（交通运输工程专业论文）大胜关长江大桥主墩桩基施工工艺研究.pdf

摘要 大胜关长江大桥是京沪高速铁路客运专线的控制性工程，也是沪汉蓉快速铁路通 道及南京铁路枢纽的重要组成部分并同时搭载南京市双线地铁。大桥正桥6 撑主墩位于 长江主航道内，基础为钻孔桩基础，桩基础为4 6 巾2 8 m 嵌岩钻孔桩，采用k t y - 4 0 0 0 型钻机和k p g 3 0 0 0 a 两种机型工程钻机成孔，排渣方式为气举反循环。本文结合大胜 关长江大桥主墩桩基施工，对应于南京大胜关长江大桥深厚泥岩地质基础和深水施工 等客观条件，研究深水超长大直径钻孔灌注桩施工方法，解决糊钻，钻机选型等问题， 深入研究p h p 泥浆性能。通过试验，确定水下混凝土的配合比及减水剂掺加量。 施工过程中发现k p g 3 0 0 0 a 型钻机主机重量明显大于k t y 4 0 0 0 型钻机，平面尺 寸相差不大；k t y 4 0 0 0 型钻机单根钻杆长度为3 m ，而k p g 3 0 0 0 a 型钻机单根钻杆长 度为5 m ，在钻杆接长次数上前者多于后者；k p g 3 0 0 0 a 型动力来自钻盘位置，稳定 性相对较好；k p g 3 0 0 0 a 型钻机相对比较脆弱，故障频率较高。 降低泥浆比重；增大泥浆泵入量；定时空转；采用较高档转速和少给进状态钻进； 简化钻头结构等。以上防止糊钻的措施，实际施工效果明显。 对应南京大胜关长江大桥深厚泥岩地质基础和深水施工等客观条件，大桥主墩桩 基泥浆选用不分散、低固相、高粘度的p h p 优质膨润土化学泥浆。p h p 泥浆在反循 环钻孔灌注桩施工中表现良好，在护壁，清渣，清孔，提高成孔效率，防止泥浆渗漏， 防止糊钻等问题方面表现出性能的优越性。 为确保高效减水剂的掺量能满足本工程自密实混凝土水下浇注要求，对掺加高效 减水剂的混凝土进行试验。通过试验表明，高效减水剂掺量0 7 时能满足要求。水 下混凝土坍落度的取值为18 0 - - 2 2 0 m m ，扩散度取值6 4 0 , - - - 6 7 0 m m ，经水下抛送混凝 土试验，完全能满足自密实性和强度值的要求。经多次对比试验，最终确定混凝土水 灰比为0 3 3 。 6 # 主墩自2 0 0 6 年5 月1 0 日第一根桩开钻，至2 0 0 6 年1 1 月2 4 日最后一根桩顺 利灌注完成，历时6 5 个月。比原先预计的8 个月工期提前1 5 个月完成施工任务。 4 6 根钻孔桩全部一次性灌注混凝土成功，平均扩孔系数1 0 3 。经超声波检测，4 6 根 钻孔桩全部为i 类桩，优良率达1 0 0 。 【关键词】钻孔灌注桩；p h p 泥浆；水下混凝土灌注 a b s t r a c t t h ec a s t - i n - p l a c ep i l eh a sb e c o m et h em a j o rf o u n d a t i o nf o r mt or o a da n db r i d g ec o n s t r u c t i o nf o rt h e f e a s i b l ep r a c t i c eo fv a r i o u sg e o l o g i c a ls t r u c t u r e ，l o a db e a r i n ga n ds t r o n gr e s i s t a n c et oe a r t h q u a k e s i n c et h e m u d s t o n es t r u c t u r ei so fs m a l lp e l l e ta n di ti sd i f f i c u l tt os m a s ha n dd r i l l t h ea p p l i a n c e 谢t l lb i gd i a m e t e r a n dd e e pc a s t = i n - p l a c ep i l eh a sb e e ng r e a t l yr e s t r i c t e d i nt h i sc a s e ，t h ee x p e r i m e n t a la n dp r a c t i c a ld a t aa n d i n f o r m a t i o ni sn o tq u i t ee n o u g hf o rr e f e r e n c ea n da c c u r a t e l yi n d i c a t et h ee x p e r i e n c e dp h y s i c a li n d e xf o r d e s i g n t h em a i nb o d yo ft h i sb o o kb a s i st h ec o n s t r u c t i o no fb o r e dp i l e si n6 撑m a i np i e ro ft h ed a s h e n g - g u a nb r i d g e ，c o r r