东海大桥海上大口径超深钻孔灌注桩施工工艺.doc

东海大桥海上大口径超深钻孔灌注桩施工工艺 东海大桥主通航孔钻孔桩直径2500，桩长110m，又属海上施工，施工难度较高，本文详细论述了主墩钻孔灌注桩试桩的施工工艺。1 概述 东海大桥工程是上海国际航运中心的集装箱深水港重要的配套工程，起始于上海浦东南汇区芦潮港，跨越杭州湾北部海域，止于洋山港区一期交接点，工程全长31.5km。由上海建工集团承建的东海大桥标段主通航孔为主跨420m的钢混结合梁斜拉桥，主墩桩基础采用大口径钻孔灌注桩。为验证地质报告提出的相关数据，分析桩侧的分层极限摩阻力和桩端极限摩阻力，并对海上钻孔灌注桩的泥浆级配、水下混凝土级配、成孔、成桩等施工工艺进行验证，故先在Pm336墩外海侧防撞墩内进行试桩。试桩桩径2500mm，桩长 108.5m，桩顶标高3.5m，桩尖标高112m；钢筋笼全长118.55m，底标高111.55m，顶部设计内外双层钢筋笼。桩身内共布置2道荷载箱，分别位于标高110m和66m处。本试桩采用静载试验法桩承载力自平衡测试方法（OTSBURG法）。其原理为：荷载箱内布置大吨位千斤顶，将荷载箱放在桩身指定位置，通过测试直观地反映荷载箱上下两段各自的承载力。将荷载箱上段桩的侧摩阻力经处理后与下段桩端阻力相加，即为桩极限承载力。2 工程地质条件2.1 根据地质资料，试桩位置大致地层情况如下：土层层号地层名称层厚(m)土层描述标贯击数1淤泥质粉质粘土5.4夹较多薄层砂，土质极软1淤泥质粘土9.75夹少量薄层砂，水平层理发育1粘土5.4局部有粉细砂夹层粉质粘土2含氧化铁斑，下部变为砂质粉土1-1砂质粉土5.65土质不均，局部夹少量薄层粘性土28.51-2粉细砂10.25夹薄层粉质粘土，局部含25cm砾石39.32粉细砂32.5局部含少量15cm砾石，下部夹薄层粉质粘土及粉土61.1含砾中粗砂8.4夹较多薄层粉砂，含有5cm厚的半腐木材62.2粉质粘土11.4夹粉土，局部为坚硬状态，下部含有40mm砾石3711-1粉细砂13.3夹少量粉质粘土及粉土70.42.2 影响成孔主要地层2层粉细砂标贯击数大于60，相当密实，且该层厚度达3233米，是全孔钻进耗时最多的地层。须严格控制泥浆的含砂率，减少孔内沉渣厚度。层粉质粘土局部呈坚硬状态，下部有粒径达40mm的卵砾石，且埋置深度较深。11-1层含砾粉细砂，标贯击数基本上都在6080，桩端进入该层10米以上。3 施工工艺和设备的选择3.1 施工工艺的选择根据地质资料，结合试桩的设计和设备情况等因素，钻孔灌注桩施工采用回转钻进、泵吸（气举）反循环为主的成孔工艺，水上自动拌和船搅拌砼、泵送水下混凝土灌注工艺。3.2 成孔设备的选择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，选配郑州QJ-250型钻机（底盘直径3000mm，扭矩120KN.m，额定功率135kw），洛阳九久公司双壁大通径（273mm）高强度抗扭气举钻杆。钻头选用防斜梳齿钻头（刮刀钻头），根据计算钻头配7t配重块，以防止孔斜与提高钻进效率。另外再备用一只牙轮滚刀钻头。4 试桩施工方法4.1 试桩施工平台本工程钢平台采用预制导管架现场安装、在导管内打设钢管桩、上面铺设甲板层形成，钢平台顶标高+9.07m，平面尺寸42.430m，试桩施工即在导管架钢平台上进行。