关于桥梁大直径钻孔桩施工技术应用

李 莉

(山西路桥建设集团有限公司，山西 太原 030006)

1 工程概况

某桥梁工程总长约10.136 km，按双向八车道标准进行设计，基础采用大直径钻孔桩，南、北岸分别为20根和130根。其中，北岸钻孔桩的桩径为3.8 m，在B13#～B47#墩与B53#～B82#墩分布，桩长分为3种，分别为105、108、111 m，均为摩擦桩，桩顶标高相同，为-3.0 m。考虑到该桥梁钻孔桩的桩径与桩长都很大，故需要采用大扭矩钻机，此次采用的是KTY-4000动力头钻机，其技术性能为：①钻孔直径：在强度低于120 MPa的岩层中，钻孔直径为2.0～4.0 m，在强度低于200 MPa的岩层中，钻孔直径为2.0～3.5 m；②最大钻孔深度可达130 m；③动力头钻速在0～15 rpm；④动力头扭矩为300 kN·m；⑤钻杆直径和长度分别为300、3 000 mm；⑥总功率为285 kW；⑦外形尺寸为7 380 mm×7 470 mm×8 160 mm；⑧主机重量为44 t；⑨钻具系统重量为130 t。现以该桥梁工程为例，对其大直径钻孔桩施工技术进行以下分析。

2 施工工艺

2.1 钢护筒埋设

为起到防腐的作用，从-35.0 m标高处开始向上设置钢护筒，此次设置的钢护筒为永久钢护筒，其内径比桩径大0.3 m，即4.1 m，采用Q345C型钢板，板厚分为两种，分别为32.0 mm和27.0 mm，到平台的顶端钢护筒的总长度为45 m。将整个钢护筒分成3节均在施工现场制造，制造完成后运输到施工位置进行焊接接长与埋设。各节护筒的起吊借助200 t履带吊进行，埋设采用2台振动打桩机进行联合振动插打，期间采用平台的钢管桩作为导向，这样能起到降低起吊高度的作用。因钢护筒的接长对接焊引入了自动焊，且每个工序所使用的施工方法均合理得当，所以钢护筒埋设整个过程都非常顺利，为各墩埋设2根钢护筒只需要36 h左右的时间，而且所有技术指标都能达到要求。

2.2 钻机摆放

对于钻机现场摆放，需要充分考虑以下两点：①钻机的受力要和平台结构良好匹配，使底座的支点尽可能处在钢管桩处，同时要与钻机的移位、拆除及后续灌注施工相统筹，以尽可能地为施工提供方便；②将钻机组装到位以后，钻机底座应达到稳定并保持水平，同时钻架的中心、钻机动力头回转中心与钻头、钻杆及桩径的中心必须处于同一条铅垂线，这是确保孔位准确无误且保持顺直的基础。一般情况下，偏位不能超过50 mm，倾斜度不能超过1/200。

2.3 泥浆配制与技术指标控制

泥浆利用淡水进行配制，通过按照适当的比例对PHP、膨润土与CMC进行混合而成，为适应该桥梁所在地区的地质条件，泥浆性能指标需达到以下要求：①基浆(由膨润土和碱混合而成)：比重应小于1.05 g/cm3，粘度在20～22 Pa·s，含砂率应小于0.3%，胶体率应大于98%，失水率应小于15 mL/30 min，泥皮厚度为1.5 mm/30 min，pH值为9～10，静切力为2～4 Pa；②新浆(通过在基浆中添加PHP制成)：比重应小于1.065 g/cm3，粘度在25～30 Pa·s，含砂率应小于0.3%，胶体率为100%，失水率应小于10 mL/30 min，泥皮厚度不超过1.0 mm/30 min，pH值为10～12，静切力为4～6 Pa；③钻进泥浆(由新浆和钻屑混合而成)：比重应小于1.20 g/cm3，粘度在25～30 Pa·s，含砂率应小于10.0%，胶体率为96%，失水率应小于18 mL/30 min，泥皮厚度为2.0 mm/30 min，pH值为7.5～9，静切力为3～5 Pa；④回流泥浆(即钻进泥浆通过净化或补充新浆后得到的泥浆)：比重应小于1.15 g/cm3，粘度在19～25 Pa·s，含砂率为0.5%～2.0%，胶体率为98%，失水率应小于15 mL/30 min，泥皮厚度为1.5 mm/30 min，pH值为7.5～9，静切力为3～5 Pa；⑤清孔泥浆(即回流泥浆和新浆的混合)：比重在1.06～1.13 g/cm3，粘度在17～22 Pa·s，含砂率不超过0.50%，胶体率为98%，失水率应小于10 mL/30 min，泥皮厚度应小于1.0 mm/30 min，pH值为7.5～9，静切力为3～5 Pa；⑥当泥浆达到以下指标时，需弃用：比重大于1.3 g/cm3，粘度超过42 Pa·s，含砂率超过10%，胶体率小于90%，失水率大于25 mL/30 min，泥皮厚度超过5 mm/30 min，pH值小于7或大于14，静切力小于1 Pa。

