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1、東海大橋海上大口徑超深鉆孔灌注樁施工工藝 東海大橋主通航孔鉆孔樁直徑2500，樁長110m，又屬海上施工，施工難度較高，本文詳細論述了主墩鉆孔灌注樁試樁的施工工藝。1 概述 東海大橋工程是上海國際航運中心的集裝箱深水港重要的配套工程，起始于上海浦東南匯區蘆潮港，跨越杭州灣北部海域，止于洋山港區一期交接點，工程全長31.5km。由上海建工集團承建的東海大橋標段主通航孔為主跨420m的鋼混結合梁斜拉橋，主墩樁基礎采用大口徑鉆孔灌注樁。為驗證地質報告提出的相關數據，分析樁側的分層極限摩阻力和樁端極限摩阻力，并對海上鉆孔灌注樁的泥漿級配、水下混凝土級配、成孔、成樁等施工工藝進行驗證，故先在Pm336墩2、外海側防撞墩內進行試樁。試樁樁徑2500mm，樁長 108.5m，樁頂標高3.5m，樁尖標高112m；鋼筋籠全長118.55m，底標高111.55m，頂部設計內外雙層鋼筋籠。樁身內共布置2道荷載箱，分別位于標高110m和66m處。本試樁采用靜載試驗法樁承載力自平衡測試方法（OTSBURG法）。其原理為：荷載箱內布置大噸位千斤頂，將荷載箱放在樁身指定位置，通過測試直觀地反映荷載箱上下兩段各自的承載力。將荷載箱上段樁的側摩阻力經處理后與下段樁端阻力相加，即為樁極限承載力。2 工程地質條件2.1 根據地質資料，試樁位置大致地層情況如下：土層層號地層名稱層厚(m)土層描述標貫擊數1淤泥質粉質粘土5.43、夾較多薄層砂，土質極軟1淤泥質粘土9.75夾少量薄層砂，水平層理發育1粘土5.4局部有粉細砂夾層粉質粘土2含氧化鐵斑，下部變為砂質粉土1-1砂質粉土5.65土質不均，局部夾少量薄層粘性土28.51-2粉細砂10.25夾薄層粉質粘土，局部含25cm礫石39.32粉細砂32.5局部含少量15cm礫石，下部夾薄層粉質粘土及粉土61.1含礫中粗砂8.4夾較多薄層粉砂，含有5cm厚的半腐木材62.2粉質粘土11.4夾粉土，局部為堅硬狀態，下部含有40mm礫石3711-1粉細砂13.3夾少量粉質粘土及粉土70.42.2 影響成孔主要地層2層粉細砂標貫擊數大于60，相當密實，且該層厚度達3233米，是全孔鉆4、進耗時最多的地層。須嚴格控制泥漿的含砂率，減少孔內沉渣厚度。層粉質粘土局部呈堅硬狀態，下部有粒徑達40mm的卵礫石，且埋置深度較深。11-1層含礫粉細砂，標貫擊數基本上都在6080，樁端進入該層10米以上。3 施工工藝和設備的選擇3.1 施工工藝的選擇根據地質資料，結合試樁的設計和設備情況等因素，鉆孔灌注樁施工采用回轉鉆進、泵吸（氣舉）反循環為主的成孔工藝，水上自動拌和船攪拌砼、泵送水下混凝土灌注工藝。3.2 成孔設備的選擇鉆機的扭矩是影響工程施工進度的關鍵因素，根據本工程的地層情況和鉆孔深度，選配鄭州QJ-250型鉆機（底盤直徑3000mm，扭矩120KN.m，額定功率135kw），洛陽九久5、公司雙壁大通徑（273mm）高強度抗扭氣舉鉆桿。鉆頭選用防斜梳齒鉆頭（刮刀鉆頭），根據計算鉆頭配7t配重塊，以防止孔斜與提高鉆進效率。另外再備用一只牙輪滾刀鉆頭。4 試樁施工方法4.1 試樁施工平臺本工程鋼平臺采用預制導管架現場安裝、在導管內打設鋼管樁、上面鋪設甲板層形成，鋼平臺頂標高+9.07m，平面尺寸42.430m，試樁施工即在導管架鋼平臺上進行。4.2 鋼護筒設計施工根據地質資料計算，為隔離海水，并能形成一定的靜水壓力，以保護孔壁免于坍塌，鋼護筒埋置深度應不少于11.5m。為防止海水沖刷造成埋置深度減少，以及抵抗波浪力會相應產生的靜水壓力，決定鋼護筒入土深度為18m，持力層為1層（粘土6、層）。試樁鋼護筒在施工時不承受豎向荷載。設計鋼護筒內徑2800，壁厚16mm，上下兩端1m范圍設14mm厚加強箍。