大直径超长钻孔灌注桩的施工

〔收稿日期〕　2002-12-30大直径超长钻孔灌注桩的施工王成林(武汉市工程咨询部)摘　要　通过香港东涌行人桥钻孔桩工程的实践,介绍该工程的施工工艺及主要施工技术,提供了大直径 超长钻孔灌注桩在复杂地质条件下的施工经验。

关键词　钻孔灌注桩　大直径超长桩 香港北大屿山高速公路东涌段行人桥钻孔桩工程,东临东涌地铁站,西靠香港新机场东涌跨海桥,地处东涌市中心。

建成后的行人桥横跨机场铁路、高速公路、公用事业路。

本工程共有32根桩,每4根桩组成一个承台,桩直径2.5m ,底部扩大到3.3m ,最长94.1m ,桩底部嵌入微风化花岗岩,用C40混凝土、40<32主筋。

本工程由英国Mott Mac 2Donald 顾问公司设计,中国建筑香港有限公司(中国海外土木工程有限公司)总承包。

该工程以其直径大、桩身长(创香港之最)而受到当时香港土木工程界的关注,《Construction News 》杂志进行了专题报导。

1　地质条件地质钻探资料表明,场区地层由上而下依次为:①回填砂,层厚约18m ;②冲积层,由淤泥质粘土,砂质粘土夹砾石、卵石、漂石组成,层厚12～17m ;③完全风化、强风化花岗岩,层厚15～60m ,在强风化花岗岩之中局部存在断层角砾岩,层厚4～10m ;④中等风化花岗岩,层厚1～3m ;⑤微风化花岗岩。

岩石强度试验资料表明,微风化花岗岩单轴抗压强度最大为226MPa 、最小为49MPa 、平均为122MPa ,属极硬岩。

场区42个钻孔资料表明,微风化岩面倾斜角度较大,倾角50°～70°,据此可判断该区域为地质断层,此外2个钻孔资料表明在断层断裂带、深度76～84m 之间有空洞(勘察时钻杆自由下落)。

2　工程特点该工程的特点是:(1)设计要求桩外有一永久性钢护筒,护筒长32～36m ,穿过回填砂层和冲积层,进入完全风化花岗岩中。

(2)按设计要求,桩底嵌入微风化岩层0.3m 以上,底面直径扩大到3.3m 。

(3)设计要求桩底部不允许有沉渣,且驻地工程师(相当于内地的监理工程师)成桩后可随意检查岩芯。

对每根桩要做两组超声波试验。

(4)设计要求桩垂直度为1/75,桩的直径2.5m ,桩最大长94m ,钢护筒的直径2.7m ,为了提升钻头时不碰上护筒,对桩的垂直度和护筒的垂直度有严格要求。

(5)岩层中有空洞。

(6)岩石强度高且岩面倾斜度较大。

(7)冲积层中夹有卵石、漂石,局部较厚(5～10m )。

(8)典型的大直径超长桩。

3　施工工艺及设备由于桩的长度大,香港地区常用的套管护壁法因(也称贝诺特桩)套管难以下沉而无法采用,而内地惯用的泥浆护壁法则可以克服这一困难。

对于泥浆护壁法中的正循环回转钻进,由于大直径桩孔中钻杆与孔壁之间空隙大,泥浆上返流速慢,携渣能力差,孔底不容易清干净,会影响成桩质量(达不到无沉渣的要求);而泵吸反循环由于泥浆的循环完全依靠砂石泵抽吸产生的负压来维持,有效吸程较小,不适应长度大于50m 的桩。

只有气举反循环是唯一选择,利用空压机将压缩空气送入钻杆内与泥浆混合形成比重小于1的掺气泥浆,在钻杆外泥浆压力作用下钻杆内掺气泥浆携带渣屑返回地面,通过调整气压,克服桩长度与直径大的影响。

