（岩土工程专业论文）大直径深长桩施工孔壁稳定性分析与成孔技术研究.pdf

摘要 跨海大桥桩基施工不同于内陆桥梁桩基施工，其施工作业面位于海上，海上 风大、浪大、水深、地质条件复杂，对施工影响很大，且一般跨海大桥桩基具有 桩径大、长度长的特点，施工工艺复杂。目前国内外对海上桥梁基础成孔施工技 术研究较少，论文在总结国内外研究成果的基础上，结合平潭跨海大桥桩基施工 的工程实际，计算分析了钻孔灌注桩在成孔过程中的孔壁稳定性，得到了不同情 况下孔壁土体的变形规律；系统分析了采用不同护壁措施时的护壁效果，给出了 合理的孔壁稳定技术措施；针对海上桥梁桩基施工水文、气象条件多变，地质条 件差的特点，从泥浆护壁措施、钢护筒工艺及清孔工艺等方面提出合理的成孔技 术和质量控制标准。 论文研究成果科学指导了平潭海峡大桥桩基的钻孔施工，确保了施工质量， 对相关海上工程设计和施工具有重要的借鉴价值和理论指导意义。 关键词：跨海大桥；孔壁稳定；成孑l 技术；仿真分析 a b s t r a c t t h ep i l ec o n s t r u c t i o no fc r o s ss e ab r i d g ei sd i f f e r e n tf r o mt h a to fi n l a n d t h e c o n s t r u c t i o nw o r ks u r f a c ei s1 0 c a t e dm a r i n e s ot h ef o u n d a t i o nc o n s t r u c t i o nf a c e dw i t h e x t r e m e l yc o m p l e xg e o l o g i c a l ，h y d r o l o g y ，m e t e o r o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，a n dh a v eg r e e t i n f l u e n c et ot h ec o n s t r u c t i o n a l s ot h ec r o s ss e ab r i d g ep i l ef o u n d a t i o nh a st h e c h a r a c t e r i s t i co fb i gd i a m e t e ra n dt h el e n g t hl o n g ，t h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e si s c o m p l e xa tp r e s e n t ，t h e r ei saf e wr e s e a r c ho nt h eb r i d g ef o u n d a t i o nc o n s t r u c t i o n t h i sa r t i c l es u m m a r i z e di nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h ， u n i f i e dt h ep i n g t a n c r o s ss e a b r i d g ep i l ef o u n d a t i o nc o n s t r u c t i o n ，c a l c u l a t e da n da n a l y z e d t h es t a b i l i t yo f d r i l l i n gh o l e sw a l li nt h ep r o c e s so fd r i l l i n gh o l e s g o tt h ed e f o r m a t i o no fs o i li nh o l e w a l lu n d e rt h e d i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e s a n ds y s t e m a t i ca n a l y s i st h ed i f f e r e n t m e a s u r e so ft h eb a s e b o a r de f f e c t g i v e nr e a s o n a b l et e c h n i c a lm e a s u r e st os t a b i l i z et h e h o l e w a l l a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o n s t r u c t i o n i nt h e p o o r c o n d i t i o n s c a r r i e do u tt h er e a s o n a b l et e c h n o l o g yt od r i l l i n gh o l ef r o mt h em u d c o u n t e r f o r tm e a s u