地裂隙地质条件下水中大直径桩基施工技术

韩利江

（华邦建投集团股份有限公司，甘肃 兰州）

1 项目背景

某特大桥全桥共长1 410.4 m。跨度布置为(4×30)+6×(3×30)+(91.2+2×160+91.2)+(3×30)+(5×30)，主桥23#～25#跨为连续刚构，其中23#墩位于河滩上；24#～25#墩位于黔江河道中，墩位处水深约16 m。主墩左、右幅对称各布置9 根φ2.2 m 桩基，均为支承桩，其中24#墩纵向三排桩基底部设计成阶梯式，如图1 所示。要求整体嵌入完整的中风化白云质灰岩层不小于3.5 d，且桩基入土深度不小于10 m。

图1 主桥桩基布置示意图

施工常水位的过水量约为23 600 m3/s，水流速度达2 m/s；洪水期的过水量约为60 300 m3/s，水流速最高达3.21 m/s，墩位上下游均有孤岛而形成漩涡。

2 桩基施工工艺比选

综合施工条件、成本等困素，应优先选择实心锤冲击钻机。主桥河床裸露，桩基嵌入岩层11.5～13 m，岩层为中风化白云岩，设计勘测报告显示岩体强度为30～58.5 MPa。根据现场实际情况：①水中钻机平台面积有限；②地质为中风化岩层；③根据合同工期，主墩桩基须在一个旱季(6 个月)内完成施工，为缩短工期，一次性开钻钻机6 台。

根据以上实际情况，经过比选项目部最终选用简易冲击钻孔，采用锥型十字实心钻, 配备55 KW 功率的卷扬机。简易冲击钻机可减少平台占用面积，钻头质量10 t 左右，可冲击坚硬的岩石。

3 施工技术

3.1 钻机的布置和钻孔施工顺序

一个承台钻孔桩采用6 台钻机三个循环进行施工，钻孔顺序按照隔桩跳打的原则进行，跳打方式为梅花形[1]。钻机安装与桩基施工平台上，施工平台经验算，满足强度、刚度及稳定性的要求。钻孔顺序如图2所示。

图2 钻机的布置和钻孔施工顺序图

施工按间隔跳孔钻进，梅花形布置，钻机主要摆设在未施工桩孔或已形成强度桩基的钢护筒上，不得摆放在刚灌注完水下混凝土还未形成强度的桩基钢护筒上，具体布置如图2。

3.2 大直径钻孔桩成孔技术

开孔时采用1～1.5 m 低冲程冲击，避免钻锤摆动过大勾挂护筒脚，保证护筒的稳定[2]。钻孔时，必须确保泥浆质量和用量，防止塌孔。在各种不同的土层和岩层中钻进时，可按表1 冲击钻在不同地层的施工要点进行。冲孔时，当桩基刚入岩时，应降低冲程，同时多检查，防止出现斜孔，如果已经出现斜孔现象，则可投放片石至孔底，投放量为填满斜孔处0.3～0.5 m高，然后再重新钻孔[3]。冲孔过程中，必须经常对钢丝绳进行检查，主要检查磨损情况、卡扣的松紧程度、转向装置的灵活程度，防止钻头掉入孔内。除钢丝绳外，还应经常对钻头进行检查，防止由于钻头磨损过大导致桩径偏小的情况出现[4]。勤补浆、勤排渣，保持泥浆浓度和水头高度，使孔内钻碴通过泥浆循环及时排出孔外，使钻锤经常冲击新鲜地层，提高钻孔进尺速度。冲孔过程中还应及时捞取渣样，以便能精准了解孔位地质情况，捞取渣样后应及时与设计图纸进行复核，若与设计文件不一致，则应及时通知设计单位。渣样捞出后应及时清洗干净，并妥善保存，渣样保存应以1 kg 为准，并进行记录。冲孔至设计标高后，测量孔深及孔底标高，达到要求后停止钻进，进行清孔作业。清孔的方法有很多，可采用经济、高效的清孔方式。清孔完成后再次测量孔深，检测泥浆含砂率、泥浆比及沉渣厚度等指标，满足要求后可下放钢筋笼[5]。

表1 冲击钻在不同地层的施工要点

3.3 大直径钢筋笼安装技术

钢筋笼统一在钢筋加工场按照设计及规范要求分节制作，运至现场在孔口焊接接长，钢筋笼标准节段每节长12 m，零节根据设计桩长进行确定，在每节钢筋笼内间隔2 m 设置一道加劲Φ25 钢筋箍圈和等边三角内支撑，防止钢筋笼变形。经检查合格后方可进行调转、下放。

在23#～24#墩之间线路左侧填筑运输通道和码头，保证运输船只停靠处水深不小于2 m，通过码头利用25 t 汽车吊分节吊转钢筋笼至运输船上，并辅助人工拉缆风绳配合装船；为减少钢筋笼倒运次数造成变形，船只运输钢筋笼至施工平台处时，人工拉缆风绳辅助50 t 浮吊直接吊装钢筋笼入孔。