e s p o n d i n g d e e pm u d s t o n eo b j e c t i v ec o n d i t i o ns u c ha sg e o l o g yb a s i sa n d d e e p w a t e rc o n s t r u c t i o n ，s t u d y i n gt h em e t h o db e i n gu n d e rc o n s t r u c t i o no fm a j o rd i a m e t e ra n de x t r a - l o n g b o r e dc a s t - i n - s i t up i l ei nd e e p w a t e r c a i z s i d e r i n gt h ee n g i n e e r i n go ft r a i lp i l ei nn a n j i n gy a n g t z er i v e r h i g h - r a i l w a yb r i d g e ，t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so fd e e pc a s t - i n - p l a c ep i l eu n d e rm u d s t o n eg e o l o g i c a l s t r b c t u f e ,s p r e a dd r i l l ，c l e a rh o l e ，c h o o s e so f 荫l l i n gm a c h i n e ，p h ps l u r r ya n du n d e r s e ac o n c r e t e c o n s t r u c t i o nh a n d i c r a f ta l er e s e a r c h e di nt h i st h e s i sd e e p l y i t i ss t a t e dc l e a r l yb yr e s e a r c h i n g ，t h ec a s t - i n - p l a c ep i l em u s tb ec o n s t r u c t e da c c o r d i n gi os t r i c t t e c h n o l o g i c a lp r o c e s so nc o n d i t i o nt h a tm u d s t o n eg e o l o g i c a ls t r u c t u r e ，a n dm o r ei m p o r t a n tt h a tt h e d r i l l i n gt e c h n o l o g y , t h er e a s o n a b l ep r o p e r t yi n d e xo fm u da n dt h ec o o r d i n a t ear a t i oo fu n d e r s e ac o n c r e t e a r ec h o s ec o r r e c t l yo nt h eb a s i so ft h ec o n d i t i o no f m u d s t o n eg e o l o g i c a ls t r u c t u r e k e y w o r d s b o r e dc a s t - i n - s i t up i l e ；p h ps l u r r y ；p o u r i n go f t h eu n d e r s e ac o n c r e t e i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：马丑睦日 期：塑幽 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：李，虹导师签名： 日期：嘲亏。7 东南大学硕士论文 第一章概述 1 1 钻孔灌注桩的施工工艺现状调查 钻孔灌注桩常用的施工方法根据地质条件的不同可分为干作业成孔灌注桩和 湿作业成孔灌注桩。 干作业成孔灌注桩适用于成孔深度内没有地下水的情况，成孔时不必采取护壁 措施而直接取土成孔。湿作业成孔灌注桩是在软土地基的深层钻进，会遇到地下 水问题。采用泥浆护壁湿作业成孔能够解决施工中地下水带来的孔壁塌落，钻具磨 损发热及沉渣问题。适用于松散土层、粘土层、砂砾层、软岩层等地质条件。根据 泥浆入孔的方向不同，可将湿作业成孔工艺分为正循环回转钻机成孔和反循环回转 钻机成孔两种施工方法。 正循环成孔设备简单，操作方便，工艺成熟，当孔深不太深，孔径小于8 0 0 c m 时钻进效率高。当桩径较大时，钻杆与孔壁间的环形断面较大，泥浆循环时返流速 度低，排渣能力弱。 反循环成孔是泥浆从钻杆与孔壁间的环状间隙流入钻孔，来冷却钻头并携带沉 渣由钻杆内腔返回地面的一种钻进工艺。