甬江大堤防护钻孔桩设计与施工

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摘要：针对钻孔桩施工对甬江大堤的影响分析，进行了甬江大堤防护桩的设计，解决大直径钻孔桩施工对临近大堤影响的难题。通过对护筒施工、泥浆调制、钻孔、清孔、钢筋笼制作与安装、水下混凝土灌注等施工工艺的研究，为同类工程防护桩施工提供参考。

关键词：大堤钻孔桩 钢筋笼钻孔混凝土灌注

中图分类号：U445.4 文献标识码：A

工程概况

甬江特大桥是宁波铁路枢纽北环线上规模最大的桥梁工程，位于宁波绕城高速公路桥位上游64.8m处跨越甬江。大桥设计桥型为钢-混混合梁斜拉桥，全长909m。设计结构新颖，建设规模宏大。

主承台下采用24×Φ3.0m钻孔桩基础，其中南岸桩长132m，北岸桩长132.5m，承台平面尺寸为27m×38.9m，高6m，塔座高3m。南岸主塔钻孔桩与甬江大堤最近距离26.2m，北岸主塔钻孔桩距离甬江大堤坡底约12.6m。

防护桩设计

24×Φ3.0m钻孔桩施工对甬江大堤的影响主要有以下两方面：①表层土的大量流失所造成的被动土压力减小，从而造成的河堤的开裂与垮塌；②底层土滑移造成的河堤沉降及管涌。因此，可从大直径超长钻孔桩施工过程中塌孔和基坑施工过程中基坑垮塌两个方面进行分析。

(1)大直径超长钻孔桩施工过程中塌孔

大直径超长钻孔桩施工过程中塌孔分两种情况：局部塌孔造成底层土滑移和完全塌孔造成地表土流失。

1) 局部塌孔造成底层土滑移

按最不利情况考虑，当钻孔桩已经成孔的情况下孔底塌孔计算，钻孔桩每米方量，由单侧土来填充，防护桩靠钻孔桩侧土仅少量流失，对防护桩产生的弯矩较小。

2) 完全塌孔造成地表土流失

完全塌孔造成的表层土流失以钻孔桩成孔后完全塌孔为最不利情况。单桩方量约为；由两侧土进行填充，单侧表层土流失面积，则表层土流失厚度为。

图1 单桩塌孔造成表层土流失面积（阴影部分）

由于现场四台钻机同时施工，故甬江大堤防护结构可按照0.89m×4=3.56m无支撑基坑进行计算。

(2) 基坑施工过程中基坑垮塌

由于基坑面积较大，故按最不利情况，即基坑底标高以上表层土全部流失，防护结构按照7.5m无支撑基坑进行计算。

综上，甬江大堤防护结构按照7.5m无支撑基坑进行计算，且钢筋通长布置。以往采用较多的防护结构有：地下连续墙、SMW桩、钻孔灌注桩和钻孔咬合桩。由于按照7.5m无支撑基坑进行计算，要求防护结构强度及刚度大，且深度大，对施工机械要求较高。通过比选，仅钻孔灌注桩满足要求。根据结构计算，采用桩长62.5m的Φ1.5m钻孔灌注桩作为防护，由于钻孔灌注桩需对桩间做止水措施，故于钻孔桩外侧设长度为15m的Φ0.7m双层水泥搅拌桩。

3 施工技术

根据现场钻孔桩数量、桩径以及工程地质条件，拟投入2台GPS-15型钻机，采用正循环回转法施工。

3.1护筒施工

(1)护筒设计

钻孔桩护筒采用δ=6mm厚钢板制作，一般地质为2.0m高，护筒长度根据地质情况确定。直径比设计桩径大0.2m。

(2)护筒制作

钢护筒在市场定制。为防止护筒变形，护筒内设置2～3道临时米字型剪刀撑，随着护筒的下沉，及时把剪刀撑取出。

(3)护筒施工

依据桥位控制点，用全站仪放出钢护筒（即桩基位置）的准确位置，并在平台上设桩位临时控制点，采用人工与附着式震动器结合方式埋设。要求所埋护筒必须位置准确、垂直、稳固，护筒中心与桩中心重合，偏差不得大于2cm，倾斜偏差不大于1％，护筒高出地面大于0.3米，并且高出地下水位。护筒与孔壁间隙用粘土捣实，防止松动、漏水。

3.2钻机就位

钻机就位前由技术人员对原定桩位进行复核，桩位偏差要求小于10mm，用“＋字线”定位，钻机就位：要求钻机支垫牢固，钻尖对中(偏差小于20mm)，钻杆垂直(钻孔垂直度偏差不得大于1/300)，采用相应精度的水平尺测量)。为保证钻孔垂直度，场地需平整，机架滑车中心，磨盘中心、桩位中心三点必须成一直线，磨盘一定水平，钻进时随时校验，确保钻机垂直。