26地基基础工程GEOTECH NICA L E NG I NEERI NG WOR LD VO L.6　No.3该钻孔灌注桩施工的主要设备有:(1)震锤。

用于下沉永久性钢护筒。

震锤的性能应满足2个条件:一是震锤的激振力大于土体对钢护筒的摩阻力;二是震锤的震幅A应大于护筒下沉所需要的震幅A0。

所选用的震锤是Muller MS200型,最大激振力P=4000kN,偏心力矩M= 1900N・m,自重300kN,这在香港当时是最大的震锤。

(2)钻机。

型号分别是KP G3000、QJ250-1、BRM-4A。

选择钻机除需满足钻孔直径、钻孔深度要求外尚应根据地质条件确定所需钻机的转盘扭矩和钻头比压。

由计算得出的技术性能参数确定钻机型号及钻进方式。

(3)钻头。

本工程备有梳齿钻头(俗称刮刀)、楔齿钻头(又称牙轮钻头)、球齿钻头以及扩孔钻头。

由于冲积层中含有卵石、漂石,梳齿钻头难以粉碎,导致经常堵管,且钻头磨损情况严重,故梳齿钻头不适应本工程的地质条件。

由于中、微风化岩层强度较高,经过一根桩的使用,楔齿钻头上的14个齿损坏9个,基本上不能再使用。

球齿钻头钢珠的合金钢强度很高,对花岗岩的粉碎能力较强,较为适用本工程。

(4)其他设备,如泥浆分离器、空压机及风鼓、大型起重机等。

4　主要施工技术4.1　钢护筒的施工按设计要求,本工程在承台以下设永久性护筒,长度为32～36m。

根据施工情况,钢护筒内径取2.7m,钢护筒的筒壁厚度取18mm,筒壁厚度须通过验算钢护筒在施工过程中的强度及刚度而确定。

强度验算分两种情况:(1)未灌注混凝土前,在土压力作用下筒壁承受的应力;(2)护筒下沉过程中在竖向激振力和横向土压力的共同作用下,筒壁承受的应力。

刚度验算主要考虑护筒在下沉过程中在竖向激振力和横向土压力作用下,部分土体被挖走后筒壁局部稳定的验算。

一般来说,筒壁厚度主要由刚度验算确定。

本工程前期施工时,钢护筒壁厚采用12mm,曾先后发生两起护筒局部变形事件,导致桩位报废,改为18mm后就再未出现这种情况。

钢护筒下沉施工中主要技术要点是控制护筒的垂直度。

施工中采取了以下措施:(1)制作安装导向架,严格控制第一根护筒的垂直度;(2)加强下沉护筒过程中的测量控制;(3)根据前节护筒的偏斜方向再焊接下一节护筒,通过改变护筒筒壁剖口角度及时调整。

4.2　克服卵石、漂石的影响如前所述,本工程地质构造中的冲积层夹有卵石、漂砾石,埋深在23m左右,当厚度稍大时,这不仅使护筒所受的阻力较大而难以下沉到设计高程,而且在钻进过程中漂砾石常堵塞钻头的排渣孔和导管,使钻进的速度较慢,因此有必要用抓斗将这层卵石、漂砾石抓出来。

干抓速度较快,但护筒内外地下水位差较大时,护筒底部的土隆起,护筒周围的土体及地下水涌入筒内,护筒周围局部地方出现空洞,护筒壁从均匀承受土压力变为不均匀承受土压力,护筒因刚度不足会发生变形。

湿抓则由于筒内水的作用影响抓土效率,进度慢。

故保证在不发生隆起情况下应尽量采用干抓方法。

经计算,将干抓深度确定为15m,其后护筒内注水至地面1m深后(与地下水位齐平)再用抓斗,其间不断注水以保持筒内水位不变,将卵石、漂砾石层穿透后再采用钻机钻孔。

本工程曾发生干抓27m,筒底土体隆起,钢护筒发生变形的事故。

4.3　钻　孔(1)泥浆护壁:钻孔过程中的首要问题是保持不塌孔,这对于本工程(覆盖层主要为中、粗砂,最深达60m)尤为重要。

钻孔内泥浆面的高程须经过孔壁稳定分析确定。

孔壁稳定的条件是:孔内泥浆压力P1+圆形孔壁拱作用产生的对孔壁的支撑力P2>地下水压力P3+孔壁土侧压力P4+地面钻机产生的侧压力P5。

计算结果表明:当护筒内泥浆面与地下水位差在2m时即可满足孔壁稳定的条件,因此下沉钢护筒时,筒顶应高出地面2m,钻孔过程中应密切观察护筒内泥浆面的高度,通过循环系统及时补充泥浆。