由于钻杆内腔断面积比钻杆与孔壁间的环 状断面积小得多，因此，泥浆的上返速度大，一般可达2 m s 3 m s 多，是正循环 工艺泥浆上返速度的数十倍，因而可以提高排渣能力，保持孔内清洁，能大大提高 成孔效率。这种成孔工艺是目前大直径成孔施工的一种有效的成孔工艺，因而应用 较多。 很多地区，特别是长江中下游地区，由于特定的地质、水文及航运条件的限制， 桥梁必须选择超长超大直径钻孔灌注桩基础将其巨大的上部荷载传递给地基岩土 体。对这类基础而言，承载力是控制工程安全的决定性因素。由于施工条件的限制， 施工过程中的成孔工艺是决定桩基承载能力的最重要因素之一。影响超长超大直径 钻孔灌注桩基础成孔工艺的因素很多，有些因素是无法改变的，如钻孔所处的环境、 气候条件、地层分布等自然条件，有些因素不可能在短期内进行多次性改变，如人 员条件、所使用的钻机类型及其他大型固定设备，但有一些因素可以根据需要不断 改进，以便使钻孔效率更高、钻孔工艺更经济、更合理。 第一章概述 1 1 1 钻孔灌注桩泥浆的应用现状 ( 1 ) 泥浆在钻孔灌注桩成孔过程的作用 保护孔壁 由于泥浆比重比清水大，钻孔施工时，通过泥浆在护筒内维持一定的水头高度， 形成对孔壁的静水压力来保护孔壁。泥浆颗粒不断渗入孔壁，达到渗透平衡后，渗 入孔壁的泥浆颗粒粘结成薄层环形渗透圈，俗称“泥皮 ，起到维护孔壁防止渗漏 的作用。对于砂、砾、卵石层，通过泥浆对孔壁的静水压力和泥浆在孔壁形成的泥 皮，阻隔孔外水向孔内渗流，同时也阻隔孔内泥浆向孔壁渗流，起到保护孔壁的作 用。 清渣 根据循环工艺的不同，成孔过程的清渣有二种不同的方式，悬浮清渣和速度清 渣。前者适用正循环清孔，利用泥浆的比重及粘度携钻渣至桩孔顶层，自流或用掏 渣筒排出；后者常用反循环施工，用带有一定粘度的泥浆在速度流的作用下，携钻 渣排出孔外。 清孔 设计及施工规范往往对桩基础( 尤其是支承桩) 桩尖软垫层( 即桩底沉碴) 厚度提 出明确要求。施工中，依靠泥浆的携渣能力，保持在浇注混凝土前停止泥浆循环后 的孔底洁净，不出现沉淀。 提高成孔效率 成孔过程中，泥浆还可以作为钻具的润滑剂及降温剂，从而减少钻进阻力，降 低钻具磨损，延长钻具使用寿命，提高成孔效率。 ( 2 ) 泥浆性能的衡量指标 在钻孔灌注桩基础施土中，对泥浆的质量及性能一般采用以下指标衡量。 相对密度：是泥浆密度与4 。c 时水的密度之比。钻孔灌注桩采用反循环钻进， 泥浆相对密度应控制在1 1 以下，否则泥浆循环不畅，要靠适当增加护筒内的水头 高度来使孔壁稳定。 泥浆粘度：指泥浆混合物液体运动时，各分子或颗粒间产生的内摩擦力。粘度 大，护壁能力和悬浮钻渣能力强，但易糊钻，泥浆泵吸不易，也不利于泥浆的沉淀净 化再利用；粘度小，钻渣易沉淀，对防止渗漏不利。 2 东南人学硕士论文 含砂率：指泥浆中含砂或粘土颗粒的体积百分比。含砂率大，会降低粘度，增 大相对密度，泥皮松散，护壁不牢，增加孔内沉碴厚度，易磨损泥浆泵，易埋钻。 酸碱度：检测泥浆的酸碱度，以p h 值表示。 胶体率：泥浆中粘土颗粒分散和水化程度，反映泥浆悬浮钻碴的能力。 失水量：指泥浆在孔内超水头压力的作用下，泥浆渗入孔周覆盖层的速度。 ( 3 ) p h p 泥浆技术的应用 自2 0 世纪6 0 年代钻孔灌注桩在我国出现以来，钻孔泥浆发展经历了自然造浆、 细分散、粗分散、不分散等4 个阶段。在不分散阶段，通过在泥浆中加入高效有机 掺合剂使钻屑、粘土成为絮凝状态而最终清除，该阶段泥浆质量最优。p h p 泥浆就 是这阶段涌现出的优质泥浆，p h p 泥浆又称聚丙烯酰胺不分散低固相泥浆，是通过 在采用膨润土作为原料的基浆中加入p h p 胶体制成的。该泥浆于2 0 世纪7 0 年代首 先在油田钻井中使用，8 0 年代中后期被引入广东九江大桥钻孔桩施土中。目前在我 国一些大型桥梁的大直径超长桩基钻孔施工中应用了p h p 泥浆。 1 1 2 大直径超长钻孔灌注桩水下混凝土施工工艺现状 ( 1 ) 水下自密实混凝土配置要求调查 水下自密实混凝土对原材料要求较高，很多水下混凝土出质量问题就是首先在 原材料环节出现了问题； 要满足水下混凝土“大坍落度、大扩散度 等两基本施工性能，否则无法做到 自密实。而实际操作过程中上述两项指标不易控制，性能不稳定，易导致质量问题。 在凝结硬化前，若流动性稍差，就会在混凝土中形成蜂窝和孔洞，影响实体质量； 要满足“粘聚性、保水性设计性能并做好配合比设计，否则水下浇筑混凝土 强度损失较大。粘聚性和保水性差，会导致地下承压水在初凝前渗入混凝土内，影 响混凝土强度。 总之，水下自密实混凝土配合比设计必须通过大量试验确定。 ( 2 ) 水下混凝土施工工艺现状调查研究 即使是常规的工程桩混凝土水下浇筑都容易出现质量，更何况超大直径工程桩 混凝土水下浇筑工艺不成熟，尚待完善。 施工人员对混凝土水下浇筑工艺理解程度不够，不能完全按照水下混凝土浇筑 工艺要求进行施工。 第一章概述 超大直径工程桩水下浇筑混凝土对设备和机具要求特殊，现有设备不能满足正 常施工要求。 