1、甬台温铁路瓯江特大桥水上钻孔桩施工技术一、工程概况瓯江特大桥为沿海铁路甬台温客运专线跨越瓯江的重点工程，主体位于瓯江下游近入海口，大桥全长6244.34m,为双线设计。主跨采用70+3120+70米连续箱梁。来自桥梁工程与技术:瓯江桥海域的潮流性质属非正规浅海半日潮，设计流量Q1%=29996m3/s，设计流速V1%=2.4m/s，设计水位H1%=+5.93m，温州市水文站提供历年最高潮位H+5.15m，最低潮位H-3.31m。瓯江特大桥所在位置南岸防洪堤顶面标高H+5.79m，最高通航水位H+4.00m,通航1000t级海轮。桥址处河面开阔，位于弯道处河床冲淤变化较大(设计最大水深20米左右
2、，施工过程实测最大水深达到29米)。地质情况复杂:覆盖层具典型海陆交互沉积特征，地层在空间上具多样性，相变复杂、夹层多的特点，下部岩层除桥梁两端及中部残丘埋深较浅外，其它地段埋深较大。工程地质图例1按图示地层情况依次为粉砂、淤泥、粗圆砾土、淤泥质黏土、粉质黏土、粗圆砾土、粉质黏土、粗圆砾土、强风化凝灰质岩、弱风化凝灰质岩，受断面构造影响，岩面起伏较大，夹层多，粗圆砾土中卵石占1030%，粒径一般6090mm，部分达100130mm，个别达180200mm，粗圆砾约占4060%，粒径3050mm为主，岩性为弱风化状凝灰岩，亚圆状，充填物以砂为主，胶结性差。实际施工过程发现有的桩位粗圆砾土夹层多达
3、45层，给钻孔施工带来很大的困难。二、钻孔桩施工根据瓯江特大桥工程地质勘察报告提供的地质资料，针对该桥桩基地层在空间上具多样性，相变复杂、夹层多的特点及工期紧张等特点，拟在9798#墩分别采用两台ZSD-250型中晟反循环旋转钻机成孔，其优点是钻机有刮刀钻头和滚刀牙轮钻头分别适合在不同地层钻进，可以加快施工进度，采用泥浆护壁，反循环排碴钻进成孔工艺，需用泥浆材料少，清孔时间短;而在地质情况更加复杂的99101#墩采用冲击钻机成孔，并配泥浆正循环系统，即冲击正循环成孔，其优点是每座承台12根桩基可同时布置6台钻机钻孔，钻机分两个循环即可完成桩基施工，有利于保证工期。同时利用冲击正循环成孔，能够克
4、服遇到孤石时及在高强度凝灰岩中的钻孔难度，而且因冲击钻机钻进时，孔壁被挤压密实，能有效地避免因覆盖层厚和涨潮退潮时水压的变化导致坍孔现象发生。2.1钻孔前的准备工作2.1.1钢护筒的插打插打平台定位桩，然后进行水上钻孔平台的拼装。在施工平台上安装钢护筒的导向结构，导向为上下两层，并尽可能使两层间距加大，以起到良好的导向作用，确保钢护筒位置准确和垂直度。瓯江特大桥钻孔桩钢护筒一般穿过5米厚的粉砂层，入淤泥层23米，涨潮时孔内外水头差0.5米，退潮时孔内外水头差1.01.5米，保证在钻孔过程中不发生坍孔和护筒底口孔壁漏浆现象。2.1.2泥浆循环系统的设置泥浆循环系统由出浆管、泥浆沉淀池(利用施工平
5、台的相临钢护筒)、储池、泥浆泵、进浆管五大部分组成。在护筒上高出最高潮水位0.5米位置开一孔安装控制阀，控制阀连接出浆管道，出浆管道经过沉淀池后进入储浆池，并通过高压泥浆泵将储浆池内的优质泥浆抽入孔内循环利用。为避免钻渣随泥浆流入储浆池内，在沉淀池与储浆池之间的泥浆管道上安装过滤筛网。2.2钻进工艺2.2.1回旋钻钻孔工艺安装钻机前，首先应用全站仪在钢护筒上作出桩位中心的控制线，并用油漆在护筒上作出标记。正式钻孔开始前，所有相关的设备应进行试运转，保证所有相关设备能正常使用。当一切准备工作就绪后，孔内注入泥浆，将钻头提离孔底约30cm，打开供风阀门使泥浆循环，待泥浆循环正常后，启动钻机缓慢放下
