1、宿淮高速京杭运河特大桥主墩大直径长桩施工工艺及总结张亮 1 张铁权 2 ( 江苏省交通工程集团有限公司 镇江 212000 )摘要：京杭运河特大桥主桥两个主墩共 36 根 2.5m 的钻孔桩，最大设计桩长 85m，且土层主要为粘土层、沉积砂岩块石层，老运河底淤泥层，施工难度大，地址情况复杂，易出现塌孔、成桩后桩基承载力不满足要求等问题，通过总结传统钻孔灌注桩施工工艺，在施工工艺等方面进行了优化和创新，并在实施过程中不断总结、改进，形成了成熟的适合本工程特点的工艺方法，目前桩基施工已全部顺利完成，桩基采用超声波检测和小应变动测，全部为类桩，证明该施工方法选用得当、合理，以后有类似项目可以借鉴使用
2、。关健词：京杭运河大桥；桩基；施工；工艺；1、工程概述宿淮高速京杭运河特大桥主跨 165m，主桥两个主墩共 36 根 2.5m 的钻孔桩。13 #主墩位于西岸，设计桩长 80m，采用了 2 台 S-500 泵吸反循环钻机成孔，钻具为 4 翼刮刀钻，因钻机自重较轻，可采用 50T 履带吊移位，钻机平台为无支架施工平台。14 #主墩位于东岸，设计桩长 85m，钻机有 2 台，即 1 台KTY3000A 钻机和 1 台 HTL300 钻机，钻头有两种：四翼刮刀钻和楔齿滚刀钻，采用正循环开孔，气举反循环工艺成孔。由于钻机自重达 42T 和 32T， 50T 履带吊无法移动，另外受护筒内水头高度的制约和
3、拆装钻头的需要，钻机必须设置在支架上施工。钻孔采用优质泥浆护壁。钻孔桩主筋采用挤压套筒连接，每根钻孔桩钢筋笼重约 12T，砼采用双掺技术，单桩浇筑砼约 450m3。2、主桥桩基施工方法主 桥 主 墩 桩 基 具 有 成 孔 深 、 桩 径 大 等 特 点 ， 为 确 保 桩 基 的 施 工 质 量 ， 施 工 需从 技 术 控 制 、 施 工 管 理 、 试 验 、 材 料 及 设 备 等 方 面 加 强 管 理 。 在 施 工 过 程 中 ， 将主 墩 首 桩 作 为 工 艺 试 桩 ， 通 过 工 艺 试 桩 ， 摸 清 楚 主 墩 桩 基 的 地 质 情 况 、 有 无 承 压水 ， 进
4、 而 确 定 了 合 理 的 水 头 高 度 ， 调 整 了 钻 进 参 数 和 优 化 钻 孔 工 艺 ， 指 导 后 面 的桩 基 施 工 。主 桥 桩 基 的 施 工 工 艺 及 技 术 措 施 总 结 如 下 ：2.1、施工准备2.1.1、场地布置与处理本桥梁的主墩均位于京杭大运河堤岸的内侧，场地狭小，桩基施工的场地布置结合承台与下部构造施工一并考虑，主要包括吊车的停放与作业场地，混凝土运输车、吊车的进出场道路、泥浆储备池的布置、电力供应设施及钻孔配套设备堆放场地等。场地处理采用高挖、低填、地表硬化等方法进行处理。场地四周开挖排水沟，场地应平整，以防积水。但在实际施工中，排水沟常常被泥
5、浆淤塞，场地满地泥泞，不能满足文明施工的要求，望在以后施工中，充分考虑场地的布局和排水。2.1.2、钢护筒的加工与埋设钢 护 筒 采 用 了 厚 度 为 14mm 的 A3 钢 板 卷 制 而 成 ， 内 径 大 于 设 计 桩 径 30cm。 护筒 内 设 置 临 时 支 撑 ， 以 防 止 其 在 运 输 过 程 中 产 生 变 形 。钢护筒采用 DZ90 振拔锤振动沉入。钢护筒分两节段，底部 5 米段和顶部1.5 米段，以法兰连接。法兰间塞石棉绳、抹黄油密封。钢护筒倾斜度和中心偏差控制较为重要，这是保证护筒底口不塌孔不漏浆的前提。本 工 程 主 墩 共 加工 了 钢 护 筒 12 只 ，