護筒長度為38m，頂標高+9.07m（與鋼平臺標高一致），整根加工、吊裝。根據設計要求，在護筒頂部往下5m13m范圍內采取防銹措施（涂600m重防腐涂料）。鋼護筒用定位架作導向，用350t浮吊掛D100柴油錘“吊龍門”施打。下沉好的護筒，與施工平臺連接成整體。鋼護筒實際錘擊數為18擊，平均貫入度約1m，最終貫入度20cm左右。4.3 鉆孔4.3.1 泥漿配制方案泥漿采用淡水配置。由于粘土層較厚，在鋼護筒內進行自然造漿，利用反循環鉆進，直接把護筒內的鉆渣抽出孔外，出護筒后根據泥漿性能7、在砂質粘土層或粉細砂層中利用反循環進行人工造漿，同時加入純堿對膨潤土進行鈉化改良。設計泥漿比重為1.10左右，粘度在2328秒左右，加堿量為膨潤土量的5%。每方泥漿配制比例為（膨潤土和純堿的摻量根據泥漿性能進行動態調整控制）：水（kg）膨潤土（kg）純堿（kg）9081839鉆進過程中，泥漿比重控制在1.101.25，使泥漿具有一定的液柱壓力，以達到平衡孔壁外圍地層壓力，穩定孔壁，滿足反循環施工工藝的要求；粘度控制在2025秒，以滿足鉆進護壁和二次清孔的要求；PH值維持在89左右，使泥漿處于堿性狀態，提高粘土的分散度。4.3.2 鉆進參數在護筒內鉆進時鉆機的轉速控制在14轉以下，使進尺速率保持8、在0.81.2m/h之間，特別是在開孔鉆進時控制在0.8m/h以下；在鉆頭出護筒至第層鉆進時轉速和鉆壓不宜太高，進尺速率可稍快，當進入第層粉質粘土時，加大鉆壓；在第層以下砂性土為主地層中鉆進時，在保證懸吊鉆進的前提下保證孔底有最大的鉆壓，粉細砂層的轉速提高到21r/min，在含礫中粗砂層和下部的粉質粘土中鉆進時，一定要防止鉆具有較大的晃動，以免擴孔，同時根據孔內泥漿性能的變化不斷進行補漿調整。4.3.3 泥漿循環系統為滿足泥漿循環，施工過程中配備一艘1000t泥漿船運裝淡水和儲放沉渣，平臺上放一個30m3泥漿箱進行循環。泥漿循環系統為：吸出的泥漿通過三通（造漿用）和出漿管接到泥漿箱上方的過濾網9、上，過濾后的泥漿流入泥漿箱內，泥渣則通過出渣槽流到泥漿船上；泥漿箱內的泥漿一部分直接流入孔內，一部分通過四臺3PN泵抽到兩臺旋流除砂器內進行除砂后由旋流出漿管流入孔內，經除砂器分離出的廢渣則排入泥漿船。泥漿循環系統示意圖經實測，經旋流除砂器的泥漿比未經旋流除砂器的泥漿，其泥漿比重可降低0.010.02，砂率可降低2%3%。因此，在泥漿池和沉淀池容量有限的情況下，使用旋流除砂器可較大幅度地降低泥漿比重和砂率。4.3.4 鉆進時水頭高度控制由于鋼護筒埋置深度較大，經計算，施工過程中即使液面與鋼護筒頂標高一致亦不會造成反穿孔現象。施工海域潮漲潮落變化較快，潮差超過3m，故鉆進施工過程中，護筒內液面高10、度一般控制在5.06.0m左右，水頭高度為3.2m（高潮位）7.3m（低潮位）。4.3.5 荷載箱位置鉆進時的控制荷載箱外徑2300，內口直徑690，導管外徑314（導管接口達380）。由于間隙較小，在荷載箱處混凝土可能很難泛上來。為此，我們在荷載箱位置鉆進時適當控制鉆進速度，增加鉆進時間，有意在該處地層造成擴孔。成孔后孔徑檢測表明，在兩道荷載箱處鉆孔直徑分別為：2800（荷載箱1）2600（荷載箱2）。4.3.6 各地層鉆進時間分析土層層號地層名稱層厚（m）純鉆時間（分）鉆進速度（分/米）1淤泥質粉質粘土6.138863.61淤泥質粘土823629.51粘土8.157571.0粉質粘土2.411、466194.01-1砂質粉土1.8237131.71-2粉細砂11.715813.52粉細砂34.581023.5含礫中粗砂5.122143.3粉質粘土13.51380102.211-1粉細砂1036536.5從上表可以看出，進尺較慢的地層主要為：兩層粉質粘土層（層和層）、砂質粉土層（1-1層），特別是第層，平均三個小時進尺不到1m，最小進尺為29cm/時。