4.2 钢护筒设计施工根据地质资料计算，为隔离海水，并能形成一定的静水压力，以保护孔壁免于坍塌，钢护筒埋置深度应不少于11.5m。为防止海水冲刷造成埋置深度减少，以及抵抗波浪力会相应产生的静水压力，决定钢护筒入土深度为18m，持力层为1层（粘土层）。试桩钢护筒在施工时不承受竖向荷载。设计钢护筒内径2800，壁厚16mm，上下两端1m范围设14mm厚加强箍。护筒长度为38m，顶标高+9.07m（与钢平台标高一致），整根加工、吊装。根据设计要求，在护筒顶部往下5m13m范围内采取防锈措施（涂600m重防腐涂料）。钢护筒用定位架作导向，用350t浮吊挂D100柴油锤“吊龙门”施打。下沉好的护筒，与施工平台连接成整体。钢护筒实际锤击数为18击，平均贯入度约1m，最终贯入度20cm左右。4.3 钻孔4.3.1 泥浆配制方案泥浆采用淡水配置。由于粘土层较厚，在钢护筒内进行自然造浆，利用反循环钻进，直接把护筒内的钻渣抽出孔外，出护筒后根据泥浆性能在砂质粘土层或粉细砂层中利用反循环进行人工造浆，同时加入纯碱对膨润土进行钠化改良。设计泥浆比重为1.10左右，粘度在2328秒左右，加碱量为膨润土量的5%。每方泥浆配制比例为（膨润土和纯碱的掺量根据泥浆性能进行动态调整控制）：水（kg）膨润土（kg）纯碱（kg）9081839钻进过程中，泥浆比重控制在1.101.25，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，稳定孔壁，满足反循环施工工艺的要求；粘度控制在2025秒，以满足钻进护壁和二次清孔的要求；PH值维持在89左右，使泥浆处于碱性状态，提高粘土的分散度。4.3.2 钻进参数在护筒内钻进时钻机的转速控制在14转以下，使进尺速率保持在0.81.2m/h之间，特别是在开孔钻进时控制在0.8m/h以下；在钻头出护筒至第层钻进时转速和钻压不宜太高，进尺速率可稍快，当进入第层粉质粘土时，加大钻压；在第层以下砂性土为主地层中钻进时，在保证悬吊钻进的前提下保证孔底有最大的钻压，粉细砂层的转速提高到21r/min，在含砾中粗砂层和下部的粉质粘土中钻进时，一定要防止钻具有较大的晃动，以免扩孔，同时根据孔内泥浆性能的变化不断进行补浆调整。4.3.3 泥浆循环系统为满足泥浆循环，施工过程中配备一艘1000t泥浆船运装淡水和储放沉渣，平台上放一个30m3泥浆箱进行循环。泥浆循环系统为：吸出的泥浆通过三通（造浆用）和出浆管接到泥浆箱上方的过滤网上，过滤后的泥浆流入泥浆箱内，泥渣则通过出渣槽流到泥浆船上；泥浆箱内的泥浆一部分直接流入孔内，一部分通过四台3PN泵抽到两台旋流除砂器内进行除砂后由旋流出浆管流入孔内，经除砂器分离出的废渣则排入泥浆船。泥浆循环系统示意图经实测，经旋流除砂器的泥浆比未经旋流除砂器的泥浆，其泥浆比重可降低0.010.02，砂率可降低2%3%。因此，在泥浆池和沉淀池容量有限的情况下，使用旋流除砂器可较大幅度地降低泥浆比重和砂率。4.3.4 钻进时水头高度控制由于钢护筒埋置深度较大，经计算，施工过程中即使液面与钢护筒顶标高一致亦不会造成反穿孔现象。施工海域潮涨潮落变化较快，潮差超过3m，故钻进施工过程中，护筒内液面高度一般控制在5.06.0m左右，水头高度为3.2m（高潮位）7.3m（低潮位）。4.3.5 荷载箱位置钻进时的控制荷载箱外径2300，内口直径690，导管外径314（导管接口达380）。