海上大直径钻孔桩施工技术

海上大直径钻孔桩施工技术1概况某大桥是国道主干线－同三线跨越XX湾的便捷通道，大桥北起XXX，跨越宽阔的XX湾海域后止于XX，全长36Ｋｍ，某跨海大桥是目前世界上已建或在建的最长的跨海大桥。大桥设南、北两个航道，南航道桥为主跨318ｍ的A型单塔双索面钢箱梁斜拉桥，D13墩为主塔墩，主墩基础为38根直径2.8m、桩长120.20m的钻孔灌注桩，桩基采用海工C30水下混凝土，单根桩砼理论方量805m3。2施工平台及孔位布置南航道桥D13主墩桩基、承台成哑铃型布置，平面尺寸81.4×23.7m。钻孔施工平台是利用钢护筒作为整个平台的支承受力桩，护筒区外侧设置靠船桩，护筒之间及护筒与靠船桩之间用平联联结，护筒上设搁置牛腿，牛腿上布置分配梁、铺设面板形成钻孔桩施工平台。钻孔桩钢护筒直径为3.1m，壁厚18mm，长52m，入土深度29m。为便于施工，护筒区上下游搭设生活平台和生产区平台（平台布置见下图-1示），整个钻孔施工平台尺寸为131m×31m。图-1主墩钻孔施工平台及孔位示意图3水文、地质条件某为世界三大强潮海湾之一，在自然条件方面，受风、流、潮、气的影响比较大。D13主墩位在海中间（离南北两岸分别为20km、16km），受风、流、潮的影响特别明显，每年受到多次台风袭击，一年的有效工作日不足200天。施工位置实测最大流速5.16

m／s，潮流紊乱，冲刷严重，潮汐类型为浅海半日潮，潮差高达7m。施工桥位区的地质主要以粘土和细砂为主，地下50米深处有浅层气分布，对基础施工带来一定的影响。4施工工艺和设备的选择4．1施工工艺流程采用回转钻进、气举反循环的成孔工艺，水上拌和船搅拌砼、泵送水下混凝土灌注工艺。4．2施工设备钻机的扭矩是影响工程施工进度的关键因素，根据本工程的地层情况和钻孔深度距平台面达130m，施工中还要穿过亚砂土层、淤泥质粘土层、粘土层、细砂层等地层，对钻机的钻杆质量、扭矩要求较高，选用技术先进，扭矩较大，提升能力较大的全液压钻机。选用的钻机性能参数表-1名称最大钻孔口径（m）最大钻孔深度（m）扭矩（t.m）最大钻速（转/min）芯管直径（mmm）最大提升力（t）排渣方式中昇30003.01402116321150气举反循环上探GD-353.51502420351160气举反循环选用梳齿钻头（刮刀钻头），钻头配20t配重块，以防止孔斜，每台钻机配备相配套的空压机、泥浆净化器、泥浆泵以及造浆设备等。主要设备配备情况：大功率钻机4台套中昇3000型3台，上探GD-35型1台；塔吊1台350t.m,最大起重量20t；起重船1艘最大起重量150t；履带吊2台QUY50型；发电机4台400kw/台，4台并网供电；水上拌和船1艘一次性备料生产砼1200m3；其他配合船只若干。4.3钻孔泥浆由于南航道桥距离南北二岸较远，钻孔造浆所需的淡水量较大，淡水的运输供应受不良海况天气影响较大，采用海水泥浆替代淡水泥浆。海水泥浆配合比表-2名称海水钠土PAC纯碱用量375L56.25kgg750g750g本工程钻孔桩施工所配置的海水泥浆，性能指标较好，成孔后的孔底成渣厚度均能满足要求，泥浆性能稳定，浇注砼前一般不需二次清孔。4.4钻进参数（1）护筒内钻进阶段护筒内地层采取高转速边钻进边造浆，护筒内钻进的最终标高按护筒底口以上2.0m～3.0m进行控制。（2）砂、土层内钻进阶段当护筒内泥浆的各项技术指标符合要求后，才能开始进尺准备出护筒钻进。在护筒底口附近慢速钻进，以形成稳定孔壁；护筒以下砂层中采取大气量、中小钻压、中低速钻进，进尺控制在2—3m/h；粘土层中钻进易糊钻要进行钻压控制，大气量、低压力、高转速、慢进尺钻进。