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Ф2.5m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Ⅰ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。
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Ф2.5m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450m。
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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，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7～10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，5～7天/孔，不
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。
参数 三种型号钻机的主要技术指标见下表：
型号 钻孔直径 钻孔深度 排渣方式 转速 转盘扭矩 提升能力 钻 杆 总 功 率 主机重量 外形尺寸
KTY3000A Φ1.5～Φ6.0 130 气举反循环 0～16 r/min 200KN〃m 1200KW Φ351×3000 238 41924（不含钻具） 7820×4432×6770 HTL300 Ф1.5～Ф3.0m 100m 气举反循环 0～21r/min 100KN〃m 600KN Ф233×3000mm 175KW S-500 Ф0.8～Ф4.0m 90m 泵吸反循环 4～13 r/min 135KN〃m 300KN Ф325×3000mm 190KW 32000Kg（不含钻具） 30000Kg（不含钻具） 8400×3300×13500mm 8850×3500×9800mm 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；
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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=100：12：0.3：0.05。
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 粘土 亚粘土 砂土 比重 1.03～1.06 1.06～1.10 1.10～1.15 粘度（s） 17～20 19～22 20～24 PH值 8～10 8～10 8～10 胶体率 ≥95% ≥95% ≥95% 含砂率 <4% <4% <4% 失水率 <15 <15 <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。
桩孔 阀门 沉淀池 循环池新浆池 储浆池打浆机
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：
临水侧 2-4 2-3 1-2 1-4 1-1 2-1 1-7 1-6 1-5 2-8 2-7 2-6 1-3 2-5 1-10 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 1-9 2-2 1-8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。 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。
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为19～22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8～10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17-20s、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：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，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
钢筋笼入孔安装完毕后，进行导管的安装工作。导管选用Ф300mm，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=γchcmax-γwhw，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 ①、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。
②、首批混凝土量计算
按照公式：V≥πdh1/4+πdHc/4计算出其首盘灌量为11m，施工时取V=12m3，以确保初灌量达到导管埋深1.0米的要求。
③、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。
④、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。
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孔内混凝土上升高度用吊锤测绳测量，同时辅以理论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30～50m），沉积砂岩块石层（厚1～2.0m），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：①、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；②、控制钻进速度，防止因进尺过快而糊钻；③、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50～60cm，虽然厚度仅为1～2m，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1～2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7～9m，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Φ1.2m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。
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