海域大直徑嵌巖鉆孔灌注樁全套管施工技術(shù)

張軍輝

中國鐵建股份有限公司，北京 100855

在港澳地區(qū)鉆孔灌注樁全套管施工一般采用搓管機驅(qū)動鋼套管，以履帶吊機抓取鉆渣輔助下沉鋼套管，鉆孔樁直徑一般在2.5 m以內(nèi)，深度在70.0 m以內(nèi)［1］。大陸鉆孔樁施工通常采用全套管全回轉(zhuǎn)鉆機搖動壓入鋼套管、沖抓斗抓土的施工工藝，但鉆孔樁直徑較小（1.5 m及以下），長度不大（50 m以下）［2］。澳門第四條跨海大橋主橋鉆孔樁設(shè)計直徑2.8 m，最大孔深110 m，嵌巖深度要求不少于5 m，并且要求零沉渣。技術(shù)風(fēng)險大、施工難度高。

本文結(jié)合澳門第四條跨海大橋主橋樁基施工，研究大直徑嵌巖鉆孔灌注樁全套管跟進時成樁機械設(shè)備配置、清水清孔施工工藝，解決零沉渣的施工難題，保證大直徑嵌巖鉆孔灌注樁的施工質(zhì)量。

1 工程概況

澳門第四條跨海大橋位于澳門水道出口，主線全長約3.1 km（含跨海段2.8 km），寬45.5 m，設(shè)雙向八車道，中間另設(shè)兩個電車車道。全橋主要包括通航孔橋、海中引橋、A區(qū)與E區(qū)的互通立交等部分，跨海段上部結(jié)構(gòu)設(shè)4×80 m連續(xù)鋼箱梁+2×（202+280+202）m下承式連續(xù)鋼桁與鋼箱結(jié)合梁+（6×80+60）m連續(xù)鋼箱梁。主橋的兩個主跨分別跨內(nèi)港、外港航道，通航孔處水深6.5 m，見圖1。

圖1 澳門第四條跨海大橋主橋布置（單位：m）

主橋7個墩的基礎(chǔ)為75根直徑2.8 m、樁長57.5～98.0 m的鉆孔灌注樁，最大孔深110 m。采用港澳地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。本文以Z3墩為例介紹嵌巖鉆孔樁的施工技術(shù)。Z3橋墩共有12根樁，樁長88～94 m，最大孔深106.6 m。橋址區(qū)最高潮位2.98 m，最低潮位-1.78 m。橋址區(qū)巖性為淤泥、中粗砂夾黏性土、粉質(zhì)黏土、粗砂夾黏性土、全風(fēng)化花崗巖、散體狀強風(fēng)化花崗巖、碎裂狀強風(fēng)化巖、中風(fēng)化花崗巖等。

2 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和施工環(huán)保要求

本項目按照香港2006年《基礎(chǔ)設(shè)計和施工規(guī)范》［3］和2017年《基礎(chǔ)作業(yè)守則》［4］進行樁基設(shè)計，設(shè)計使用壽命為100年。

設(shè)計和施工規(guī)范要求樁基礎(chǔ)能夠承受設(shè)計荷載，并有足夠安全度。極限狀態(tài)下樁基礎(chǔ)的軸向壓力應(yīng)滿足Fcd≤Rcd。其中：Fcd為極限狀態(tài)下軸向設(shè)計壓力；Rcd為樁基礎(chǔ)所有極限狀態(tài)下軸向設(shè)計承載阻力之和。

澳門對施工過程中環(huán)保要求高，施工排污、噪音控制、廢棄物傾倒等工序均須辦理特種許可證，編制《環(huán)境影響專題報告》。施工過程中還要嚴(yán)格落實報告中的解決措施和監(jiān)測計劃。為解決樁基施工中泥漿排放對環(huán)境的影響，須采用清水清孔施工技術(shù)。