钻进过程中定期检测泥浆各项指标。（3）第一、二次清孔阶段终孔后，及时进行第一次清孔，使清孔的泥浆性能指标达到要求。在钢筋笼和导管安装好，混凝土浇注之前，进行孔底沉渣厚度测量，若沉渣厚度超出规范规定值时，利用导管进行二次清孔使沉渣厚度满足要求。4.5钻进时水头高度控制因施工海域潮涨潮落反复变化较快，潮差达7m，低潮位时护筒内泥浆水头差可达10m，对护筒底口形成较大压力，若泥浆控制不好或钻进速度太快，可能造成护筒底口的穿孔漏浆，故钻孔施工过程中，应最好始终保持护筒内液面有2m—3m的水头高度，即涨潮时需往护筒内补充泥浆、退潮时护筒内需往外抽泥浆，孔内泥浆面随潮汐涨落而变化，始终保持合理的水头高度。5钢筋笼施工钢筋笼全长121.70m，重共38t，分十节在工厂用长线法同槽制作，节间采用镦粗直螺纹接头连接。钢筋笼后场制作验收合格后，分节倒运至施工现场进行沉放。6水下混凝土施工6．1砼配合比本工程砼除要求满足水下砼施工的性能要求，同时又要满足海工砼耐久性能要求，砼配合比如下：总胶凝材料用量为400~460kg/m3，胶凝材料搭配为：水泥：粉煤灰=6：4水胶比为：0.29~0.32砂率为40%~44%，高效减水剂掺量为胶材的1.2%混凝土塌落度为180~220mm设计标号C30，初凝时间20h。混凝土抽样试验结果：抗压强度大多在52~62Mpa之间，84d氯离子扩散系数大多数在0.3~1.4×10-12m2/s，完全满足设计要求（即小于3×10-12m2/s）。6．2混凝土浇筑设备砼生产设备为航工砼1603水上搅拌船，为5000t级沿海作业船，船体尺寸76×24m，生产作业时抗风7级，能够一次性储备1250m3混凝土的原材料，有两条独立的砼拌和、泵送系统，输送能力达到160m3/h，两条全液压砼布料杆作业半径36m。图-2水上拌和船进行桩基砼浇注6．3浇注工艺利用水下钢导管进行砼的浇注，首批灌注封底采用拔塞法施工，利用集料斗储备首批灌注的方量后，放料、拔塞完成首批混凝土的灌注，进行正常灌注阶段。7桩底注浆7．1桩底压浆的机理钻孔灌注桩后压浆技术是在桩基钢筋笼内预置压浆管路，待砼达到一定强度后，通过压浆管路采用高压注浆泵注入特殊配制的水泥浆液，使一部分水泥浆液最终进入桩底土层，另一部分水泥浆液沿桩壁的四周向上走，并最终达到一定的高度。所以，进行桩底注浆可以使桩底沉渣及桩壁一定高度范围内的泥皮隐患得到改善，提高桩底土层的承载力，以及桩与桩壁土层之间的极限摩阻力，最终提高钻孔灌注桩承载力、减小桩的沉降量。7．2压浆回路布置采用4根压浆管、4根声测管组成四个回路进行桩底注浆，每个回路在桩底部分加工成“U”型，“U”型管水平部分设置若干注浆小孔。压浆回路布置见下图-3图-3桩底注浆压浆管回路布置图7．3浆液配合比压浆液配合比表表-3材料用料（Kgg）水泥膨润土水减水剂866876938.66水灰比0.857．4压浆量及控制方法单桩压浆压力及压浆量：压浆压力4Mpa；压浆量5500L～5800L。压浆控制方法：采用压浆量和压浆压力两项指标双控，以注浆量为主，当注浆量达到设计值后，可停止压浆。当压浆量达到设计值80％以上，且压力达到4.0MPa以上，亦可停止注浆。8施工中一些关键技术问题8．1糊钻的问题（1）现象本工程桩基钻进成孔过程中主要地层为粘土层，尤其是硬塑状的粘土、亚粘土，粘性很大，粘土粘附在多头钻刀片上，产生抱钻、甩不掉堵死出渣口的现象（如下图-4示），影响钻机钻进。图-4已糊钻的钻头（2）原因分析①在硬塑粘土层钻进，进尺过快，钻渣大，出浆口堵塞，易造成糊钻。