3. 3泥浆的调制

钻孔孔开始阶段，泥浆一般由水、粘土（或膨润土）和添加剂按适当配合比配制而成。中间及后期的钻孔泥浆采用已完成基桩的泥浆，运送方式采用泵送或罐车运输。

3.4钻孔

(1)钻机安装就位后，底座和顶端应平稳、牢固，在钻进过程中不致产生倾斜位移。钻机顶部的起吊滑轮转盘中心与钻孔中心保持在同一铅垂线上，钻进过程中经常检查，如有问题及时纠正。

(2)泥浆系统：陆上钻孔采用就地挖泥浆池的方法进行施工。为了方便钻孔桩灌注砼，设置临时蓄浆池。在钻孔桩灌注过程中，将泥浆临时存放到蓄浆池内。当泥浆池内沉渣淤积到一定程度后，利用砂石泵排至临时蓄浆池内。所有废浆集中处理。

(3)在正常钻进时，泥浆比重要求为1.1－1.2，泥浆粘度要求18－22S，含砂率＜8％。在正常循环中，大量泥砂在开挖的沉淀池沉淀下来，需要人工及时清理。施工中备有蓄浆池，将废浆暂时储存，调节外运，以保持场内清洁。

(4)开钻时均应慢速钻进，钻进采用三翼式合金钻头，开孔后先用小水量给水，慢速轻压、平稳，待导向部位或钻头全部进入地层后，方可加速钻进，以避免粘土糊钻，钻具需使用有一定高度的筒状导正器，钻进时细致观察记录进尺情况，当遇软硬变换时，应轻压慢转，以防钻孔偏斜。需要注意：在粉砂土地层要慢速钻进，防止扩孔系数过大。

(5)钻孔作业应分班连续进行，填写钻孔施工记录，交接班时应交待钻进情况及下一班应注意事项。应经常对钻孔泥浆进行检测和试验，不合要求时，应随时改正。应经常注意地层变化，在地层变化处均应捞取渣样，判明后记入记录表中并与地质剖面图核对。

(6)保持护筒内水头稳定，护筒内外水头差保持在3.0m左右。

(7)钻进过程中采用增重减压钻进，保持孔底承受的压力不超过钻具重量之和（扣除浮力）的80%，以避免斜孔、弯孔和扩孔现象。

(8)在钻孔排渣、提钻头除土或因故停钻时，应保持孔内具有规定的水位和要求的泥浆相对密度和粘度。处理孔内事故或因故停钻，必须将钻头提出孔外。

(9)根据以往施工过几座黄河大桥的钻孔施工经验，成孔过程中，必须做好泥浆的维护管理工作。每0.5小时测一次泥浆的稠度和相对密度。根据泥浆成分的变化分析孔内、护筒脚等部位的变化而做出相应的处理措施，并密切注意黄河流量与水位情况，及时调整泥浆面位置。

3.5清孔

成孔后应对孔深、孔径进行检查，符合要求后方可清孔，采用气举反循环或泵吸反循环方式清孔。

泵吸反循环：直接利用大功率砂石泵通过钻杆将砂、石、粘土块等钻渣排出到沉淀池，利用循环系统使泥浆通过泥浆槽流回到钻孔内。

气举反循环：将高压金属气管沿钻杆下放至孔底，金属管端部弯曲伸入钻杆内，启动大功率空压机利用高压气流带动，将砂、石、粘土块等钻渣排出到沉淀池，利用循环系统使泥浆通过泥浆槽流回到钻孔内。

在清孔过程中，以相对密度较(1.03～1.1)的低含砂率优质泥浆沿井壁注入，将钻孔内的悬浮钻渣和相对密度较大的泥浆换出，清孔时要保持孔内水头，防止坍孔。清孔后，孔口、孔中部和孔底提出的泥浆相对密度应1.03～1.1，粘度为17～20秒，含砂＜2%；胶体率＞98%，孔底沉淀土厚度不大于20cm。

3.6成孔检查

钻孔在终孔和清孔后，用专用仪器对孔径、孔形和倾斜度进行测定，测试检查合格后，书面上报监理工程师复查，并做好下放钢筋笼的准备。

3.7制作、安装钢筋笼

根据设计要求，钢筋笼主筋采用挤压套管连接技术进行连接。施工工艺为：施工时须首先清除钢筋连接位置的铁锈、油污、砂浆等附着物。端头若影响套筒安装，必须矫直、修磨（横肋严禁打磨）；然后将钢筋插入钢套内，插入深度应按对称定位标志确定；调整压钳，使压模对准钢套筒表面的压痕标志，并使压模压接方向与钢套筒轴线垂直；启动超高压泵径向加压，达到预定压力并使压痕压至规定深度后，即可卸压退模（压接过程中应始终注意接头两端钢筋轴线保持一致）。挤压套管连接技术使用前须进行试验，合格后并经监理工程师认可方可使用。