r e s ，s t e e lc a s i n gt e c h n o l o g ya n dc l e a n i n gh o l et e c h n o l o g y t h ea c h i e v e m e n to fs c i e n t i f i cr e s e a r c hp a p e r sh a v eg u i d e dt h el a r g e - - s c a l ed e e p f o u n d a t i o nc o n s t r u c t i o no fp i n g t a nc r o s ss e ab r i d g e ， a n de n s u r et h eq u a l i t yo fb a s i s c o n s t r u c t i o n t h i sa c h i e v e m e n th a v ei m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ef o rd e s i g na n d c o n s t r u c t i o ni nm a r i n ee n g i n e e r i n g k e y w o r d ：c r o s ss e ab r i d g e ；h o l ew a l ls t a b i l i t y ；c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e s ；s i m u l a t i o n a n a l y s i s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：剥。翻矽呷年月g - 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：刮，阳 砌7 r 年月矿日 导师签名：夕1 膨 卅年月毋日 长安大学硕士学位论文 第一章概述弟一早僦尬 1 1 研究的目的和意义 随着我国经济实力和商品货物交流的不断增强，对于交通运输能力的要求也 与日俱增。我国幅员辽阔，江河纵横，作为交通干线上重要结点的桥梁建设也变 得日益重要，特别是在“五纵七横 国道主干线中有多座大桥成为路网的控制结 点。对于位于沿海的大江入海口的城市和在海上的岛屿来说，跨海大桥是解决跨 海湾、跨海峡交通运输的最佳方式。 我国现代桥梁的起步较晚，但是发展很快。从最先在杭州钱塘江大桥中使用 的沉箱基础，到武汉长江大桥中我国自主发明的管柱基础、南京长江大桥中的沉 井加管柱的组合基础和1 9 9 4 年底建成通车的九江长江大桥中使用的双壁钢围堰 法修建灌注桩基础，是我国大型桥梁基础发展的标志性阶段，其揭示了我国在大 型桥梁基础中取得的巨大成就和技术突破。最难能可贵的是在我国第一座真正意 义上的跨海大桥一东海大桥的建设中，在面对工程量大、施工环境恶劣的情况 下，开拓思路，积极发挥主观能动性，攻克了一系列技术难题，创造性的开发了 一系列针对下部结构施工的新技术。 跨海大桥跨越的海洋地理位置可以分为跨越海湾的跨海大桥、跨越海峡的跨 海大桥和跨越近海以连接岛屿的跨海大桥。不同的地理位置有着不同的地质、水 文特点。由于其所处的施工环境运输不便，水文地质条件复杂，气象多变，全年 的可施工时间只占一半左右。而跨海大桥的下部结构对风浪等因素更加敏感，所 以研究合理的施工技术对于加快作业速度以便减少作业时间是绝对必要的。 跨海大桥的难点在于施工，要求施工时间短，效率高，因此在总结以往工程 经验的基础上提出合理的技术方案可以为跨海大桥的建设提供有益的指导和参 考。不同海洋地理环境有着不同的特点，对应于不同的下部结构类型。以经济性、 工期和技术适用性作为下部结构方案比选标准，在保证使用性能的前提下，尽可 能的节约成本，缩短施工周期，从而创造最优的效益。 跨海大桥的建设面临多变的气象环境、复杂的海底地质和恶劣的水文条件等 多种不利的自然条件，同时，还要解决混凝土运输困难、设计基准期年限长、工 程量浩大和施工过程持续性差等众多不利的工程问题，因此，研究海上长大直径 桩成桩工艺具有很重要的工程实际意义。 第一章概述 1 2 国内外研究现状及评述 钻孔灌注桩是目前广泛应用的一类桩型，适用于各类土层条件，特别是大直 径深长钻孔灌注桩由于单桩承载力高、变形小、抗震性能好、施工方便、经济效 益好而广泛应用于高层建筑和大型桥梁中。目前国内高层建筑中应用的钻孔桩直 径达2 5 m 以上，桩长超过9 0 m ，桥梁钻孔桩直径达4 o m ，桩长超过l o o m 1 0 l 。 大直径深长桩大多为灌注桩，灌注桩包括人工挖孔桩和机械钻孔桩两大类。 人工挖孔桩于1 8 9 3 年在美国问世，至今已有1 0 0 多年的历史，钻孔灌注桩于上 世纪4 0 年代初随着大功率钻孔机具研制成功也是首先在美国出现的【1 1 】。我国钻 孔灌注桩是1 9 6 3 年在河南诞生的，这年冬在河南安阳冯宿桥施工中首先采用了 钻孔灌注桩基础【1 2 1 。目前，大直径深长钻孔灌注桩广泛应用于建筑、桥梁、港口 等工程。