1 1 3 国内外大直径超长钻孔灌注桩施工工艺实例 目前在国内公路桥梁基础工程领域中，钻孔灌注桩基础己占据了重要地位，并 向大直径、多样化( 变截面桩、空心桩、变截面空心桩) 方向发展。钻孔工艺水平不 断提高，特别是引进了许多国外先进的大功率全液压钻孔机械，对国内钻机进行的 研制改进，基本上适应了大直径深水基础桩基的施工需要。 ( 1 ) 苏通大桥试验桩基概况 苏通大桥是一座连接苏州和南通两市的斜拉桥，其主跨跨径为1 0 8 8 m ，建成后 它将成为当今世界上最大跨径的斜拉桥。苏通大桥主塔高约3 0 0 m 采用长约10 0 m ， 直径2 5 m 的钻孔灌注桩群桩基础，最大承台桩数约1 3 0 根。工程场地岩土性质为： 第l 层为砂性土层，分3 个亚层，第l 亚层为粉砂层，呈松散稍密状，以砂土为 主；第2 亚层为粉砂夹亚粘土，呈稍密或软塑状；第3 亚层为粉砂，呈稍密中密 状，中压缩性，土性较均匀。第2 层为亚粘土，呈流塑软塑状，高压缩性。第3 层以细粉砂为主，上部为亚砂土，呈稍密中密状；下部为粉细砂，呈密实状。 苏通大桥是世界级桥梁，其基础采用大直径钻孔灌注桩基础，桥址位于淤泥质 粘土软弱地质层，对钻孔泥浆的选用十分重视。经过试桩工程对钻孔泥浆的科学探 索对比选用，积累了宝贵的经验和科学的数据，为大桥工程桩基钻孔施工创造了良 好的条件。由于地质条件差，在试桩工程中，受传统施工影响，选用普通泥浆进行 钻孔施工，其效果较差，在后期试桩中试用了p h p 泥浆，试桩确定采用优质p h p 泥浆。 p h p 泥浆循环系统中需制备两种泥浆。一种为不含p h p 的基浆，另一种为含有 p h p 的新浆。基浆是由膨润土、纯碱和水拌制而成，其配置比例应根据水质、膨润 土性质试验确定。制备过程中先将水与膨润土混合，膨润土和水在自然状态下不能混 合成泥浆，必须通过高速率搅拌才能形成泥浆胶体。实际配置中是在制浆池中装置高 压水泵，经过自吸、反喷多次循环而形成均质泥浆。制备泥浆的水应不含有有害物质， 事先应进行水质检查，水量不能保持时一应有储水装置。膨润土颗粒在水中充分分散 后即往溶液中加入纯碱，以调整泥浆比重、粘度及p h 值，泥浆性能超标时严禁直接 兑入清水。当基浆性能无法满足要求时可加入p h p 而使其性能得以改善。配置好的 4 东南人学硕士论文 基浆性能指标如表1 1 。 新浆制作前需将聚丙烯酰胺在n a o h 溶液中水解成p h p 。水解聚丙烯酰胺时其 重量及n a o h 浓度与重量应根据聚丙烯酰胺分子量及类型经过试验确定。水解时将 聚丙烯酰胺及n a o h 溶液混合搅拌，直至聚丙烯酰胺全部分散于水中，静置2 - - 3 d 后即成为可使用p h p 胶体。在基浆中加入一定重量的p h p 胶体即为新浆。加入p h p 的量应根据粘度及失水率的需要调配。一般情况下，每立方米基浆中加入p h p 胶体 0 4 - - - - 0 6 k g 。配置好的新浆性能指标如表1 1 。 p h p 泥浆工艺试验时采用以蒙脱石为主要矿物质的膨润土作为泥浆制作原料， 水取自长江河道，水质属h c 0 3 - c a 2 + 型，p h 值为8 1 8 5 。按照水：膨润 土：n a 2 c 0 3 = 3 0 3 ：1 8 2 ：1 ( 质量l e o n 成基浆。新浆选用分子量为1 2 0 0 万的非速溶水解型 聚丙烯酰胺为原料制作，按聚丙烯酰胺：n a o h ：h 2 0 = 10 ：1 0 ：6 0 0 ( 质量比) 水解成p h p 溶液。在每立方米基浆中加入0 4 - 0 6 k g p h p 胶体制成新浆。钻孔过程中各阶段泥浆 性能指标按基浆、新浆、钻进浆、回流浆、清孔浆、弃用浆进行控制，控制标准如表 1 - 1 。 采用p h p 泥浆系统进行钻孔施工，两试桩孔深分别为5 8 9 ，6 5 9 m ，最大孔径分 别为1 2 1 0 ，1 5 0 5 m m ，最小孔径分别为1 1 9 9 ，1 4 9 7 m m ，平均孔径分别为1 2 0 2 ，1 5 0 1 m m ， 孔壁泥皮厚度小于l m x n ，孔底沉渣为0 c m 。桩基承载力测试结果也表明采用新施工 工艺后，桩基承载力可以大大得以提高。 表1 - 1 苏通大桥试桩工程成孔工艺试验过程中泥桨性能指标一览表1 4 l 泥浆比重粘度含砂率胶体率失水率泥皮厚 p h 值 类型 ( )( ) ( m l 搴( 3 0 ( m a n ) m i n ) 1 ) 基浆 1 0 3 2 0 2 2 o 3 9 8 2 01 59 1 0 新浆 3 0 o 31 0 0 1 21 o1 0 b 1 2 钻进浆 1 2 2 5 2 8 4 09 6 3 62 08 9 回流浆 1 0 82 4 2 6 1 o9 8 3 01 59 1 0 清孔浆 1 0 62 2 2 40 51 0 0 5 5 0 5 1 2 在苏通大桥桩基工程第v i 期试桩中，还引进了美国p d s 公司生产的s u p e r m u d 环保泥浆。s u p e rm u d 环保泥浆是一种高分子聚合物的高浓缩性乳液，白色不透明， 相对密度1 0 ，分子量2 3 0 0 - 2 5 0 0 万分子之问借助分子链相连，遇水后发生膨胀，可 提高乳液粘度，在钻孔带形成一层坚韧的胶质薄膜，有护带功能乳液环保性好，无毒 第一章概述 无污染。