大于2cm，所有焊缝连续。在施工平台搭设完成后定出桩位，采用吊机船将护筒吊装就位并垂直沉放，然后用90kW振动锤振压下沉，当到达指定土层时立即停止沉放。结合钢护筒受力情况，施工中保证护筒埋深进入不透水层不小于1m。护筒埋设时要求护筒中心与测量标定的桩中心偏差小于5cm，并保持垂直。陆域护筒顶标高高出地面0.3m，并高出地下水位1.5～2.0m；水域护筒的顶标高高出施工期水位1.5～2.0m。

4）泥浆配比及循环：结合项目地质条件及护筒埋深，钻进时采用合格泥浆成孔。泥浆循环过程中及时补充新浆，以满足钻进成孔要求；清孔时采用膨润土泥浆置换，确保清孔质量满足要求；灌注后将循环后的合格泥浆收集于泥浆池内，以供下根桩成孔使用。泥浆使用过程中控制标准为：一般泥浆粘度18～22Pa.S，含砂率不超过4%，PH值为8～10，钻进过程中相对密度为1.08～1.15，灌注时相对密度控制在1.05～1.1。

3.3.2 施工过程

1）桩基选型：项目灌注桩持力层为强风化岩、中风化砂岩层等，采用冲孔钻机（JK-6型）施工，锤直径为Ф1100mm。

2）灌注桩成孔：桩基成孔主要采用正循环法，辅以捞渣桶和空压机清孔。冲孔施工桩位对准开冲时，在桩内加入粘土或泥浆。开冲过程中定期复检桩位，偏差超过规范要求时须重新修正。冲孔过程中，钢丝绳上须设有标记，提升落锤高度要适宜，防止提锤过高击断锤齿。冲孔时应视具体地质条件控制好泥浆比重。每工作班及时将冲锤提出孔口并清洗检查有无断齿，钢丝绳扎口是否松动等，若存在问题应及时处理。

3）终孔、清孔及验收：冲孔过程中每进尺1m取一次岩样，入岩后每进尺0.5m取一次岩样。到达设计标高后，进行桩底岩石取样，并邀请参建各方共同验收。确定终孔后，进行孔径及标高测量，以及桩位偏差值复测，符合设计标准后立即进行清孔。清孔的目的是使孔底沉渣（虚土）厚度、泥浆液中的含钻渣量和孔壁垢厚度符合质量要求，以便为水下混凝土灌注创造良好条件。当钻孔达到设计高程后，经对孔径、孔深、孔位、垂直度进行检查确认钻孔合格后，即可使用泥砂分离器进行第一次清孔。清孔完毕后抽取孔内泥浆进行性能检查。

4）钢筋笼制作安装：钢筋笼在临时作业区分段加工成型，每根桩钢筋笼分2段加工，每段重约2t，相邻接头错开1～2m。之后分节吊装入孔对接，对接方式采用电焊焊接及套筒连接。钢筋笼根据需要每隔2m在内箍内侧设置“△”型内撑，以防止钢筋笼存放、转运、吊装时变形；每节钢筋笼的吊点位置还要设特别加强撑，同时对同一条钢筋笼逐节增大加强撑的刚度，以防止吊装时变形。钢筋笼统一集中加工后，利用平板车运至临时码头，采用水上吊机进行钢筋笼的下放以及接长等工作。

5）混凝土浇注：灌注桩混凝土型号为C35，采用吊机+吊斗浇筑，单根灌注桩最大耗用混凝土28.4m，需现场协调3台10m泵车运输，以确保整根桩能连续性浇注完成。混凝土搅拌车运输至现场后，采用泵送方式将车上的混凝土输送到储料斗，储料斗内盛满混凝土后，剪除球体的铁丝，使混凝土迅速落至孔底把导管包裹住。首批混凝土量按下式估算：

式中：V为混凝土初灌量（m³）；K为混凝土充盈系数，取1.04；D为桩孔直径（m）；d为导管内径（m），取0.25；h为导管内混凝土高度（m）；h为导管外混凝土面高度（m）。

根据上式估算的最小混凝土初灌量为2.5m³。开浇阶段完成后，用强光电筒检查导管空管部分，若不渗水，即可连续不断地开始混凝土浇注。当导管内末端灌满混凝土，后续混凝土应徐徐倾入承料漏斗内，以防止积存在导管内的空气不能及时排出而产生高压气囊，避免挤开导管节间接头导致漏水。由于混凝土为水下灌注，必须保证其具备良好的和易性并缓凝，同时坍落度宜为180～220mm。灌注时导管、隔水栓应符合要求，开始灌注混凝土时导管口至孔底距离为200～300mm，导管应埋入混凝土面下2～6m。灌注水下混凝土必须连续施工到顶，保证一次成型，严禁有夹层和断桩。终浇高程为设计高程以上1.5m，待混凝土强度达到设计强度75%以上时，凿除表面软弱层至设计标高。

6）桩基检测：灌注桩充盈系数是判断桩基工程质量的一项重要指标。一般正循环回旋钻灌注桩额定充盈系数为1.1～1.3。当充盈系数小于1时，说明桩身质量存在缺陷，可以判断为废桩；当充盈系数大于额定充盈系数时，可根据当地相关定额进行调整。在混凝土浇注完成30d后，应进行成桩质量检测，具体检测工作由具有专业资质的第三方检测单位实施。

4.现场施工情况

该工程按照项目节点，主要分为两个阶段进行施工：（1）第一阶段首先完成多用途码头、两个矿山物料转运及摆渡码头、营地生活区，以及可同步进行的船台及配套工程基础开挖、陆域形成及地基处理；（2）第二阶段主要完成铝土矿装船泊位、修船船台、港池、航道、锚地、疏浚以及配套设施建设，最后进行试运行及工程竣工验收。工程于2019年3月27日开工，次年2月26日顺利完工，共实际实施冲孔灌注桩117根，且采用超声波检测桩身混凝土完整性，均符合设计要求。工程实施后构建起了“海外矿山开发—国内终端客户”的铝土矿全程物流链合作新模式，有力提升了我国和“一带一路”国家在国际铝土矿生产、物流等领域的竞争力和话语权。

5.结语

在系统分析Boffa铝矿土配套码头工程地质条件的基础上，对水上冲孔灌注桩的施工技术进行了论述，形成主要结论如下：

（1）场地桩基持力层为砂岩，其岩面倾斜且坡度较陡，钢护筒施打过程中容易产生偏孔和漏浆，通过实施护筒刃脚处的钢板补强、筒内抛填块石或碎石以堵漏浆孔等措施，可保证护筒成功进入岩面设计深度。

（2）灌注桩施工前应做好准备工作，施工过程中应针对各工序建立质量保证措施。由于桩基为端承桩，成孔深度控制以岩层承载力为主、设计持力层标高为辅。灌注水下混凝土时，须保证混凝土具备良好的和易性并缓凝，同时控制好坍落度。

（3）工程实践表明，该水上冲孔灌注桩施工技术是可行的，有效解决了施工区域岩面倾斜、施工平台搭设困难、成本投入较高等难题，并确保了工期和质量满足建设要求。工程的实施可为类似码头工程的桩基施工提供一定的借鉴经验。