1、379深深水水超超长长钻钻孔孔灌灌注注桩桩施施工工遇遇阻阻处处理理工工法法1 1前前言言随着我国经济建设的快速发展及现代桥梁科技的进步，在海域区域或跨越大江大河，复杂地质条件（包括水下废弃物、沉船、孤石等特殊地质条件）下修建桥梁基础越来越多，超长钻孔灌注桩施工技术作为深水桥梁基础施工中的关键技术，得到了工程科研和技术人员的高度重视。我公司研究形成了海上潮汐条件下深水超长钻孔灌注桩施工遇阻处理技术，发明了一种桩基施工遇阻清理水下障碍物抓斗装置（专利号 ZL201510768785.1），并成功应用于唐山曹妃甸工业区跨纳潮河 2#大桥项目，取得了显著的经济和社会效益，经过不断完善总结、结合国家有关2、规范及标准，形成本工法。2 2工工法法特特点点2.0.1 具有施工工艺新颖，施工安全、质量可靠，加快了工程进度，缩短了工期，节约了成本。2.0.2 与传统的桩基施工遇阻处理方法有所不同，采用了一种桩基施工遇阻清理水下障碍物抓斗装置，该装置大大节约了成本，操作方便，缩短了工期。3 3适适用用范范围围本工法适用于海域或江河深水区桥梁超长钻孔灌注桩施工遇阻处理。4 4工工艺艺原原理理在深水超长钻孔灌注桩基（包括打设钢护筒）施工过程中，根据遇到障碍物的情况初步分析原因，可能是孤石、沉船或海上废弃物之类（具体到曹妃甸工业区跨纳潮河 2#大桥工程，指的是海中废弃自来水管）等，采取以下措施：通过专业潜水员下3、潜割除钢护筒，打捞障碍物，若遇人工无法打捞时，向护筒内填筑片石，通过冲击钻进行钻进，待冲破障碍物层后，钢护筒接长跟进打设，然后换回原有回旋钻机继续进行钻进施工的方法予以处理。5 5施施工工工工艺艺流流程程及及操操作作要要点点5.1 工工艺艺流流程程3805.1-1 桩基遇阻处理施工整体流程图5.2 操作要点操作要点本工法依据障碍物标高的不同，将桩基遇阻情况大致分为以下两种：一是钢护筒埋设时遇阻；二是钢护筒埋设完毕，桩基在钻进过程中遇阻。针对上述两种情况采取相应的施工方法。5.2.1 钢护筒埋设时遇阻在海上钻孔灌注桩施工过程中，常埋设钢护筒来稳定孔壁，固定桩位并隔离地表水。因此钢护筒埋设成功与否4、直接影响桩基施工的成败。如图 5.2-1 所示，钢护筒在埋设过程中遇障碍物阻挡无法下沉。其中图 5.2-1（a）是钢护筒埋设正面遇障碍物阻挡，导致钢护筒无法埋设；图 5.2-1（b）是钢护筒埋设侧面遇障碍物阻挡，导致钢护筒底口产生较大变形，使得在后继的钻孔过程中钻头无法通过，不能顺利钻进。（a）（b）图 5.2-1 钢护筒埋设遇阻示意图此时钢护筒底部尚未达到设计标高，所以应将外露在钢平台以上的钢护筒用氧气、乙炔割除。采用气举反循环工艺进行换浆清孔，如图 5.2-2 所示。空气压缩机产生的压缩空气通过送风管与孔内泥浆混合，使得出水管内的泥浆形成气液混合体，其重度小于孔内泥浆的重度，产生出水管内外5、泥浆重度差。在该重度差的作用下，孔内泥浆经过出水管底口进入出水管，沿着出水管上升381流动，并携带钻渣顺利流出桩孔。于此同时不断向孔内补给含砂量少的泥浆或清水，形成孔内冲洗液的流动，从而达到清孔的目的。图 5.2-2 气举反循环清孔示意图清孔完毕后，潜水员顺钻杆向下潜至护筒底口处，如图 5.2-3 所示，对周边障碍物进行打捞清理。