6、 即 13#、 14#主 墩 各 6 只 ， 但 后 因 塌 孔 ， 采 用 了 加 深 护 筒 且 周 围注 浆 的 方 法 处 理 ， 有 2 只 不 能 拔 出 ， 故 又 多 加 工 了 2 只 。2.1.3、 钻 机 的 选 型 与 就 位根 据 本 工 程 主 墩 桩 径 大 ， 且 成 孔 深 （ 实 际 成 孔 深 度 93m） 的 特 点 ,结 合 本 公 司现 有 钻 机 情 况 ， 两 主 墩 采 用 不 同 型 号 钻 机 施 工 ， 具 体 如 下 ：13#墩 采 用 2 台 台 湾 制 造 S-500 型 泵 吸 反 循 环 钻 机 施 工 (后 又 投 入 一 台
7、 S-400钻 机 ,施 工 导 向 孔 )， 14#墩 采 用 1 台 大 桥 局 制 造 的 KTY3000A 钻 机 和 1 台 洛 阳 久 久公 司 制 造 的 HTL300 型 钻 机 施 工 ， 皆 为 气 举 反 循 环 机 型 。通过实践，不同钻机在本标段的施工情况如下：KTY300A 钻机：由于此钻机为钻岩石钻机，动力大，自重也很大，优点：成孔质量高，孔斜率小，扩孔率也小（一般为 1.05） ；缺点：成孔速度较慢为710 天/孔，需在支架上施工，且对支架要求较高，钻机拼装移位困难，操作复杂，成孔成本高。S-500 钻机的优点：泵吸反循环排碴能力强，成孔速度快，57 天/孔，不
8、需钻孔支架，钻机自重轻，移位方便，成孔费用低；缺点：成孔质量差，孔斜率和扩孔率都较大。HTL300 钻机施工的优缺点介于以上两种钻机之间，但偏向于第一种钻机。总的分析，对于本工程，S-500 钻机在经济性和速度上优于其它两种钻机，但成孔质量较差。三种型号钻 机 的 主 要 技 术 指 标 见 下 表 ：型号参数 KTY3000A HTL300 S-500钻孔直径 1.56.0 1.53.0m 0.84.0m钻孔深度 130 100m 90m排渣方式 气举反循环 气举反循环 泵吸反循环转速 016 r/min 021r/min 413 r/min转盘扭矩 200KNm 100KNm 135KNm
9、提升能力 1200KW 600KN 300KN钻 杆 3513000 2333000mm 3253000mm总 功 率 238 175KW 190KW主机重量 41924（不含钻具） 32000Kg（不含钻具） 30000Kg（不含钻具）外形尺寸 782044326770 8400330013500mm 885035009800mm由于 13#、14 #墩采用的钻机类型不同，其钻孔平台形式也不同，14 #墩钻孔平台为支架平台，采用钢管桩基础，型钢和贝雷桁架相联结。平台钢管桩入土深度和间距根据钻机、钻具、钢筋笼等荷载及土质情况进行验算后确定。贝雷桁架采用 3 排单层结构形式，桁架间以 10#槽钢
