超长大直径变径钻孔灌注桩施工关键技术

广东省南澳大桥主墩海上超长大直径变径钻孔灌注桩施工关键技术李春元崔然刘学洋姚延焕（中交一航局第三工程有限公司；大连；116001）摘要：广东省南澳大桥主墩超长大直径变径钻孔灌注桩施工采用了回转钻机成孔及海上拌和船浇筑水下砼的施工工艺，针对海上超长大直径变径钻孔灌注桩的施工难点及要点，文章阐述了该项工艺的技术要点及工程实施情况。关键词：钢护筒沉放；大直径钢筋笼、泥浆1、工程概况南澳大桥主桥总长490m，共设2个主墩W0、E0；2个过渡墩W1、E1；其中W0、E0主墩基础采用13根变截面钻孔灌注桩，桩身上段20m直径为3.1m，以下直径为2.8m。梅花形布置，W0主墩设计最大桩长为91m，E0主墩设计最大桩长为110m，均为嵌岩桩。2、施工总体思路主墩桩基采用打设Φ800*12mm的钢管桩和桩基钢护筒共同受力组建钻孔平台进行施工。每个主墩搭建1个平台，共2个平台；钻机等各种设备在平台上工作，主墩平台采用ZDJ-3500型和ZDJ-4000型回转钻机进行钻孔施工，采取气举反循环出渣工艺，并配备泥砂分离器。同时主墩平台上布置1台80t龙门吊，用来下放钢护筒和钢筋笼，包括钻机移位、灌注混凝土的施工。3、施工重点、难点⑴、主墩钻孔灌注桩施工是全桥施工的核心，直径φ3.1m变径为φ2.8m,最大设计桩长110m，单桩砼量约800m3,在国内也算是施工难度较大的桩基。⑵、主墩钢护筒是钻孔灌注桩施工的必要措施，又是施工平台的受力支撑结构，单根最大长度46m，直径3.1m，施工受风浪、水流影响大，精度、垂直度控制难度大。以往工程施工出现过护筒底口变形的情况，控制好激振力也是护筒沉放施工的关键。⑶、泥浆是成孔的关键保障，如何优化配合比，保证泥浆的各项指标，是钻孔灌注桩施工的难点。⑷、主墩钢筋笼直径大、长度长，且桩顶20m范围内为双层钢筋笼，加工的难度大，钢筋笼线形及对接精度不易控制；整套钢筋笼最重达70t，单节最大重量15.8t，钢筋笼吊装、竖转难度大。⑸、桩基砼灌注是施工风险最大的环节，做好首罐砼浇筑施工，保证后续砼浇筑的连续性是钻孔灌注桩施工的重点。4、施工中采取的对策及方法针对上述施工重点、难点，项目部通过召开专家会、施工技术讨论会等方式，对施工方案不断完善，并成立课题组，年轻施工技术人员和老师傅共同探讨，对施工工艺不断进行优化，具体如下：4.1临时平台搭设主墩平台整体尺寸为27m×53.5m，起始平台尺寸为27m×15m。平台基础共采用φ800×12mm钢管桩，平台钢管桩及钢护筒之间设置两层平联，上层平联采用φ426×8mm钢管，标高在+5.0m左右，下层平联在+1.2m处采用φ600×8mm的钢管；上下层之间采用φ426×6mm的钢管做斜撑。钢管桩上部为2HM300×588的搁置梁，搁置梁上为I18工字钢的纵向分配梁，最上面是6mm的面板。⑴、钢管桩打设a、打桩船选择：设计的桩长为41m，前期选择粤航工05，锤型为D62-22；后W0墩桩长更改为48m，W1、E1墩桩长更改为51m，打桩船更改为粤航工03，锤型同样为D62-22，具体参数如下：项目粤航工05粤航工03尺寸12×32m16×40m可打设最大桩长48m58m可打设最大桩径1.2m1.4m桩架高度48m48m吊杆跨距15m15m钢管桩起吊方式捆扣捆扣b、钢管桩沉放顺序先施工起始平台钢管桩，打桩船按扇形退打钢管桩。如图：主墩平台打桩顺序示意图打桩按照上图所示，按区号依次进行施打，每区钢管桩打完后，立即以区为单位进行夹桩。c、测量定位施工区域为海上独立作业，距离岸边较远，常规的测量方法不能满足施工需求，故采用2台GPS联合测量定位。莱芜渡口及长山尾渡口附近各设有一个GPS固定基准站。打桩前，在打桩船驾驶室顶平台上，选位于打桩船中轴线上（通过桩架及龙口中心）两个固定点A点、B点，用于固定GPS接收机，进行测量定位。钢管桩GPS接收机1GPS接收机1AB①直桩定位选取平面任意一条通过桩位中心的直线，计算出当打桩船轴线与所选取的直线重合，且桩位中心正好位于设计坐标时，打桩船上A、B两点的坐标。