粘土層不僅十分堅硬，而且粘度很大、易堵管，給進尺帶來極大困難，施工時應控制鉆進速度，降低泥漿比重和粘度。相比之下，粉細砂層和含礫中粗砂層進尺較快，但鉆屑易懸浮沉淀，不易清除，鉆進時應提高泥漿的粘度，增強攜砂能力，并應定時停鉆循環除砂。4.12、3.7 成孔檢測結果設計孔徑(mm)2500設計孔深(m)121.07檢測最大孔徑(mm)3036檢測孔深(m)121.20檢測最小孔徑(mm)2500垂直度0.52%檢測平均孔徑(mm)2650沉渣厚度(cm)18擴孔位置均在粉細砂層中，粘土層擴孔較少，第層甚至剛剛達到設計直徑。試樁檢測結果表明，該樁成孔質量較好，各項指標均符合規范要求。4.4鋼筋籠制作安裝4.4.1鋼筋籠制作鋼筋籠全長118.55m，分十節制作，采用擠壓套筒連接，故要求主筋長度一致（誤差應控制在10mm以內），間距統一，接頭斷面平整，并且接頭斷面與鋼筋籠身垂直。為此，試樁采用定位架主筋成型法制作鋼筋籠：用18mm鋼板按外圈13、鋼筋籠外徑加工成半圓的定位架，按加強筋間距布置，定位架上按主筋間距焊接限位，用以定位主筋位置。將主筋切割至同一長度后擺放在定位架上，把加強筋垂直立在定位架上的主筋上面，隨后將其余主筋按設計間距布置在加強筋上，將箍筋環繞在主筋外側并點焊，最后安裝內層鋼筋籠，完成鋼筋籠骨架的制作。外層主筋、加強筋和箍筋采用點焊連接；內層主筋和加強筋在制作時采用綁扎，待孔口對接完成后再行焊接。為縮短孔口對接時間，將內側主筋的一端事先進行擠壓，外側主筋則只擠壓48根對位鋼筋。4.4.2 荷載箱、位移管和鋼筋計安裝在荷載箱位置將主筋斷開，并圍焊于荷載箱上下鋼板上。8根位移管分別圍焊在兩個荷載箱鋼板上。聲測管和位移管均與14、鋼筋籠綁扎固定。根據鋼筋計位置翻樣，選擇聲測管附近四根主筋，在設計位置割斷50cm，把鋼筋計安裝到割斷位置并與主筋點焊連接，最后將纜線一頭連接到鋼筋計上。4.4.3 鋼筋籠孔口安裝鋼筋籠采用兩點吊，吊裝設備為100t履帶吊，把桿長度30m，最大起重能力達60t。制作一個鋼筋籠固定架，掛4個20t手拉葫蘆，用以懸掛已完成下放的鋼筋籠。用手拉葫蘆微調下節鋼筋籠，使其與吊機吊住的上節鋼筋籠的所有主筋完全對中。依次焊接位移管內管、外管和聲測管，最后進行擠壓連接。對接完成后，將聲測管、位移管、內側主筋焊接在鋼筋籠上，按設計要求安裝混凝土保護層墊塊，環繞箍筋，并把鋼筋計纜線和荷載箱油管每2米左右綁扎在主筋15、上。鋼筋籠下完后，用六根32鋼筋將鋼筋籠焊接掛在鋼護筒上。4.4.4 套筒擠壓鋼筋連接時在鋼筋上劃出明顯的定位標記（套筒長度的一半），擠壓前按標記檢查鋼筋插入套筒內深度。擠壓時擠壓機與鋼筋軸線保持垂直，擠壓以套筒中央開始，并依次向兩端擠壓。擠壓操作時采用的壓力、道數應符合各種規格要求：規格壓力值(MPa)單邊壓接道數套筒長度(mm)32505551954.5 水下混凝土灌注4.5.1 下導管、二清導管壁厚7mm，內徑273，采用絲口連接。共下導管482.5m=120m ，加上小料斗下放入孔0.7m，導管總長度為120.7m，混凝土澆筑前導管距孔底0.4m。導管下放完成后進行二次清孔。混凝土澆筑16、前檢測泥漿指標為：比重1.14，粘度21秒（經旋流除砂器為20秒）、20秒，砂率0.8%，沉渣厚度150mm。4.5.2 混凝土級配試樁混凝土為水下C30級抗滲混凝土。根據設計要求，該混凝土必須控制氯離子擴散系數和電通量，同時，水泥和粗骨料也必須控制氯離子含量。混凝土級配如下表：水泥水砂石粉煤灰礦 粉外加劑中砂525mmP621每(m3)用量(kg)2201956801000901501.85初凝時間10時40分終凝時間13時20分Cl含量0.06%試配28天強度：44.7Mpa，電通量：1089庫侖。