2.4 钻进成孔

根据现场的地质条件，为每台钻机均配备了笼式刮刀钻头，并准备滚刀牙轮钻作为备用，钻进参数由于地层的不同而有所不同，具体为：在砂层时，钻压按150～200 kN控制，转数为3～4 rpm，进尺速度为2～3 m/h；在砾砂层时，钻压按200～300 kN控制，转数为4～5 rpm，进度速度为0.5～1.5 m/h；对于钢护筒底部端口处的地层，钻压应小于150 kN，转数为3～4 rpm，进尺速度为0.5～1.0 m/h；在黏土层时，钻压应小于250 kN，转数为5～7 rpm，进尺速度为0.15～0.40 m/h；在风化岩层时，钻压按400～600 kN控制，转数为5～6 rpm，进尺速度为0.10～0.25 m/h。钻进成孔时必须严格按照以上参数进行控制。经施工实践可知，以上钻进参数和所有技术指标都与工程实际情况相符，在15～18 d周期内完成成孔。钻孔完成且经检验确认合格后，应尽快开始清孔，清孔的方法为换浆法，并借助弯头细泥泞机，使孔底沉渣厚度达到要求。

2.5 钢筋笼制安

钢筋笼的安装应达到钻孔底部，其总重量为82 t，为了使钢筋笼保持稳定，在钢筋笼制作过程中需按照3 m的间隔距离设置环形加强箍，采用角钢通过弯制而成，并为每个钢筋笼均配备足够的压浆管与探测管。所有钢筋笼均在现场通过台座的设置进行生产，由于长度过大，所以按12.0 m长进行分节，并采用直螺纹进行连接。将钢筋笼吊放到孔内后，于孔口处采用型钢平台将其拉住，以免钢筋笼在后续的施工中发生下沉或上浮。

2.6 混凝土灌注

桩身采用强度等级为C30的混凝土，掺加适量防腐外加剂，考虑到基桩的桩径与桩长都很大，单根基桩的灌注量就可以达到1 300 m3，故必须做好混凝土拌和工作，本次采用2个生产能力不低于180 m3/h的拌和站，以满足桩身连续灌注要求。在拌和站拌和完成的混凝土采用搅拌车通过栈桥尽快运输到现场，然后卸料至输送泵当中，经由漏斗及溜槽连续输送至导管中进行灌注。采用这样的方式，可满足首灌不低于40 m3的要求。灌注时使用的导管在第一次埋设过程中，埋深需达到3.0 m，中间则可以按照6～10 m控制。导管在每次使用之前都要进行严格的试验，包括压力试验与水密试验。混凝土的灌注时间应严格控制在13 h以内。

3 问题防范与处理

考虑到本次大直径钻孔桩的施工环境比较恶劣，且地质条件复杂，故在施工开始前应针对所有可能产生的问题进行深入分析，然后采取有效措施加以防范。实际施工中，通过科学的调度与严格的防控，发生了以下几个问题，但都得到了有效解决。

1)包钻。在旋转钻进过程中，稍不注意就有可能发生包钻。对此，施工中应适当增加泥浆的实际循环量，并使用比重相对较低且粘度较小的泥浆，同时借助吸泥机及时将大块黏土吸出；若黏土将钻头完全包死，则需要将钻头从钻孔中提出，将包裹在钻头上的土块彻底清除，然后再继续下钻。

2)漏浆。这一问题多产生于护筒底部端口-35.0 m附近，当漏浆情况严重时，钻孔中的泥浆会伴随江水的起落而大幅起伏。针对这一问题，可通过对钢护筒进行接高并回填黄黏土的方法来解决。

3)堵管。桩身灌注过程中导致堵管的原因包括：导管损坏、导管和孔底之间的距离过小、二次清孔结束后等待时间过长、隔水栓的设置不合理、混凝土存在质量问题或灌注时导管埋深过大。为防止堵管现象的发生，施工中注意以下几点：导管安装前由专人进行检查，确定是否存在损伤与破裂；外观检查合格的导管，在使用前还要进行各类试验，如抗拉拔试验与水密承压试验。在水密试验过程中，水压应达到孔内水压1.3倍以上；导管底部和钻孔底部之间的距离应控制在300～500 mm，当出灌量足够时，可取较大值；严格按照要求制作和安装隔水栓，隔水栓的椭圆度与直径都应达到要求，同时长度不能超过200 mm；在二次清孔结束后，尽快开始灌注，若因故无法立即施工，需在施工前再次清孔。