例如，上海浦西的港汇大厦采用了入土深度达8 5 m 的钻孔灌注桩，温 州瑞安皇都大厦采用了长达9 8 m 的钻孔灌注桩，山东利津黄河公路大桥桩基实 际钻孔深度达到1 2 4 m ，杭州钱塘江六桥钻孔灌注桩桩长达1 3 0 余米，南京长江 第三大桥桩径达3 0 m ，桩长近l o o m 。 大直径深长钻孔灌注桩有如下特点： ( 1 ) 长大直径桩单桩承载力大，常可一桩一柱，布桩间距大，群桩效应小。 ( 2 ) 长大直径桩属于非挤土桩，施工基本无噪音、无振动、无地面隆起或侧 移，也无浓烟排放，因而对环境影响小，对周围建筑物、路面或地下设施等危害 小。 ( 3 ) 长大直径桩因其桩身刚度大，除能承受较大的竖向荷载外，还能承受较 大的水平荷载，故能有效地充当坡地抗滑桩以及建筑物基坑开挖的支护桩。 ( 4 ) 钻孔灌注桩最大的特点是可以穿过各种复杂地层，并可将桩端置于坚实 土层或嵌入基岩，如南京长江第三大桥桩身嵌入微风化泥岩近三十米，这是其它 施工方法很难做到的。 ( 5 ) 长大直径桩由于在地下或水下钻孔灌注成桩，施工影响因素众多，故桩 身质量不可能象预制桩那样稳定可靠。 ( 6 ) 成桩时间长：从成桩工艺来看，长大直径桩的成桩时间较长，一般十来 天，有的甚至一个多月。对于土来说，土的地应力平衡受到破坏，且土长时间受 到水的浸泡，不仅土的含水量增加，土产生蠕变效应，使得桩周土向临空面产生 2 长安大学硕士学位论文 径向位移，而且孔壁周围土产生应力松弛，从而影响整个土层的极限摩阻力。成 桩时间越长，松弛效应越明显。 由上面长大直径桩的特点可知，其成桩受地质条件、水文条件、地质条件、 施工机械等因素的影响，施工中常会出现塌孔、扩颈、缩颈、孔径偏斜、断桩等 工程病害，为此给桥梁桩基础的施工带来许多麻烦，使工程进度严重滞后，工程 费用大大提高，特别是超长灌注桩的情况下，影响更为明显；同时，存在的相关 技术缺陷严重影响桩基础的承载性能，给桥梁结构带来很多隐患，因此，研究长 大直径桩成桩工艺具有很重要的工程实际意义。 1 2 1 国外跨海大桥基础的研究现状 早期国外跨海大桥的基础主要都是采用气压沉箱基础，到了二十世纪三十年 代，沉井基础的应用，成为优先考虑的基础类型。二十世纪七十年代后，随着科 学技术的发展，各国在修建跨海大桥时都有各自偏爱的基础类型，形成了自己独 特的技术风格。 在美国，气压沉箱一直延用到2 0 世纪二、三十年代。1 8 5 2 年美国的第一个 气压沉箱用于修筑跨越p e d e e 河的桥墩；1 8 7 0 年，气压沉箱在用于美国著名的 圣路易斯城的e a d s 桥的基础时，其尺寸已达到约2 2 m x 2 5 m ，下沉深度达到约 3 3 m ，并通过技术改进，开创了气压沉箱的新技术，并沿用至今。在1 8 7 4 年开 始建造并于1 8 8 3 年建成通车的纽约布鲁克林大桥( b r o o k l y n ) 同样采用了气压沉 箱基础，但这种类型的基础造价较高，且工人的劳动条件差，容易使工人身体受 到严重损害，甚至它的实际建造者华盛顿罗布林也为此得了严重的沉箱病，不 得不在家休养，遥控指挥工程直到大桥落成。 基于沉箱基础固有的缺点，工程人员在其基础上加以改进，发明了沉井基础。 1 9 3 6 年建成的著名的美国旧金山一奥克兰大桥( s a nf r a n c i s c o - - o a k l a n d ) 在水深 3 2 m 、覆盖层厚5 4 7 的条件下，采用6 0 m x 2 8 m 浮运沉井，定位后射水、吸泥下 沉，基础入土深度达7 3 2 8 m 。次年又建成世界著名的金门大桥( g o l d e ng a t e ) ，该 桥原设计用混凝土预制块筑成永久性围堰，再将气压沉箱浮运入内下沉，但因风 浪太大，沉箱浮运不易，且基础位置处无覆盖层，最终修改为钢壳沉井方案，并 用爆破法下沉嵌入基岩。 二战之后，美国所建桥梁的基础形式日益多样。1 9 5 5 年，查蒙德圣莱弗尔 3 第一章概述 ( r i c h m o n ds a nr a f a e l ) 在18 m 水深条件下先打h 型钢桩，然后整体安装钟形套箱， 最后灌注水下混凝上，首创钟形基础。1 9 5 7 年，美国新奥尔良的庞加川湖桥水 中基础采用了由1 3 7 m 的预应力管柱，这是对我国武汉长江大桥管柱基础的一次 模仿和试验。1 9 6 6 年的美国班尼西亚马丁尼兹桥( b e n i c i am a r t i n e z ) 采用了钢筋混 凝土沉井内继续施打钢管桩的组合基础。1 9 9 4 年建成的俄勒冈桥( o r e g o n ) 采用双 曲线钟形基础。1 9 9 4 年切萨比克特拉华运河大桥和休斯顿航道桥分别采用预 制的预应力混凝土方桩和混凝土方桩做为桥梁基础。 在欧洲的桥梁大国丹麦，其悠久的建桥历史也可以折射出世界桥梁发展的过 程。丹麦岛屿众多，其主要的国土被分割成三大块，连接国土的各个部分成为丹 麦桥梁建设的主要任务。1 9 3 5 年丹麦小海带桥( t h el i t t l eb e l t ) 在水深达3 0 m 的条 件下采用4 3 5 m x 2 2 m 的钢筋混凝土沉箱，穿透了细密均匀坚硬的不透水深层粘 土，基础深度达3 9 m 。