大直徑鉆孔樁施工關(guān)鍵技術(shù)

付國平

（中鐵大橋局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 南京 210015）

近年來，我國橋梁事業(yè)正從“大”向“強(qiáng)”轉(zhuǎn)變，作為超級工程橋梁中的“定海神針”，橋梁樁基逐漸向著樁徑大、樁長深的方向發(fā)展，2013 年通車的嘉紹大橋采用了φ3.8m 的鉆孔樁（無承臺）技術(shù)，2020 年通車的平潭海峽公鐵大橋鉆孔樁更是達(dá)到了φ4.5m。本文結(jié)合新建巢馬城際鐵路馬鞍山公鐵兩用大橋項(xiàng)目，總結(jié)主橋Z3 號和Z4 號大直徑鉆孔樁施工關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

新建巢湖至馬鞍山城際鐵路全線位于安徽省境內(nèi)，其中馬鞍山公鐵兩用長江大橋在常合高速馬鞍山長江公路大橋上游約2.3km 處姑孰橋位跨越長江。（圖1）

圖1 新建馬鞍山公鐵兩用大橋效果圖

主橋采用四線鐵路+六車道城市快速路的公鐵合建橋梁，橋跨布置為（112+392+2×1120+392+112）m。（圖2）。

圖2 主橋橋跨布置圖（單位：m）

2 鉆孔樁概況

主橋Z3 號墩基礎(chǔ)承臺采用啞鈴型承臺，平面尺寸為（81.8×36.8）m（橫×縱），厚為9.5m；承臺下設(shè)36 根φ4.0m 的鉆孔灌注樁，按端承樁設(shè)計(jì)，行列式布置，樁長68m。

Z3 號墩橋址區(qū)位于和縣岸大堤與牛屯河邊灘之間，該段位于新近淤積的淺灘。覆蓋層厚度45.7～46.6m，覆蓋層上部為流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及松散砂層，為近年來長江淤積而成，中下部主要為稍密～中密狀粉細(xì)砂層，底部可見粗砂及礫砂層。下伏基巖為葛村組（K1g）粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖、礫巖，巖體較完整～較破碎。（圖3）

圖3 Z3 號墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖

主橋Z4 號墩基礎(chǔ)承臺平面尺寸為（89.2×54.7）m（橫×縱），厚為10m，承臺下設(shè)60 根φ4.0m 的鉆孔灌注樁，行列式布置；鉆孔樁樁長最長72m，最短60m。

Z4 號墩位于長江主航道，距離西側(cè)牛屯河邊灘約270m，距離和縣長江大堤約1360m。覆蓋層厚約48.5～53.0m，覆蓋層主要為松散～中密狀粉、細(xì)砂層，底部較薄的細(xì)圓礫土及殘坡積粉質(zhì)黏土，下伏基巖為葛村組（K1g）粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖?；鶐r整體較完整，局部裂隙較發(fā)育，局部裂隙間充填泥質(zhì)，少量巖石呈碎裂狀，局部后期有膠結(jié)。

圖4 Z4 號墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.1 總體施工方案

主橋Z3 號墩鉆孔樁采用筑島平臺法施工，鋼護(hù)筒利用200t 履帶吊整節(jié)起吊，APE400B 型振動錘施振下沉，護(hù)筒下沉?xí)r設(shè)置導(dǎo)向架進(jìn)行輔助。采用2 臺XR700E+2 臺XR600E+2 臺XR580HD 旋挖鉆機(jī)逐級擴(kuò)孔鉆進(jìn)，泥漿護(hù)壁濕作業(yè)成孔，泥漿采用泥漿池收集并凈化后進(jìn)行處理。

主橋Z4 號墩鉆孔樁采用水上棧橋+水上作業(yè)平臺施工，鋼護(hù)筒施工采用1000t 浮吊起吊，APE400B 型振動錘施振下沉，護(hù)筒下沉?xí)r設(shè)置導(dǎo)向架進(jìn)行輔助。采用2臺BG-46 型旋挖鉆機(jī)+8 臺KTY4000 型回旋鉆機(jī)接力組合鉆孔成孔。

鉆孔完成后下放導(dǎo)管采用氣舉反循環(huán)法清孔。鉆孔樁鋼筋籠采用長線法在鋼筋加工廠制作完成，利用平板車分12m 每節(jié)運(yùn)至樁位。鋼筋籠安裝完成后，下放導(dǎo)管進(jìn)行二次清孔。混凝土灌注采用垂直導(dǎo)管水下混凝土灌注方法。

3.2 鉆孔平臺

Z3 號墩筑島平臺：頂面尺寸118（橫橋向）×77.9（縱橋向）m，平面高程+8.0m。平臺頂面采用混凝土預(yù)制板+填縫混凝土硬化，鉆孔區(qū)四周硬化區(qū)域?yàn)橹饕┕ねǖ?，在施工中間區(qū)域鉆孔樁時(shí)在混凝土預(yù)制板上鋪設(shè)鋼跑板用于鉆機(jī)及履帶吊走行及站位，履帶吊及鉆機(jī)走行需嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)走行路線走行。