6、钻头，钻机开始慢速中速钻进。当一节钻杆钻完后，提起钻杆至转盘卡瓦处，停止转盘运转，泥浆继续循环23分钟，排净钻杆及孔底钻渣，防止关闭供风阀时，泥浆倒灌导致钻渣堵塞风包。当钻机钻孔时，根据钻孔速度、垂直度、扩孔率、孔壁稳定性等综合因素在整个钻孔过程中采用不同的钻头，对于粉砂和粗圆砾土地层，采用锥形的刮刀钻头;在钻进困难的密实圆砾土层或硬度较大的凝灰岩层开始采用滚刀钻头成桩。根据钻机工作状况和不同地质条件采用不同的钻进钻压、转速、进尺速度。由于本桥的地质主要为粉砂、淤泥、粗圆砾土(夹杂有部分粒径较大的卵石)和凝灰岩，一般情况下钻机采用如下的钻进参数进行钻进:钻压(1020t)、转速(57r/min
7、)、进尺速度(12m/h)。如发现钻杆转盘运转不正常，钻架晃动较大或钻具跳动较大时，则表明钻压过大或孔底有异物，如遇有孤石，铁件或是钻具部件脱落等，遇此情况可将钻具略向上提起，减小转盘运转速度。若钻机运转恢复正常，则说明钻压过大;若钻机还不能正常运转，则可再次将钻具向上略微提起，减小转盘运转速度钻进，待恢复正常后再缓慢加压钻进;若经过往返几次操作，钻机仍不能恢复正常工作，则需拆除钻具，弄清情况或打捞起异物后重新安装钻具继续钻进。当钻头钻至护筒底口标高上下各0.5m时，要减小钻压和降低转盘运转速度，仔细观察钻头与护筒是否有摩擦现象出现，若有则适当调整钻机的平面位置直至摩擦现象消失，否则，拆除钻具
8、时可能导致钻头挂住护筒底口。钻机在反循环钻孔中，为排除孔底岩渣所需泥浆的多少和速度，是反映孔底工作面洗净程度的重要标志。泥浆在孔底的流量愈大，流速愈高，工作面的孔底角愈大，则洗孔效果愈好。在钻进过程中，出浆量显著减少或管路被堵无流量，应停钻处理。瓯江特大桥98#桩基施工时由于合理地选择了钻孔方式和除碴系统，创造最快10天成桩(桩长75米)的记录。2.2.2冲击钻钻孔工艺本桥位于瓯江下游近入海口，粉砂及淤泥层厚，冲击钻钻孔施工时，钻前宜在孔内少量投放粘土，并适量加入直径15cm左右的片石，顶部抛平，为防止坍孔、粘钻或埋钻等事故的发生，采用1.0m2.0m的低冲程高频率反复冲砸，将片石、泥膏挤入孔
9、壁，确保孔壁坚实不致坍塌。在覆盖层中钻进时，一般泥浆较浓，其相对密度1.201.40，粘度20S，胶体率95%以上。并通过泥浆正循环排碴，在出沉淀池处人工配合清渣。在情况复杂的粗圆砾土层中钻进时，经常会发生歪钻、滑钻及卡钻等现象，给施工带来很多困难。处理类似问题通常的作法是回填片石，采用小冲程冲砸。通过泥浆正循环净化泥浆时，要求勤排渣，尽量将含砂率降低到10%以下，并保持泥浆相对密度1.201.30，胶体率95%以上，同时将粘度适当增大到22S，以增强泥浆悬浮携带钻渣的能力，但粘度也不应过大，否则会影响泥浆泵的正常工作，增加泥浆净化难度。在该桥施工过程中，通过回填片石的处理办法取得了一定的效果
10、。在强度较高弱风化岩层中钻进时，为了使钻头以较大的能量冲击岩面，加快钻进速度，采用4m5m冲程冲砸，此时冲程也不宜过大，否则，钻头磨损太快，甚至会发生钻头断裂现象，严重影响施工进度。瓯江特大桥100#桩基施工时由于合理地选择了钻孔方式和除碴系统，创造水上冲击钻最快18天成桩(桩长35米)的记录。2.3泥浆的制备及清孔2.3.1泥浆的制备钻孔泥浆由水、粘土(或膨润土)和添加剂组成，钻孔过程中泥浆在孔壁形成一层泥皮，阻隔孔内外渗流，保护孔壁;同时泥浆还能起到悬浮钻渣及时循环出碴的作用。粘土以水化快，造浆能力强、粘度大的膨润土或地表土为好，当粘土性能较差时，可在泥浆中掺入适量纯碱Na2CO3，增强泥