到了1 9 3 7 年，斯托司脱隆桥( s t o r st r o 神采用了当时较为 流行的沉井基础，1 9 7 0 年建成的新小海带桥也采用混凝土沉井，1 9 9 8 年建成的 大海带桥( g r e a tb e l tb r i d g e ) 的跨度1 6 2 4 m 的主桥主塔基础采用了重3 2 0 0 0 t 的设 置基础。2 0 0 0 年建成的厄勒海峡大桥，是联通丹麦与瑞典的跨海大桥，全长1 6 k m ， 其51 个引桥也全部采用设置基础，其主塔墩设置基础长3 7 m 、宽3 5 m 、高2 2 5 m ， 自重2 0 0 0 0 t 。其引桥桥墩也均采用整体预制，现场拼装的方案进行。丹麦的跨海 大桥下部结构预制拼装的设计和施工技术已经十分成熟，其经验值得我国未来跨 海大桥借鉴。 丹麦的大贝尔特桥也叫斯托伯尔特桥( s t o r e b e l t ) ，它连接丹麦第一大城市首 都哥本哈很和第三大城市欧登塞( o d e n s e ) 所在的西兰岛和菲瑛岛。大贝尔特桥全 长1 7 5 公里，是丹麦建筑史上最宏大的工程。该桥造价5 5 亿美元，是欧洲当时预 算最高的桥梁工程，历经1 0 年建成。基础采用的是重力式填砂沉箱基础1 1 3 1 。 日本建造大桥的时间基本与我国同步，但是随着日本经济实力的增强，早期 其桥梁建造技术领先我国。1 9 7 0 年建成的歧阜县大桥和新木曾川桥，均采用无 人挖掘系统开挖沉箱，分别将2 1 5 m 和1 8 m 的沉箱下沉就位。这套无人挖掘系 统的系统自动化程度很高，这也是沉箱基础在进行技术改造后再次出现生命力的 原因，也为日本其后修建同类大桥时采用沉箱基础提供了技术支持。因此在1 9 7 0 年至2 0 0 0 年间，日本所建的众多桥梁中很大比例采用了沉箱基础，如浦户大桥、 4 长安人学硕士学位论文 日本港大桥、神户的波特彼河大桥等。还有一部分采用了沉井基础，如广岛大桥、 早漱大桥等。日本所建的世界第一大跨度的明石海峡大桥采用了圆形的设置基 础，其尺寸直径达由8 0 m ，高7 9 m ，可谓是前所未有的庞然大物。 日本獭户内海大桥，跨海距离9 6 k m ，把本州与四岛连接起来，其在海中的 基础用大型海上浮动工作平台在5 0 多米水深的海底平基；超声波无线控制海底爆 破；1 2 0 t 级的超重型抓斗出碴。高5 5 m ，重1 8 0 0 0 t 的钢沉箱用计算机控制对位下 沉，就位误差1 5 c m ，大大小于5 8 c m 的设计允许误差【l 训。 横滨大桥于19 8 9 年建成，这座双塔双层钢斜拉桥长8 6 0 m ，主跨4 6 0 m ，主塔 基础采用沉井法不排水下沉施工，钢筋混凝土沉井重2 7 0 0 t ，在岸上先预制好后 再浮运至桥位。 东神户大桥位于神户市东滩区的海湾上，是一座上下层都是单向行驶的专 用汽车道的双层式斜拉桥。桥长8 8 5 m ，主跨4 8 5 m ；桥宽1 7 m ，车行道1 3 5 m ，三 车道。桥上设计车速8 0 k m h ；桥下通航净高3 6 4 m ，通航净宽4 5 5 m ，1 9 9 3 年建成 通车。主塔基础采用钢筋混凝上沉箱基础。 青森港大桥是日本最大级别的预应力混凝土斜拉桥，桥长居全国之首，全桥 长1 2 1 9 m ，其中预应力混凝土斜拉桥长4 9 8 m ，主跨2 4 0 m 。由于港湾海底地基软 弱，主塔位置进行了据说是当时日本最大的地下连续墙的施工。基础长3 0 m 、宽 2 0 5 m ，深4 2 m ，壁厚1 5 m ，一个主塔就要浇筑9 2 0 0 m 3 混凝土。 日本大芝桥位于日本广岛县，是一座连接日本本土与大芝岛的海上桥梁，全 长4 7 0 m 。其基础采用为多柱式组合桩基础、扩大基础和就地浇注桩基础【l 引。 新马大桥位于新加坡南部大士，连接主桥及边检楼的引桥建造在一个填沙围 垦形成的人工岛上，面积约0 8 k m 2 。因沙填层及原来的沙土层深度在1 0 - - - - 1 5 m ， 故对引桥的桩基施工质量要求甚高，经公共工程局( p w d ) 专家论证比较，最后采 用了临时钢管护壁注水钻孔灌注桩施工工艺【l6 j 。 诺森伯兰海峡特大桥也叫联邦大桥，位于加拿大的诺森伯兰海峡，设计寿 命为1 0 0 年。该桥长为1 2 9 3 0 m ，跨度为1 4 x 9 3 m + 1 6 5 m + 4 3 x 2 5 0 m + 1 6 5 m + 6 9 3 m ， 有效宽度为1 i m ( 2 车道) ，桥下净高为2 8 m ( 一般位置) 并1 4 9 m ( 航道位置) 。主桥部 分的下部结构采用的预制拼装构造；引桥部分由于所在位置为浅滩，故下部结构 采用就地浇筑方法施工f l7 】。 5 第一章概述 1 2 2 国内成孔工艺研究现状 1 长大直径桩的成孔工艺研究现状 尽管我国挖掘大口径井技术可以追溯至新石期石代，且早在春秋时期湖北铜 录山矿井钻井断面己达5 m 2 ，深近百米，但现代大1 3 径钻凿技术仅有1 0 0 年历史， 欧美、前苏联、日本等先后采用冲击、回转、震动、水力喷射、井底动力钻等工 艺钻凿了各类用途的大口径井，直径为0 8 - - 3 0 m ，最大者可达1 0 m 以上，深度 为3 0 - 1 0 0 m ，最深达2 0 0 0 m 。