(2)分级钻孔:由于本工程微风化花岗岩强度较高,且桩径较大,3台钻机中仅KP G3000的扭矩、钻头比压能满足岩石破碎要求。

扭矩、比压不够,岩石很难破碎,作业时间长,钻进效率低,对钻头、钻机的损耗很大(本工程曾发生二次钻杆断裂、钻头掉入孔内的事件),因此根据地质条件和钻机性能采取分级钻进是克服钻机性能不足的有效措施。

经计算,本工程使用QJ250-1、BRM-4A钻机钻进时采用二36岩土工程界　第6卷　第3期地基基础工程级钻孔的办法,开始用直径1.8m钻头钻至设计深度后再改用直径2.5m钻头成孔。

实践证明,分级钻孔在保证钻进效率情况下可以用小型钻机来完成大直径钻孔桩工程。

(3)扩孔:按设计要求,钻孔桩桩身直径为2.5m,进入微风化花岗岩层后扩孔,最终底部直径为3.3m。

本工程施工时是用直径2.5m的钻头钻至桩底后再换上扩孔钻头钻进,将底部直径扩大到3.3m。

用于本工程的是机械式球齿扩孔钻头,它是钻头在旋转过程中由钻进压力和坐在桩底的底盘反作用力共同作用下使带有球齿的扩孔臂连杆架张开,在张开过程中球齿钻头切削孔壁,随着钻杆向下延伸,连杆架同时慢慢张开,孔径也随着扩大,最后达到要求的孔径。

(4)泥浆质量控制:施工过程中泥浆不仅固定孔壁,还清洗孔底、携带钻渣。

按英国标准,泥浆性能指标如下:比重≤1.1g・ml-1(供应的泥浆),粘度≥39秒(粘度计,漏斗容积1000ml),剪力1.4～10N・m-2,p H值8～10(p H试纸)。

为达上述指标,施工中采取以下措施:1)选好泥浆配合比:表1　室内试验结果淡水膨润土纯碱CMC比重粘度(S)剪力100080808080901004555550.50.50.60.70.70.751.0451.0451.0451.0451.0501.053373840404042接近33.42)做好泥浆循环,完善泥浆的净化系统。

保障泥浆循环是进行钻孔桩施工的必要条件。

本工程泥浆循环的顺序是:钻孔内→沉淀池→循环池→储备池→钻孔内。

沉淀池起着净化作用,进入循环池后再投入纯碱、CMC等配制成符合要求的泥浆,然后,流入储备池。

泥浆的净化处理分两种方法,一是自然沉淀后,由挖土机进行清理沉渣;二是机械处理,对经过自然沉淀处理后浮在池的上部泥浆采用泥水分离器进行再次分离处理。

本工程使用德国BAU ER公司生产的B E250型泥水分离器,其主要功能是通过旋转筛将泥浆中细小的砂颗粒分离出来,排出池外。

4.4　灌注水下混凝土灌注水下混凝土前应清除孔底沉渣,本工程的清孔工作分二次进行。

第一次是在扩孔完毕后,拆钻机之前,将钻头提离孔底200mm,维护气举反循环,使钻头空转半小时,初步清除钻渣。

第二次清孔是灌注混凝土之前,利用灌注混凝土的导管进行,操作上注意以下3点:1)配制一池比重小,胶体率高(粘度、剪力大),含砂率小的优质泥浆专为清孔所用;2)多次量取钻孔深度,使沉渣厚度为零;3)掌握清孔时间,当导管出口泥浆的含砂率与进口泥浆的含砂率(本工程规定这4%)相近时即可停止下来,以防止吸塌孔壁。

由于本工程最长桩混凝土体积近500m3,连续浇灌时间在20小时左右,因此本工程对混凝土的质量有如下要求:1)混凝土的塌落度不小于180mm,以便有较好的流动性;2)混凝土的初凝时间宜取24小时,以保证初灌的混凝土(含有少量沉渣)能上返到桩顶,避免因过早凝固而出现断桩事故。

灌注水下混凝土的技术要点如下:1)初灌时要求混凝土将导管埋深不小于1m,因此要求混凝土初灌漏斗的体积也不小于12m3;2)控制混凝土埋管深度,及时拆卸、提升混凝土导管。