燕矶长江大桥鄂州侧主塔桩基成孔关键技术

燕矶长江大桥鄂州侧主塔桩基成孔关键技术

周国友 ,魏泽军 ,何义军

（湖北交投燕矶长江大桥有限公司，湖北黄冈  438000）

摘要：燕矶长江大桥主桥为主跨 1860m 不同垂跨比四主缆钢桁梁悬索桥，内主缆跨度为(550+1860+450)m，外主缆跨度为(510+1860+410)m。其鄂州侧主塔桩基础采用直径3.2m的钻孔灌注桩，上下游单肢塔柱下方各28根桩基。部分桩基位于断裂带内，岩性分布不均，强度相差较大，岩面倾斜，成孔作业难度大，垂直度控制难度大的特点，故采用XR550D旋挖钻钻孔施工。为提高钻孔效率分别采用φ1.5m、φ2.0m、φ2.5m、φ3.2m钻头分四次下钻逐级成孔，直至终孔，确保成孔后的各项指标满足质量检验评定标准，桩身完整性检测均为Ⅰ类桩。

关键词：悬索桥 钻孔灌注桩 旋挖钻 施工技术

中图分类号:U448.27      文献标志码:A

1 工程概况

燕矶长江大桥位于鄂黄长江大桥和鄂东长江大桥之间，作为鄂州国际物流核心枢纽的综合配套工程，距离鄂州花湖机场约5公里。跨江主桥采用1860m四主缆不同垂跨比钢桁梁悬索桥，主桁为华伦形桁架，内主缆跨度布置为（550+1860+450）m=2860m，外主缆跨度布置为（510+1860+410）m=2780m。内主缆垂跨比1/13.058，外主缆垂跨比1/12.130。鄂州侧主塔桩基础采用直径3.2m钻孔灌注桩，上下游单肢塔柱下方各28根桩基，纵、横桥向对称布置，纵桥向设置5排，桩顶设计标高+14.2m，桩长按照46m、56m、66m以及76m不等长布置，按端承桩设计。

鄂州侧桥塔覆盖层为人工填土、软塑～可塑粉质黏土，厚约0～18.4m，下伏基岩主要为强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩。桩端持力层为中风化泥质粉砂岩。其中小里程下游侧5根桩基位于襄樊～广济断裂带内，断裂带厚度约为39.6～59.5m，断裂带内的岩性主要为糜棱岩、构造角砾岩、泥岩、砂岩，断裂带下盘基岩主要为泥质粉砂岩，局部发育玄武岩岩脉。糜棱岩为极软岩，泥岩为极软岩～软岩，砂岩为软岩～较软岩，构造角砾岩为软岩～较软岩，泥质粉砂岩为较软岩～较硬岩，玄武岩为较硬岩。断裂带内岩性分布不均，强度相差较大。

图1主桥桥型布置图(单位：m)

2 钻孔桩总体施工方案及施工难点

2.1总体施工方案

参考类似工程施工经验，鄂州侧主塔处修筑钻孔平台，与施工便道顺接，钻孔平台上采用旋挖钻机施工。主塔处原始地面标高约为+20mm，场地清理整平后按1:1坡度填筑钻孔平台，回填后钻孔平台顶面高程为+23m。综合考虑承台开挖施工边线及安全距离，钻孔平台顶面长 141.1m，宽 93.6m，分为钻孔作业区、环形平台两大区域。钻孔平台靠近子堤处设置泥浆池（分为储浆池、沉淀池），平面尺寸为48.5m×31.5m。钻孔作业区钢护筒之间设置泥浆管沟，通过钻孔平台下方暗埋的泥浆管路与泥浆池进行联通。钢筋笼在加工场内采用长线法在胎架上匹配制作,分节运输至施工现场。清孔时，孔内泥浆通过钢护筒间管沟、回浆管道回流至沉淀池，经沉淀净化后输送至储浆池中进行调配，泥浆性能指标满足要求后循环使用。清孔合格后采用导管法进行水下桩身混凝土灌注，完成桩基施工。