由于间隙较小，在荷载箱处混凝土可能很难泛上来。为此，我们在荷载箱位置钻进时适当控制钻进速度，增加钻进时间，有意在该处地层造成扩孔。成孔后孔径检测表明，在两道荷载箱处钻孔直径分别为：2800（荷载箱1）2600（荷载箱2）。4.3.6 各地层钻进时间分析土层层号地层名称层厚（m）纯钻时间（分）钻进速度（分/米）1淤泥质粉质粘土6.138863.61淤泥质粘土823629.51粘土8.157571.0粉质粘土2.4466194.01-1砂质粉土1.8237131.71-2粉细砂11.715813.52粉细砂34.581023.5含砾中粗砂5.122143.3粉质粘土13.51380102.211-1粉细砂1036536.5从上表可以看出，进尺较慢的地层主要为：两层粉质粘土层（层和层）、砂质粉土层（1-1层），特别是第层，平均三个小时进尺不到1m，最小进尺为29cm/时。粘土层不仅十分坚硬，而且粘度很大、易堵管，给进尺带来极大困难，施工时应控制钻进速度，降低泥浆比重和粘度。相比之下，粉细砂层和含砾中粗砂层进尺较快，但钻屑易悬浮沉淀，不易清除，钻进时应提高泥浆的粘度，增强携砂能力，并应定时停钻循环除砂。4.3.7 成孔检测结果设计孔径(mm)2500设计孔深(m)121.07检测最大孔径(mm)3036检测孔深(m)121.20检测最小孔径(mm)2500垂直度0.52%检测平均孔径(mm)2650沉渣厚度(cm)18扩孔位置均在粉细砂层中，粘土层扩孔较少，第层甚至刚刚达到设计直径。试桩检测结果表明，该桩成孔质量较好，各项指标均符合规范要求。4.4钢筋笼制作安装4.4.1钢筋笼制作钢筋笼全长118.55m，分十节制作，采用挤压套筒连接，故要求主筋长度一致（误差应控制在10mm以内），间距统一，接头断面平整，并且接头断面与钢筋笼身垂直。为此，试桩采用定位架主筋成型法制作钢筋笼：用18mm钢板按外圈钢筋笼外径加工成半圆的定位架，按加强筋间距布置，定位架上按主筋间距焊接限位，用以定位主筋位置。将主筋切割至同一长度后摆放在定位架上，把加强筋垂直立在定位架上的主筋上面，随后将其余主筋按设计间距布置在加强筋上，将箍筋环绕在主筋外侧并点焊，最后安装内层钢筋笼，完成钢筋笼骨架的制作。外层主筋、加强筋和箍筋采用点焊连接；内层主筋和加强筋在制作时采用绑扎，待孔口对接完成后再行焊接。为缩短孔口对接时间，将内侧主筋的一端事先进行挤压，外侧主筋则只挤压48根对位钢筋。4.4.2 荷载箱、位移管和钢筋计安装在荷载箱位置将主筋断开，并围焊于荷载箱上下钢板上。8根位移管分别围焊在两个荷载箱钢板上。声测管和位移管均与钢筋笼绑扎固定。根据钢筋计位置翻样，选择声测管附近四根主筋，在设计位置割断50cm，把钢筋计安装到割断位置并与主筋点焊连接，最后将缆线一头连接到钢筋计上。4.4.3 钢筋笼孔口安装钢筋笼采用两点吊，吊装设备为100t履带吊，把杆长度30m，最大起重能力达60t。制作一个钢筋笼固定架，挂4个20t手拉葫芦，用以悬挂已完成下放的钢筋笼。用手拉葫芦微调下节钢筋笼，使其与吊机吊住的上节钢筋笼的所有主筋完全对中。依次焊接位移管内管、外管和声测管，最后进行挤压连接。对接完成后，将声测管、位移管、内侧主筋焊接在钢筋笼上，按设计要求安装混凝土保护层垫块，环绕箍筋，并把钢筋计缆线和荷载箱油管每2米左右绑扎在主筋上。钢筋笼下完后，用六根32钢筋将钢筋笼焊接挂在钢护筒上。