10、做剪力撑联结，增加桁架的整体刚度。考虑到方便装拆钻头，最终确定钻孔平台离地面约 3 米。13 #墩钻孔平台没有支架，仅在整平的地基上铺设钢板和方木形成临时的钻孔平台。钻机直接在钻孔平台上拼装，钻机安装结束后，用水准仪测量出钻机底盘顶面四角的高差，采用油顶对钻机进行调平，并固定好钻机。钻机就位后精度要求：a、钻机四个支点高差5mm；b、转盘中心与护筒底口中心偏差5mm；钻架水龙头、钻头、护筒底口中心三点一线，铅垂度偏差5mm。2.1.4、泥浆制备与泥浆循环系统本工程采用优质泥浆护壁，主要配浆材料：膨润土粉、碳酸钠、羧甲基纤维素（CMC） 、水，配比为水：膨润土粉：碳酸钠：CMC=100：12：0
11、.3：0.05。泥浆的配置顺序：水膨润土粉（预水化）碳酸钠CMC新配置泥浆指标：粘性 23.5s，比重 1.07Kg/ml，含砂量4%，PH 值=9；胶体率98%；失水率15。钻至下层的粉砂、中砂层时需加大泥浆的比重和粘性等指标，具体如下：地质层 比重 粘度（s） PH 值 胶体率 含砂率 失水率粘土 1.031.06 1720 810 95% 4% 15亚粘土 1.061.10 1922 810 95% 4% 15砂土 1.101.15 2024 810 95% 4% 15泥浆池采用挖机挖掘，侧墙采用砖砌，并用砂浆抹面，池底铺 10cm 碎石垫层，并浇筑 10cm 厚 C25 封底混凝土，泥
12、浆储备池的容积不少于 300 m3。考虑到主墩施工场地狭小和为便于钻渣的处理，主墩钻孔租用 5 艘 300 吨级的驳船作为的泥浆沉淀池和循环池，同时能满足废泥浆和钻渣轮番外运抛泥作业。在泥浆储备池边配置 2 台容积不小于 1m3的泥浆搅拌桶。泥浆槽架在护筒口和泥浆池的入口处。泥浆槽采用旧的钢板桩焊制，在两侧加焊钢板，增加流量，确保进出浆平衡。泥浆槽架设要注意保持水平，便于正反循环顺利进行。主墩桩基成孔的泥浆循环系统布置见下图。阀门储浆池桩 孔沉淀池 循环池新浆池打浆机2.2、成孔2.2.1、钻孔顺序单只主墩桩基的数量为 18 根，投入两台钻机进行成孔，投入钢护筒 6 只。为防止钻孔施工时发生串
13、孔、成孔顺序应错开布置，同时为便于起重设备的作业，排定主墩基础桩的施工顺序如下图：由于试验桩影响和场地的限制，成孔顺序在施工过程中作了一定的调整。2.2.2、试机检查向护筒内注入泥浆，启动钻机并开启泥浆循环系统开始循环。观察钻杆、供浆、排浆管路、水龙头等是否有漏气、漏水等现象，持续 5 分钟左右无故障后开始钻进。2.2.3、钻进气举反循环钻机：往护筒内泵入泥浆开始正循环钻进，在钻进至护筒刃脚上、下 1 米左右时，应轻压慢转，待穿过护筒刃脚后，方可进入正常钻进。当钻进深度超过 20m 后，更换泥浆循环方式，启动空压机开始气举法反循环钻进。1-102-61-32-32-2#1-81-9 1-22-
14、41-41-71-1 2-72-51-52-12-81-6临水侧说明：1、本图中的编号“2-5”指第 2 台钻机钻的第 5 根桩，其它编号依此类推。2、为使桩的浇筑期错开，2台钻机的成孔时间交错进行，以便于泥浆制备、混凝土浇筑、起重设备的安排，其中 2#钻机比1#钻机迟钻 1 根桩。泵吸反循环钻机：在穿过护筒刃脚前，应小泵吸量，缓慢钻进。泥浆控制泥浆于钻孔前 24 小时，在造浆池内配制完毕，进一步熟化。在钻进过程中规定每 2 小时对进出浆口泥浆的 PH 值、比重、砂率、粘度测定一次，根据检测结果，对泥浆进行相应调整，具体采用方法如下：（1） 、当粘度小于 17 秒时，由储浆池向孔内补充部分粘度