图2鄂州侧主墩桩基平面布置图（单位：cm）

2.2施工难点

（1）主墩桩基为大直径端承桩群桩基础，直径达3.2m，最大长度为76m，成孔质量控制要求高。

（2）部分桩基位于断裂带内，岩性分布不均，强度相差较大，岩面倾斜，成孔作业难度大，垂直度控制难度大。

（3）单根桩基混凝土最大方量约为611m³，浇筑时间长，对混凝土性能、制备以及浇筑能力要求高。

（4）主墩桩基位于长江滩地，生态环保要求高。
3 钻孔桩技术

3.1钻机及钻头选型

桩基施工区域地层结构十分复杂，分别由粉质黏土、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩（26MPa）、中风化含砾砂岩、糜棱岩、构造角砾岩、泥岩、钙质砂岩、中风化玄武岩（45MPa）构成。考虑旋挖钻在软土层的成孔效率与成孔质量优势较大、冲击钻成孔在各类岩层的成孔效率与成孔质量优势较大，为确保工期与成孔质量，故选择XR550D旋挖钻进行钻孔施工、CK-3500冲击钻作为备选配合的方案。粉质黏土、糜棱岩及部分强风化岩层区段采用 XR550D 旋挖钻成孔，在遇到中风化岩层、玄武岩区段等旋挖钻无法钻进的岩层时，则采用CK-3500冲击钻机成孔，施工过程中根据实际情况与成孔效率进行调整。

3.2钢护筒插打

钢护筒采用Q235A钢板卷制拼焊而成，规格为φ3500mm，壁厚为20mm。为了考虑履带吊及罐车等顺利通行，故设置钢护筒标高与硬化后的钻孔平台标高一致，钢护筒设计顶标高设置为+23.0m，护筒底标高为+4.14m～+20.91m，长度从3m到19m不等。

为防止钢护筒顶部在插打时撕裂，在钢护筒顶部加设1道20cm宽、20mm厚的加强箍。为增加护筒顶部刚度，防止钢护筒在施打时发生变形或卷边，在护筒底部加设1道30cm宽、20mm厚的加强箍，围焊于护筒表面。同时为便于护筒的打入，将护筒底口部分加工成刃形，减少护筒入土的阻力。

钢护筒施沉采用双层整体式定位架进行平面和垂直度控制。导向架顶层及底层均设置有4个定位装置，对钢护筒进行限位。主桥桩基钢护筒采用100t履带吊+YZ-300振动锤进行沉放。

3.3泥浆配备

为保证施工过程中孔壁的稳定性，采用不分散、低固相、高粘度泥浆，其具有高悬浮、高抗盐和低失水等性能。泥浆配比材料适配比例通过现场试验确定。储浆池处设置4台1500L型高速制浆机进行泥浆制备。泥浆搅拌时间不得少于3min，新制泥浆经膨化24h后方可使用。达到使用要求的泥浆泵送至待钻孔位的钢护筒内，当钢护筒内泥浆性能指标满足施工要求后即可开孔钻进，新鲜泥浆的性能满足下表要求。

表1 新造泥浆性能指标

在旋挖钻和冲击钻的实际钻进过程中，根据不同的地层，适当的调节泥浆指标参数以达到最优的钻进效率；同时在钻进的过程中，建立相关台账记录成孔桩基钻进过程中的泥浆变化情况，为后续的钻进提供参考依据，以进一步提高钻进工效及成孔质量。

3.4钻孔施工

3.4.1钻机就位与调试

钻机就位前应在桩基孔口稳定位置设置4个护桩，护桩对角线交叉点为桩位中心位置，便于钻进过程中随时复核桩位。钻机就位时，事先检查钻机的性能状态是否良好，保证钻机工作正常。旋挖钻机底盘为伸缩式自动整平装置，并在操作室内有仪表准确显示电子读数，当钻杆对准桩位中心十字线时，各项数据即可锁定，勿需再作调整。钻机就位后钻杆中心和桩中心对正准确，误差控制在100mm内。钻机就位后，测放出护筒顶、钻孔平台标高，用于钻孔时孔深测量参考。

3.4.2覆盖层成孔

钻孔前先将钻斗着地，通过显示器上的清零按钮进行清零操作，记录钻机钻头的原始位置，此时，显示器显示钻孔的当前位置的条形柱和数字，操作人员可通过显示器监测钻孔的实际工作位置、每次进尺位置及孔深位置，从而操作钻孔作业。钻孔时操作人员通过主界面的三个虚拟仪表的显示：动力头压力、加压压力、主卷压力，实时监测液压系统的工作状态。

开孔时，以钻斗自重并加压作为钻进动力，一次进尺短条形柱显示当前钻头的钻孔深度，长条形柱动态显示钻头的运动位置，孔深的数字显示此孔的总深度。通过操作显示器上的自动回位对正按钮机器自动回到钻孔作业位置，或通过手动操作回转操作手柄使机器手动回到钻孔作业位置。此工作状态可通过显示器的主界面中的回位标识进行监视，技术人员在施工过程中应经常抽查显示器主界面垂直度和进尺参数，确保终孔垂直度。

旋挖钻机配备φ3.2m双底板捞渣钻斗进行覆盖层内钻进。钻孔过程中每进尺5m测定泥浆各项技术指标，不满足要求时及时调整。钻孔过程中及时补充泥浆，始终保持护筒内泥浆面高于护筒底部至少50cm，防止塌孔。钻进至岩层面时，提出钻头，改换牙轮筒钻头或冲击钻进行岩层内钻进。