11、浆的黏度和浮渣排渣的能力。2.3.2清孔钻孔达到设计标高，经终孔检查后，应立即进行清孔，以达到降低泥浆的相对密度、粘度、含砂率等指标及清除钻渣，减少孔底沉淀厚度的目的，防止桩底沉渣过厚而降低桩基的承载力。同时确保桩基水下混凝土的顺利灌注及桩基质量，避免断桩事故的发生。清孔时，泥浆池中应有足够的泥浆以供泥浆循环，如果泥浆量太少，则循环时泥浆就会把砂又冲进孔中，达不到清孔的目的。2.3.3清孔要求孔底沉渣厚度5泥浆相对密度1.031.10，粘度1720S，含砂率2%，胶体率98%。2.3.4清孔设备泥浆净化器泥浆净化器主要适用于基础工程施工采取泥浆固壁、循环钻进工艺的大孔径的桩基工程，有以下几个方
12、面的优点:(1)泥浆的充分净化，有利于控制泥浆指标和减少卡钻事故，提高成孔质量;(2)对土渣的有效分离，有利于提高造孔功效;(3)泥浆的重复使用，有利于节约造浆材料，降低施工成本;(4)泥浆的闭路循环净化方式及较低的渣料含水率有利于减少环境污染;(5)最大泥浆处理能力可根据工程需要选定，瓯江特大桥选用了ZX-200型泥浆净化器，泥浆净化达到200立方米/小时，净化除砂(0.074粒级)效率高，可达90%以上;(6)渣料筛分能力可根据钻孔进尺快慢调整，筛分出的渣料含水率小于30%;(7)处理泥浆最大比重小于1.2，粘度40秒以下，含砂率小于20%。泥浆泵泥浆净化器必须与泥浆泵配合使用，泥浆泵的作
13、用是将孔内泥浆抽吸到泥浆净化器中，并进行净化处理。瓯江特大桥主桥桩基在成孔后通过正确使用ZX-200型泥浆净化器和2PN型泥浆泵，不仅清孔速度快，而且清孔质量高，泥浆的各项指标均优于设计及规范要求。灌注桩基混凝土也非常顺利，经超声波检测主桥57根钻孔灌注桩全部为类桩。三、欧江特大桥灌桩过程的事故处理经验3.1导管漏水水下砼灌注过程中，导管漏水现象常有发生，易诱发断桩。对于该类问题，导管在使用前应做水密性实验和抗拔实验来避免。一旦导管漏水，应先确定漏水位置和水量大小，若漏水位置在孔口附近且水量较小，可加快灌注速度，尽早拆除漏水导管。对于有缺陷的导管(如内壁凹馅，法兰盘丝扣不合)，在使用前必须处理
14、，消除隐患。3.2、导管堵塞水下砼灌注过程中，因砼质量缺陷、机械设备故障、停电及埋深过大等原因，常出现后继砼不下落，导管堵塞现象。处理办法:加强砼拌制质量，对原材和成品砼实施全程监控，砼灌注时在漏斗口加设过滤网，防止过大的粗骨料和搅拌不均的水泥块进入导管。灌注中控制导管埋深，避免埋深过大。一旦发生堵管事故应迅速查明原因，采用导管提升设备反复小范围抖动导管并根据现场情况紧急处理。3.3、导管拔出混凝土面水下浇注混凝土过程中，如误将导管拔出混凝土面，必须及时处理。孔内混凝土面高度较小时，终止浇注，重新成孔;孔内混凝土面高度较高时，可以用二次导管插入法，其一是导管底端加底盖阀，插入混凝土面1.0m左
15、右，导管料斗内注满混凝土时，将导管提起约0.5m，底盖阀脱掉，即可继续进行水下浇注混凝土施工。由于要克服泥浆对导管的浮力，混凝土面较深时，不宜采用;其次是用滑动球阀“二次拔球法“处理。3.4、钢筋笼上浮水下砼灌注过程中，发现钢筋笼上浮现象时，应立即暂停浇注，并准确计算导管埋深和已浇混凝土标高，将导管提至钢筋笼底端以上。提升导管后再进行浇注，上浮现象即可消除。四、结束语瓯江特大桥水上桩基施工，每天受潮水涨落影响，施工难度很大,但由于根据地质情况和工期紧张的特点，合理地选择了钻机型式;利用了泥浆净化装置保证泥浆性能;灌注水下混凝土时采取了有效的处理措施，因此在钻孔灌注桩施工过程中，由于每到工序得到了很好控制，经超声波检测均为类桩。参考文献1刘吉士.张俊义.陈亚军.桥梁施工百问.北京.人民交通出版社.2003.042铁道第四勘察设计院.甬台温铁路新建工程施工图.2005.063周水兴.路桥施工技术手册.北京.人民交通出版社.20014邵旭东.桥梁工程.北京.人民交通出版社.2003.10