15、为 1922 秒的新浆进行调整。此项操作应结合排碴及排除废浆工作一并进行。（2） 、当 PH 值小于 7 时，向孔内加入部分纯碱，加入采用少量多次，同时不断检测进出浆口泥浆的 PH 值，直到进出浆口泥浆的 PH 值在 810 范围内为止。（3） 、当胶体率小于 95%时，向孔内添加已经浸泡的 CMC 溶液，少量多次加入，并经常检测胶体率同步调整 CMC 加入量。（4） 、相对密度较大时，向泥浆池中补充适量清水，此项工作同排碴和排浆相结合进行，以降低成本。在钻孔过程中，泥浆的性能对成孔速度影响极大。如有一次，由于排渣设备故障，泥浆的比重大于 1.3，粘度大于 25 秒，钻孔 24 小时仅进尺 3
16、 米，正常后，6 小时进尺 3 米。2.3、清孔终孔前 1-2m 时，开始调整泥浆指标，终孔后，采用换浆法，利用钻机的气举或泵吸反循环系统清孔。清孔分两次进行，第一次清孔是在终孔后进行。将钻具提离孔底 30-50cm，缓慢回转，同时送风或泵吸，每隔 10min 停止送风或泵吸一次，并将钻具提高 1.5-2.0m 来回串动几次，再送风或泵吸清孔，确保第一次清孔后，孔内无泥块。考虑到主墩桩基直径较大，且孔的深度达 85 米，钢筋笼安放及导管安装时间较长。为确保钢筋笼安放及导管安装过程中孔壁的稳定，第一次清孔后泥浆的稠度及比重等指标宜适当提高。第一次清孔后出浆口的泥浆指标按比重1.1-1.15、粘度
17、 17-20s、含砂率4%、PH 值 7-9 的要求进行控制。再持续换浆、清孔，其时间不得少于 30 分钟，然后拆除钻具、移走钻机。提钻时应注意防止钻头损坏孔壁，同时补充泥浆，稳定孔内水头。第二次清孔在混凝土浇筑前进行。待钢筋笼、导管安装结束后，用测绳及测锤测量孔底沉淀层厚度，如达不到小于 0.3D 且500mm（D 为桩径）的规范允许值，应进行二次清孔。用空压机将压缩空气通过导管中插入的专用混合器压入孔底清孔（S-500 钻机是把吸管连接在导管上，直接泵吸） ，并不断向孔内补充新浆。清孔后，测定孔底沉渣厚度小于允许值后，方可停止清孔，确保沉淀值达到设计要求。二次清孔后，导管内抽出的泥浆应达到
18、：相对密度 1.03-1.10，胶体率98%，粘度 17s-20s，含砂率2%的规范要求。二次清孔结束后，尽快灌注混凝土，其间隔时间不宜大于 30 分钟。沉淀厚度用测锤和测绳测量复核，测深用测绳的读数一定要准确，用 2-3孔后必须用钢尺校核一次。孔的垂直度、孔径，采用自制测孔器进行检孔。2.4、钢筋笼的制作与安放2.4.1、钢筋笼的制作大直径桩的钢筋笼由于笼体较大，自重较大，在现场存放滚动和吊装时往往会变形，在钢筋笼制作过程中，应重点考虑其刚度。为此本工程钢筋笼采用了三角撑，加粗了加强箍的直径，进一步增强了钢筋笼的刚度。同时还应重视钢筋笼加强箍筋与主筋的焊接质量，特别是靠上部钢筋笼的加强箍筋，
19、在施工中承受着所有钢筋笼重量，所以此处的加强箍筋与主筋的焊接质量必须保证。2.4.2、钢筋连接主 筋 的 连 接 采 用 冷 挤 压 。 现 场 冷 挤 压 接 头 施 工 前 ， 先 将 待 接 钢 筋 的 两 端 按 规定 做 好 插 入 深 度 标 记 ， 以 防 钢 筋 插 入 套 筒 中 深 度 不 到 位 。 钢 筋 端 部 的 弯 折 、 扭 曲部 分 先 矫 正 或 切 除 ， 并 清 除 钢 筋 表 面 的 油 污 。2.4.3、钢筋笼安放钢筋笼采用 50t 履带吊安放，吊装使用专用吊装架，先用两个吊点抬吊到一定高度后，逐渐放松一个吊点使钢筋笼垂直，然后缓慢吊入桩孔，在已入孔