我国于1 9 8 3 年在郑州黄河公路大桥施工中采用铁 道部大桥局武汉桥机厂生产的b d m - - 4 型气举反循环钻机完成了直径2 2 0 c m 、 孔深7 0 m 的摩擦桩的施工，接着在广东肇庆大桥完成了中2 5 0 c m 的嵌岩桩施工， 使我国钻孔灌注桩的桩径终于突破了2 m 大关。 目前国内外用于大口径钻孔灌注桩施工的主要方法和技术有： ( 1 ) 冲击钻进：利用几吨至十几吨重的冲击钻头，通过钢丝绳升降来实现碎破 岩石，达到成孔的目的。 ( 2 ) 回转钻进：利用钻机和钻头对岩石进行切割破碎岩石，达到成孔的目的。 ( 3 ) 冲击反循环钻进：利用反循环系统将冲击中产生的钻渣排出地面，从而 提高钻进效率，达到高效成孔的目的。 ( 4 ) 冲击回转钻进：利用高频低能的冲击使岩石疲劳破坏达到成孔的目的， 它是一种介于冲击与回转之间的一种成孔方法。 ( 5 ) 滚刀牙轮组合钻头钻进：滚刀牙轮组合钻头上碎岩材料为钨钻硬质合金 或焊齿、钢齿刀具，国内钻进的最大口径为3 0 - - 4 0 m ，深度7 0 - - 8 0 m ，美国原 子能委员会曾采用1 2 2 - - 3 4 5 m 直径的竖井进行地下特种试验，深度可达1 9 6 0 m ， 钻进效率一般为0 1 0 5 m h 。 ( 6 ) 梅花孔施工工艺：美国d n t e s o l l l 乙气n d f 6 此a s t 在大口径硬岩钻凿 工程中，推荐采用梅花点孔眼施工工艺，方法是：用一定规格的潜水锤在桩径范 围内的蜂窝状孔，然后再用其它方法修孔。 ( 7 ) 取芯与断芯技术：先钻成环状孔，然后利用特定装置“挤”断环中岩芯， 从而成孔，该方法在前苏联被广泛应用并取得了显著效果。 ( 8 ) 其他方法：如爆破法、冲抓法、旋挖法等。 各种钻孔方法的使用范围与土层、孔径、孔深、是否需泥浆悬浮钻碴与钻机 6 长安大学硕士学位论文 的构造、功率大小有关，也与施工队伍的经济技术实力与管理水平有关。 目前，国内对长大直径桩成孔技术研究取得了一定的成果。 苏通大桥主塔墩位处基岩埋深在2 7 0 - 2 8 0 m 之间，第四纪沉积地层厚，且 沉积时间短，工程地质性质较差。为此，苏通大桥钻孔灌注桩的成孔采用型号为 z s d 3 0 0 、z s d 3 5 0 等钻机，使用直径由2 5 0 m 的刮刀钻头进行成孔，采用反循环 钻进工艺。主4 # 墩桩基穿过砂层、粘土层，桩径大、深度深。采用反循环钻进 工艺对孔壁扰动大，易塌孔。为了保持孔壁的稳定，对泥浆配比进行了深入研究， 科学调配得到了满足工程要求的优质泥浆【1 8 】。 东海大桥主通航跨桥址位置处上部粘土层土质较软，呈饱和流塑状态；下层 砂层坚硬密实，厚度大，标贯击数较大。东海大桥主通航跨基础同样采用钻孔灌 注桩基础形式，直径2 5 m ，长1 1 0 m ，具备大口径超深特点。施工区域海况恶劣， 风浪较大，巨大的落潮差对成孔施工也有一定影响。海水对钢筋也有腐蚀作用， 用海水配置出的泥浆具有稳定性差、易沉淀的特点。为克服淡水运输对天气的依 赖，直接抽取平台位置地下的承压水，并与淡水勾兑成氯离子含量小于1 1 0 0 m g l 的泥浆用水。工程中添加纯碱量为膨润土量的1 8 4 ，掺量较常规泥浆高。 钻进过程中泥浆比重控制在1 1 0 1 2 5 ，使泥浆具有一定的液柱压力，以达到平 衡孔壁外围地层压力、孔壁稳定、满足反循环施工工艺的要求。 东海大桥根据地质条件选配q j - - 2 5 0 型钻机( 扭矩1 2 0 k n m ) ，并选用防斜梳 齿钻头，并采取措施保证钻头的稳定性、刚度和耐磨性能。采用双壁大筒径高强 度抗扭气举钻杆，为了保证钻孔2 7 3 m m ，每节钻杆设两个剪力销。为保证钻孔 垂直度，同时提高钻孔效率，采用加配重块的减压悬吊钻进，使钻杆在钻进成孔 过程中保持受拉状态。根据地质条件和钻机性能，确定配重块为1 0 t 。 秦华东介绍了大直径混凝土灌注桩成孔方法的发展过程和现状，结合工程实 例，介绍人工挖孔穿过复杂地层的施工措施。讨论灌注桩成孔方法对桩承载力的 影响，提出推广套管钻机成孔和机械扩底桩，以提高我国灌注桩应用水平i l 叫。 滨州黄河公路大桥所处位置的特殊地质结构，为满足荷载要求，设计了直径 为2 0 m 、深1 2 0 m 的超深桩。亓惠远、类维强、刘同敬、李兆松根据工程实际情 况，为保证成孔深度和桩径，选用q j 一2 5 0 型大口径工程钻机，并改进加强了钻 机的性能，提升了钻机的施工能力。通过严格控制钻孔灌注桩施工过程中的各个 7 第一章概述 工序环节，保证了工程质量【2 0 l 。 八十年代末开始修建的沈大高速公路普兰湾店大桥，其桩基施工历时9 个 月，完成直径2 m 桩9 5 根，直径1 5 m 桩2 根，直径1 2 m 桩2 4 根。由于施工单 位有两家，所以在成孔前钢护筒的施打分为振动打桩机配合导向架及打桩船施 工。0 - - - 1 6 号桩采用钢护筒全护壁冲击钻钻孔，水下混凝土采用拌和船直接灌注 及拌和站配混凝土输送车灌注法；17 - - - 3 2 号采用深钢护筒泥浆护壁钻孔，水下 混凝土采用拌和站配混凝土输送车和吊车及船组拌和站配浮吊灌注的方法。