东海大桥近岛段工程海上钻孔桩施工.doc

东海大桥近岛段工程海上钻孔桩施工 万 琦i收稿日期：20050428 作者简介：万琦(1981)，男，2005年毕业于武汉理工大学材料与检测专业。 i，刘晓霞1，戴荣锋1，郑 机2 (1.中铁大桥局集团第二工程有限公司，江苏南京210015； 2.中铁大桥局集团有限公司，湖北武汉430050) 摘要：东海大桥标近岛段钻孔桩共有2.0m、2.5m、3.0m三种不同桩径，在浪高流急、风大涌强且覆盖层较浅、基岩强度极高、岩面倾斜较大的海域内进行钻孔桩施工，对于钢护筒的插打与固定、钻机的选型、钻孔桩的钻进及斜岩面的处理等方面与内河相比均有特殊之处。介绍海上钻孔桩施工的方法。 关键词：钻孔桩；覆盖层浅；岩面倾斜；基础施工 中图分类号：U443.154；U445.4 文献标识码：A Construction of Bored Piles over Sea forDonghai Bridge Close to Island Side WAN Qi1，LIU Xiaoxia1，DAI Rongfeng1，ZHENG ji2 (1The 2nd Engineering Co.，Ltd.，China Zhongtie Major Bridge Engineering Group，Nanjing 210015， China；2China Zhongtie Major Bridge Engineering Group Co.，Ltd.，Wuhan 430050，China) Abstract：The bored piles of Contract III of Donghai Bridge close to island side have three kinds of different diameters of 2.0m，2.5m and 3.0m.The piles are constructed over sea where the waves are high and huge，current is swift，wind is strong，and the overburden on the seabed is shallow，the bed rock is extremely hard，and rock surfaces tilt a lot. Compared to the construction of bored piles over river，the construction of the piles of the Bridge is quite exceptional in aspects of setting，fixing of the pile steel casings，selection of boring machines，boring operation and handling of the tilting rock surfaces. In this paper，the methods for construction of the piles over sea are described. Key words：bored pile；shallow overburden；tilting rock surface；foundation construction 1 工程概况 东海大桥位于杭州湾口东北部，舟山群岛西侧，西起始于上海南汇区的芦潮港镇南汇咀，东至浙江省舟山市嵊泗县小洋山岛，跨越杭州湾北部海域，在浙江省嵊泗县崎岖列岛中大乌龟岛登陆，沿大乌龟山、颗珠山岛至小城子山小洋山港区一期交接点。 东海大桥标近岛段里程为K26+689.000K27+579.000，墩号为PM444PM459，工程项目包括钻孔桩、承台、墩身和PM451PM459墩850m顶推梁，结构形式为多跨连续箱形梁。东海大桥标近岛段钻孔桩施工分为2种情况：PM454PM459墩为筑岛围堰施工，PM444PM453墩为导管架、钢管桩施工平台施工钻孔桩。全桥钻孔桩共181根，其中海上钻孔桩施工149根：2.0m钻孔桩96根，2.5m钻孔桩45根，3.0m钻孔桩8根。 2 地质、地貌 地貌：标段近海桥区海域水深825m，沿桥轴线水深逐渐减小，直到大乌龟岛基岩露出水面。 大乌龟岛基岩裸露、岸壁陡峭。桥轴线与岩壁基本平行，地形条件较为复杂，岩面倾斜度较大。 地质：覆盖层以潮流形成的淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土为主，呈灰色、灰褐色，流塑软塑状，夹粉沙和粉沙薄层及沙性土，含云母有机质及碎贝壳，天然含水率平均为42.4%，大于液限(31.9%)，深度在0.825m不等。