积石峡水电站黄河大桥钻孔灌注桩施工技术

1积石峡水电站对外公路黄河大桥钻孔灌注桩施工技术曹双利1安世德2（1黄河上游水电开发有限责任公司2青海禹天监理咨询有限公司西宁810008）【摘要】由于在亚粘土填土层、强风化含砾粉砂岩、碎石、块石、亚粘土较多的第四系全新统坡积层等地质条件下钻孔成桩时极易缩径、塌孔、斜孔、溶洞等工程恶性缺陷，本文结合工程实际，通过及时采取调整泥浆比重、补焊钻头确保其直径要求、回填片石（或卵石）法处理斜孔、灌注砂浆法处理溶洞、对不同地层采用不同的钻进速度等切实可行的技术措施和施工工艺，保证钻孔桩质量符合要求，促使后续各工序顺利衔接，着重介绍了钻孔过程中的一些做法和经验。【关键词】钻孔施工技术正向重力式冲击钻机成孔灌注桩作为一种成熟的桩基施工工艺已被广泛采用，但在实际施工过程中，往往由于针对不同地质情况所采用的工艺及控制指标掌握不准，尤其在碰到亚粘土填土层、强风化含砾粉砂岩、含碎石、块石、亚粘土较多的第四系全新统坡积层等地质条件时，容易出现扩孔系数大、缩径、塌孔、斜孔、溶洞等问题，造成一次性成孔率低、工效不高，甚至影响成桩质量。1.桥梁工程概况积石峡水电站对外公路黄河大桥位于积石峡水电站大坝下游的黄河上，桥梁起点桩号为K0+015，终点桩号为K0+157.253，桥梁总长142.253米，桥梁孔径布置为36+63+28米连续刚构+1×8米T形组合梁，桥面宽度14米，设计荷载为汽-80级和挂-300级。横截面为单箱单室箱形截面，根部梁高4.0米，跨中梁高为2米，从距墩中心3米处到跨中按1.8次抛物线变化。箱梁顶板宽14米，底板宽7.0米，翼缘板悬臂长为3.5米，全桥仅O号块及边跨端部设置横隔板。上部结构采用三向预应力体系。桥梁下部构造：左岸O号桥台为桩基础配盖梁式轻型桥台，其中桩基础为4根直径D=1.4米的钻孔灌注桩；1号、2号主墩采用双薄壁空心墩，桥墩高21.0米，墩壁厚50厘米或75厘米，桥墩横向与箱梁底部同宽为7.0米，顺桥向尺寸总宽为6.0米，每片壁厚宽2.0米，间距2.0米。承台尺寸为8.0×7.5×3.0米，每个承台下设置4根D=2.0米钻孔灌注桩；3号过渡墩为柱桩配盖梁，其中3根D=1.4米钻孔灌注桩用系梁联结；右岸4号桥台为柱桩埋2置式桥台，其中盖梁下设8根D=1.2米钻孔灌注桩。全桥总计23根钻孔灌注桩，其中除1号主墩桩基为嵌岩桩外，其余均为摩擦桩。从设计地质情况看，左岸0号桥台0.00～12.00米为填土层，成分以亚粘土为主，含10～20﹪的碎石，18.00～21.00米为强风化含砾粉砂岩，21.00米以下为弱风化含砾粉砂岩；1号主墩为弱风化泥质粉砂岩；2号主墩以强风化泥质粉砂岩为主；3号过渡墩0.00～8.00米为填土层，8.00～16.00米为第四系全新统的坡积层，成分以块石、碎石为主占50～80﹪，亚粘土占20～50﹪，16.00～21.00米为强风化含砾粉砂岩，21.00米以下为弱风化含砾粉砂岩；右岸4号桥台0.00～6.00米为填土层，成分以亚粘土为主，含碎石10～30﹪，6.00～18.00米为第四系全新统的坡积层，成分以块石、碎石为主占50～80﹪，亚粘土占20～50﹪，18.00～22.00米为强风化含砾粉砂岩，22.00米以下为弱风化含砾粉砂岩，全桥各桩基部位地质较为复杂。2.桥梁钻孔平面布置根据本桥的桥址和桩位的特点，以及工期要求，选用了4台钻孔设备。在钻孔施工中，遵循了以下几项施工原则：1、相邻两孔不得同时钻孔作业，以防止发生串孔或塌孔现象；2、对于同时作业的两台钻机，尽量增大两钻机的施工距离。本桥钻孔平面布置示意图如下：（以1号主墩群桩钻孔为例）护筒护筒桥梁中心线泥浆沉淀池钻头钻架卷扬机3.