4.5.3 混凝土灌注根據實際孔徑計算，初灌量不應小于13m3，我們在灌注時采用雙料斗，大料17、斗11m3，采用側邊開口，小料斗2m3，直接連在導管上，用100t吊車吊住，混凝土用球膽進行隔水，上覆蓋板，蓋板用鉆機上的卷揚機牽引。拌制2m3砂漿和11m3混凝土裝滿兩個料斗，并備4m3混凝土料。同時開啟大小料斗，并立即用布料管連續供料，故實際初灌量大于13m3，實測初灌導管埋深為1.4m。初灌混凝土坍落度為2022cm。混凝土灌注過程中應嚴格控制導管埋深。由于孔深較大，混凝土頂面沉渣必定很厚，故導管埋深不得小于2m；最大埋深宜控制在89m，以能拔出兩節導管為宜。導管拔出荷載箱時，要求操作人員放慢速度，防止導管掛荷載箱。混凝土灌注總方量為620m3，灌注樁頂標高為1.33m。灌注情況見下表：18、序號砼柱高度(m)灌注方量(m3)每米灌注量 (m3/m)充盈系數16498.171.67212.5675.361.09317.6895.061.0344256.251.28516.5955.761.1864.5255.561.1372211051.02853061.22911605.451.111011.6706.031.23合計110.7620根據計算，試樁混凝土充盈系數為1.14，平均樁徑為2660。樁底充盈系數較大，據推算平均直徑不小于2800，較好地保證了混凝土能順利灌注。混凝土灌注結果與孔徑檢測結果基本接近。混凝土灌注質量較好。5 施工過程中存在的主要問題5.1 堵鉆堵鉆主要發生在19、層、層及層中，均為粘土層，原因為粘土層粘度較高、較為致密，鉆取的渣樣中存在不少未離散的泥塊。我們采取的措施主要為：適當控制鉆進速度；改變泥漿性能，降低泥漿比重和粘度，同時防止泥漿突變。5.2 鋼筋籠孔口安裝時間過長鋼筋籠孔口安裝總耗時61.5小時。其中，第八、第九節鋼筋籠（主筋數量分別為100根、120根，分內外兩圈）對接用時都超過半天，主要原因是鋼筋籠結構太復雜，對接主筋數量較多，鋼筋籠對位和擠壓用時較長。鋼筋籠孔口對接的滯后會影響到孔位安全和混凝土順利澆筑。6 試樁施工成功實踐6.1 合理設計鋼護筒鋼護筒要有一定的埋置深度，并應高出水位一定的高度。由于施工海域潮差變化較大，為保證孔位安全，20、必須保持較高的水頭高度；鋼護筒應選擇透水性差、較為致密的粘土層作持力層，并應滿足在較高的水頭壓力下不會導致反穿孔現象。施工中，雖然鋼筋籠對接時間較長，但孔內液面標高基本控制在+7.00m左右，形成較大的液柱壓力，避免了坍孔縮徑等質量事故的發生。6.2 泥漿性能控制泥漿采用高效鈉基堿性膨潤土，純堿摻量為5%左右，采用淡水配置。鉆進過程中，泥漿比重控制在1.101.25，粘度控制在1925秒， PH值維持在89左右。經施工實踐證明，泥漿性能滿足鉆進要求，能保證鉆孔和成孔后的孔位安全。6.3 防止孔斜措施鉆機就位時，應嚴格保證鉆塔天車、轉盤中心、樁孔中心三者在同一鉛垂線上。為防止因地層軟硬不均出現的21、孔斜事故，鉆進過程中，在配備足夠鉆頭配重壓力的同時，采用“減壓鉆進”以保證鉆孔垂直精度。6.4 鋼筋籠制作安裝工藝本工程鋼筋要求采用套筒擠壓連接，鋼筋籠制作時應首先確保主筋長度和間距統一、接頭斷面嚴格一致并與鋼筋籠身垂直。應制作時事先擠壓數根定位主筋固定上下兩節鋼筋籠，其余主筋應在孔口對接成功后連接，鋼筋籠應利用手拉葫蘆進行微調對接。6.5 海上泵送抗滲砼施工本鉆孔樁砼采用水下C30抗滲砼，因抗滲要求實際砼28天強度達44.7MPa。由于采用攪拌船供料，考慮到海上的風浪對攪拌船的生產工藝以及原材料計量精度會帶來一定的影響，在攪拌船的設計時采取相應措施進行克服。從實際生產的砼坍落度、和易性來看，均滿足了規范要求。