s u p e rm u d 泥浆是环保泥浆，其性能及操作等条件比p h p 泥浆都优越，但 是，日前该环保泥浆只适用在采用冲抓钻的地下连续墙工程中。 ( 2 ) 武汉天兴洲长江大桥4 号墩桩基旅工概况 武汉天兴洲长江大桥为公铁两用桥，工程总投资1 1 0 亿元人民币，为世界上跨度 最大的公路铁路两用斜拉桥。该大桥位于武汉长江二桥下游1 0 k m 处，北起汉口平安 铺，南止武昌武青主干道，总为9 3 k m ，其中主桥长4 6 5 7 m ，主跨5 0 4 m ，其基础采 用钻孔灌注桩，其中4 号墩共有桩径2 0 m 钻孔灌注桩2 4 根，桩深7 3 5 m ，钻孔桩桩 问中心距为5 m 。 4 号墩位于长江南岸，场内地形平坦，其地貌单元为长江一级阶地，地层从上到 下依次为人工填土、粉砂细砂、粉质粘土、细砂、砂砾胶结层、粉质粘土、粉砂细砂、 砾砂、圆砾土、疏松砂岩泥质粉砂岩、破碎泥质粉砂岩砂岩、弱胶结砾岩、中等胶结 砾岩。4 号墩桩基持力层为砂岩、砾岩，最大强度达5 2 m p a 。 该工程施工难点主要有：嵌岩深，单桩嵌岩深度最大达2 6 m ；孔径大，孔深，对 钻进设备要求较高；对泥浆性能要求高，疏松岩层孔壁易坍塌、掉块；对垂直度要求 较高，要求钻孔的垂直度 1 1 0 0 ，沉渣厚度 2 o m 。对桩顶距孔口距离较大的桩，桩顶标高的控制，应通过混凝土体积 计算和混凝土取样器打捞混凝土粗骨料判定混凝土灌注高度，以避免少灌或超灌。在 灌注将近结束时，由于导管内混凝土柱高度减小，导管外泥浆重度增大，沉渣增多， 超压力降低，如出现混凝土顶升困难时，可在孔内加水稀释泥浆，并掏出部分沉淀土 或增大漏斗提升高度，使灌注顺利进行。在拔出最后一节导管时，拔管速度要慢，以 防止桩顶的浓泥浆挤入形成泥芯。 天兴洲长江大桥4 号墩钻孔灌注桩工程采用气举反循环工艺，开动4 台钻机施工 2 4 根桩，按期完成桩基施工任务，最快的一根桩成孔时问为7 d 。桩基经检测全部为 i 类桩，承载力均达到设计要求。天兴洲长江大桥4 号墩钻孔灌注桩工程的实践说明， 对于大直径超深嵌岩桩应根据地质条件选择相应的钻进工艺和钻头，采用优质泥浆护 壁，根据桩孔状况优选钻进参数。钻进方法应根据切实可行、经济、高效的原则进行 优化选择，并制定相应的技术措施，可以取得很好的实施效果。 第一章概述 ( 3 ) 东海大桥主墩桩基施工工艺概况 东海大桥全长3 2 5 k m ，是目前世界上最长的跨海大桥。大桥主通航孔设计为5 孔钢混结合梁双塔单索面斜拉桥，跨径7 3 m + 1 3 2 m + 4 2 0 m + 1 3 2 m + 7 3 m 。主墩3 3 5 号、 3 3 6 号基础均由3 8 根巾2 5 m 钻孔灌注桩组成，单桩长l l o m ，混凝土采用抗渗防腐c 3 0 水下混凝土，单桩混凝土量5 4 0 m 3 。 主通航孔处海水深约1 2 m ，海床而较平缓，高程1 2 5 m 。地层系第四系堆积层， 厚1 6 0 2 2 0 m 。桩身自海床而以下通过的地层依次为淤泥质粉质粘土，淤泥质黏土， 黏土，粉质黏土，砂质粉上，粉细砂，含砾中粗砂，粉质黏土，粉细砂。 根据主墩桩基孔径大、桩身长对钻机的扭矩、排碴方式和整机稳定性要求高 的实际情况，钻孔选择了q j 2 5 0 1 型和z s d 3 0 0 2 1 0 型钻机。两种钻机均具有钻孔深、 转盘扭矩大、排渣能力强、整机稳定可靠等优点。 为缓解钻孔平台上场地狭窄对施工的干扰，泥浆池全部设在钢护筒内。钻孔前， 在护筒项向下约2 m 处开一圆孔，用0 3 m 的钢管将护筒每4 个一组串联起来。泥 浆经钻头吸入钻杆，沿钻杆内腔、水龙头，经泥浆浆渣分离系统后，流回至其他的护 筒内，再经连通的钢护筒逐级沉淀，最后流回到原孔内，形成一个完整的循环系统。 钻孔产生的钻碴、废浆用泥浆船运至指定位置倾倒，以免污染海洋环境。 主墩钻孔桩施工耗水量大，钻孔造浆用水采取在平台上钻井抽取地下水兑淡水的 办法。海底地层含盐量高，通过在膨润土中掺加碳酸钠对泥浆进行改良，泥浆沉淀现 象明显减少，从而提高了泥浆的护壁效果。 主墩长ll0 m 的钻孔灌注桩，依次采用正循环、泵吸反循环和气举反循环方法钻 孔。正式钻孔前稍提钻具，以正循环方式在护筒内造浆，并启动泥浆泵进行循环，待 泥浆均匀后开始钻进；正循环钻进至护筒底部时，启动砂石泵，进行泵吸反循环排渣 钻进。累计进尺超过5 0 m 后，启动空压机，进行气举反循环排渣钻进，以提高钻进 效率。 钻头亘径2 5 m ，黏土层和粉细砂层一般采用刮刀钻头钻进。坚硬密实的粉质黏土 层，砂质粉土层，含砾中粗砂层以及桩底粉细砂层改用牙轮滚刀钻头钻进。钻进过程 中为防止钻头摆动过大导致孔斜、扩孔等问题，钻头上增加了7 0 k n 配重块。 为避免恶劣海况对水下混凝上连续灌注的影响，现场配备了搅拌船和平台搅拌站 共2 套混凝上搅拌泵送系统，料仓容量均为1 0 0 0 m s , 混凝上生产能力8 0 m 3 h 。