机械选型及配套设施根据本桥地质条件多为亚粘土、含砾粉砂岩、泥质粉砂岩，考虑各地层强度变化大、钻进难度大、桩基多为摩擦桩且桩长较长，经经济论证选用了正向重力式冲击钻进成孔。选用3钻机型号为GJD-40H型冲击钻孔机，钻机由简易钻架、冲击钻头（亦称冲锤）、转向装置、护筒、泥浆泵以及3~5T的双筒卷扬机（带离合器）等组成。钻机主要技术参数：钻孔最大直径2.0m、钻孔最大深度50m、冲程1.0~10m、钻进速度（亦称冲击频率）0~30次/min、卷扬提升力为39.2KN、驱动功率为63KW。该套钻孔设备的特点是：设备构造简单、适用范围广、操作方便、所成孔壁比较坚实稳定、塌孔少、不受施工场地限制、无噪声和振动影响等。本桥桩径有三种即2.0m、1.4m和1.2m，故采用直径分别为2.02m的五翼钻头、1.42m的十字钻头和1.22的十字钻头。4.施工处理措施及工艺4.1施工准备由于地势较陡、地形落差大，钻孔施工平台工作面较为狭窄。在钻机就位前，采用回填或筑岛围堰法，扩充工作平台，同时也为后续工作灌注水下混凝土施工创造了有利的条件，钻机就位后及时检查钻机底座和顶端的平稳性，检查平台是否稳定，所有动、静荷载均能满足施工规范要求，以确保在后续施工中不出现位移和沉陷，一旦出现上述情况，应及时做好相关的应对处理，随时检查工作平台的稳定性，对局部位移或沉陷区予以挖除，并进行二次回填或筑岛夯实，以达到施工要求。a、测量放样根据设计文件中的桥梁桩基坐标值，采用全站仪导线坐标放样法定位，施测出桩基中心桩，用水准仪进行高程控制，并打出中心桩的十字护桩，供钻孔施工中随时检查和校核。b、护筒形式及埋设要求为固定桩位，保护孔口不坍塌，隔离地面水和保持孔内水位高出地下水位，以维护孔壁及下放混凝土导管、安设导管卡扣等目的，采用L=1.5m、D=2.3m、§=2.5mm的钢制护筒（如图1），在埋设护筒过程中严格控制中心位置。螺栓孔加劲肋图1钢制护筒4c、护筒埋设方法（如图2）护筒夯填粘土砂土图2围堰筑岛护筒护筒顶面高度高出地下水位至少1.5m，护筒内径比桩径至少大0.3m。4.2泥浆护壁钻孔灌注桩在施工过程中，泥浆的作用主要有以下几个方面：（1）所产生的液压力压制平衡地下水位压力，并对孔壁有一定的侧压力，成为孔壁的液体支撑；（2）泥浆中胶体颗粒分子在泥浆的压力下渗入孔壁表层的孔隙中，形成泥皮，促使孔壁胶结，起到保护孔壁的作用；（3）在循环排渣时，起到携渣、润滑钻头、降低钻头温度、减少钻进阻力等作用。尤其在不良地质条件下极易发生缩径、塌孔等现象，因此要采取必要的泥浆护孔措施。泥浆主要由普通粘土和水拌和而成，并根据拌和后的泥浆粘性指标，若不能满足需要，可适量掺入膨润土、水泥及纯碱以改善泥浆的品质。在黄河大桥桩基钻孔施工中，选用了当地粘性良好的红粘土，此红粘土属于粉性土，颗粒较小，在外力撮合下很容易与水交融，并能在短时间内形成均质的泥浆胶体，所形成的泥浆胶体具有含砂量少、失水量少、泥皮薄、稳定性强、固壁能力高、钻具回转阻力小、造浆能力高等的优点。5.钻进施工由于本桥各跨墩、台桩基础地质条件各不相同，在施工过程中遇到了以下几种特殊的地质缺陷及其相应的处理方法，现逐一叙述如下：a、0号桥台2#、2、#桩基分别在钻进至8米和10米时，出现泥浆渗漏现象，并且在短时间内全部漏光，通过现场的观测，经技术和经济论证后确定在施工中采用了回填卵石（适当掺加红粘土）的方法处理了此地质缺陷（如图3）。在卵石回填后进行二次钻进施工中，将钻进速度控制在2~3次/min,泥浆比重控制在1.38~1.4g/cm3之间，冲程控制在2.0~3.0m之间，重点掌握了钻进速度和泥浆比重，并随时填加卵石，以达到护壁和堵塞孔内漏洞的目的。