其 成桩的质量检测采用超声波穿透法，利用实测声波曲线斜率的数据，检查桩身混 凝土中的断层、空洞和劣质混凝土等缺陷，主要设备为s y c 一2 型超声测定仪【2 l 】。 武汉天兴洲公路铁路两用长江大桥桥墩采用桩基础，设计最大桩长6 2 m ，直 径2 5 m ，且需要深水施工。魏爱军以天兴洲公铁两用大桥桥墩基础为例，探讨 了大直径超长钻孔桩在成孔和灌注过程中易出现的倾斜、塌孔、卡钻、埋钻等问 题，并针对这些问题提出了在深水条件下施工钻孔桩的对策和建议圈。 王友利针对大直径钻孔灌柱桩的施工，结合柳叶湖大桥施工的工艺，介绍了 柳叶湖大桥0 - 5 “墩台桩基础施工平台设计、钻桩成孔工艺、清孔、钻孔桩钢筋 笼制作及安放、浇注水下混凝土的施工过程。通过采用无损法声测，对桩基础质 量成果进行分析，证明了大直径钻孔灌注桩的施工方法的实用价值，可作为施工 单位建设同类型桥梁的施工依据【2 3 】。 肖婧以湖南省涟源市三甲公路大桥1 号至1 8 号桥墩大孔径钻孔灌注桩施工 为例，介绍了在复杂地层及复杂地质条件下大直径钻孔灌注桩的成孔工艺及卡 钻、埋钻、塌孔、断桩事故处理，对同类工程具有一定的借鉴意义阱】。 戴文革介绍了哈双高速公路b 2 合同段黎明站分离立交桥2 5r n 直径钻孔灌 注桩成孔及灌注技术，对小钻机进行了改进，解决了小钻机钻大直径桩、复杂地 质情况下泥浆护壁及砾石、铁板砂层成孔和泥浆无公害处理等施工技术难题，为 类似施工提供借鉴【2 引。 杨洪波介绍了大孔径、深桩基、复杂地质层钻孔灌注桩施工工艺控制，重点 论述气举反循环成孔工艺在深桩基钻孔施工中的应用以及采用旁置式漏斗灌注 混凝土施工。混凝土强度及桩位等其他项目的检测全部合格，深孔大直径钻孔桩 施工实践的成功，为我大孔径钻孔桩的施工积累了一定的经验【2 6 。 8 长安大学硕士学位论文 西江富湾特大桥5 6 号主墩基础为1 8 根巾2 5 m 钻孔灌注桩，由于存在深水、 基岩倾斜、岩溶等因素，导致了复杂的成孔工艺。熊厚仁、牛志荣、蒋元海等根 据实际情况，介绍了施工采用“钢护筒跟进”方案结合超前钻、抛填粘土、片石、 水泥等较成熟且有效的方法，避免了溶洞岩基钻孔易出现的漏浆、坍孔、卡锤、 埋锤、偏孔等事故的发生，效果良好口7 】。 王辉针对黄河谷地的高漫滩上的冲淤积地质隋况，结合阿深高速公路上开封 黄河大桥直径2 2 m 、桩长9 5 m 的钻孔灌注桩基础的施工情况，介绍复杂地质情 况下大孔径、厚砂层、深桩的关键施工技术及成孔质量控制措施【2 引。 灵江特大桥主墩钻孔灌注桩由2 5 m ，桩长6 5 - 9 9 5 m ，孔内漂石多，成孔因 难，通过合理选用钻机和钻头，朱景萍、刘留春、贺学庆、彭奇武、刘加桢介绍 了其采用锯末屑止渗，等强度直螺纹连接法缩短钢筋笼井口安装时间，混凝土取 样器控制灌注标高等措施，解决了成桩过程中的难题，效果显著【2 9 】。 马房大桥位于广东四会市与三水市交界处，主桥为3 8 m + 6 x 6 5 0 7 m + 3 8 m 预 应力混凝土连续箱梁，主墩桩基础为1 4 根由2 5 m 的钻孔桩。陈太瑞介绍了桥址 地质概况及大直径钻孔灌注桩施工方案，着重总结了对有大厚度层的卵砾石和泥 灰岩的特殊地质段钻桩施工的处理技术，对同类工程有一定的借鉴意义【3 0 j 。 熊茂平结合工程实例介绍了泥浆的性能和作用，分析泥浆对成孔效率和成桩 质量的影响。通过工程实例和分析，论述了超深大直径灌注桩使用优质泥浆的经 济技术可行性。指出由于膨润土及各种外加剂和粘土造浆率相差十分悬殊，综合 考虑回收率及成孔效率因素使用优质泥浆的效益十分明显【3 。 林华土、黄经纬对广东佛开高速公路九江大桥、福建省厦门市沧海大桥等工 程进行分析，总结了一套比较成熟的大直径成孔技术以及海水造浆技术和p h p 泥浆技术【3 2 】。 芜湖长江大桥应用由3 m 钻孔灌注桩，最长桩长达6 2 m 。其施工难度是桩径 大、覆盖层厚、入岩深、长江水深流急。王为凯简要介绍了其施工要点和出现问 题的处理，为同类桩基施工提供了参考【3 3 】。 五河口斜拉桥两个主墩采用9 2 根直径为2 5 m 、桩长为9 5 m 的钻孔灌注桩基 础。丁如珍简要介绍了这种桩的施工工艺和成孔过程中遇到的厚层硬质老粘土钻 头被糊问题，通过分析与研究，对钻机型号、钻头形式、排渣通道、泥浆性能、 9 第一章概述 钻压与现场操作方法等方面提出了优化与处理措施，取得了很好的效果，为今后 同类型工程建设提供了宝贵的经验【3 4 】。 盛红专、陆尚武介绍了下白石大桥主墩由3 m 大直径群桩基础施工，其采用 钢管桩钻孔平台、旋转钻进、气举反循环、泥浆护壁、全断面一次成孔的施工方 法，成功地解决了在高潮差、大流速、大冲刷、海水、大粒径卵石层等水文及地 质条件下，钢管桩钻孔平台的稳定、海水环境下钻孔泥浆性能的稳定及控制、大 粒径卵石层中的成孔等关键技术，获得了成功3 5 1 。 王凉生、柳宗仁结合陕西省扶风县法门寺合十舍利塔试桩工程，介绍了采用 旋挖钻机无固相浆液护壁成孔，钻孔桩后压浆等新技术的应用实践，并提出了一 些注意事项，对同类工程有一定的指导意义【3 6 1 。 