1、文章编号:1671-7619(2004)03-0024-03湛江海湾大桥47#墩超长大直径桩基成孔工艺熊大胜,戴祖生(广东省长大公路工程有限公司,广州 510620)摘要:湛江海湾大桥为主跨480m的双塔双索面混合梁斜拉桥,主墩桩基由31根 290cm250cm的变截面钻孔桩组成,长104m。通过多次改进钻头,调整泥浆循环系统,改进钻孔工艺,47#主墩桩基施工取得了较好的成效。关键词:桥梁;超长大直径桩基;成孔工艺中图分类号:U443.154 文献标识码:B1 概述湛江海湾大桥为主跨480m的双塔双索面混合梁斜拉桥,47#墩为斜拉桥东索塔,离东岸1 200m。主墩桩基由31根变截面钻孔灌注桩组2、成,桩身在标高-34m-2m为 290cm,-106m-34m为250cm,共长104m。其平面布置如图1所示。图1 主墩桩基平面布置图(单位:m)桥址区为第四系地层所覆盖,基岩埋深达250m。根据钻孔揭露,上部为全新统海积相(Qm4)地层,岩性为由灰、深灰色淤泥、粘土、亚粘土,局部为浅灰白色中砂、粗砂,含有机质、腐殖质,厚0.736.4m,平行不整合于湛江组之上。下部为更新统湛江组河口三角洲相(Qmc1)地层,主要由灰、浅灰、灰白色粘土、亚粘土夹中砂、粗砂层组成,局部粘土、亚粘土与中砂,粗砂呈不等厚互层状,厚约200m。在桩基钻孔地层中,大部分为以灰白色-浅灰色为主,局部夹黄色-砖红斑状,稍3、湿,以硬塑坚硬为主的粘土,标准贯入度N63.5=1247击。此层大部分粘性较好,土质纯,硬塑坚硬塑状,极易糊钻。桩基护筒直径310cm,采用Q235C钢板卷制,设计要求振入深度达到冲刷线1.5m以下(护筒底标高-28m),其中标高-125m(共长17m)范围内厚度为22mm,-28-12m(共长16m)范围内厚度为18mm。护筒总长33m,平均入土深度12m,并作为永久工程的一部分。由于粘土和粗砂层极限摩阻力达80100kPa,采用激振力为250t的震动锤将桩基护筒振入到设计标高。2 桩基成孔2.1 问题的提出2003年1月进行试桩,采用QJ-250回转钻机施工东岸引桥的 1.5m桩基。施工时4、遇到了一个非常棘手的问题,即钻头到了粘土、亚粘土层后,很快被极其粘-塑的粘土完全糊住,钻进速度迅速由约0.3m/h下降至0.1m/h以下,甚至堵住出浆口。不得不停机拆钻杆清钻头,钻进效率非常低,五、六十米长的桩基成孔通常要10d,其中下层厚约40m的粘土层就用了9d。对于桩径2.5m、桩长超过100m的主墩桩基,如果仍按照这种施工工艺施工,桩基成孔时间估计要30d以上,其中光是拆装钻杆的时间估计要10d。为了保证全桥在合同工期30个月内完工,必须缩短桩基施工的时间。为此成立攻关小组,进行了湛江海湾大桥桩基础施工工艺的改进试验,主要解决糊钻对钻孔进度的影响问题,提高钻孔进度,在试验中解决桩4225、004年第3期 广 东 公 路 交 通GuangDong GongLu JiaoTong 总第84期 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.基的钻进效率。施工工艺试验主要考虑:(1)对钻头进行改进,减小糊钻对进尺的影响;(2)通过改进泥浆循环系统,及时排出钻渣,加速泥浆沉淀,降低泥浆浓度,以减少糊钻,加快进尺;(3)对施工机具进行工艺的优化,使施工机具发挥最大功效。2.2 钻孔与起吊设备由于工期紧,主墩施工又是工程的关键路线,采用3台KP3500钻机(扭矩为210kNm)和1台KPG3000型钻6、机(扭矩为200kNm)进行钻孔施工。由于桩基长度超过百米,每台钻机配27m3或21m3压风机,以便可以吸出钻头刮下的大块粘土。起吊设备为1台60t、34m跨径的大龙门吊和1台80t浮吊。2.3 钻头要提高钻孔进度,钻头的改进是关键。在粘土和亚粘土层中钻进时,由于牙轮钻头易被粘土糊死,且难以清除,所以采用了适合在粘土中钻进的三翼空心单尖钻锥刮刀钻。用钢管和30mm厚板焊制,上端有法兰同钻杆连接,下端超前部分的剑尖形中心角约100,并有23个齿刃。试验初期,重点考虑如何避免糊钻上。通过改变吸渣口的位置和数量,给钻头加盖导流泥浆冲刷钻头,以使粘土难以在钻头上积累乃至糊钻,效果均不明显,但侧面挖空加7、焊管口做一个吸渣口,可使吸渣口不易被堵。随后变换思路,延长钻头使用时间,减少换钻头次数。