石忠高速南主塔墩基础施工技术

石忠高速南主塔墩基础施工技术

1桩基、承台和流速施工史忠高速公路忠县大桥位于忠县县城8公里处。主桥为205m460m205m。经过完全的浮动系统，平台顶部的上述桥墩高度为247.5米。南主塔墩基础为低桩承台结构,由19根直径3m的钻孔灌注桩及圆柱形承台构成,钻孔灌注桩桩长37m,承台直径为33m,高6m。采用双壁自浮式钢围堰进行桩基和承台的施工,桩基施工时在36m直径钢围堰顶部搭设钻孔平台,采用冲击钻成孔工艺。该墩基础布置及施工编号见图1。2003年6月三峡水库蓄水至+139m(吴淞高程)后,水面加宽,水流平缓,桥址水位在+136.77～+138.18m间变动时,江面宽约1160m,水深约17m。2003年7月对桥区河段进行流速流向等观测表明,主流线顺直,表面流速在1.2～2.1m/s之间,桥轴线附近表面流速在1.5～1.7m/s之间。南主塔墩位于长江河床中部,覆盖层为卵石,最大直径16cm,多为5～12cm,卵石间空隙由细-粗砂充填,主要为细-中砂,厚度3.0～5.3m,顶面高程+119.74～+120.68m,顶面坡角2°～4°。2施工条件和重点难点分析2.1施工条件总结2.1.1地质条件(1)顶面高程和岩块天然抗压强度根据地质勘测资料,南主塔墩位区下伏基岩为侏罗纪上统蓬莱镇组(J)紫红色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及细砂岩。强风化粉砂质泥岩顶面高程+114.72～+117.16m,层厚0.40～6.80m;弱风化细砂岩层厚4.41～8.50m,岩块天然抗压强度为57～70MPa;弱风化泥质粉砂岩层厚3.94～8.99m,岩块天然抗压强度为31MPa;微风化细砂岩层厚大于16.99m,岩块天然抗压强度为51～71MPa。具体地质分布见表1。(2)砂卵岩干吸泥长度在围堰下沉和封底混凝土的实施中,通过潜水员对河床底部进行实探中,发现在北侧两排桩位处河床面斜向贯穿有一条V形槽,沉积密实的砂卵石用大功率吸泥机长时间均无法完全吸除。沉积密实的砂卵石带大致分布见图1中平面的阴影部分。2.1.2施工环境条件在桩基施工时,钢围堰已经下沉就位,封底混凝土浇注完成。钻孔平台在围堰顶面搭设而成。2.1.3水面宽度长江由南向北流经桥位区,三峡蓄水至+139m(吴淞高程)后,水面加宽,水流平缓。根据长江三峡委员会安排,2006年6月要完成三峡三期蓄水,蓄水最高水位为+154m,比钢围堰顶口标高高出3m多。2.2成孔时间及期望时间该项目在前期的施工中,在36m超大直径的钢围堰下沉封底后,钻孔桩的实施时已是2005年12月,后续承台和+154m以下的22.22m墩身施工需约3个月时间,即桩基础的施工容许时间不到4个月,而桩基的施工关键在于成孔环节。桩基采用冲击钻成孔工艺。对于三峡库区的特殊地质和施工环境,其实施的重难点主要在设备选型,以及结合特殊地质情况和施工环境采取特殊的工艺和有效的工法,以确保整个群桩基础各桩成孔的顺利实施。(1)基岩面和岩面面冲孔设备的选型,主要考虑桩径、桩长、地质构造和岩石强度。该墩位3m的特大直径,桩长37m,基岩面以下部分约30m,天然抗压强度为51～71MPa的岩石约占20m。选择多大型号的钻机、冲击锤和配套钢丝绳成为桩孔冲击效果和进程的最重要因素。(2)重型设备起重设备主要考虑在钻机选型确定后,能保证钻机及桩锤在施工区域的吊装和转运需要,吊距和吊重为主要选型参数。