4)钢筋笼上浮。桩身灌注过程中导致钢筋笼上浮的原因包括：混凝土初凝或终凝时间过短，导致孔内混凝土提前硬化结块，伴随孔内混凝土液面不断上升，将钢筋笼托起；清孔过程中孔内存在大量悬浮砂粒，导致灌注时砂粒发生回沉，形成砂层，伴随混凝土液面不断升高，导致钢筋笼的底部被托起；将混凝土灌注到钢筋笼的底部时，因灌注的速度过快，导致钢筋笼发生上浮。为避免这一问题的发生，不仅要保证灌注用混凝土的质量和做好清孔，在将混凝土灌注到与钢筋骨架底部还有1 m的距离时，需减慢灌注速度；同时在混凝土液面到达钢筋笼底部上方4 m的位置后，开始适当提升导管，使导管的底部比钢筋笼的底部高至少2 m，之后方可将灌注速度恢复至正常值。

5)桩身强度不足或离析。导致这一问题发生的原因包括：施工时对混合料配合比没有进行严格的控制、混凝土搅拌不充分或水泥存在质量问题。对此，为避免这一问题的发生，首先要严格把关水泥质量，并对混凝土配合比进行严格控制，按照要求的时间进行搅拌，保证混凝土和易性。

6)桩身夹渣或断桩。导致这一问题发生的原因包括：混凝土的初灌数量不足，导致导管埋深较浅或根本无法进入到初灌的混凝土当中；灌注时对导管提升长度的控制不准确，将导管从混凝土中拔出；灌注所用混凝土的初凝时间或终凝时间过短，或灌注持续了太长的时间，导致上部混凝土硬化结块；清孔过程中孔内存在大量砂粒，灌注时这些砂粒发生回沉，产生砂层，不仅影响混凝土液面上升，而且如果混凝土将砂层冲破，则砂粒或浮渣将进入到混凝土当中，导致混凝土硬化后产生断桩。对此，首先要对导管埋深予以严格控制，一般不能超过2～6 m，同时根据理论灌入量通过计算确定孔内混凝土液面高度，由此对导管提升长度进行控制，保证导管埋深始终不低于2 m。另外，灌注施工持续时间不能超过初凝时间的1.5倍。

7)桩顶不密实或强度无法达到要求。导致这一问题发生的主要原因为超灌高度不足、浮浆过多或对孔内混凝土液面高度的测定不准确。因此，当桩径小于1 000 mm时，超灌高度要达到桩长4%以上；而当桩径大于1 000 mm时，超灌高度需达到桩长5%以上。另外，在桩顶10 m范围内灌注的混凝土，需对其配合比做适当的调整，如通过增加碎石的含量来控制浮浆数量。在桩身灌注到达最后阶段时，应采用硬杆筒式取样法对孔内混凝土液面的实际高度进行测定，以保证测定结果的准确性。

8)灌注因故中断。导致灌注中断的原因有很多，若采取应急措施后依然无法恢复，则需采取下列方法处理：刚开灌不久时，因孔内的混凝土数量还比较少，所以可将导管去除，并吊起钢筋笼，再通过重新钻孔到达原孔底，吊放钢筋笼并清孔，重新开始灌注施工；将导管快速取出，并清理导管中残留的混凝土，对导管进行检查，经检查确认无误后，重新对导管与隔水栓进行安装，然后按照标准方法开始灌注；拔除钢筋笼，在灌注的混凝土实际强度不低于C15时，用同等级别的钻头重新进行钻孔，同时将之前灌注时产生的浮浆清理干净，之后用500 mm钻头沿桩中心垂直向下钻进300～500 mm深，以此完成接口处理，最后按照标准程序继续灌注即可。

4 结 论

该桥梁大直径钻孔桩施工现已完成70根，其中对65根进行了无损检测，检测结果表明均达到I类桩标准。从当前的实际情况看，基桩施工进展十分顺利，印证了以上施工工艺方法的合理性与可行性。然而，大直径钻孔桩仍存在临时设施数量较多、安全风险大和施工难度高的特点，还需要通过不断的实践来进一步总结相关经验，从而为今后其他工程的施工提供技术参考。

[ID:013067]