3 鉆孔灌注樁施工技術(shù)要求及方法

3.1 技術(shù)要求

港澳地區(qū)橋梁鉆孔灌注樁施工要求高，須在安裝鋼筋籠和灌注水下混凝土前清除所有沉渣，采用清水清孔。樁基嵌入巖層深度為5 m，很多情況下嵌入的巖層為結(jié)構(gòu)完整的新鮮巖石，須采用氣舉反循環(huán)鉆機磨巖。

3.2 施工方法

3.2.1 樁底標(biāo)高確定

本橋每根鉆孔灌注樁施工前須超前鉆探，鉆孔深度須比設(shè)計樁長深5 m。選取3塊巖芯做強度試驗。施工單位根據(jù)超前鉆孔記錄及《基礎(chǔ)實施規(guī)程》初步確定樁底標(biāo)高，待監(jiān)理單位檢查樁底不在孤石或者軟弱土層中后再最終確定樁底標(biāo)高。

3.2.2 鉆孔灌注樁成孔工藝選擇

鉆孔灌注樁施工之前須先鉆進埋設(shè)鋼套管，然后在鋼套管的保護下進行鉆孔。在樁基施工過程中鋼套管不參與結(jié)構(gòu)受力。澳門第四條跨海大橋主橋鉆孔灌注樁要穿過近90 m厚的覆蓋層及強風(fēng)化花崗巖層（有孤石），嵌入中風(fēng)化巖層30 cm，最后確定主橋樁基鋼套管內(nèi)徑3.0 m，壁厚32 mm。

根據(jù)該橋主橋鉆孔灌注樁直徑和最大孔深，采用兩種成孔工藝：①選用JAR320H全回轉(zhuǎn)鉆機沉放鋼套管至巖面，SWDM550旋挖鉆機鉆孔取土，遇到弱風(fēng)化巖石時采用JRD300氣舉反循環(huán)鉆機磨巖；②選用LEFFER VRM300搓管機沉放鋼套管至巖面，沖抓斗抓土，氣舉反循環(huán)鉆機磨巖，清水清孔。兩種工藝鋼套管沉放設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 鋼套管沉放設(shè)備參數(shù)

因水上施工平臺尺寸有限，平臺上設(shè)備多，搓管機占地面積是全回轉(zhuǎn)鉆機的兩倍，而且噪音相對較大，所以主橋鉆孔樁施工采用第一種成孔工藝。

3.2.3 機械設(shè)備配置

1臺JAR320H全回轉(zhuǎn)鉆機（78 t）、1臺SWDM550旋挖鉆機（202 t）、1臺JRD300氣舉反循環(huán)鉆機（37 t）、2臺履帶吊（160 t）、1臺PC200挖掘機（20.7 t）、2臺21∕25空氣壓縮機（5 t）、1臺直徑2.5 m沖擊錘（10 t）、1臺蜆式?jīng)_抓斗（11 t）、1套柴油發(fā)電機（300 kW+100 kW備用）、4臺氣體保護焊機（每臺100 kg）、1套泥漿制備及處置設(shè)備（共120 t）、渣土箱（30 t）及轉(zhuǎn)運船（1 100 t）。

3.2.4 施工流程

澳門第四條跨海大橋主橋鉆孔灌注樁全部位于海域，需先利用浮吊及打樁船搭設(shè)鉆孔平臺，然后在樁基全長范圍內(nèi)用全回轉(zhuǎn)鉆機下沉鋼套管、旋挖鉆機取土、氣舉反循環(huán)鉆機磨巖。鉆孔到達(dá)持力層基巖面時取樣，與超前鉆探巖芯對比，合格后繼續(xù)磨巖，達(dá)到設(shè)計嵌巖深度后，再次取樣以確定樁底標(biāo)高。清孔檢查后安裝鋼筋籠，最后進行水下混凝土灌注。