5由于该部位地质多以成分以亚粘土为主填土层、强风化含砾粉砂岩和弱风化含砾粉砂岩为主，其地质承载力较差，当钻头钻入时，很容易因不稳定土体的流动而造成塌孔、漏浆等现象，施工前要做好充分准备，有足够的袋装粘土、卵石（或片石）等混合材料，有足够的补水、补浆设施。一旦出现情况，立即提取钻头，补浆补水，保证孔内的水头，而后投入堵漏混合材料，用小冲程反复冲钻（在缓慢冲击过程中不断分层投放上述混合材料），使其及时形成新造的孔壁，有效控制了塌孔、漏浆严重的出现。地质柱状图填土层桩孔新造的混合料护壁碎石层不稳定碎石层（含流砂）稳定粉砂岩层亚粘土层图3粘土片石及砾石混合料护壁示意图b、3号过渡墩11#桩基钻进28米处开始发现有斜孔现象，为了了解斜孔的严重性，在此基础上继续钻进至32米后，充分判定该段地质条件比较差，而且出现了“探头石”。在施工中采用了回填卵石（适当掺加红粘土）的方法处理了此地质缺陷。在卵石回填后进行二次钻进施工中，加大对孔位和冲击钻钻进的垂直度的检测频率，将钻进速度控制在2~3次/min,泥浆比重控制在1.38~1.45g/cm3之间，将冲程提高并控制在4.0~5.0m之间，高冲程猛击探头石，用足够的冲击力击碎探头石，并随时填加卵石和保证孔内水头，以达到护壁和固孔的目的。c、1号、2号主墩3#~10#桩基由于地质条件比较复杂，多以和强风化泥质粉砂岩为主而且桩长较长，其中最长达39.5米（包括覆盖层），钻孔施工难度很大。对于地质为岩层的钻孔，在施工中应注意观察并记录每班的进尺情况。在钻进至18米时，发现每班累计进尺不足0.8米，而且钻头磨损严重。为防止发生缩径现象，在钻孔施工中随时观察钻头磨损情况，及时予以补焊钻头，并随时调整钻进速度和泥浆比重，有效地处理了缩孔系数较大的问题。d、4号桥台14#桩在钻进至10米处出现溶洞现象，孔内所有泥浆在短时间内全部漏光，溶洞口正好处在孔底正下方，洞口较大。经对该溶洞实地考察，发现该溶洞口直径达55厘米，在垂直方向和水平方向上溶洞延伸较大。经业主、设计单位、监理单位和有关专6家通过技术和经济的综合论证，采用M10砂浆填充该溶洞，等填充砂浆凝固达到其设计强度的60~70﹪后，再次进行冲击钻进。在处理溶洞过程中，先将导管口对准溶洞口并予以固定，然后将首盘流动性较大的砂浆注入溶洞内，仔细观察砂浆在溶洞内下流的情况，发现溶洞体积较大。为了保证让砂浆充分填充溶洞，在灌注砂浆过程中，派专人观察砂浆的灌注情况，并随时调整砂浆的和易性和稠度。等灌入砂浆的强度达到设计强度的60~70﹪后，再次进行了冲击钻进，在钻进过程中随时注意和调整钻进速度和泥浆比重，将钻进速度控制在2~3次/min,泥浆比重控制在1.38~1.4.0g/cm3之间，将冲程减小并控制在2.0~3.0m之间，以防所注入砂浆脱落或发生孔壁坍塌现象。6.效果积石峡水电站对外公路黄河大桥桩基地质条件复杂，同时遇到了漏浆、斜孔、溶洞、塌孔等施工缺陷，通过上述方法的处理，全桥23根桩基础施工顺利。经施工单位自检、监理单位抽检及业主巡检（均为声测管法检测），全部为I类桩。7.结束语1、通过成桩质检报告，证明在施工过程中遇到漏浆、斜孔、溶洞、塌孔等施工缺陷时采取上述的技术处理措施是合理的，其施工工艺也是成功的。2、业主和设计单位应在勘察时加强工程地质及水文地质情况的勘探和调查，加大钻孔勘探的密度，提供尽可能多的地质资料，以减少变更和节约投资。3、施工单位既要先对设计部门提供的地质资料仔细研究，选用较合适的钻机配置，又要在施工中采取捞渣等办法及时掌握地质资料记录地层的变化，及时采取合理技术措施、施工工艺或调换钻机及配置的办法，以保证成孔质量。