如果在与障碍物碰撞后，钢护筒底口发生了较大的变形，如图 5.2-1（b）所示，则应由潜水员在水下将变形处的钢护筒割除，再对周围障碍物进行清理，最后由履带吊打捞障碍物和割除的钢护筒。割除的底口钢护筒如图 5.2-4 所示。图 5.2-3 潜水员下潜图 5.2-4 钢护筒6、底口割除若障碍物无法人工清除，则需在探明障碍物情况后，使用冲击钻冲孔以破除障碍物。使用冲击钻前需向钻孔内回填 8m 厚的片石（若护筒底口到河床面小于 8 米，则应回填至河床高度位置），以保证障碍物受到均匀冲击，回填厚度通过测绳控制。开始冲孔时应先在孔内灌注泥浆护壁，泥浆比重应控制在 1.21.4 之间。在开始冲击时应采用小冲程并随时用水平标尺检查钻锥的垂直度，一旦发现有斜孔（钻头侧偏），需及时移走冲击钻，向侧偏方向添加适量的片石至偏孔上方 300500mm，而后重新冲击，以避免冲击钻碰撞钢护筒。直至钻锥稳定后，加快冲击速度，将钻头提高到 1.52.0m 以上转入正常冲击。待冲破障碍物层后根据已7、割除钢护筒的长度接长钢护筒，在接长钢护筒上端对称焊接两个临时吊耳，其上留有销孔，用履带吊吊起钢护筒，使接长钢护筒垂直对接在已有钢护筒顶口上，进行焊接并在焊缝处四周均匀满焊四块 15cm40cm 的加劲板，如图 5.2-3 所示。382图 5.2-5 钢护筒接长示意图钢护筒接长后于顶端安装振动锤，启动振动锤将其逐步打入河床。在此过程中通过全站仪和锤球观测护筒的垂直度，并通过指挥履带吊摆动以调整钢护筒的位置，使护筒中心与桩中心的平面位置偏差不大于 50mm，且护筒在竖直方向的倾斜度不大于 1%，其他的质量标准详见表 5.2-1。表 5.2-1 钢护筒质量标准项目项目质量标准质量标准椭圆度不大于护筒8、直径的 1%，且不大于 30mm直径10mm筒体端面倾斜度不大于 3mm纵轴线弯曲矢高不大于护筒长的 0.1%，且不大于 30mm对接错边量不大于钢板厚度的 20%，且不大于 4mm钢护筒埋设完毕后，在上其端划“十”字线定出桩位中心，调整安置回旋钻机，并且找平稳固，使桩位中心、钻头中心和钻头起吊滑轮缘在同一垂线上，确保桩位中心与设计偏差不大于 5cm。回旋钻机就位后采用反循环施工工艺正常钻孔。如图 5.2-4 所示。开启钻机转盘，循环液和钻渣在砂石泵的泵吸作用下，进入钻头底部的吸渣口，然后沿着钻杆上升，通过出水管进入砂石泵并沿着泵出水口排入泥浆池。由于本工程的桩基地质为中软土，为了防止在施工过9、程中桩底的孔壁坍塌，需将经沉淀后泥浆池中上部的浆液作为护壁泥浆继续注入孔内。图 5.2-6 泵吸反循环示意图部分桩基在钢护筒打设时遇废弃的市政自来水管道。自来水管外径 600mm，其结构分为两层：383外层是铸铁管，壁厚 10mm，在其外表面涂有沥青用以防腐，防腐层厚度约为 23mm；里层是PE 管如图 5.2-7 所示。图 5.2-7 自来水管截面示意图此时钢护筒下放并未达到设计标高，因此需破除自来水管，继续打设钢护筒。由于自来水管内部套有橡胶软管，外部有沥青涂层，使用冲击钻清理障碍物时无法将水管打断，而且派潜水员切割不易。为此在处理自来水管时先使用筒钻将铸铁管和橡胶管磨穿。筒钻钻头为由 210、cm 厚钢板卷制直径 2.15m、长 1.2m 的筒状结构，其上端使用钢板封头，下端焊接金刚石作为切割片，成为锯齿状。