②在粘性土层成孔，钻速过慢，未能将切削泥土甩开，附在钻头刀片上，将钻头抱住。③与泥浆流动形式、钻头形式有关。④与空压机气举压力和排量有关，空压机较小无法将较深的钻渣吸出。（3）处理糊钻的措施①对钻头进行优化对钻头进行了优化，加工了三种规格的刮刀钻头：a、夹角1100～1200单护圈三翼钻头；b、夹角900单护圈三翼钻头；c、夹角750双护圈四翼钻头；在进行钻孔施工中发现a钻头对解决糊钻的效果较好，b钻头糊钻的次数也较少，但是由于钻头夹角太小，出渣量大，容易对钻杆芯管堵塞，c钻头出现糊钻的次数较多，故采用效果较好的a和b钻头。②加强泥浆指标的控制，制备高质量的泥浆采用海水泥浆进行钻孔护壁，对泥浆的性能要求较高，钻孔施工中需根据不同地层情况，适当调整泥浆性能指标。在粘土层中钻进时，由于亚粘土、粘土均具有较强的自身造浆能力，钻进过程中泥浆会出现粘度、比重越来越大的情况，易糊钻，所以需要排浆，可停止除砂，向孔内加入水、纯碱、PAC以调整泥浆技术参数，严格控制泥浆胶体率和比重，此时含砂率可以稍微偏大，并可适当加入些粗骨料避免糊钻。③加大空压机压力加大空压机的压力和风包沉没比，改善钻渣的出料效果，以减少糊钻的可能性。④加强钻孔操作的控制在进行粘土层钻进时，特别要注意对钻孔操作的控制，进行减压钻进，控制进尺速度，钻进过程中经常将钻杆上下提动，以使附着在钻头上的粘土甩出，以便将钻渣排出，避免糊钻。⑤提高钻机转速针对不同的地层采用不同的转速钻进，砂层中低速钻进，粘土层则要尽量提高转速钻进。⑥提钻清理上述方法若不能处理还是偶尔糊钻，将钻头提出槽孔，清除钻头上的泥渣后继续钻进。8．2穿孔的问题（1）现象本工程的D13-14#桩在砼浇注进入护筒3m后，发现浇注方量和理论方量不符（超浇），砼面上升很慢，护筒内泥浆不外溢，检测发现护筒外周边土体有隆起的现象，判定在护筒底口已穿孔，砼沿着泥浆渗漏通道外溢。（2）原因分析①D13-14#孔钻进过程中，钻头出护筒进尺较快，泥浆性能不稳定，曾发现有轻微漏浆现象，后改善了泥浆性能，并掺加部分锯末，钻进过程中不再漏浆，但护筒底口孔壁护壁层不稳定。②砼浇注强度太大，给孔壁较大的压力。③低潮位时护筒内泥浆面高，形成较大的水头差，增大了护筒底口孔壁压力。（3）处理措施：①放缓浇注速度，改善砼性能（减小塌落度、缩短初凝时间）。②降低泥浆液面高度。③注意观测护筒周边土体标高变化情况。④浇注到合理的高度后停止灌注，以后采用干施工法进行接桩。D13-14#桩砼强度达到设计值后检测已浇注部分，质量优良，护筒内抽水、凿毛进行剩余部分桩身的接桩施工，再次对整个桩身检测为I类桩。8．3护筒变形问题本工程D13墩共有14根护筒底口出现不同程度的变形，占护筒数量的37%（图-1阴影部分即为变形护筒），变形高度0.5---10.5m不等，底口变形均成椭圆型，短轴长约2.5m，小于钻头直径（2.8m）。对于钢护筒变形部位采取以下两种处理方案：千斤顶顶撑和潜水员水下切割。（1）千斤顶顶撑采用4台组合千斤顶（见见下图-5示），顶顶撑直径范范围：2..5m—3.2mm，单台千千斤顶的技技术参数为为：顶撑吨吨位为500t，行程3550mm。扫孔清除护筒底底口土体，潜水水员水下探探明变形护护筒的数据据，利用千千斤顶将变变形护筒短短轴逐段顶顶撑至3..1m的的长度。图-5水下组合千斤顶顶结构图由于顶撑的护筒筒位置存在在较大土压压力，顶撑撑后护筒会会有一定回回弹，顶撑撑高度越高高，回弹越越明显，所所以千斤顶顶顶撑对于于变形高度度较小（11m以内）的变形钢钢护筒处理理有一定效效果，对于于变形高度度较大的护护筒效果不明显显。