当混凝 东南大学硕上论文 土由平台搅拌站生产时，搅拌站生产的混凝土直接经混凝土输送泵送到存料斗里。当 混凝土由搅拌船提供时，船上搅拌站生产的混凝土下到输送泵中，经过布料杆，再输 到存料斗里。 混凝土导管内径0 3 m ，每孔居中布置l 根，管底距孔底0 4 m ，在混凝土中埋深2 6 m 。混凝土初灌量经计算取13 m 3 , 桩顶超灌高度1 5 - - 2 m 。 东海大桥主通航孔斜拉桥3 3 5 号、3 3 6 号主墩钻孔灌注桩分别用了1 2 5 d 和1 5 6 d 完成了3 8 根桩的施工。据统计，正常情况下单根桩的施工周期为1 l 天，最短1 0 天。 经检查，钢护筒平面偏位、钻孔桩平面偏位、孔径、孔斜及二清沉渣厚度均达到东海 大桥工程专项质量检验评定标准规定，超声波检测合格率1 0 0 ，a 类桩7 3 7 。 ( 4 ) 苏拉马都大桥p 4 6 及p 4 7 主墩桩基础施工工艺概况 苏拉马都大桥p 4 6 及p 4 7 主墩桩基础位于强固结或微成岩的粘质土体中，岩土 体大致相当于岩石和固结材料分类中极硬土极软岩，是正在向岩石转化的火山灰沉 积物。土体呈层状分布，层与层之间有灰白色夹层，具有较强的吸水性和膨胀性，在 天然状态下强度较高，由于富含亲水性粘土矿物，遇水软化，导致强度大幅度衰减。 国内外对这种土体的工程性质研究较少，也未见有在此土体中进行钻孔桩施工的文献 资料。 p 4 6 、p 4 7 墩桩长分别为9 7 ，1 0 4 m 钻孔平台标高为+ 5 0 m ，实际钻孔深度为1 0 3 m 及l1 0 m 。适合这种硬质粘土的钻机类型主要是旋挖钻及循环钻。由于钻孔深度超过 百米的旋挖钻类型不多，且随着钻孔深度的增加，旋挖钻的钻进效率明显降低。而循 环钻机的深度效应不太明显，故选取气举反循环钻机为钻孔桩施工的标准机型。 在大桥建设期间，业主向中方承包商提出采用p h p 泥浆代替膨润土泥浆的要求。 承包商针对现场实际情况，进行了对比、分析、室内及现场试验，得出根据目前钻孔 桩施工工艺的水平，p h p 泥浆不适合苏拉马都大桥钻孔桩施工的结论。结合大桥建 设情况，承包商分析了膨润土泥浆和p h p 泥浆在性能上及使用范围上的差异。 使用1 - - 3 含量的p h p 无固相泥浆作为钻液，在国外己有较广泛的应用，且 在淡水及海水中均有使用。螺旋钻及旋挖钻在工作时泥浆为静态的，泥浆和钻渣并不 充分混合，p h p 损失量较少，浓度容易保持。循环钻施工时，钻碴由泥浆携带至孔 外，泥浆一直处于循环状态，泥浆与钻渣充分接触后，造成p h p 浸入土体，含量下 降较快。为研究p h p 泥浆在循环钻中的适用情况，采用海水拌制3 o p h p 溶液，选 第一章概述 取p 4 6 - p 2 8 桩进行现场试验。试验结果表明，当泥浆携带钻渣从钻杆中流出时，p h p 浓度迅速下降。当钻进5 m 时，在泥浆中己检测不到p h p 成分。所以承包商认为p h p 无固相泥浆虽然适用于旋挖钻及冲抓钻，但对于循环钻钻孔作业并不适用。 苏拉马都大桥使用的膨润土泥浆中的膨润土采用产自湖南的钠基膨润土。拌和用 水采用饮用淡水，使用驳船运输至水中钻孔平台，并在每个钻孔上设置1 2 0 m 3 蓄水 池。开钻前，用泥浆置换护筒内海水。添加剂对于膨润土泥浆的性能影响较大，有时 甚至是钻孔能否成功的决定因素。苏拉马都大桥最初参考国内钻孔桩的施工经验，采 用p h p 油田泥浆。试钻结果表明，这种泥浆在水敏性土层中的护壁效果不理想，先 期开钻的2 根桩均出现明显的塌孔、扩孔现象，混凝土超灌率为5 4 和4 1 。因此， 为满足在水敏性土体中的钻孔施工的要求，调整泥浆配比。 对于水敏性土，失水量是决定泥浆护壁效果的主要因素。由于孔内土体颗粒较细， 较容易被泥浆携带，故对泥浆的粘度指标要求可适当降低。因此取消能提高泥浆粘度 的p h p 添加剂，加大能减少泥浆失水量的c m c 及纯碱用量。通过正交试验，得到 最佳泥浆配比淡水：膨润土：c m c ：纯碱为1 0 0 ：8 ：0 1 ：0 0 4 。结果表明，采用c m c 泥浆对钻孔有较好的护壁作用，使用此泥浆的钻孔灌注桩扩孔率均小于5 。 膨润土对电解质非常敏感，如果把干燥的膨润土加到盐水中去，不会很快溶胀。 尤其往盐分浓度很高的液体中加入膨润土，则几乎不会溶胀。反之，在溶胀的膨润土 溶液中加入高浓度的盐分，会显著地提高粘性与屈服值而引起凝胶化。这时泥浆就失 去触变性，而永久保持凝胶状态。所以，使用膨润土在海水中造浆是有较大困难的。 为节约建设资金，缩短施工工期，项目部也同时进行了海水造浆试验创。参考杭 州湾大桥的泥浆配比进行室内试验。使用桥位所处的马都拉海峡海水，调整上述材料 的配比，并用f c l 代替p a c 进行试验，均不能配制出满足要求的触变泥浆。究其原 因，杭州湾是钱塘江的出海口，平均含盐量为0 4 6 ，而马都拉海峡含盐量为2 1 3 6 ，是杭州湾含盐量的4 6 7 8 倍。所以使用高含盐量地区的海水配制膨润土泥 浆，还需要进一步的探索。 