(3)平台施工施工平台的设计主要考虑钻机自重、桩锤冲击时产生的动荷载和施工辅助工器具等普通荷载;另外平台的设置高度也要考虑桩孔冲击冲程影响。(4)施工工艺施工工艺的设计上,主要考虑特殊地质情况,河床局部高低不平,不同构造岩石强度分层明显,在开孔、冲程环节需要及时进行动态调节。(5)石带冲孔的控制该墩位的一条从上下游贯穿基础区域的V形沉积密实砂卵石带,在开孔冲击后将成为最不利因素,V形槽深度前期难以准确把握,在冲击振动作用下易造成塌孔、串孔等问题,如何采取措施进行处理成为冲孔能否顺利实施的控制因素。(6)解决问题对冲击钻成孔工艺,常见问题主要有钢丝绳拉断、掉锤、卡钻、塌孔、串孔等。针对常见问题,采取应急预案,确保在问题出现后能及时地得到解决。3挖掘机设备的选择结合3m的特大直径桩孔、37m桩长、基岩面以下部分约30m、岩石天然抗压强度最高达71MPa的技术需求,对钻机进行选型。3.1worm类型钻机主要性能参数见表2。3.2桩锤的结构特点,为采用十字冲锤,单锤重量11t,十字形状,外径为2.98m,桩锤底面交错布置合金钢锤牙。桩锤的结构示意见图2。钢丝绳采用优质镀锌18×7-36型钢丝绳。4工艺设计和措施4.1根桩冲孔情况根据不到4个月的桩基施工工期压力,考虑前期准备、混凝土浇注和后期拆除工作,结合相邻桩不同时开孔的原则,19根桩总体上按两轮冲孔完成。钻孔顺序为:第一轮:10-1号,10-3号,10-4号,10-6号,10-8号,10-12号,10-14号,10-16号,10-17号,10-19号。第二轮:10-2号,10-5号,10-7号,10-9号,10-10号,10-11号,10-13号,10-15号,10-18号。4.2单孔工艺结合冲击钻成孔施工方法,采用泥浆反循环除渣,气举反循环清孔施工工艺。4.2.1基岩微胶囊岩微胶囊技术根据桩位地质情况,部分桩位开孔处存在砂卵石层,开孔段基岩为强风化层,而桩孔大部分为完整岩层,泥浆的护孔作用主要是保证开孔段不产生塌孔,还需满足排渣需要,泥浆技术指标主要考虑相对密度,具体参数见表3。4.2.2除渣工艺的配置除渣清孔系统主要清除冲孔产生的岩石碎渣和可能出现的卵石,主要用准300mm导管配置20m3的大功率空压机组成,采用气举反循环清孔的除渣工艺。4.2.3冲孔程序控制结合开孔段不良地质和岩层强度分层明显的特点,单孔冲孔过程中进行以下控制:(1)反复冲击造浆:护筒底脚以下文开孔具有导向作用,因此开孔的孔位必须准确。开钻时向护筒内直接投入粘土,用冲击锥以小冲程反复冲击造浆。护筒底脚以下2～3m范围内强风化层岩石比较松散,采用浓泥浆、小冲程、高频率反复冲砸,使孔壁坚实不坍不漏。针对局部桩位存在砂卵石夹槽的特殊不利情况,在开孔段投放一定数量的干拌袋装混凝土,使之能部分挤压至砂卵石层,以保证该部分孔壁的稳定性。(2)岩块及冲程的重要性分析强风化层开孔完毕后,剩余岩层分层厚度为:弱风化细砂岩层厚4.41～8.50m,岩块天然抗压强度为57～70MPa→弱风化泥质粉砂岩层厚3.94～8.99m,岩块天然抗压强度为31MPa→微风化细砂岩层厚大于16.99m,岩块天然抗压强度为51～71MPa。(1)弱(微)风化细砂岩:该两部分岩层比较坚硬,强度接近,占据桩孔大部分岩石,采用4～5m的大冲程,但为防止卡钻、冲坏孔壁或使孔壁不圆等问题发生,最大冲程不得超过6m。(2)弱风化泥质粉砂岩:该部分为弱风化和微风化细砂岩的夹层,强度中等,采用3～4m的中等冲程。