20、的钢筋笼上端穿入型钢将其悬挂于井口支架上悬挂吊环钢筋，要确保焊接质量，并留有足够安全储备。钢筋笼逐节接长下放，下放时严格对准孔位中心；声测管采用套管加强电焊，声测管的顶、底端均用钢板临时焊接、密封，且在管内灌注清水，以防漏浆或杂物进入,并与钢筋笼焊接固定。在桩底素砼段，接长 8 根主筋，一直到桩底，再每隔 2 米设置一道加强箍，将声测管与加长钢筋焊接固定。确保声测管的通畅、顺直尤为重要，以免给测桩工作造成不必要的麻烦。全部钢筋笼安装完毕后，采用钢管架套接在钢筋笼顶端，钢筋骨架临时与钢护筒焊接固定，防止浇筑过程中钢筋笼上浮，混凝土浇筑完毕及时进行解除。2.5、水下混凝土施工2.5.1、导管安放钢
21、 筋 笼 入 孔 安 装 完 毕 后 ， 进 行 导 管 的 安 装 工 作 。 导 管 选 用 300mm， 壁 厚 8mm丝 扣 式 连 接 的 导 管 ， 导 管 安 放 前 需 进 行 水 密 性 及 抗 拉 试 验 ， 水 密 试 验 时 水 压 不 小于 井 孔 内 水 深 1.3 倍 压 力 ， 承 压 试 验 时 的 水 压 应 不 小 于 1.3 倍 导 管 壁 可 能 承 受 的 最大 内 压 力 pmax， pmax= chcmax- whw， 抗 拉 实 验 时 ， 其 拉 力 不 小 于 1.3 倍 导 管 可 能 承受 的 最 大 拉 力 。 并 将 每 一 节 导
22、 管 编 号 、 标 注 长 度 。 导 管 安 放 深 度 应 符 合 导 管 底 口距 孔 底 40cm 的 施 工 规 范 要 求 。2.5.2、水下混凝土施工、混凝土配合比设计选用优质水泥，级配良好及洁净的粗、细骨料（粗骨料最大粒径31.5mm）和性能较好的外加剂。配合比设计拟采用双掺技术，即掺加粉煤灰和外加剂以提高混凝土的和易性及流动度，确保水下混凝土的灌注质量。本工程单根主墩桩基的混凝土数量达 450m3（取扩孔系数 1.05） ，预计浇筑时间为 6-8 小时。主墩桩基混凝土的主要性能指标为：坍落度 18-22cm，初凝时间 16-18h，终凝时间 24h。、首批混凝土量计算按照公
23、式：Vd 2h1/4+d 2Hc/4 计算出其首盘灌量为 11m3，施工时取V=12m3，以确保初灌量达到导管埋深 1.0 米的要求。、混凝土浇筑设备为便于主桥及引桥施工的安排，本工程的混凝土浇筑设备统一设在材料运输较为便捷的运河东岸，配置 2 套 60m3/h 的混凝土拌和楼，混凝土浇注采用60m3-90m3/h 的混凝土输送泵，并根据实际需要配备适量的混凝土运输车。浇筑时导管的提升由履带吊车进行。、混凝土灌注混凝土由泵车将混凝土料直接泵入集料斗进行灌注。整个灌注过程将连续进行，灌注时对孔内溢出的泥浆进行分级沉淀后回收再利用，沉渣运至指定废弃点。孔内混凝土上升高度用吊锤测绳测量，同时辅以理论
24、计算混凝土面层的高度，并作为拆除导管的依据，防止因测量差错导致导管埋入过深和导管提空等事故。导管埋入深度严格控制在 2-6 米，任何情况下不应少于 2 米。混凝土浇筑过程应防止钢筋笼上浮。当混凝土面接近钢筋笼底部时，导管埋深宜保持 3m 左右，并适当放慢浇筑速度，当混凝土面进入钢筋笼底端 1-2m时可适当提升导管。导管提升时应保持平稳，避免出料冲击过大或钩带钢筋笼。3、施工总结和体会3.1 几种不良地质的处理方法在钻孔过程中，遇到了三种不良地质：老粘土（厚 3050m） ，沉积砂岩块石层（厚 12.0m） ，老运河底淤泥层，针对这 3 种不良地质，分别采取了以下处理办法：1)、老粘土老粘土的韧