承包商施工过程得出，p h p 无固相泥浆不适宜循环钻钻孔施工；c m c 膨润土泥 浆能较好适应于水敏性土壤中的钻孔作业；含盐量较高地区的海水不适宜配制膨润土 泥浆。 l o 东南丈学碰论文 1 2 南京大胜关长江大桥地质条件及6 # 主墩桩基础概述 ( 1 ) 南京大胜关长江大桥地质条件 南京大胜关长江大桥位于南京长江大桥上游约2 0 公早处。人胜关长汀大桥是京 沪高速铁路客运专线的控制性工程，也是沪汉蓉快速铁路通道及南京铁路枢纽的重要 组成部分并同时搭载南京市双线地铁。 图1 - 1 南京枢纽总布置示意图 图l o 南京太胜关长江大桥主跨效果圈 大桥主桥在地貌上由北向南，从长江低漫滩逐渐过渡到河槽浅水区、主河槽深泓 区、南岸高漫滩区。地面( 河床面) 高程64 6 4 26 7 m ，覆盖层厚1 1 3 4 74 8 m ， 两岸厚而河槽薄。覆盖层由上至下分为四大层，第大层为填筑土及全新统河成相最 蒸 i 孽， 百 舻 一 一 第一章概述 新沉积的松散状细砂层，厚度20 2 2 0 m ：第 大层由全新统河成湖沼相地层组 成，上部主要为软塑状粘性土、流塑状淤泥质粉质粘土，下部为中密状细砂，厚91 2 95 m ；其下为第大层，主要由全新统河成相细、中砂组成，呈中密状，局部夹耜 砂或软塑状粉质粘土，厚42 2 57 i l a ；底部为第大层，主要由上更新统河成相中 粗砂、砾砂及圆砾土为主，呈密实状，厚68 2 19 5 m 。酸段下伏基岩为白垩系成岩 程度差的泥岩、泥质粉砂岩，岩质软弱，岩面高程5 27 6 6 14 3 m 。基岩风化带厚度 变化较大，一般在基岩破碎带或节理裂隙较发育地段较厚，其它地段相对较薄。 地质断面如f 图所不： 缒鏊鬣露懋 d il 图1 - 3 南京大胜关长江大桥桥址地质断面 表1 - 2 大胜关大柝基础 殳计岩土技术参数建议值 层号岩士名称基本 钻孔桩建议岩石压强篮缩模量 承载力极限摩阻力 或变形模量 o0 e s ( e o ) k p a m p am 中a 1 粉质粘土1 8 0 2淤泥质耪质粘土 9 0 3扮质枯t 4粉砂 5细砂 6圆砾十 1糟质粘_ 十1 7 0 2 1粉砂( 7 ) 2细砂“o ) 翟 东南大学硕士论文 3中砂 3 7 05 5( 1 5 ) 4粗砂 4 3 07 0( 1 7 ) o粉质粘土 3 4 06 57 5 1细砂 3 0 06 0( 2 0 ) 2中砂 4 5 07 0( 3 0 ) 3粗砂 5 0 09 0( 3 5 ) 4砾砂 5 5 09 0( 4 0 ) 5圆砾土 6 0 01 2 0( 4 2 ) 6粉质粘十 1 6 03 55 5 1 w 3强风化泥岩 3 0 05 0( 5 0 0 ) 1 w 2弱风化泥岩 3 5 09 02( 6 0 0 ) 1 w l微风化泥岩 5 0 01 5 04 6( 1 1 0 0 ) 1 一i w 3强风化泥岩 2 5 05 0( 4 5 0 ) 1 1 w 2弱风化泥岩 3 0 08 01 7( 5 5 0 ) 1 1 w 1微风化泥岩 4 0 01 1 02 9( 9 0 0 ) 2 w 3强风化泥质粉砂岩 3 0 0 6 5 ( 5 5 0 ) 2 w 2 弱风化泥质粉砂岩4 0 0 1 1 04 5 ( 7 5 0 ) 2 w l 微风化泥质粉砂岩9 0 02 3 01 0( 1 5 0 0 ) 0 3疏松砂岩 3 5 0 8 0o 6( 8 0 0 ) 4 w 3 强风化含砾砂岩 3 0 07 0( 4 0 0 ) 4 w 2 弱风化含砾砂岩 3 5 08 0( 4 5 0 ) 4 w l微风化含砾砂岩 4 0 08 50 6( 8 0 0 ) 0 5 1 w 3强风化砂岩 3 0 06 5( 5 0 0 ) 5 一l w 2弱风化砂岩 3 5 09 01 9( 6 0 0 ) 5 1 w 1微风化砂岩 7 0 02 0 06 2( 1 2 0 0 ) 5 2 w 3强风化砂岩 3 0 06 5( 5 0 0 ) 5 - 2 w 2弱风化砂岩 3 5 09 0( 7 0 0 ) 0 5 2 w l微风化砂岩 2 5 0 0 3 0 02 4 ( 3 0 0 0 ) 6 w 3 强风化安山岩5 0 0 1 1 0 ( 6 0 0 ) 6 w 2 弱风化安山岩1 0 0 02 0 0( 9 0 0 ) 6 w i微风化安山岩 1 2 0 0 2 5 01 2 7 ( 2 5 0 0 ) 1 w 3 强风化安山岩5 0 0 1 1 0 ( 6 0 0 ) 1 w 2 弱风化安山岩1 5 0 0 2 0 04 9( 9 0 0 ) 1 w 1 微风化安山岩 2 5 0 02 3( 4 0 0 0 ) i 构造角砾夹泥3 0 0 6 5 2 1 破碎泥岩3 5 0 9 0 2 - 2 破碎泥质粉砂岩 4 0 01 0 0 2 3 破碎安山岩1 5 0 0 2 0 0 ( 2 ) 南京大胜关长江大桥甜主墩桩基础概述 南京大胜关长江大桥正桥其中6 # 墩为三个主墩的北主墩，基础采用4 6 根 第一章概述 中28 m 的群桩基础，钻孔桩成纵向5 排，横向1 0 排行列式布置，桩底标高为一1 2 0 0 m ， 桩顶标高为一1 3o m ，桩长1 0 7 m ；钢护筒直径为q b 32 m ，护筒底标高为3 7 o m ，护筒 顶标高为+ 9 0 m ，护筒总长为4 6 m ；圆端形高桩承台平面尺寸为3 4 m 7 6 m ，底面标 高一1 3o m ，顶而标高一7o m ，厚6o m 。 