封头端与钻杆焊接，并将筒钻安装在回旋钻机上，当钻头接触到水管后逐步提高转速，利用齿块切割水管直至水管断裂，筒钻及其齿块如图 5.2-8 所示。图 5.2-8 筒钻及其齿块切割水管后提钻 30cm 左右，逐渐降低钻速直至停止回转，而后继续泵吸适当的时间，将钻孔底部的钻渣吸出，以免钻渣沉淀而将钻头掩埋。缓慢提出钻头，避免碰撞钢护筒，并采用气举反循环工艺进行换浆清孔。清孔后派潜水员下潜，寻找自来水水管位置，对断裂水管进行水下钻吊孔，并绑钢丝绳上用以吊装。现场实施如图 5.2-9。图 11、5.2-9 自来水管打捞5.2.2 桩基钻进时遇阻钢护筒埋设完毕后，开始采用泵吸反循环工艺进行钻孔，若在钻进过程中遇障碍物，如图齿块吊孔3845.2-10 所示，应及时将回旋钻机提钻移走，以免孔壁坍塌时钻头被埋在孔内。从图 5.2-10 中可以明显看出，此种情况下的障碍物埋藏较深，且护筒底口下部为粉砂层地层，易出现孔壁坍塌，潜水员水下施工不易。此时宜直接采用冲击钻钻进。在冲击成孔时，应小冲程开孔，并应使初成孔的孔壁结实竖直、圆顺能起到导向作用。在冲击钻钻孔前应先在孔内灌注泥浆，控制泥浆比重在 1.21.4 之间，具体情况应根据现场不同地质情况进行调整，并向孔内回填片石，相应的步骤和控制标准如 12、5.2.1节所述。待钻头到达粉砂层冲破障碍物后移走冲击钻，重新安置回旋钻机就位，继续采用泵吸反循环施工工艺继续正常钻进。在钻进过程中如需接钻杆时，应将钻头稍提升 30cm 左右，停止回转，继续泵吸适当的时间，将钻孔底部的钻渣吸出，然后放下钻头，进行拆装钻杆工作，以免钻渣沉淀而将钻头掩埋。图 5.2-10 桩基钻进遇阻示意图当钻孔深度达到设计标高后，进行孔底标高的确定，然后吊检孔器入钻孔内检测孔径、孔形和垂直度，要求孔径不小于设计桩径，桩身垂直度允许最大偏差不大于 1/150，其他的成孔质量标准详见表 5.2-2。表 5.2-2 钻孔灌注桩成孔质量标准项目项目质量标准质量标准孔的中心位置小于等于13、 50mm孔径不小于设计桩径倾斜度小于 1/150孔深不小于设计规定沉淀厚度小于等于 100mm清空后泥浆指标相对密度：1.06-1.10，粘度 18-28Pas含砂率小于 4%，胶体率大于等于 95%5.3 劳动力组织劳动力组织385表 5.3-1 桩基遇阻处理施工管理人员表序号序号人员人员数量数量责任责任1技术负责人1 人负责施工现场技术指导2技术员2 人协助总工进行技术指导与协调3现场工长2 人负责现场管理工作4安全员1 人负责现场安全生产5质检员1 人负责现场施工质量6测量员1 人负责现场测量工作7材料员1 人负责现场材料管理及协助采购8机管员1 人负责现场电路通畅表 5.3-2 劳动14、力计划表序号序号工种工种需用人数需用人数工日工日序号序号工种工种需用人数需用人数工日工日1吊车司机285潜水员5602挖机司机226电焊工5203电工167杂工3364维修工2128安全员112说明：按单根桩基进行劳动力的配置6 6材料与设备材料与设备表 6-1 桩基处理材料配置（按单根桩基）项项目目规格型号规格型号数量数量单位单位备注备注片石30.4m3钢护筒2.2m18mm6t根据现场割除长度确定表 6-2 