具體步驟：

1）測量定位。精準(zhǔn)控制樁位的前提是精確定位鋼套管中心。根據(jù)設(shè)計單位提供的基準(zhǔn)點利用全站儀確定鉆孔樁中心位置，用彩色油漆將點位標(biāo)記在搭設(shè)好的鉆孔平臺上。

2）鉆機安裝。全回轉(zhuǎn)鉆機就位，校核鉆孔樁中心位置后將全回轉(zhuǎn)鉆機定位板與鉆孔作業(yè)平臺焊接牢固。然后安裝配重設(shè)施，先把過渡架安裝到全回轉(zhuǎn)鉆機的底座上并用螺栓固定，接著安裝反力叉和反力架，固定后再將配重放置在反力架上面。整機重力要大于鋼套管鉆進反力，以保證整機的穩(wěn)定性。

3）套管安裝。鉆機就位后首先安裝套管帽，把套管帽安裝在鉆機臺座中心位置，與頂層支架對接；然后將夾緊油缸完全伸出，套管完全進入全回轉(zhuǎn)鉆機內(nèi)。固定好首節(jié)鋼套管并對其平面、垂直度等進行測量與精調(diào)，保證鋼套管管身垂直，能夠準(zhǔn)確就位。

4）套管下放、鉆進取土。啟動全回轉(zhuǎn)鉆機，下放鋼套管。在下放過程中如遇阻力過大，可邊下放鋼套管邊用旋挖鉆機鉆取套管內(nèi)渣土。由于有鋼套管防護，鋼套管內(nèi)地層采用高轉(zhuǎn)速、清水護壁進行鉆進施工，在清水補充速度能夠滿足要求的情況下，可盡量加快進尺速度（2～3 m∕h），為縮短成孔周期爭取時間。鉆孔樁施工過程中遇夾層漏砂時，先用反回轉(zhuǎn)鉆機將漏砂段擴孔，一般徑向擴30 cm，然后在全鉆孔范圍內(nèi)灌注低強度純水泥砂漿。待砂漿強度達(dá)到設(shè)計強度80%后，啟動反回轉(zhuǎn)鉆機重新鉆孔。在鉆孔過程中遇到孤石或巖層面傾斜發(fā)生偏孔時，先提起反回轉(zhuǎn)鉆機鉆頭，再采用灌注砂漿方法處理。遇傾斜較大的巖面時，降低鉆進速度，減壓鉆進，待鉆頭全部進入巖面后再正常加壓鉆進［5］。

鋼套管在工廠加工成成品，首節(jié)長度18 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長12 m，調(diào)整節(jié)段長8 m或9 m。在首節(jié)鋼套管下放后，分段吊裝、分段焊接其他節(jié)段，直至所有鋼套管下放至樁底。為保證焊接質(zhì)量，在上節(jié)鋼套管底部打設(shè)40°坡口，誤差范圍為±5°。為保證各節(jié)鋼套管中心在一條鉛垂線上，在下節(jié)套管上焊接8～10個定位板，焊接時用兩臺經(jīng)緯儀或全站儀測量鋼套筒垂直度。為保證下放鋼套管時鉆機能完全卡住鋼套管，鋼套管要高出鉆機平臺至少3 m。

5）渣土處理。鉆孔樁成孔過程中，隨時配備渣土轉(zhuǎn)運船只。采用氣舉反循環(huán)鉆機磨巖時需在樁位處設(shè)置泥漿池。其上設(shè)置泥水、渣石分離器。分離出的渣石和旋挖鉆機鉆取的渣土放入渣土箱，由渣土轉(zhuǎn)運船運輸?shù)街付壨羺^(qū)。

6）清孔。鉆孔樁鉆至設(shè)計樁底標(biāo)高時，用水泵將清水從清水船內(nèi)持續(xù)注入鉆孔，并用氣舉反循環(huán)鉆機清孔［6］，抽出孔內(nèi)含巖屑的泥漿，直至孔底殘留沉渣被全部帶出孔外。清孔過程中要觀察鋼套管內(nèi)水位是否維持在正常標(biāo)高，收集水樣判斷清孔是否干凈。