4.4.4 套筒挤压钢筋连接时在钢筋上划出明显的定位标记（套筒长度的一半），挤压前按标记检查钢筋插入套筒内深度。挤压时挤压机与钢筋轴线保持垂直，挤压以套筒中央开始，并依次向两端挤压。挤压操作时采用的压力、道数应符合各种规格要求：规格压力值(MPa)单边压接道数套筒长度(mm)32505551954.5 水下混凝土灌注4.5.1 下导管、二清导管壁厚7mm，内径273，采用丝口连接。共下导管482.5m=120m ，加上小料斗下放入孔0.7m，导管总长度为120.7m，混凝土浇筑前导管距孔底0.4m。导管下放完成后进行二次清孔。混凝土浇筑前检测泥浆指标为：比重1.14，粘度21秒（经旋流除砂器为20秒）、20秒，砂率0.8%，沉渣厚度150mm。4.5.2 混凝土级配试桩混凝土为水下C30级抗渗混凝土。根据设计要求，该混凝土必须控制氯离子扩散系数和电通量，同时，水泥和粗骨料也必须控制氯离子含量。混凝土级配如下表：水泥水砂石粉煤灰矿 粉外加剂中砂525mmP621每(m3)用量(kg)2201956801000901501.85初凝时间10时40分终凝时间13时20分Cl含量0.06%试配28天强度：44.7Mpa，电通量：1089库仑。4.5.3 混凝土灌注根据实际孔径计算，初灌量不应小于13m3，我们在灌注时采用双料斗，大料斗11m3，采用侧边开口，小料斗2m3，直接连在导管上，用100t吊车吊住，混凝土用球胆进行隔水，上覆盖板，盖板用钻机上的卷扬机牵引。拌制2m3砂浆和11m3混凝土装满两个料斗，并备4m3混凝土料。同时开启大小料斗，并立即用布料管连续供料，故实际初灌量大于13m3，实测初灌导管埋深为1.4m。初灌混凝土坍落度为2022cm。混凝土灌注过程中应严格控制导管埋深。由于孔深较大，混凝土顶面沉渣必定很厚，故导管埋深不得小于2m；最大埋深宜控制在89m，以能拔出两节导管为宜。导管拔出荷载箱时，要求操作人员放慢速度，防止导管挂荷载箱。混凝土灌注总方量为620m3，灌注桩顶标高为1.33m。灌注情况见下表：序号砼柱高度(m)灌注方量(m3)每米灌注量 (m3/m)充盈系数16498.171.67212.5675.361.09317.6895.061.0344256.251.28516.5955.761.1864.5255.561.1372211051.02853061.22911605.451.111011.6706.031.23合计110.7620根据计算，试桩混凝土充盈系数为1.14，平均桩径为2660。桩底充盈系数较大，据推算平均直径不小于2800，较好地保证了混凝土能顺利灌注。混凝土灌注结果与孔径检测结果基本接近。混凝土灌注质量较好。5 施工过程中存在的主要问题5.1 堵钻堵钻主要发生在层、层及层中，均为粘土层，原因为粘土层粘度较高、较为致密，钻取的渣样中存在不少未离散的泥块。我们采取的措施主要为：适当控制钻进速度；改变泥浆性能，降低泥浆比重和粘度，同时防止泥浆突变。5.2 钢筋笼孔口安装时间过长钢筋笼孔口安装总耗时61.5小时。其中，第八、第九节钢筋笼（主筋数量分别为100根、120根，分内外两圈）对接用时都超过半天，主要原因是钢筋笼结构太复杂，对接主筋数量较多，钢筋笼对位和挤压用时较长。钢筋笼孔口对接的滞后会影响到孔位安全和混凝土顺利浇筑。6 试桩施工成功实践6.1 合理设计钢护筒钢护筒要有一定的埋置深度，并应高出水位一定的高度。