主要机械设备、器具需用计划表（按单根桩基配置）序号序号机械设备名称机械设备名称规格型号规格型号单位单位数量数量台班台班备备注注1履带吊车70t台14吊装打设护筒、打捞障碍物2反铲挖掘机15、WY80/100台11桥台处理开挖或回填片石3水下切割机台112水下割除钢护筒4气焊(割）设备台21水上割除钢护筒5空压机23m3/min台16潜水服加压和清孔6发电机400kw台11清孔置换泥浆7水泵30m3/h台26冲洗护筒内壁及清孔8电焊机BX1500台31钢护筒接长9液压振动锤DZ180台11钢护筒打设10冲击钻CZ-60台124处理片石层11回旋钻台15钻孔7 7质量控制质量控制7.0.1 质量控制依据标准1.公路桥涵施工技术规范（JTG/T F50-2011）3862.建筑桩基技术规范（JGJ 94-2008）3.城市桥梁工程施工与质量验收规范（CJJ 2-2008）7.0.2 质16、量目标确保工程质量全部达到规范要求及设计要求，并满足验收的质量要求。钢护筒的垂直度、平面位置、深度以及钻孔时泥浆指标均满足要求，合格率达到 100%。7.0.3 质量标准表 7.0.3-1 钢护筒质量验收标准序号序号项项目目允许偏差允许偏差1椭圆度小于 d/100,且不大于 30mm2直径10mm3筒体端面倾斜度不大于 3mm4纵轴线弯曲矢高不大于钢护筒长度的 0.1%，且不大于 30mm5对接错边量不大于 0.2 倍钢板厚度，且不大于 4mm表 7.0.3-2 钢护筒施沉偏差允许值项目项目桩位平面位置桩位平面位置桩桩 顶顶 标标 高高倾斜率倾斜率允许偏差5cm5cm1%表 7.0.3-3 钻17、孔灌注桩成孔质量标准序号序号项项目目规定值或允许偏差规定值或允许偏差1孔的中心位置（mm）502孔径（mm）不小于设计桩径3倾斜度1/1504孔深（m）不小于设计规定5沉淀厚度（mm）1007.0.4 质量保证措施1 建立完善的质量管理机构项目经理部成立质量管理领导小组，质量管理保证机构严格按照质量体系文件进行质量管理，做到从资源投入和过程控制上保证工程质量。2 设立专职质检人员项目部设专职质检工程师，工区工班设兼职质检员，保证施工作业始终在质检人员的严格监督下进行。在项目部质量管理领导下推行全面质量管理和目标责任管理，从组织措施上使工程质量真正落到实处。3 加强自检组织管理严格自检制度，每道18、工序完成后首先工班、工区自检，合格后报质检工程师检查，合格后上报监理工程师进行质量检查，经检查合格后方可进入下一道工序施工。隐蔽工程检查严格按隐蔽工程检验程序进行。8 8安全措施安全措施8.0.1 现场施工安全保证措施1 所有进入施工现场的人员必须操作人员必须穿工作服、戴安全帽；水上工作人员必须穿好救生衣和软底防滑鞋，并按规定配戴劳动保护用品，或安全带等安全工具。2 施工现场有较浓的安全宣传气氛，布置安全标语，安全警告标示牌和指示牌，特殊工种必须持证上岗，并有安全员巡视检查。3 施工作业搭设的扶梯、工作台、脚手架、护身栏、安全网等，必须牢固可靠，并经验收合格后方可使用。3874 作业用的料具应19、放置稳妥，小型工具应随时放入工具袋，上下传递工具时，严禁抛掷。进行两层或多层上下交叉作业时，上下层之间应设置密孔阻燃型防护网罩加以保护。5 加强施工现场管理，做到安全生产，文明施工，施工现场物资、材料、机械设备要分类堆（停）放，做到整齐美观。