济南黄河三桥是青银高速公路跨越黄河的一座特大桥，其直径2 0 m 、桩长 大于1 1 5 m 的桩基有1 4 4 根，为大直径超长钻孔灌注桩，技术含量高，施工难度 大。戴明逊介绍了施工中采用的大功率高性能钻机、钢筋镦粗直螺纹连接技术、 气举反循环成孔技术、j j c 一1 d 型灌注桩检测系统、混凝土双掺技术、灌注桩超 声波检测技术、g p s 定位技术等新技术、新材料、新产品、新设备，确保了大直 径超长钻孔灌注桩按计划、高质量、高标准完成【3 刀。 湛江海湾大桥为主跨4 8 0 m 的双塔双索面混合梁斜拉桥，主墩桩基由3l 根 由2 9 02 5 0 c m 的变截面钻孔桩组成，长1 0 4 m 。熊大胜、戴祖生介绍了该工程 通过多次改进钻头，调整泥浆循环系统，改进钻孔工艺，确保了施工的顺利进行， 4 7 4 主墩桩基施工取得了较好的成效【3 羽。 2 孑l 壁稳定理论分析 在钻孔灌注桩钻孔施工过程中，土体的平衡遭到破坏，土中应力状态和物理 状态都发生了变化。这种变化又反作用于孔壁，会对桩基础的稳定和变形产生明 显的影响。所以需要对孔壁进行力学分析。对于这个方面已经有了一定的研究： 罗绍明、朱文鉴从理论上分析并结合实践经验，提出了大口径钻孔桩孔壁稳 定的3 个条件，即静力平衡、地质渗流、时间因素，在此基础上分析了影响孔壁 稳定的各种客观、工艺、环境及人为因素，给出了预防和处理孔壁坍塌事故的措 施f 捌。 陈国灿将钻孔灌注桩成孔后的分层土体受力作的问题抽象为带圆柱形孔的 1 0 长安大学硕士学位论文 分层土体受自重、均面荷载和泥浆压力作用的问题，尔后应用弹性理和塑性力学 中的屈服准则导出了钻孔灌注桩在施过程中孔壁稳定的条件，并在工程中得到了 应用【4 0 】。 徐奋强、王旭利用极限分析原理对土体中泥浆护壁深钻孔的极限孔深问题进 行计算研究。计算中考虑了护壁泥浆的工作机理、泥浆性质、孔径等对孔深的影 响。得出结论：泥浆护壁深钻孔的极限孔深随泥浆比重及孔壁土体内摩擦角的增 加而增大，随孔径的增加而减小。计算表明，极限分析法是一种切实可行、简单 明了的分析方法【4 1 1 。 蒋红心、胡中雄基于弹性理论，给出在半无限弹性体钻一长圆柱孔后的应力 状态，考虑了孔壁收缩膜和土粘聚力对孔壁的影响，得出稳定计算公式。同时， 分析了孔周地面堆载对孔壁稳定性的影响和临近基础钻孔对建筑物的影响。还就 两项工程的钻孔缩颈资料进行了分析，给出了钻孔缩颈经验公式【4 2 1 。 胡晓敏、李之达通过成孔过程中的孔边应力分析，得到桩- 孑l - t l 边应力的解析 表达式，表明适当深度的泥浆护壁可以缓解孔边应力。通过对成孔过程的破坏分 析，提出了桩孔中泥浆最小、最大深度的概念，并依此判断孔壁稳定性。通过调 整泥浆的深度，可以有效地防止桩孔坍塌；当钻进到某一高程，桩孔中所要求的 泥浆最大深度小于最小深度要求时，建议采取护筒护壁措施。运用上述成孔力学 分析方法进行设计、施工组织、准备和施工，可以确保施工安全和工程质量，为 桩基础的设计、施工提供必要的理论基础【4 3 1 。 李小青、乌效鸣根据土层的物理力学性质、地下水位及护壁泥浆等进行钻孔 灌注桩孔壁稳定性分析，导出孔壁稳定性数学模型公式，并提出相应的护壁措施， 防止孔壁的坍塌】。 李小青、郝行舟、朱宏平、赵文光等认为从钻孔灌注桩钻孔过程来看，由于 地层土压力、孔隙水压力、地下水位及土体的蠕变等因素的影响，在成孔过程中 或混凝土浇筑之前，孔壁处于不稳定状态之中，随时会出现滑裂或坍塌的危险。 所以结合重阳大桥钻孔灌注桩工程，在分析孔壁稳定条件的基础上，进行不同土 层的钻- t l 孑l 壁稳定性分析，同时分析孔内泥浆的稳定护壁作用及功能，建立孔壁 稳定性数学分析模型，提出相应的护壁措施，防止孔壁的坍塌【4 5 】。 刘之葵、梁金城、黄英娣利用弹性理论，推导了孔壁周围土体的应力计算公 第一章概述 式，并用莫尔一库仑极限平衡准则对孔壁稳定性进行判别【蛔。 1 3 主要研究内容 本文结合平潭海峡大桥，对桥梁桩基成孔的施工技术、施工工艺和质量控制 进行了详细的阐述和系统的归纳，主要研究内容为以下几点： 1 海上深水长大直径桩的成孔工艺及质量控制技术研究 2 深海钻孔孔壁稳定性研究 1 2 长安大学硕士学位论文 第二章平潭大桥场址概况 2 1 概述 平潭岛又称海坛岛，位于闽江口以南约2 7 公里，福建兴化湾的东北，是福 建省第一大岛，我国的第五大岛，以海坛海峡与大陆相隔，与大陆距离最近处福 清市小山东约3 4 公里。海坛海峡是一个呈南北走向的狭长海峡，东南口、东北 口分别与台湾海峡相连，南口接兴化湾，西北口接福清湾。海峡南北两头宽，中 间窄，岸线呈东西两侧分布。该海域常受台风影响，风大、急流、浪高、潮差大， 海洋水文条件较复杂。 平潭海峡大桥及接线公路工程，起点位于福建省福清市东瀚镇小山东，跨越 海坛海峡，经北青屿，终至平潭县娘宫。路线总长4 9 7 6 m ，其中：桥梁总长3 5 1 0 m ， 大桥两侧接线公路1 4 6 6 m ，采用二级公路标准，路面与桥面宽均为1 7 m 。 通航主桥在4 2 群 - - 4 6 撑墩之间双孔单向通航，单孔通航净空1 2 3 m x 3 8 m 。