钢筋笼和检测管先行分节制作，制作在加工场地集中进行。钢筋笼每节长约12m。制作过程中，注意把检测管与箍筋焊接牢固，且位置准确。利用汽车将分节钢筋笼运至现场，利用吊机现场吊装。首先下放第一节钢筋笼，然后在检测管内注满清水，随即下放第二节钢筋笼，并组织专业钢筋工进行上下两节钢筋笼的挤压套管连接，时间控制在0.5小时内，连接完成后，继续下放钢筋笼，并用型钢临时固定，然后再次在检测管注入清水。以后钢筋笼的安装重复以上程序。

施工中要注意上下钢筋笼的位置正确，轴线一致，防止笼身弯折，以避免上提导管时钩挂钢筋笼，造成施工困难。另外，所有连接接头应按规范错开布置，施工时控制时间在10小时以内，以免操作时间过长造成坍孔。

钢筋笼内加设加强筋，以保证在搬运、吊放过程中不致变形，并每隔2m按照图纸设保护层钢筋，以保证钢筋笼位置正确，且有一定厚度保护层，钢筋笼放入孔内，在混凝土灌注过程中，应采用适当措施防止钢筋笼上浮。

3.8导管

采用直径300mm的导管。导管采用螺旋连接套连接。吊装前应试拼，并经试压（压力1.7MPa）确保不漏水。现场拼接时要保持密封圈无破损，接头严密，管轴顺直。

3.9灌注水下混凝土

灌注混凝土前，利用导管进行二次清孔，对孔底沉淀层厚度、泥浆指标进行检测，达到要求后，立即灌注水下混凝土。

灌注首批混凝土时，导管下口距孔底距离宜保持在20～25cm，导管埋入混凝土中深度大于1m。

混凝土灌注过程中，随时控测混凝土顶面高程，导管埋深控制在3m左右，混凝土连续灌注，并防止导管内形成空气囊。

当混凝土面接近钢筋笼时，要使导管保持较大的埋深，并放慢灌注速度，以减小混凝土的冲击力，防止钢筋笼上浮。当混凝土进入钢筋笼一定深度后，应适当提升导管，使钢筋笼在导管下口有一定的埋深。

在最后灌注时，要核对混凝土的灌注量，使混凝土产生较大的冲击力，以增加混凝土的压力，提高混凝土密实性。为了保证桩头混凝土质量，最后灌注时导管在1～2米范围内上下移动，桩顶超灌1m左右的混凝土。

为了减少后期桩头破除的难度，混凝土灌注桩灌注完成后，及时用特制吸浆泵系统进行超灌混凝土水泥浆的排除，但注意桩顶以上50cm内混凝土不得挠动。

3.10混凝土灌注桩检测

根据设计要求，桩基通过超声波检测导管对桩基础质量进行检测，声测管是灌注桩进行超声检测法时探头进入桩身内部的通道。它是灌注桩超声检测系统的重要组成部分，它在桩内的预埋方式及其在桩的横截面上的布置形式，将直接影响检测结果。因此，需检测的桩应在设计时将声测管的布置和埋置方式标入图纸，在施工时应严格控制埋置的质量，以确保检测工作顺利进行。

声测管采用外径50mm，壁厚3mm的钢管，管子一般随钢筋笼分段安装，每段之间的接头可采用反螺纹套筒接口方案。接头方案都必须保证在较高的静水压力下不漏浆，接口内壁应保持平整，不应有焊渣、毛刺等凸出物，以免妨碍探头的自如移动，声测管的底部也应密封，安装完毕后应将上口用木塞堵住，以免浇灌混凝土时落人异物，致使孔道堵塞。

4结语

针对钻孔桩施工对甬江大堤的影响分析，进行了甬江大堤防护桩的设计，解决大直径钻孔桩施工对临近大堤影响的难题。通过对防护桩施工工艺的研究，为同类工程防护桩施工提供参考。

参考文献：

建筑基坑支护技术规程（JGJ120-99）

建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）

浙江省《建筑基坑工程技术规程》（DB33/T1008-2000）

刘成宇. 土力学（第二版）.北京：中国铁道出版社，2005

《地基处理手册》编写委员会. 地基处理手册. 北京:中国建筑工业出版社，1988

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