将两个GPS接收机固定在这两个点上，连接接收机与手簿，选择坐标系，将计算出的A、B点坐标提前输入手簿，然后发射信号，接收固定基准站发出的RTK信息，获取这两个点的实时坐标，手簿计算出这两点实际坐标与计算坐标的偏差，根据偏差数据通知打桩船绞缆移船，直至这两点位置与计算的坐标重合，从而定出桩位。为便于定出船艏方向，需在船艏朝向设置浮漂。直桩直桩定位示意图打桩船GPS接收机1GPS接收机2GPS接收机1GPS接收机2设计船位实际船位BAAAB直桩定位示意图②斜桩定位斜桩与直桩定位相比，略显复杂，当船身随着水位的变化导致船身标高发生变化时，桩身中轴线将产生竖向位移，从而引起桩位产生偏差，实际偏差距离应为：船身标高差值/桩身斜率（6：1），如下图：水位1水位2钢管桩AB为了保证桩位正确，打桩船必须前后移动消除偏差，打桩船位置发生变化，设置在打桩船上的固定测量点A、B两点坐标也必然发生变化，如下图：水位1水位2钢管桩所以斜桩定位方法为：前期与直桩定位一样，将两个GPS接收机固定在打桩船中轴线上A、B两点上，连接接收机与手簿，选择坐标系，测量此时A、B两点的实时标高，根据标高计算出A、B两点的实时坐标，然后将这计算结果输入手簿，然后发射信号，接收固定基准站发出的RTK信息，获取这两个点的实际坐标，手簿计算出这两点实际坐标与计算坐标的偏差，根据偏差数据通知打桩船绞缆移船，若在绞缆移船期间水位变化较大，超过30CM；应重新测量A、B点标高，计算坐标，重复前一步骤，直至定出桩位。桩的倾角由桩船桩架倾角控制。d、沉桩锤击数和贯入度的控制E0主墩平台沉桩过程中锤击数和最后贯入度均满足设计要求，当W0、W1、E1墩开始沉桩时锤击数和最后贯入度均不满足设计要求，项目部根据现场实际情况请天津港湾工程质量检测中心对我项目部所沉钢管桩进行桩基高应变检测，根据检测结果对钢管桩的长度进行修改，W0墩桩长改为48m，E1和W1墩桩长均改为52m；检测结果如下：e、工效分析在沉桩前期，施工工效为6根/天，后期施工时工效为9根/天。根据总体可作业施工天数和工程量可知沉桩的工效约为8根/天。⑵、上部结构施工a、上、下层平联施工下层平联采用φ600×8mm。平联之间的连接通过“哈佛接头”焊接连接，每根平联设置一个“哈佛接头”。平联的吊装具体施工方法如下：在待安装平联的一端套上“哈佛接头”，为了方便调整平联位置，用两个2t的手拉葫芦吊挂在桩顶及平联的两端。平联吊装到位后，首先对平联与钢管桩直接连接的一端进行焊接，然后将平联一端的“哈佛接头”推到指定位置进行焊接，焊接时先焊接“哈佛接头”与钢管桩连接处，后焊接与平联连接处。b、上部结构施工施工人员在吊篮上进行截桩头、焊桩帽，桩帽施工完成后，方驳吊机配合进行上部横梁、分配梁及面板铺设施工。4.2钢护筒沉放主墩桩基钢护筒内径3.1米，采用22mm厚Q345钢板卷制，E0墩长度为36米，W0墩长度为46米。E0墩、W0墩各需沉放13根钢护筒。⑴、施工工艺钢护筒沉放采用悬臂导向架进行定位，钢护筒分两节对接沉放，采用横鸡趸吊入临时悬挂存放区，换80t龙门吊起吊定位、振动锤沉放的施工工艺。⑵、悬臂式导向架设计为确保护筒沉放的精度和垂直度，分公司自行开发、设计了悬臂式导向架。根据钻孔要求，钢护筒的垂直度不得大于1/200，将导向架上下龙口距离定为10m，由于自沉时钢护筒顶口低于上龙口，故在中间加设一道龙口，确保自沉时钢护筒垂直度满足要求。为能精确调节护筒位置及垂直度，在龙口梁4个方向设置调整限位装置，调整装置由顶推和转轴滚轮组成，顶推装置为1个32t手动千斤顶，调整时千斤顶顶推前面的转轴滚轮对护筒位置进行调节，可调节最大距离为25cm。限位装置的前方做成滚轮形式，基本形成点接触，使摩阻力减到最小，便于护筒下沉。