8.0.2 大型机械施工安全保证措施1 各种机械操作人员和车辆驾驶员，必须取得操作合格证，不准操作与操作证不相符的机械设备；不准将机械设备交给无操作合格证的人员操作，对机械人员要建立档案，专人管理。2 操作人员必须按照机机械设备说明书规定，严格执行工作前的检查制度和工作中注意观察及工作后的检查保养制度。3 驾驶室或操作室应保持整洁，严禁存放易燃、易爆物品，20、严禁酒后操作机械，严禁机械带病运转或超负荷运转。机械设备在施工现场停放时，选择安全的停放地点，夜间有专人看管。4 严禁对运转中的机械设备进行维修、保养调整等作业。5 指挥施工机械作业人员，必须站在可让人了望的安全地点，并应明确规定指挥联络信号。使用钢丝绳的机械，在运转中严禁用手套或其他物件接触钢丝绳，用丝绳拖、拉机械或重物时，人员应远离钢丝绳。6 各起重工作，由专业人员操作完成；起重施工前对起重设备进行安全检查，以确保人身、设备及工程结构物的安全。7 定期组织机电设备、车辆、机械安全大检查，对检查中查出的安全问题，按照“三不放过”的原则进行调查处理，制定防范措施，防止机械事故的发生。8 操作人21、员必须严格执行安全操作规程，佩带个人防护用品，做到持证上岗，做好机械运转记录和例行保养记录。8.0.3 潜水员安全保证措施1 潜水员在下水作业前，应认真检查潜水装具的安全性能，确认完好，方可着装入水。2 潜水员下潜，不得直接跳入水中，应扶潜水工作梯入水，在水面处进行潜水装备的水密检查和通讯设备性能检查，合格后应沿导索下潜。下潜过程中遇有身体不适应压力平衡动作，待症状消失后再继续下潜。到达作业点后应及时通知水面。3 潜水员在水下高处作业时应防止跌落。行走或工作中应注意障碍物，防止划破潜水装具或撞坏门窗。4 潜水员在水下工作时，必须注意保持潜水装具内的空气，始终保持上身（髋骨以上）高于下身（髋骨以22、下）防止发生串气放漂事故。5 潜水员在水下作业过程中，要随时注意和清理供气胶管和信号绳，防止绞缠或被物体挤压。6 潜水员在水下作业时，严禁解脱信号绳，挪做它用。7 潜水员在水下作业时，应经常与水面电话员保持联系。电话发生故障时，可用信号绳联络。当电话和信号绳均发生故障时，可用供气管联络，并应立即出水。8 潜水员必须严格执行水面电话员的指令。遇有险情或故障，应立即通知水面电话员，同时保持镇静，设法自救或等待水面派潜水员协作解救。9 潜水员在水下安装作业时，潜水工作船应避开起重船的船缆活动范围。严禁吊物在空中超越潜水工作船。10 潜水员在水下安装作业中，必须待构件停稳靠实后，方能进入作业点。坡面安23、装应从上坡接近构件。摘钩后需潜水员离开作业面后，方可通知水面指挥起钩。11 禁止潜水员身体任何部位及供气管、信号绳进入构件底部或夹缝中作业。遇到作业条件确有困难时，必须采取可靠的安全保障措施。12 作用水深超过 12 米，潜水员上升必须按减压规程进行水下减压；水深不足 12 米，但劳动强度大或工作时间长，也应参照减压标准进行水下减压。13 潜水员在水下工作结束，应清理工具及信号绳、供气胶管后通知水面人员。待水面信绳员、扯管员将信号绳、供气胶管收紧后方可沿入水绳离开底面上升，并按减压表的要求减压出水，接388近水面时应减速，并用手护住头盔顶部。