3.4.3岩层分级成孔

利用旋挖钻进行岩层内钻孔时，为提高钻孔效率分别采用φ1.5m、φ2.0m、φ2.5m、φ3.2m钻头分四次下钻逐级成孔，具体步骤如下：

（1）采用装有φ3.2m上扶正器的φ1.5m牙轮筒钻头进行定位钻进，上扶正器高度不少于1.2m，钻进约3m时，更换取芯钻头取芯，若岩层破碎可直接采用双底捞渣钻头捞渣。

（2）旋挖钻机配备直径1.5m、筒高3m的牙轮筒钻头进行钻进，钻进3m后，更换取芯钻头取芯（若岩层破碎可直接采用双底捞渣钻头捞渣），反复循环施工直至钻进至中风化岩层面，完成一级钻孔。

（3）一级钻孔完成后进行二级扩孔，采用带有φ1.5m下扶正器的φ2.0m扩孔钻头进行钻进，钻进一段，利用φ1.5m、φ2.0m捞渣钻头将切削部分捞出，反复循环直至钻进至一级钻孔终孔位置，完成二级钻孔。

（4）二级钻孔完成后进行三级扩孔，采用带有φ2.0m下扶正器的φ2.5m扩孔钻头进行钻进，钻进一段，利用φ2.0m、φ2.5m捞渣钻头将切削部分捞出，反复循环直至钻进至二级钻孔终孔位置，完成三级钻孔。

（5）三级钻孔完成后进行四级扩孔，采用带有φ2.5m下扶正器的φ3.2m扩孔钻头进行钻进，钻进一段，利用φ2.5m、φ3.2m捞渣钻头将切削部分捞出，反复循环直至钻进至三级钻孔终孔位置。

（6）重复上述四级钻孔流程，直至钻进至桩底设计标高。

（7）接近设计孔底标高0.5m时，控制钻进速度，用标定好的测量绳勤测量，将超钻深度控制在不小于5cm。测量时，将测锤慢慢沉入孔内，其施工孔深和测量孔深之差，即为沉淀厚度。

（8）钻孔达到设计深度后，核实地质情况，确认与设计要求相符后停止钻孔。通过钻渣与地质柱状图对照，以验证地质情况是否满足设计要求。如与勘测设计资料不符，及时通知监理工程师及设计代表进行确认处理。

（9）钻到预定孔深后，钻头先进行空转清土（10转/分钟），然后再停止转动，提起钻杆。

3.5钻渣处理

旋挖钻施工时，每台旋挖钻配置1个钻渣箱，并采用挖机和运渣车用于装卸钻进过程中的钻渣。钻孔过程中，捞出的钻渣暂时放置在钻渣箱内；清孔及浇筑混凝土时，回流的泥浆通过泥浆除砂机进行处理，处理后的钻渣暂时放置在钻渣箱内。挖掘机及时清理钻渣箱，通过运渣车将钻渣运送至指定弃渣地点。废弃泥浆先采用泥浆箱集中储存，再采用泥浆运输专用车辆运至上述指定地点。

3.6 一次清孔

终孔后，需及时进行清孔，一次清孔均采用气举反循环法进行。在导管顶部设置弯头，将送风管插入导管内，内送风管固定在弯头的法兰盘上，通过软管与空压机连接。再向孔内输送新鲜泥浆，打开空压机开始送风。空压机将高压空气送入导管内，空气与泥浆混合后形成密度较小的气泡和泥浆混合物，由于导管内外的压力差，形成持续的泥浆流，携带沉渣顺导管排出。清孔时导管在桩孔内摆动，以便能将孔底周边的钻渣清理干净。经检测孔底沉渣厚度不大于 5cm、孔内泥浆指标符合要求后，清孔完成。

4 结语

鄂黄第二过江通道（(燕矶长江大桥及接线）鄂州侧主塔基础采用56根3.2 m大直径桩基础，塔位所处地质条件复杂，且靠近断裂带，岩性分布不均，强度相差较大等不利因素影响较大, 岩面倾斜、成孔作业难度大，垂直度控制难度大。施工时，采用旋挖钻机的钻孔方式,既保证了工期又节约了成本，进一步将旋挖钻机的使用范围扩大到3.2m的大直径。复杂地址条件的情况下，同时钻孔过程中对泥浆指标、钻进参数进行动态控制，使钻机的性能得以良好发挥。该桥主墩桩基施工已完成，成孔后各桩基桩位、孔深、孔径、钻孔倾斜度及沉淀厚度均达到公路工程质量检验评定标准，桩身完整性检测均为Ⅰ类桩。

参考文献

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