圖5 Z3 號墩筑島平臺布置圖

圖6 Z3 號墩鉆孔樁施工履帶吊及鉆機(jī)走行路線圖

Z4 號墩水上平臺：頂面尺寸99（橫橋向）×61.6（縱橋向）m，平面高程+12.0m。平臺采用鋼管樁+貝雷梁的結(jié)構(gòu)形式。（圖7）

3.3 鋼護(hù)筒插打

Z3 號墩鋼護(hù)筒采用200t 履帶吊+70t 履帶吊空中翻身豎立；Z4 號墩鋼護(hù)筒采用1000t 浮吊空中翻身豎立。鋼護(hù)筒穿入導(dǎo)向架中，利用導(dǎo)向架上、下導(dǎo)向反復(fù)調(diào)整鋼護(hù)筒平面位置及垂直度。鋼護(hù)筒沉樁采用液壓振動錘進(jìn)行插打。（圖8）

圖8 鋼護(hù)筒浮吊水上空中翻身豎立步驟圖

導(dǎo)向架分兩層，采用型鋼制作，上層導(dǎo)向架四角設(shè)置4 臺50t 機(jī)械千斤頂，底層導(dǎo)向架四角設(shè)置四個(gè)導(dǎo)向輪用于鋼護(hù)筒平面位置及垂直度調(diào)整。

圖9 導(dǎo)向架結(jié)構(gòu)布置圖（單位：mm）

3.4 泥漿循環(huán)系統(tǒng)

Z3 號墩開孔覆蓋層鉆進(jìn)時(shí)，以補(bǔ)充新拌制濃漿為主；成孔灌注時(shí)，通過在灌注孔位安置泥漿回收泵，調(diào)整泥漿泵下放深度，以確保灌注時(shí)也有相應(yīng)泥漿面高度。

Z4 號墩每臺旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)分別設(shè)置排渣管、回漿管和供風(fēng)管。在鉆頭上增加風(fēng)包，旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)，將鉆頭按照風(fēng)包進(jìn)水口的方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，泥漿通過風(fēng)包進(jìn)水口進(jìn)入鉆頭，通過鉆頭的旋轉(zhuǎn)，泥漿連續(xù)不斷的與鉆頭中原有泥漿進(jìn)行置換，增強(qiáng)泥漿利用效率，同時(shí)，泥漿的不斷置換對鉆頭上的牙輪鉆也進(jìn)行冷卻。（圖10）

圖10 風(fēng)包鉆頭結(jié)構(gòu)圖

3.5 成孔工藝

Z3 號墩采用旋挖鉆逐級擴(kuò)孔工藝：a. 覆蓋層采用φ3m 直徑鉆頭開孔，φ4m 直徑擴(kuò)孔；b.采用φ3×3m 長筒鉆繼續(xù)鉆進(jìn)至入巖約1.5m；c. 利用φ3-φ1.5×3m 上導(dǎo)正筒鉆繼續(xù)鉆進(jìn)至φ3m 孔底；d. 采用φ1.5m 長筒鉆繼續(xù)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)樁底高程；e. 采用特制φ1.5×8m 修孔鉆頭修孔；f.采用φ1.5-2m 下導(dǎo)正鉆頭開始擴(kuò)孔，后續(xù)以每0.5m 孔徑遞增逐級擴(kuò)孔，直至完成全斷面φ4m 樁徑成孔。（圖11）

圖11 旋挖鉆逐級擴(kuò)孔步驟圖

Z4 號墩采用旋挖+旋轉(zhuǎn)組合接力工藝：上部覆蓋層采用旋挖鉆機(jī)成孔，下部巖層采用旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔。

3.6 清孔

第一次清孔采用氣舉反循環(huán)法；二次清孔時(shí)，將二清高壓射水器放入孔中，上端由導(dǎo)管接長，待射水器穿過鉆孔樁覆蓋層，進(jìn)入巖層時(shí)，接通電源開始工作，空壓機(jī)同時(shí)開始工作。高壓射水器將孔內(nèi)的泥漿抽入潛水泵，并加壓后由布置在管道之上的射水口均勻射出，清洗鋼筋籠與孔壁之間以及孔底的鉆渣；隨后攜帶鉆渣的泥漿通過空壓機(jī)的作用由射水器底口伸出的導(dǎo)管從孔內(nèi)抽出，直到孔底沉渣符合規(guī)范要求。（圖12）