（2）水下切割因护筒变形位置置水深在50m以上上，需配备减压压仓和制定详细细的安全保保证措施，单单个护筒切切割处理时时间为7-100天。切割割程序为：：先护筒内内扫孔清泥泥至底口；；调整泥浆浆降低其比比重，以利利于潜水员员下水作业；确定定护筒需处处理的高度度；竖向切切缝（一般3—4条竖向缝缝）；水平平环向切缝；分块块吊出切割割的钢板。千斤顶顶顶撑和水水下切割钢钢护筒后，因因护筒底口口部位土体体受外力及及切割枪高高压气体的的扰动，均均有轻微坍坍塌，较高高的潮汐对对护筒底口口土体的反反复作用，造造成了护筒筒底口土体体内外贯通通，造成护护筒漏浆，采用护筒外钻小孔注浆、下内护筒两个方案进行漏浆处理。（1）护筒外钻孔注浆浆根据注浆的有效效作用半径径(约60—80cmm)在沿护筒筒外侧400cm的圆圆周上布置置14个注浆孔孔，注浆钻钻孔深度进进入切割前前护筒底部部（标高为为-45..0m）以以下3.0—5.0mm的范围内内，注浆的的顶标高按按照割除后后护筒底口口以上100.0m控控制。注浆浆采用的水水泥浆液水水灰比在0.5—1.0左右，注注浆压力在在0.5--1.0MMPa，水灰比比及注浆压压力最终根根据现场的的施工吸浆浆量适当调调整。在水水泥浆中加加入氯化钙钙作为促凝凝剂，掺量量在1-2%之间。护筒外注浆堵漏漏是可行的的方法，成成本低，易易操作，处处理一个护护筒漏浆水水泥量为60t左右，缺缺点是等水水泥强度时时间长，且且操作不好好浆体易穿穿入护筒内内并硬化，给给后续的钻钻孔带来麻麻烦。（2）内护筒方案即在原护筒内重重新下一个个护筒，施施工程序为为：先进行行变形护筒筒的水下切切割；回填填粘土至切切割后的底底口高度；；在原护筒筒内重新沉沉放护筒；；振动内护护筒下沉至至未扰动的的老土层一一定深度8—10m；内内外护筒顶顶口固节；；造浆即可可进行钻孔孔桩成孔施施工。内护筒顶标高以以原护筒顶顶口平，护护筒底标高高比原护筒筒底标高深深8—10m，即即进入了较较好的未扰扰动的粘土土层，内护护筒沉放应应严格控制制垂直度。采用内护筒成本本较大，但但内护筒解解决本工程程护筒漏浆浆有效、迅迅速，本工工程因后期期工期压力力大，采用用内护筒成成功解决了了部分漏浆浆问题。9结语某跨海大桥的施工工因海况条条件恶劣，施施工难度大大，对施工工组织、施施工设备要要求极高，对海上钻孔桩施工有如下几点认识：9．1关于施工组织及及设备人员设备多：钻钻孔桩施工工人多、设设备多，施施工人员需需在海上住住宿，柴油、淡水以及用电供给都是难题，施施工平台上上发电机组组、钻机、起起重设备等等设备和各各种材料众众多，平台台面积有限限，因此现现场安全文文明生产及及施工协调调管理难度度大。材料供应难：海海上工点一一般离驻地地很远，因因海况复杂杂多变很难难保证天天天有交通船船、材料船船出行，因因此施工现现场必须保保证各种材材料、零件件的储备，以以免影响生生产。海上施工设备的的配备一定定要尽量选选用大型的的抗风、抗抗浪、稳性性好的设备备，桅杆吊吊、龙门吊吊或者履带带吊等可固固定在施工工平台上的的一些设备备，不受涌涌浪影响，防台压力小，很适宜在海上施工使用，且经济效益明显，少用浮吊。9．2关于海水泥浆海上桩基覆盖层层都很厚，海海上大直径径超长桩施施工周期较较长，为确确保成孔质质量，泥浆浆循环至关关重要。淡淡水泥浆在在循环过程程中，由于于不断携带带含盐的钻钻渣，护筒筒内有难免免有海水渗渗入，泥浆浆含盐量在在不断增加加，盐使泥泥浆中粘土土水化和分分散受抑制制，出现泥泥浆的沉淀淀分离现象象。某大桥钻孔孔桩施工采采用了海水水泥浆，大大大减小了了施工成本本，更重要要的是：在在钻孔施工工时不