经过试验,主要对三个翼板上回转切土的齿作了较大的改进:每齿是一刀片,顺着钻头切土的方向焊在翼板上,刀片同水平线的夹角约为30,提高了刀片的切削能力;将齿改为小而长形,且分布疏,具体为齿宽约4cm,刃长约18cm,齿距约20cm。这个改进对进尺非常有利,其一齿小而疏可使钻头易嵌进粘土里,且钻头转动阻力小;其二刮出的粘土块多呈蛇状,易被压风机吸出,避免钻杆被大块粘土堵死;其三齿长可嵌入粘土较深,提高刮土效率,钻头被糊住后齿仍外露,继续保持对粘土的切削能力,基本解决了糊钻对进尺的影响问题。钻头超前剑尖处和三个翼板8、上的齿片迎土面均镶焊合金钢,以提高耐磨性。在钻锥外围增加一个圆形外环,增加翼板的强度,也增加钻进时钻头的稳定性。同时,由于主墩地质变化较多,除了有深厚的粘土亚粘土层,还时常夹有几米很坚硬的类岩层,用刮刀钻难以钻进,每日进尺才十多cm,且很快就使刮刀钻的钻头钢板磨损或严重变形,直至无法使用。所以还准备了三个牙轮钻头,在遇到类岩层时,换上牙轮钻头,每个台班进尺可达50cm以上,对钻头的损坏也小。改进后的刮刀钻头在粘土中平均钻进速度达到0.3m/h。更重要的是,钻头被糊住后对钻进速度影响甚小,钻头可一直钻进,直至遇到很坚硬的类岩层,才换上牙轮钻头。通常完成一条桩基只需换12次钻头,大大缩短了桩基钻孔9、的时间。2.4 泥浆系统在超长大直径桩基的钻孔过程中,其泥浆循环系统不仅关系到钻孔进度,而且是成孔质量和桩基混凝土质量控制的重要环节。所以特别聘请了有关专家,针对本桥位的地质情况进行泥浆试验,配制出适合主墩桩基施工的泥浆。由于桥位地质大部分为粘土、亚粘土,粘性较好,土质纯,是极好的造浆材料。桩基泥浆以该粘土为主原料,按比例适当加入外掺剂,如CMC(羧甲基纤维素)、碳酸钠(纯碱)、氢氧化钙(石灰)、氢氧化钠(烧碱)等,进行试验,直至泥浆指标达到要求。据施工的实际情况与机械设备的配套情况,每台钻机采用独立的一套泥浆循环工艺。采用自制的泥浆罐从钻杆中吸出来的泥浆和钻渣混合物分离出泥浆和钻渣,优质泥浆10、通过出浆管又排放到桩孔中,形成一个良性循环。泥浆循环系统主要完成对泥浆的三重过滤:第一重过滤滤去较大块的泥块,第二重过滤滤去颗料较小的泥渣,第三重过滤主要起缓冲作用,同时沉淀部分粗砂。其中第一、二重过滤通过自制的泥浆罐实现,第三重过滤由相邻的桩基护筒实现。泥浆循环系统如图2所示。钻孔施工开始前,先抽干护筒内的海水,按比例注水,投入粘土(或向护筒内注入上条桩施工过程中存储在泥浆船里或是其他护筒里的好的泥浆,这样可以减少造浆时间,且由于经过充分的和长时间的拌和,泥浆质量比新造的泥浆好),将钻头提起距孔底1.0m左右空转,利用钻头进行搅拌,加入适量添加剂并调整泥浆指标至符合要求。造浆完毕后低速开钻,11、待整个钻头进入土层后,进522004年第3期 熊大胜,戴祖生 湛江海湾大桥47#墩超长大直径桩基成孔工艺 总第84期 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.入正常速度钻进。在钻进过程中,每隔4h测一次泥浆的粘稠度、相对密度,根据泥浆成份的变化分析孔内、护筒脚等情况的变化而作出相应的处理措施。并针对不同地层不同位置采取不同措施:图2 泥浆循环系统示意图(1)护筒脚处比其它地方易坍孔,且又处于粗砂层,所以钻头过护筒脚前,必须调配好泥浆,各项指标均达到要求后,方能继续往下钻进。适当加大泥浆粘度(19s12、28s)和比重(1.101.15),以加强泥浆护壁效果。(2)当钻头在粘土中钻进时,可适当降低泥浆浓度。因为在粘土中钻进时,泥浆浓度上升很快,钻头处泥浆浓度太大会增加钻头刮土的阻力,影响进尺。(3)密切注意涨退潮情况,及时 调整泥浆面位置,保持孔内泥浆水位高于潮水位1.0m以上。加水时要求细水长流,防止过猛地加入。(4)钻孔过程中泥浆性能要求:相对密度1.061.20;粘度18s28s;含砂率不大于4%;胶体率不小于95%;失水率不大于20ml/3min;泥皮厚不大于3mm/30min;静切力1.02.5Pa;酸碱度810pH。(5)一次清孔泥浆须达到指标:含砂率小于3%,粘度18s25s,比13、重低于1.13。在第一条桩基的施工过程中遇到了一个问题,即孔内泥浆中含有大量的粉砂,通过泥浆循环很难将其沉淀。而下好钢筋笼和导管后,孔底沉淀达1m,使砼灌注前的二次清孔花费了大量的时间,影响进度,对成本和工期控制不利。