14 潜水员水下作业应配带潜水工作刀；在深水中作业应24、尽可能配备水上或水下照明设备。15 当潜水水域有腐蚀、油污质时，应对潜水员皮肤、装具采取适当保护措施。16 禁止潜水员在作业时，触摸与工作无关的海生物等。17 进行水下切割的潜水员必须经过专业安全技术培训，并取得“操作许可证”方可作业。18 水下切割工艺应使用直流电焊机，并配备使用空载自动断电装置，禁止使用交流电焊机。潜水员在作业时应带绝缘手套，头盔领盘等金属导电部位应涂刷两遍以上绝缘漆。在清水中作业应加防护镜。19 水面设专人看管电焊机电源开关。严格执行水下作业人员开、关电闸的指令。20 除潜水员在水下进行切割作业时间外，其他时间必须关闭电源。21 潜水员在水下切割物件要从高端开始，逐步向下25、移动，必要时用索具拴牢切割物，避免切割物件或溶渣下落伤及作业人员或潜水装具。22 潜水施工现场所用发电、配电设备、用电设备、开关电器、及线路的安装敷设必须符合用电安全技术要求，定期检查，发现问题及时整改处理。9 9环保措施环保措施9.0.1 油库、机械设备维修站等所有生产、生活区，须加强管理，做好废油、废弃砼、钻渣、生活垃圾的存放处理工作；9.0.2 合理布设生产、生活区的排水系统，按有关规定排放污水，以防水资源的污染；9.0.3 钻渣用汽车或运渣船运至指定地点，施工中注意不使泥浆外溢污染水源和环境。1010效益分析效益分析10.0.1 具有施工工艺新颖，施工安全、质量可靠，加快了工程进度，缩26、短了工期，节约了成本。10.0.2 深水超长桩基施工遇阻处理关键技术，解决填补了集团公司在这方面的空白。10.0.3 深水超长钻孔灌注桩施工遇阻处理施工方法与传统施工遇阻处理工法进行了对比，主要是运用了一种桩基施工遇阻清理水下障碍物抓斗装置，不仅提高了清理效率，安全性也得到了很大提高，缩短了施工周期。经实际对比单根桩可节约工期 3 天，实现了较高工期效益；经测算，传统施工遇阻处理工法施工单根桩基成本为 56.24 万元，本工法处理遇阻桩基单根桩基成本为31.50 万元，单根桩基节约成本 24.74 万元，成本降低率高达 56%，共计处理水中桩基 26 根，总计节约成本 643.24 万元，取得27、了良好的经济效益。方案类别方案类别成本对比（单根桩）成本对比（单根桩）传统处理工法56.24 万本工法24.74 万10.0.4 发明了一种桩基施工遇阻清理水下障碍物抓斗装置，在深水区钻孔灌注桩基施工遇阻处理中起着十分重要的作用，是深水超长钻孔灌注桩清理水下障碍物的理想装置。10.0.5 总结了一套完整的深水超长桩基施工遇阻处理关键技术、工艺流程、机械和质量控制标准，炼就和培养了一批施工技术管理人员，社会效益显著。1111应用实例应用实例11.1 曹妃甸工业区跨纳潮河曹妃甸工业区跨纳潮河 2#大桥工程大桥工程曹妃甸工业区跨纳潮河 2#大桥工程在桩基施工过程中，有多根桩基（包括打设钢护筒）遇到389水下不明障碍物，共分为两种情况：一是钢护筒打设时遇障碍物造成底口变形过大导致钻头无法顺利钻进；二是桩基在钻进过程中遇阻过大导致钻头无法顺利钻进。经过施工实践证明了该处理工艺是可行的，此工法的成功应用充分解决了深水超长钻孔灌注桩施工遇阻难题，为类似工程施工积累了宝贵的经验。图 11-1 桩基施工遇阻清理水下障碍物抓斗装置图 11-2 筒钻