在开孔及整个钻进过程中,认真填写施工记录,每钻进2m和在地层变化处均应捞取渣样,以便与勘察设计时的地质剖面图进行核对,同时也为冲程、泥浆、桩锤和钻进速度等技术指标选择提供更为直接的参考数据。在钻进过程中孔内水位要求保持1.5～2.0m水头高度,清孔时应及时补水。(3)最后一个孔将至设计标高时改用小冲程,检查桩基嵌入微风化岩层的深度和基底岩石强度。满足设计要求后,停止钻孔,捞取渣样并进行检孔。(4)两次进行进行根据地质特点,混凝土的浇注采用在清水孔条件下灌注,因此清孔分两次进行。第一次主清孔为终孔时,采用气举清孔;第二次辅清孔在混凝土浇注前,以混凝土灌注导管清孔。清孔控制指标为孔内泥浆全被置换为清水且孔底沉渣<5cm,若该条件满足不再进行二次清孔。(5)孔检测第一次清孔完毕后,采用检孔器检查桩径、倾斜度、孔深等,根据规范及设计要求,成孔控制质量指标见表4。4.3影响和处理常见孔及案例的准备4.3.1钢丝绳损坏采用打捞勾打捞钻头,打捞勾上系准40mm的钢丝绳,将打捞勾放入孔底边,缓慢拖动至另一边,确认勾住后,打捞出钻头。4.3.2钻头向非孔道开接入冲锤被卡主要有以下两种情况:(1)孔径不圆。钻头向下有活动余地,可使钻头向下活动并转动至孔径较大方向提起钻头,换新钻头将此处扩孔,直至钻头可以自由升落。(2)孔径变小。平时及时修补冲击钻头,若孔已变小,应严格控制钻头直径,并在钻头捞起后,抛填小块石,反复冲刮孔壁,以增大孔径。4.3.3小冲程冲击挤压装置塌孔可能出现在开孔段,对于局部小范围的塌孔,采用投放袋装干混凝土进行小冲程冲击挤压;出现大面积塌孔则采用灌注低标号水下混凝土回填后重新开孔冲击。4.3.4砂研磨层的影响由于部分桩位砂卵石夹槽的存在,在冲孔中桩锤振动和孔内外水头差的共同作用下,可能会造成砂卵石层的松动导致串孔问题出现,其后果是泥浆渗漏和后期混凝土浇注时外漏。如果出现必须及时处理,其方法是采用袋装干混凝土进行堵洞后用水下低标号混凝土回填,重新开孔进行冲击。4.4管流平台搭设钻孔平台设计荷载为单轮冲孔的10台钻机和桩锤自重、钻机冲击荷载、泥浆制备系统、清孔空压机及导管配套、常用材料机具等。平台搭设在围堰顶口。平台主梁用贝雷梁,上铺设I56型钢形成钻孔平台。由于钢围堰内径达到33m,为减小梁系净跨距,在钢护筒外壁口采用钢桁架接高作为梁系的中部支撑,钻孔平台布置示意见图3。4.5塔锤安装位置由于围堰外径36m,平台在围堰顶口搭设,起重设备主要考虑要满足11t的桩锤和钻机进出孔位需求为控制,安装位置考虑在围堰外侧,起重吊距不小于33m。在围堰下沉施工时,采用2台800t甲板驳拼装的平台上安装有1台WQ4070型桅杆吊,起重能力能满足需要。5墩冲孔效果根据各根桩孔的实际冲击进程,以时间和冲击孔深为坐标轴绘制冲击进程曲线,10号墩全部19根桩的两轮冲孔效果见图4。绘制时孔深的起算点为原围堰封底混凝土的设计底标高,至设计桩底孔深为30m,第一根桩的开孔为2005年11月27日,末桩的终孔为2006年3月14日,全部桩孔的冲孔总历时108d,总耗时见表5。5.1冲孔效率分析根据描绘的曲线图,冲孔效果有以下特点:(1)第一轮冲孔曲线斜率明显比第二轮小,第一轮平均时间56.8d,每天进尺约0.5m;第二轮平均为33.9d,每天进尺约1m,第二轮的效率得到明显提高。(2)图中共4根曲线出现进尺倒退,说明该4根桩在冲孔中出现了问题。第一轮3根,进尺全部曾倒退为0,其中8号桩孔曾2次倒退为0,根据解决问题的预案,采取的是回填处理,说明该部分桩孔出现了塌孔或串孔,8号桩和10号桩是该轮冲孔总时的主要影响因素;第二轮7号桩出现倒退但未回填到基岩面标高,其影响因素为桩孔不规范导致卡锤,局部回填重新冲击的结果,其耗时对本桩和本轮的冲孔时间影响不大。