钻进至设计标高并排碴完成后，即进行桩基钢筋笼下放。施工中采用50 t 浮吊分节接长下放的施工方案，施工时第一节下放后，用两根I14 工字钢挑梁临时固定于钢护筒上，再用50 t 汽车吊起吊下一节与之对接后焊接成整体，下放至设计标高通过吊筋固在孔口。桩基检测管随钢筋笼接长以直接管联接密封，每下一节用清水注入检测管检查接头是否密封，顶端及底部均用检测管配套封头管密封，见表2。

表2 钢筋笼制作和安装质量标准

3.4 水下混凝土灌注技术

水下混凝土灌注的核心思想是通过首批混凝土埋住导管，防止泥浆进入桩基内部形成断桩。因此，首批混凝土数量一定要足够，首批混凝土最小方量可按下式计算：

式中，d 代表导管直径（m）；D 代表孔径（m）；H1代表导管底部与孔底的距离（m）；H2代表导管埋置深度（m）。h1代表孔内混凝土达到埋置深度时，导管内部混凝土的高度（m），可按下式计算：

式中，hw代表孔内泥浆深度（m）；rw代表泥浆重度（kN/m3）；rc代表混凝土重度（kN/m3）。

3.5 漏浆、塌孔处理措施

施工过程中24#墩实际地质情况与设计不符，设计地质为完整基岩，河床裸露无覆盖层；实际地质情况为河床有1～1.7 m 砂砾石覆盖层，基岩不完整有裂隙。在钻孔遇到地裂隙时出现漏浆，孔内水头突然聚降比孔外低约1 m，然后孔外河水通过砂砾层反涌孔内直至孔内外水头平衡(该现象随河水水位涨落出现变化)，孔内水头升降形成的压力差造成砂砾层塌孔。

（1）设置内护筒处理措施。在采取以上两种处治措施达不到治理地裂隙漏浆效果后，经研究决定：采用设置内护筒至塌腔以下1 m 处防止塌腔扩大；钻孔工艺改为清水钻进，不采用泥浆循环排碴，通过抽碴筒抽碴。

具体施工方法为：先采用黄泥、片石、水泥回填至塌孔处以上3 m；再用直径2.4 m 钻头反复冲孔穿过塌腔以下1 m；然后在现钢护筒(直径2.5 m)内套入直径2.4 m 的钢护筒(壁厚10 mm)置于平整的基岩顶面上，并在孔口固定牢靠；再换成设计桩径2.2 m 钻头进行钻孔直至设计标高，每钻进0.5 m 采用抽碴筒进行抽碴，在安装钢筋笼前再用气动反循环将孔底沉碴和孔内泥浆全部抽换，使孔内完全处于清水状态后下放钢筋笼按“大直径水下混凝土灌注施工技术”灌注桩基混凝土。处理示意图如图3 所示。实施效果：在钻孔过程中有漏浆，但有效的治理了塌孔，钻孔日进尺在0.8 m～1 m；没有漏浆前泥浆反循环钻孔日进尺1.5 m～1.8 m。

图3 塌孔处理剖面示意图

（2）抛填片石、黄泥、水泥处理措施。采用分层抛填片石、黄泥、水泥至钢护筒脚以上3 m，静待2天，然后采用短冲程继续冲击钻进，将塌腔挤压密实，再次形成泥浆护壁，钻进通过塌腔地段没有发生塌孔，可进行泥浆反循环排碴；钻进至地裂隙处，再次出现漏浆、河水反涌引起塌腔内填充的护壁塌孔。经分析：抛填片石、黄泥、水泥处理措施在没有出现漏浆时，可以实现塌腔填充密实并形成泥浆护壁，但对基岩裂隙堵塞防止漏浆的效果不明显。

（3）灌注素砼处理措施。在采用抛填片石、黄泥、水泥处理措施没有达到理想的治理效果，经研究决定：采取孔内灌注水下C20 素砼充填塌腔直至砼上升至护筒脚以上3 m 处，等待3 天使砼具有一定强度后，短冲程钻进，钻进通过塌腔地段没有发生塌孔，可进行泥浆反循环排碴；钻进至地裂隙处，再次出现漏浆、河水反涌引起塌腔内填充的砼塌孔。经分析：填充素砼处理措施在没有出现漏浆时，可以实现塌腔填充密实并形成泥浆护壁，但达不到基岩裂隙堵塞漏浆的治理效果。

4 结论

本工程主桥24#、25#主墩左、右幅对称各布置9根φ2.2 m 桩基，均为支承桩，要求整体嵌入完整的中风化白云质灰岩层不小于3.5 d，在钻孔过程中遇到地裂隙与河床连通、浅覆盖层等与设计不符的地质条件，复杂的地质条件和水文影响给施工带来的技术难度尚属少见。经上述技术措施处理后，圆满完成了施工任务，证明该技术方案可行，可为类似工程提供借鉴意义。