圖12 二次清孔裝置結(jié)構(gòu)圖

3.7 鋼筋籠制安

Z3 號墩鋼筋籠節(jié)段長12m，采用150t 履帶吊+70t 履帶吊空中翻身豎立。

Z4 號墩鋼筋籠先預(yù)接長至24m，再采用1000t 浮吊空中翻身豎立。

3.8 水下混凝土灌注

混凝土灌注采用常規(guī)垂直導(dǎo)管水下混凝土灌注方法。

Z3 號墩鉆孔樁共歷時(shí)4 個(gè)月，平均成孔17.5 天/根；Z4 號墩鉆孔樁共歷時(shí)6 個(gè)月，平均成孔13.7 天/根。經(jīng)超聲波及取芯檢驗(yàn)，全部為Ⅰ類樁。

4 施工創(chuàng)新

4.1 優(yōu)化鉆孔平臺設(shè)計(jì)，節(jié)省施工成本

Z3 號墩位于新近淤積的淺灘，覆蓋層厚，如采用水上平臺法施工成本高，采用簡單筑島法則地基承載力很難滿足要求。本項(xiàng)目采用吹砂筑島+鋪設(shè)混凝土板作為施工平臺，對地基承載力要求低，減少地基沉降的影響，更易控制施工質(zhì)量，同時(shí)降低了施工成本。

4.2 底導(dǎo)向架精確控制大直徑、長鋼護(hù)筒插打精度

主橋Z4 號墩鉆孔樁鋼護(hù)筒內(nèi)徑4400mm，長度46m，護(hù)筒插打樁頂平面位置允許偏差50mm，傾斜度要求不大于3‰。本項(xiàng)目鋼護(hù)筒導(dǎo)向架設(shè)計(jì)為雙層，層高僅為2m，通過采取導(dǎo)向架精確定位鋼護(hù)筒插打平面位置，過程中跟蹤檢測垂直度的施工工藝保證鋼護(hù)筒施工精度。

4.3 兩種成孔方式確保成孔進(jìn)度

主橋Z3 號墩采用旋挖鉆機(jī)逐級擴(kuò)孔成孔：巖層采用φ1.5m 長筒鉆鉆孔至設(shè)計(jì)高程，再依次利用φ1.5-2m、φ2-2.5m、φ2.5-3m、φ3-3.5m、φ3.5-4m 下導(dǎo)正鉆頭以每0.5m 孔徑遞增逐級擴(kuò)孔，直至完成全斷面φ4m 樁徑成孔。

主橋Z4 號墩采用旋挖鉆機(jī)及旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)接力組合成孔：上部覆蓋層旋挖鉆機(jī)成孔，下部巖層采用旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔。充分發(fā)揮兩種鉆機(jī)在各自地層中的施工優(yōu)勢。

4.4 優(yōu)化鉆頭設(shè)計(jì)，提高大直徑鉆孔樁施工中旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆進(jìn)效率和泥漿使用效率。

大直徑鉆頭在鉆進(jìn)過程中通常會出現(xiàn)，鉆頭被覆泥包裹，牙輪鉆頭切割巖面摩擦導(dǎo)致過熱，導(dǎo)致鉆孔樁鉆進(jìn)效率不高，并且在鉆進(jìn)過程中，泥漿的使用效率也不高。本項(xiàng)目通過在鉆頭上增加風(fēng)包來實(shí)現(xiàn)泥漿的更好利用，鉆進(jìn)過程中，鉆頭在旋轉(zhuǎn)的過程中，泥漿可通過風(fēng)包進(jìn)入鉆頭內(nèi)部，沖洗鉆頭上的覆泥，同時(shí)還可以冷卻鉆頭。

4.5 改進(jìn)清孔設(shè)備，確保二次清孔質(zhì)量

當(dāng)前大直徑鉆孔樁的二次清孔一般采用氣舉反循環(huán)法，效率較低，且對于大直徑鉆孔樁，無法很好的清理鋼筋籠與孔壁之間的鉆渣。本項(xiàng)目通過高壓射水器實(shí)現(xiàn)鉆孔樁二次清孔，射水器中設(shè)置兩臺潛水泵，由潛水泵加壓過后的泥漿通過管道射出，換漿的同時(shí)沖洗鋼筋籠與孔壁之間的廢渣，廢漿連同廢渣通過導(dǎo)管抽出，清孔效率高質(zhì)量好。

5 結(jié)論

新建巢湖至馬鞍山城際鐵路馬鞍山公鐵兩用大橋主橋Z3 號和Z4 號墩鉆孔樁施工地質(zhì)條件差、工藝復(fù)雜，在大直徑鉆孔樁工程中具有很好的代表性。本文重點(diǎn)介紹了其鉆孔樁施工平臺、鋼護(hù)筒插打、泥漿循環(huán)裝置、鉆機(jī)成孔、二次清孔裝置等關(guān)鍵技術(shù)，通過多次論證、不斷優(yōu)化改進(jìn)方案，現(xiàn)場施工取得了很好的施工效果，總結(jié)出一套完整的大直徑鉆孔樁施工技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)，可為同類型橋梁施工提供參考。