25、性极高，难以破碎成块，并容易粘附钻头，是影响钻孔速度的重要原因，经过摸索，采用了以下方法处理：、改进钻头，原四翼刮刀钻头改为三翼钻头，减少粘附面积，同时加大钻头尾锥，增加吸碴口的空间；、控制钻进速度，防止因进尺过快而糊钻；、跟踪监测泥浆，保证泥浆质量。通过以上措施，基本解决了老粘土糊钻问题，但施工进度受到一定的影响。另外对于 S-500 钻机，由于泥浆泵吸量很大，排碴及时，基本不存在糊钻问题。2)、砂岩块石层在地表下 55m 左右有一层沉积块石层，岩石坚硬，块状大小不一，最大5060cm，虽然厚度仅为 12m，但对成孔施工影响很大。针对三种不同的钻机，采用了不同的处理办法。14 #墩两台钻机由
26、于机械性能基本相同，也采用相同的处理办法。即在非块石层使用刮刀钻头成孔，在块石层换用楔凿钻头钻进，因为需要两次深孔位更换钻头，耗时费工较多。13 #墩的 S-500 钻机由于机械结构不同，不宜采用以上方法处理，而是靠刮刀钻头长时间磨耗钻进，此种方法对钻头损耗较大，每孔需补焊 12 次合金钻齿。3)、老运河底淤泥层此淤泥层分布在 14#墩部分桩位处，距地表 79m，主要采取了两种方法处理：一是加深护筒埋设深度，由原设计 6m 加深到 9m，二是在护筒周围压注水泥浆，加固护筒周围地基土。3.2 钻孔中两点有益的尝试1)、施工后期，在老粘土层钻进时，采用楔齿钻头代替刮刀钻头，收到意想不到的效果，虽钻
27、进速度一般，但不糊钻头，同时，在砂类土钻进也较为理想。采用这种方法，可以一钻到底，没有修钻头和拆卸钻杆之烦。2)、为克服 S-500 钻机成孔质量差的问题，后采取先用 S-400 钻成一1.2m 的导向孔，再用 S-500 钻机施工，这种方法基本克服了孔斜过大问题，减少了扩孔量，加快了施工速度（因为导向孔不占用成孔时间） 。3.3 桩基施工几点施工体会1)、现场施工管理班子责任心应强，管理力度要大大直径长桩基施工是一复杂的施工项目，设备多、工种杂、工序多，且质量风险高，现场的施工协调复杂，配备一组高水平的施工管理人员非常必要，若现场管理顺畅有力，可以使质量风险减小，工期缩短，费用减少。在人员选
28、择上，应做到宁少勿滥，责任心差的人员严禁使用。2)、设备选用与配置当前钻孔设备类型较多，应根据实际的地质情况，选用适合的钻机，若钻机选型恰当，施工进度与经济效益明显，这也是桩基顺利施工的基础。3)、技术管理钻孔过程中，应实行技术员全程值班制度，尽量不换班。但在水下砼灌注施工时，强烈建议采取一班到底制度，不换班，不离开现场，杜绝因交换班出现质量漏洞。4)、测绳的制备，使用与保养测绳是钻孔桩施工的必备量具。但市面上出售的一般测绳不能满足大直径深桩施工的需要，因为即使新测绳，测量误差可达 1m。经过研究，我们发明制作一种钢丝绳测绳。制作方法：钢丝绳采用直径 5mm 的钢丝绳，字码用铜管。即把铜管锯成长1.5cm 小段，按每米 1 个均匀分布固定在钢丝绳上，在铜管上打上字码。测绳制作完成后放开在平地上用钢尺校核，按要求 100 米不大于 10cm 方为合格。测绳由专人保管使用，钢丝绳绕在测绳架上，做到勤清洗勤校准。