⑶、钢护筒沉放钢护筒分节进行沉放，第一节钢护筒长30m，用横鸡趸运至现场、竖转出仓，但横鸡趸稳定性差，不能直接将护筒吊至导向架内进行定位，为解决这一问题，在临时平台钢护筒入口处设立一个钢护筒存放区，横鸡趸将第一节钢护筒竖转后吊至护筒存放区临时存放，然后龙门吊行至存放区将护筒吊至导向架进行定位、沉放。存放区采用4根长度18米的铁链，下部吊一块钢板作为护筒支撑，钢板底标高为泥面以下1m左右，在下放钢板时，随时测量钢板标高，用4根铁链调节钢板的平整度及标高，定位完成后，用卡环将桩顶的耳板和铁链进行连接。护筒临时存放区横鸡趸吊钢护筒进临时存放区护筒进导向架定位振动锤沉放钢护筒⑷、护筒沉放激振力控制钢护筒采用2台DZJ240型振动锤联动进行沉放，相关参数如下：项目电机功率激振力允许拔桩力静偏心力矩数值480KW0-3644KN1372KN7056Nm在以往的钢护筒沉放施工中，激振力控制不当，钢护筒底口易发生变形，给施工工期及质量造成极大的影响，很难进行处理。在施工中，为防止护筒变形，一是在距底口2cm处设置4道50cm宽的加强箍，间距40cm，在距顶口2cm处设置长度50cm的加强箍，护筒中部设置1道50cm宽加强箍（距两节护筒焊缝位置为8m），加强箍具体位置结构见下图。60护筒顶加强箍12焊缝12护筒底加强箍主墩钢护筒加强箍位置图二是严格控制激振力，根据地质情况及护筒埋深，计算护筒沉放的激振力，若发现激振力达到计算数值，持续2分钟，护筒仍不下沉的情况立即停锤，避免激振力过大或振动时间过长，护筒底口变形。小结：这种工艺解决了无大型起重船的难题，同时保证了打设精度和安全问题，施工效率达到每天沉放1根。主墩26根钢护筒全部沉放完成，钻孔灌注桩施工未发现护筒底口变形的现象。4.3钻进控制主墩平台采用ZDJ-3500型和ZDJ-4000型回转钻机进行钻孔施工，采取气举反循环出渣工艺，并配备泥砂分离器。成孔过程分三个阶段：护筒内钻进阶段、护筒底口以下钻进阶段和终孔后清孔阶段。⑴护筒内钻进：在开孔钻进时采用轻压、慢速钻进。开孔时在钻头母体外侧加高强度钢丝刷，一是保证护筒内壁清理干净；二是护筒内径为3.1m，钻头直径为2.8m，加钢丝刷增加钻头直径的作用（护筒内桩径为3.1m，从护筒底口开始变径为2.8m）。另外，每钻完一根钻杆要上下慢速窜动几次，目的是加强对钻渣的充分吸收，钻进过程中认真观察进尺和排渣情况，当泥浆中含渣量较多或排量减少时，应控制钻进速度。⑵护筒底口以下钻进阶段：此阶段是整个施工的关键。地层变化较大，故在不同地层的钻进施工中，操作人员要及时调整钻压和转速确保钻孔安全。钻头钻进至护筒底口时，认真观察护筒底口是否漏浆，其症状为水位明显下降。护筒口以下正常地层钻进过程中，必须密切注意泥浆指标和钻进速度，同时在钻孔过程中分不同深度测量钻孔垂直度及成孔质量，发现偏斜及时采取措施纠正。该项目配备的钻头有三种：刮刀钻头、楔齿滚刀钻头和球齿滚刀钻头。刮刀钻头主要用于表土层钻进，在破岩面积较小时，也可用于较软的泥灰岩钻进；楔齿滚刀钻头主要用于中硬以下岩石钻进；球齿滚刀钻头主要用于硬岩钻进。⑶终孔后清孔阶段：根据设计要求确定入岩深度和终孔标高，钻至终孔标高后，停钻将钻具提离孔底约30～50cm，缓慢旋转钻具，进行气举反循环清孔；在整个的清孔过程中，始终保持孔内泥浆面的高度，防止塌孔，清孔所用的泥浆比重不得小于孔中泥浆的比重。经检查孔径和孔深及垂直度均满足要求后，才能移走钻机，尽快进行钢筋笼安放施工，在浇筑砼前须进行第二次清孔。4.4泥浆控制泥浆是成孔的关键保障，项目部在请教专家、现场试验的基础上决定采用淡水制浆。在钻进过程中，配备专门的试验人员及时及时测定泥浆指标，泥浆的检测保证每2小时检测一次，严格控制不同地层的泥浆性能，如下表所示：在不同地层钻进时的钻压及泥浆参数表地层钻压（t）转数（r）比重(g/cm3)粘度(s)PH值含砂率（%）淤泥5～103～51.15～1.2517～208～10≤4砂层5～153～51.15～1.2518～208～10≤4粘土10～153～51.15～1.2018～208～10≤4强风化花