7）超聲波測試。安裝鋼筋籠前必須對鉆孔進行超聲波測試。儀器探頭沿鉆孔垂直下降至孔底，連續(xù)發(fā)射超聲波至孔壁，然后接收反射波，以測定樁基全長范圍內(nèi)鉆孔的孔深、孔徑、孔型和垂直度［7］。

8）安裝鋼筋籠。清孔及超聲波測試合格后方可安裝鋼筋籠。沿鋼筋籠內(nèi)徑每2 m設(shè)置一個加強箍筋，確保每根縱向主筋上至少有5個加強箍筋。鋼筋籠沿圓周每4 m均勻布置4個保護層鋼筋，上下組保護層鋼筋水平方向錯開200 cm，以保證樁身混凝土保護層厚度［8］。綁扎好的鋼筋籠用吊機吊運組裝。

在鋼筋籠的加強箍筋上固定2根?50 mm聲測管和2根?150 mm取芯管。聲測管底距樁底0.2 m并用厚2.5 mm鋼板焊接密封，取芯管底距樁底1.0 m。所有聲測管和取芯管須在澆筑混凝土之前水封。

9）混凝土澆筑。安裝好鋼筋籠后再次采用氣舉反循環(huán)鉆機清孔，清孔完成經(jīng)監(jiān)理審查合格后方可澆筑混凝土。本工程鉆孔樁采用B45超緩凝混凝土，初凝時間不得大于60 h。采用水下導(dǎo)管澆筑，導(dǎo)管直徑273 mm，導(dǎo)管插入鉆孔底?；炷撂崆斑\輸至樁位附近，清孔完成后將清水船和污水船移開，將混凝土從運輸船泵送給導(dǎo)管，澆筑至樁內(nèi)。首批混凝土用量通過計算確定，須滿足封底要求，并應(yīng)盡量縮短單根樁的灌注時間［9-10］。

4 實踐效果

4.1 施工工效

Z3墩12根樁的樁長在88～94 m。從2021年9月10日開始施工，2022年6月12日完工，共計275 d。Z3墩單樁沉放鋼套管、鉆孔、清孔、下鋼筋籠、澆筑混凝土平均用時分別為22、15、3、5、2 d，共計47 d。比計劃的施工進度提前了20 d。

4.2 檢測結(jié)果

Z3墩鉆孔樁施工過程順利。經(jīng)過超聲波檢測，12根樁兩個方向的垂直度均在3∕10 000～12∕10 000，滿足小于1∕25的驗收標(biāo)準(zhǔn)要求；所有樁基最小直徑均大于2.8 m；沒有出現(xiàn)斷樁現(xiàn)象；灌注混凝土?xí)r均無沉渣。經(jīng)過第三方單位檢測、監(jiān)理單位復(fù)查，主橋樁基全部為Ⅰ級樁，工程質(zhì)量優(yōu)良。

5 結(jié)語

在澳門第四條跨海大橋大直徑嵌巖鉆孔灌注樁施工中采用全套管清水清孔作業(yè)、用全回轉(zhuǎn)鉆機下沉套管、旋挖鉆機取土、氣舉反循環(huán)鉆機磨巖施工方法，既能降低施工噪聲，又可避免向海域排放泥漿，達(dá)到港澳地區(qū)的環(huán)境保護要求。成孔后孔徑、孔深、孔型、垂直度等滿足質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)要求并達(dá)到清孔后無沉渣的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，比常規(guī)的泥漿護壁鉆孔樁施工方法更加環(huán)保。

實踐證明澳門第四條跨海大橋主橋樁基施工方法合理，為類似地質(zhì)條件下鉆機成孔積累了經(jīng)驗。