岩石，岩面表层1030cm为中风化花岗岩，往下为微风化花岗岩；微风化花岗岩主要矿物为钾长石、黑云母、白云母，节理裂隙不发育，未穿透，岩心致密、坚硬，少量长石、云母蚀变，其单轴抗压强度最大值为192.9MPa(饱和)。 3 钻孔桩施工准备 海上钻孔桩施工前，先搭设施工平台。钻孔施工平台由导管架、定位桩、桩顶分配梁、桩间横向联接系、平台贝雷梁等部分组成，施工前必须按程序要求进行技术交底，并填写技术交底记录。 由于大乌龟岛处水流较急、多变，为防止局部冲刷影响钢管桩的承载力，钢管桩周围已采取基床抛石进行防护，施工过程中要定期测量钢管桩周围河床面标高，冲刷超过允许程度时，需在钢管桩周围重新抛填片石或砂包。 泥浆由良好的制浆粘土外加一定量碳酸钠或烧碱，或掺用膨润土配制，并由试验工程师反复试验，做出合理的配合比；在制浆和钻孔的过程中，试验人员要经常检测泥浆的各项指标，使之符合钻孔要求，不合格应及时调整。 4 护筒插打 为确保钻孔桩质量，采用钢护筒插打至岩面进行钻孔桩的施工。 主墩钢护筒使用DZ150振动打桩机进行插打，并利用300t浮吊或墩位处塔吊或履带吊分段接长插打。由于桥位处地质状况参差不齐，且覆盖层多为流塑状态淤泥，稳桩能力极差，现要求钢护筒插打至基岩顶面。为保证钢护筒的精确定位和垂直度要求，在平台桁架上安装护筒导向装置，中心线与桩位中心线保持一致，误差50mm。护筒插打至设计标高，在护筒上安装支承环，检查合格后方可摆放钻机。 护筒插打过程中，应随时观察其贯入度，当贯入度小于5cm/min时停振并分析原因，判定是否到达岩面，严禁强震久震，以免护筒口卷边，为钻孔桩的施工埋下隐患。 5 钻孔桩施工 由于东海大桥施工的特殊性，根据海上钻孔桩施工钢筋与混凝土防腐的要求，水中墩钻孔桩须采用淡水拌制泥浆。由于泥浆的作用是防塌护壁、浮碴清孔，以确保钻孔桩的正常进尺，根据桩位处地质资料，覆盖层多为淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土，在开孔初期，利用覆盖层内海泥造浆，直至设计标高，清孔时用淡水泥浆将海泥造浆置换出来。置换时，先将进浆管伸至孔口不断将淡水泥浆补入，同时出浆管路将海泥泥浆从孔底不断地抽出，循环往复，直至清孔的泥浆、沉碴等各项指标满足规范要求。 5.1 钻机选型 由于该桥墩位处基岩强度高，且岩面倾斜较大，针对本桥主墩钻孔桩桩径、桩长以及地质状况的特殊情况，为了合理地安排工期，并保证钻孔桩的顺利进行，故选用砸机为主、旋转钻机为辅的钻机选型模式。 5.1.1 钻机选型 对于岩面倾斜较大的孔位，采用冲击钻机施工。冲击钻孔主要工序及注意事项如下。 为防止冲击振动使邻孔壁坍塌或影响邻孔刚灌注混凝土的凝固，应避免相邻两孔同时开孔；待邻孔混凝土灌注完毕，一般经24h后，方可开孔。 开孔前应在护筒内投入粘土，投入方量与粘土质量有关，一般按护筒内水体积的1.1倍投入，用钻头高频率低冲程造浆。 对于覆盖层深、护筒未打至岩面的情况，护筒底下的一般土层最易在钻孔时坍塌。因此，在该阶段应以加固护筒下土层为主要目的。 对于护筒下土层稳定性良好，岩面较平缓的孔位，也可采用“浓泥浆、低冲程，不投片石，一次冲砸”的办法直接通过该地段。 钻孔时，操作人员要察看钢丝绳回弹及回转情况，耳听冲击声音，借以判断孔底情况。停机时应将钻头提起，防止沉碴埋钻。墩位处应常备打捞钩，一旦掉钻或卡钻，必须及时处理。 为保证孔形圆直，防止出现“十字槽”，冲孔过程中，应不断变化冲程。钻进中应常用检孔器检孔，更换钻头前必须经过检孔。 在冲击成孔过程中，为提高成孔效率，应经常清碴，保证在冲程范围内钻头能够以最大的冲击力冲击新鲜岩层。 注意保持孔内超压。为防止塌孔，在整个钻孔过程中，任何时候都必须保持孔中有稳定的水头压力。一般孔内水位宜比孔外水位高出1.52.0m，当孔外水位发生变化时，应密切观察孔内水位变化及测量孔深，检查孔壁有无破坏，若发现问题及时采取措施处理。 对于地处倾斜岩面的桩位，采用回填片石、反复冲砸的方法，严禁钻头直接锤击倾斜岩面，防止提钻时反复撞击护筒，造成护筒筒壁破裂、漏浆，影响钻孔桩质量。 5.1.2 旋转钻机 对于覆盖层较深、岩面较平坦的孔位，采用旋转钻机开孔钻进。 根据该桥址处的特殊的地质状况，施工时配备了3种机型的旋转钻机：RC300型钻机、KTY3000B、KPG3000A型钻机，用以施工2.5m、3.0m钻孔桩。所选钻机特点为：扭矩较大，在200350kNm之间，配重较大，破岩能力较强，在处理高强度基岩方面已取得较好的证明，正常情况下平均达到12d/孔。 