覆盖层为细砂圆砾土，标高一5 9 6 m 左右即进入泥岩层，钻f l 需进入泥岩深度 达6 0 米。这在国内外的桩基旖丁中均属罕见，对钻机的动力方面提出了更高的要求， 施工难度较大。 l n 图1 4础主墩桩基位布置图 蓐j 嵫谣罚i 而m ”| | 兰鎏鲨燮兰 图1 - 5础主墩基础示意圉 14 东南大学硕上论文 从地质资料分析，由于在泥岩地基上大直径超长钻孔灌注桩难以成桩，限制了钻 孔灌注桩在特大桥梁上的施工应用。按照安全、质量优良、经济合理的建设原则，选 择合理的施工方法，研究相应施工工艺和设备，解决设计中难以准确地选择设计参数 问题，是保证大桥施工成败的关键所在。 大胜关大桥施工队伍在厚度达几十米的泥岩层中实践深孔大直径钻孔灌注桩的 施工工艺，指导大规模的桩基施工。同时总结特大吨位基桩施工试验技术，为以后的 大吨位基桩施工提供可以借鉴的经验、方法，为不断推迸我国桩基工程稳步向前发展 积累技术资料。 图l _ 6硎主墩桩基钻孔桩施丁工艺流程 1 3 南京大胜关长江大桥主墩桩基建设条件 南京大胜关长江大桥位于长江顺直河段，桥位两岸的岸线、航槽稳定，水文、地 质条件较好，两岸防洪大堤之间宽约2 8 k i n ，桥址处常水位河道宽约1 6 k i n ，具备良 好的建桥条件。 ( 1 ) 气象 第一章概述 南京位于北亚热带向中亚热带过渡气候带，春季风和日丽，夏季炎热，秋高气爽， 冬季寒冷干燥。历史最高气温4 3 、最低气温1 4 2 ，多年平均气温1 5 4 ；年最 多有雾日6 9 天，年最少为1 2 天，年平均2 7 3 天；年平均雨日1 1 8 8 天，多年最大 1 8 2 5 8 m m ( 1 9 9 1 年) ；年最大积雪厚度为5 1 c m ( 1 9 5 5 1 1 ) ，最大冻土深度为9 c m 。 台风影响集中在5 - - 1 1 月。最大1 0 分钟平均风速2 5 o m s ( 1 9 7 4 6 1 7 ) ，历年极大瞬 时风速3 8 8 m s ( 1 9 7 4 6 1 7 ) 。 ( 2 ) 水文 根据实测大胜关潮位资料与南京下关潮位站同步观测数据，按平均水面比降推算 了拟建大胜关桥位处的特征水位如下表所示。 表l - 3 大胜关桥位处的特征水位表 项目南京下关潮位站人胜关桥位 多年平均3 3 7 3 6 5 历年最高 8 3 18 7 8 历年最低 - o 3 7o 0 3 桥区所在的南京河段的水流受潮汐和长江径流的共同影响，桥位附近流线较为顺 直，洪水期主流表面最大流速为2 2 8 r n s ，水流与桥轴线法向夹角在3 。；中水期主 流表面最大流速为2 7 5 m s ，水流与桥轴线法向夹角中水期为2 。 表l - 4 大胜关桥位处的特征水流表 设计高潮位 ( m )设计流量( m 3 s )设计流速( m s )频率 8 7 88 5 0 0 02 4 9二十年一遇 9 4 99 5 0 0 02 4 0一百年一遇 9 9 61 0 2 5 0 02 3 4三百年一遇 ( 3 ) 施工冲刷计算 按铁路工程设计技术手册桥渡水文有关冲刷公式进行分析计算，结果如下： 河床标高约：9 0 m 。渡洪水位取+ 8 o m ，流速2 0 m s ，施工水位取+ 6 o m ，流速1 4 m s 。 表l - 5 施工冲刷计算结果 北主墩水位流速局部冲刷后高程水位流速局部冲刷后高程( m ) mm smmm s 5 排4 6 根 + 8 o2 01 8 7+ 6 o1 4 1 7 2 3 2 护筒 3 8 m x 8 0 m 钢围堰 + 8 02 0 3 0 o + 6 01 42 7 7 ( 4 ) 航道 根据南京大胜关长江大桥通航净空尺度和技术标准论证报告，桥址处设计最 高通航水位为8 7 8 m ( 黄海高程) ，设计最低通航水位为0 2 2 m ；桥梁通航净空高度 1 6 东南大学硕上论文 不低于2 4 m ；通航净空宽度，单孔单向不小于2 8 0 m ，单孔双向不小于4 9 0 m 。 ( 5 ) 地震 根据本桥工程场区地震危险性评价报告5 0 年超越概率1 0 的地震基本烈度 为度。 表l - 6 大胜关桥位处的地震情况表 5 0 年超越概率1 0 3 2 地震烈度( 度) 6 57 o7 1 基岩水平峰值加速度 0 0 8 90 1 2 70 1 4 0 1 4 本文的研究目标 ( 1 ) 对钻机性能研究及目标 钻机配置和动力性能要求满足钻孔进入泥岩深度达6 0 多米，避免及延缓深厚泥 岩中钻机的糊钻，确保单桩成孔周期不超过2 0 天。 ( 2 ) p h p 泥浆施工工艺研究目标 对应大胜关大桥主墩桩基泥岩层地质情况进行p h p 泥浆性能的研究，提高泥浆 施工工艺，对钻孔过程中出现的糊钻、漏浆、塌孔等