(3)大部分效果曲线较顺畅,其中部分较平缓,其效果未达到最佳,其原因也值得分析。5.2效果分析结合效果曲线和施工实际对影响因素进行总结分析。5.2.1旧设备运行性能差通过最佳效果,冲孔进尺平均能达1m/d,说明钻机选型能满足需求。但所有设备不是全新,其中14号、16号桩孔为旧设备,故障也较多,其运转性能低于新设备,在第一轮后期已影响到15号桩孔的开孔时间;另外8号桩孔由于其前期问题原因影响到相邻的7号桩开孔时间,最后的7号、15号孔均采用了新购钻机,最终保障了该两桩孔分别为32、33d的冲孔时间。5.2.2锤磨和补焊影响第一阶段冲孔冲锤在施工中未出现异常,主要措施是加强锤径及捶牙磨损情况的频繁检查,并采用2个备用锤随时对磨损锤进行更换和补焊。钢丝绳原方案设计时按过去施工经验采用准36mm规格,在第一轮的实施中钢丝绳拉断问题出现频繁,打捞冲捶和换绳占据较多时间,成为影响第一轮冲孔时间的主要因素之一。后及时采用准40mm规格钢丝绳,有效杜绝了该问题的出现。5.2.3微砂带将进入较低的档案泥浆因素在第一轮后期中有一定影响,而泥浆指标的主要因素体现为相对密度。方案设计时泥浆相对密度按1.20～1.40控制,但在进入弱风化细砂岩后发现进程明显偏低,后对泥浆相对密度按上限1.40控制,其进程得到明显改善。气举反循环的除渣清孔工艺,每次基本控制在2～3h,每天除渣1次,其效果能满足正常的施工需要。5.2.4钻机转速性能非固定因素冲击钻成孔效率的特点就是靠单锤冲击效果和冲击频率的综合作用。除钻机的转速性能为固定因素外,其它都是可以通过临时调节来解决这一矛盾。通过本项目实践,原设计的针对不同地质岩层的冲程是满足需要的,在冲击频率上和该项目钻机、冲程相匹配的最佳效果为8次/min。5.2.5基岩面冲孔特征该项目特殊地质为砂卵石层的影响。原估计为部分砂卵石带夹槽的影响,事实上其范围和深度比估计更加严重。第一轮在靠上游的8号、16号、19号孔均出现塌孔,问题的发现是基于护筒内泥浆位下降至围堰外侧江水平面,说明已经与江水串通。经分析为围堰下沉实施时河床基岩面有向上游侧倾斜的斜坡,下游已着床而上游刃脚大部分在砂卵石层上,加上带V形的夹槽,密实的砂卵石在围堰封底时未完全吸除,在冲击振动、护筒内外水头差压力及上游流水冲刷的共同作用下,导致靠上游的桩孔和围堰外侧江水串通,泥浆质量无法保证致使冲孔进程受阻。其处理的方法仍按潜水堵孔再浇注低标号混凝土回填的预案,其效果是明显的,16号和19号桩孔皆一次处理完成,8号桩主要因V形夹槽的砂卵石带较深,在第一次未将砂卵石带处理彻底的情况下导致二次穿孔再处理的后果。对该问题的处理16号孔累计耗时10d,19号孔累计耗时8d,8号孔耗时累计超1个月,直接影响到11号和15号孔的开孔时间,成为了本项目桩基施工工期的影响因素。最后迫于受蓄水压力的工期因素,采取了对相邻的11号、15号同时冲孔的措施,由于前期的回填处理得当,后未造成塌孔串孔问题的发生。5.2.6锤子由于对桩锤检查和修补及时,两轮冲孔仅在7号桩孔出现过一次卡锤,采用放小炮的措施及时处理,回填碎石重新冲孔,对该孔进程无大影响。5.2.7未其它影响工效的因素原方案的施工平台及起重设备等能满足施工需要,未有其它对工效产生影响的因素发生。最终通过超声波检测仪对桩孔进行检查,19根桩孔的孔深、孔径、垂直度和桩底承载力等均满足设计和规范要求。6冲击钻成孔影响因素研究