为此,项目部根据离心过滤原理设计和制作了旋流除砂器,该旋流除砂器可将含砂率高于2%的泥浆中的90%以上砂(包括粉砂)滤去。其中两次试验的结果是:将含砂率为3.5%、6.0%的泥浆过滤为含砂率为0.25%、0.50%的泥浆。在钻孔过程中,当泥浆含砂率高于4%时,或即将终孔前,就开始使用旋流除砂器。通常使用12h后,可将孔内泥浆的含砂率由4%降到2%以下。所以一次清孔后,经过3d(下14、完钢筋笼和导管后),孔底沉淀厚度小于20cm。由于提前使用旋流除砂器,在桩基终孔验收的同时也基本完成一次清孔,而且二次清孔也成为较简单的工序。对桩基混凝土质量和桩底承载力非常有利,同时也节约了成本。2.5 钻孔首先加固钻头,检查钻头刮刀,安装配重块后放入护筒。然后钻机精确就位,并把转盘调至水平,接长钻杆,把钻头下放至河床。同时按图2所示布置安装好泥浆循环系统每一个环节。造浆完毕后低速开钻,待整个钻头进入土层后进入正常速度钻进。针对长、大桩基施工常见的问题,47#主墩施工采用了相应的预防措施:(下转第39页)622004年第3期 广东公路交通 总第84期 1995-2005 Tsinghua T15、ongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.从该桥动载试验结果来看,跑车试验的结构动力响应正常,所测得结果基频平均为2.050 8Hz,ANSYS计算值为1.984 2Hz,刚竣工时T构结构动态试验所测得基频为1.61.7Hz,实测值略大于ANSYS计算值,也大于竣工时的实测值。反映结构加固后实际刚度有所提高,整体性强,动态特性较好。5 结语紫坭大桥是二十世纪80年代修建的预应力砼T型刚构桥梁,这时期该桥型设计经验较少,设计荷载较低。为了确保这些桥梁在目前重荷载、大流量交通下的结构和行车安全,除了要加强检测与及时处理病害外,还需采用先进的方16、法提高其实际承载能力。从番禺紫坭大桥的加固及试验数据来看,采用增大截面法及体外预应力等加固方法可提高桥梁的刚度及实际承载能力,达到预期的加固效果。参考文献:1颜志华.旧桥加固技术浅探J.甘肃科技,2003,(10):124125.2伍宁德.增江大桥病害分析及加固J.广东公路交通,2003,(4):3235.3交通部公路科学研究所.大跨径混凝土桥梁的试验方法S.1982.(收稿日期:2004-02-20)(上接第26页)(1)在钻进过程中注意观察钻杆的跳动情况,防止在钻进过程中遇到孤石而导致卡钻、掉钻头等情况的发生。(2)钻锤通过护筒脚时慢速进尺。由于护筒脚为砂层,所以尤其应注意孔壁的稳定,防止17、出现漏浆及塌孔等现象。(3)在钻进过程中注意观察泥浆系统第一重过滤出来的大块粘土,可以随时判断钻头所在地层的地质情况,调整泥浆各个指标。根据排出来的粘土块的大小、多少来调整钻机的转速、钻头压力的大小和其它相应措施,以提高进尺和防止缩孔、坍孔的发生。(4)由于钻杆最长时超过100m,钻杆刚度不足,在压力作用下,钻杆会有些许弯曲,钻头转孔时形成小偏心旋转,钻杆摆动较大,容易造成扩孔或斜孔。因此安装钻机时要求必须使转盘、底座水平,并经常检查校正。同时在钻杆上每隔约30m设一道腰带导向,防止钻杆过度摆动,并使整条钻杆钻进时保持垂直。腰带导向的另一个作用是对孔壁进行二次扫孔,防止缩孔。在完成的桩基中,其18、倾斜度均小于0.5%,扩孔率基本保持在2.5%3.5%之间。3 结语湛江海湾大桥47#主墩超长大直径桩基的施工,经过多次对钻头的试验修改,对泥浆循环系统的调整,对钻孔工艺的改进,主墩桩基成孔工艺取得了较好成效。桩基从开钻到终孔后的一次清孔完毕,由预期的30d以上提前到22d,经过几条主墩桩基施工的经验积累和工艺的改进,只用13、14d便可完成上述工序,最快达11d。由于施工工艺成熟,各项钻孔事故预防工作到位,施工过程比较顺利,进度理想,桩基检测合格率100%,其中A类桩占80%以上。参考文献:1公路桥涵施工技术规范J TJ 041-2000S.北京:人民交通出版社,2000.2交通部第一公路工程总公司.桥涵M.北京:人民交通出版社,2000.(收稿日期:2004-04-27)932004年第3期 黄晓晖,余朝阳,柴仁民,陈松惠 番禺紫坭大桥(旧桥)加固与分析 总第84期 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.