旋转钻机钻孔注意事项： 开孔初期，采用正循环成孔工艺进行钻孔，对于护筒未至岩面的孔位，当钻至护筒下34m时，则可改用反循环成孔工艺继续钻进，以缩短成孔时间。钻至护筒底口附近地层，若处理不当，易发生坍塌、管涌等现象。宜采用“浓泥浆、低转速”钻进，确保孔壁的稳定。 钻进过程中，需根据地层土质情况选择合适的转速减压钻进，并控制泥浆指标和循环量。在砂性土中钻孔，若转速较大，会对孔壁垒造成一定冲刷，使扩孔率加大，因此应控制其线速度。在中、微风化岩层宜保证钻压不小于3040kN/刀。 在钻孔过程中，要严格控制钻孔泥浆面的高度，通过控制排碴速度和泥浆供给量，保持孔内泥浆面高于护筒外水位24m。 钻机使用过程中，须经常检查接头法兰盘和连接螺栓，若有损坏及时处理，防止掉钻。 钻进过程中经常测量钻杆垂直度，要求倾斜度小于1%，并做好钻孔记录。5.2 主要施工方法 5.2.1 PM445光板裸岩墩施工 对于PM445光板裸岩墩，采用围堰法十钢护筒群导管架整体大封底的方案进行施工。 PM445墩为裸岩墩，结构为8根3.0m钻孔桩。将导管架与钢护筒群整体下放，围堰侧板固定在导管架四周。为了使围堰封底效果显著，在围堰内、外侧抛填碎石袋或混凝土袋以进行下底口堵漏，并在围堰内灌注封底混凝土，使之与基岩充分结合以形成稳定的施工平台，然后安装钻机进行钻孔桩施工。 由于该墩无覆盖层且经过海底爆破后基岩相对较为平坦，且桩径较大(3.Om)，所以该墩采用扭矩大、破岩能力强的KPG3000A旋转钻机直接嵌岩，效果较为显著，据统计该墩成孔记录为10d/孔。 5.2.2浅覆盖层倾斜岩面的处理 对于浅覆盖层倾斜岩面的处理，采用人造覆盖层+钢护筒插打至岩面+回填或封底钻进的方法。 以PM446墩为例，PM446墩结构为15根2.5m钻孔桩，因南侧靠近小乌龟岛，地形、地势走向复杂，覆盖层浅，岩面倾斜大。根据地勘资料显示，覆盖层厚度为0.86.1m，以淤泥质粉质粘土为主，岩石属于微风化花岗岩，强度为标近岛段最高；岩面高差大小不一，桩内(2.8m钢护筒面积范围内)岩面高差最小为0.45m，最大达2.51m。 具体处理方法如下。 针对流塑性浅覆盖层稳桩能力差的特点，为更好的支撑和稳固钢护筒，在原海床基础上进行人造覆盖层。在浅覆盖层的钢护筒范围内进行大面积的抛填，抛填分2次完成。第1次抛填在钢护筒下放前进行，采用袋装的砂浆，砂浆强度不宜过大(约5MPa)，高度为23m，不阻碍钢护筒插打至岩面；第2次抛填在完成钢护筒插打后进行，抛填高度为45m。抛填前应对墩位处水流的流速、流向进行测量，以判断其漂距。 倾斜岩面的处理。采用钢护筒插打至岩面的方法，对于岩面倾斜度较小、且护筒底口与倾斜岩面接触处开口较小者，可依据地质资料或潜水员水下探摸，将此处的钢护筒做成刃脚的形式，以使钢护筒与岩面更好的接触，以减少钻进中出现的塌孔、漏浆等情况；护筒插打到位后，及时进行与导管架及护筒间连接，分上下两层，并在中间加设斜向连接，使单个护筒成为护筒群，并与导管架形成一个整体，增加护筒稳定性，见图1。图1 钢护简做成刃脚形式 针对不同钻具采用不同的措施对倾斜岩面进行如下处理： 冲击钻机。对于倾斜岩面的处理，用冲击钻是较为合适的钻具。在钻机钻至岩面时，抛投片石及粘土，片石粒径2080cm为宜，强度应接近岩石强度(10MPa)，需多次回填，反复冲砸，每次回填标高高出岩面12m，首次回填量应较大，高出岩面23m，通过冲击，使片石与岩面在同一平面上，钻头与岩面接触时受力均匀，从而减少对钻头的损伤，防止斜孔、偏孔等事故的出现；另一方面，通过反复的冲砸，将部分片石从护筒底口挤出，与护筒外侧的覆盖层冲挤密实成坚硬的孔壁，有效防止了塌孔、漏浆现象的发生，保证正常钻进，见图2。 此主题相关图片如下：图2 抛石冲砸处理斜岩面 旋转钻机。旋转钻钻进坚硬岩层效率较高，但遇斜岩极易产生斜孔，如遇岩倾斜度过大，则无法施工，这一矛盾可用内封底的方法解决。在覆盖层用冲吸反循环钻机或回旋钻机或吸泥机等方式将覆盖层处钻碴清吸干净，然后进行护筒内浇注混凝土，混凝土封至进入护筒12m，龄期35d，待混凝土强度达到85%以上时，重新钻进；另外，封底时，将护筒内水头加至顶口，比外侧水头高出57m，从而使内外产生压力差，使新浇混凝土从护筒与斜岩间的开口处流出，在护筒底口四周形成护壁，有效防止了塌孔、漏浆现象的发生，见图3。图3 护筒口灌注封底混凝土处理斜岩面 在钻进过程中，如果经过抛投片石及粘土反复冲砸挤紧孔壁以及封底堵漏的方法处理后，仍存在漏浆现象，可采用内套护筒，在钻进过程中跟进的方法。护筒内径大于桩径510cm，长度应保证跟至平岩后，顶口进入大护筒0.51.0m。当钻机部分进尺后，即将内套护筒进行跟进，一般可分两次跟进，每次跟进后，孔位中心线将产生25cm的偏移，可将钻机略作调整，回填或封底后再钻。 5.2.3