桥跨 布置为1 0 0 m + 2 x 1 8 0 m + l o o m ，上部结构采用变高度预应力混凝土连续刚构箱梁， 下部结构采用钻孔桩基础。引桥包括西引桥和东引桥两个区段。西引桥区段范围 为0 8 - , 4 2 “墩，全长2 1 0 0 m ，为5 0 m 跨连续箱梁，桥跨布置8 x ( 4 x 5 0 ) m + 2 x ( 5 x 5 0 ) m ； 东引桥区段范围为4 6 撑6 3 撑墩，全长8 4 0 m ，桥跨布置 5 x 5 0 m + 2 x ( 4 5 0 ) m + ( 3 x 5 0 + 4 0 ) m 的箱梁，东、西引桥均为等截面预应力混凝土连 续箱梁结构，下部结构为现浇墩身，带圆端的矩形承台，钻孔灌注桩基础。 2 2 地形与地貌 平潭海峡大桥位于福建东部沿海丘陵地形区，海岸线呈向西敞开成弧形海 湾，岸边基岩裸露，沿岸多礁石，滩地为沙泥质海滩。小山东至娘宫桥位间海底 地形地貌可大体分为三大部分即近岸水下岸坡、冲刷沟槽、水下平台，冲刷沟槽 分布深水区。 平潭海峡大桥的通航主桥范围为4 2 群4 6 4 墩，全长5 6 0 m ，位于海峡主航道 所处的冲刷沟槽的槽底平坦段。冲刷沟槽宽8 0 0 余米，走向近南北向，槽底平坦 宽阔，达5 0 0 余米，海底高程一般为一2 5 一2 8 m ，最深处海底高程为- - 2 9 2 m 。 西侧槽坡坡度约为5 0 ，东侧槽坡坡度约为2 3 0 。 西引桥区段海底地形地貌大体分可为近岸水下岸坡、北青屿东侧冲刷沟槽和 水下浅水区平台三大部分。近小山东岸水下岸坡，位于低潮线以下浅水区，海底 第二章平潭大桥场址概况 高程一般大于一l o r e ，宽约5 0 0 m 。北青屿东侧冲刷沟槽宽近4 0 0 m ，最大水深处 海底高程为一3 3 m ，底宽2 0 m ，槽坡西陡东缓。水下浅水区平台处于北青屿东侧 冲刷沟槽和海峡主航道冲刷沟槽之间，宽近1 0 0 0 m ，台面平坦，海底高程分别为 一5 一l o m 和一1 3 一1 6 m 。东引桥区段海底地形地貌为近岸水下岸坡，位于 低潮线以下浅水区，海底高程一般大于一1 3 m ，宽近6 0 0 m 。 2 3 水文地质条件 2 3 1 水文 1 潮汐 平潭大桥海湾潮汐类型为正规半日潮，平潭海洋站统计实测资料潮汐特征值 见表2 1 ( 潮位基准面1 9 5 6 黄海平均海平面) 。 表2 1实测潮汐特征值 实测最高潮位 卜4 2 3 m 实测最低潮位 一3 6 7 m 平均高潮位 + 2 2 7 m 平均低潮位 一1 9 7 m 最大潮差+ 6 6 9 m 平均潮差 + 4 。2 4 m 设计高潮位+ 5 1 8 m 设计低潮位 一4 1 6 m 2 水流 平潭岛内侧( 即海潭海峡) 潮流情况，涨潮流分别从海潭海峡北部和南部向中 部流入，在竹屿口、苏澳、娘宫附近站测得：湾口外涨潮流向由北向南、落潮流 由向北基本与等深线一致。设计流速见表2 2 。 表2 2 设计流速 流速重现 风速风海流流速 可能最大流速可能流向设计流速 站位 设计流向( o ) 期 ( m s )( m s )( m s )( o )( m s ) 2 # 1 0 0 年 4 3 31 30 8 43 5 02 1 43 5 0 3 # 1 0 0 年 4 3 31 31 0 13 4 02 3 13 4 0 4 群1 0 0 年4 3 31 30 6 93 4 71 9 93 4 7 东引桥、主桥采用2 4 站点参数，西平台区引桥采用3 4 站点参数，西浅水区 及西深水区引桥采用矿站点参数。 3 波浪 1 4 长安大学硕士学位论文 平潭大桥施工设计波浪取值见表2 3 ，主桥采用d 点设计波要素，西浅水区 引桥采用a 点设计波要素，西深水区引桥采用b 点设计波要素，西平台区引桥 采用c 点设计波要素。 表2 3 桥址处各工程点设计波要素 2 0 年重现期 位置 方向 h 1 ( m )t ( s ) an3 5 35 5 b s e 4 2 45 5 cn3 8 55 7 dn 3 9 9 5 8 en3 6 85 6 4 海床冲刷 根据浙江省水利河口研究院完成的福建平潭海峡大桥桥墩局部冲刷试验研 究专题报告：1 0 0 年一遇自然冲刷深度按0 5 m 考虑，边滩及浅水段考虑l m 左 右的波浪掀沙厚度；1 0 0 年一遇，主墩局部冲刷深度为1 2 6 - - 1 3 8 m ，辅助墩为 9 3 - - 1 2 3 m ；2 0 年一遇，主墩局部冲刷深度为1 1 8 1 3 o m ，辅助墩为8 7 1 2 o m ； 引桥桥墩灌注桩基础1 0 0 年一遇的局部冲刷深度为5 8 - - 9 6 m 。 2 3 2 工程地质 通航孔主桥4 2 拌, - - 4 6 4 墩的上部海积层主要为粉砂、含沙淤泥、含淤泥砂、粉 砂、中粗砂、亚粘土和粘土等；基岩岩面起伏较大，岩性为凝灰熔岩，强风化层 较厚，约为9 0 2 5 o m 。东、西两侧桥台处的基岩强风化层直接裸露，岩性为凝 灰熔岩。1 群、岁、1 1 撑、1 2 4 、6 2 8 墩覆盖层较薄( 或没有覆盖层) ，基岩岩性为凝灰 熔岩；1 0 拌、1 3 4 墩表层有孤石；1 5 群墩处岩面倾斜度较大，覆盖层较薄，