高速鐵路跨黃河大橋超百米級鉆孔灌注樁成孔技術(shù)*

叢炳剛,姜金鳳,王兆剛,陳 鈺,馬 龍,吳法堯,李 俊,張博倫

(1. 山東省路橋集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250014; 2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044; 3. 山東鐵路投資控股集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250102; 4. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川 成都 610031)

0 引言

交通線路跨越大江大河時,需要采用大跨徑橋梁。高速鐵路無砟軌道橋梁對結(jié)構(gòu)剛度要求高,需要嚴(yán)格控制地基沉降和水平變形。對于跨越黃河、長江等深厚覆蓋土層地區(qū)的高速鐵路橋梁,設(shè)計往往采用樁長超過100 m、樁徑>1.5 m的長大摩擦樁群樁基礎(chǔ),以保證地基工后沉降滿足高速鐵路運(yùn)營要求。

鉆孔灌注樁施工流程一般為:施工準(zhǔn)備→測量放樣→埋設(shè)鉆孔護(hù)筒→搭設(shè)作業(yè)平臺→樁機(jī)就位→鉆孔→成孔檢測→清孔→安放鋼筋籠→安放導(dǎo)管→澆筑水下混凝土→拔出導(dǎo)管和護(hù)筒→基樁檢測。成孔質(zhì)量是鉆孔灌注樁的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。已有專業(yè)人員對跨越黃河、長江大橋長大樁基氣舉反循環(huán)鉆孔技術(shù)進(jìn)行了研究[1-4],王馳等[5]分析了履帶反循環(huán)鉆孔技術(shù),梁剛[6]論述了成孔質(zhì)量檢測技術(shù)。

本文介紹鄭州至濟(jì)南高速鐵路長清黃河特大橋249號墩鉆孔樁成孔技術(shù)問題及處理措施,探討并解決鉆進(jìn)速度、塌孔、成孔質(zhì)量檢測問題。

1 工程概況

鄭州至濟(jì)南高速鐵路長清黃河大橋,主橋為五塔六跨矮塔預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋,跨度組成為(108+4×216+108)m。塔墩編號為247～253號,其中249號塔墩位于主河槽中。主橋為直線橋,設(shè)計采用ZK活荷載,設(shè)計速度目標(biāo)值350 km/h,正線雙線,線間距5 m,CRTS III型板式無砟軌道。采用鉆孔灌注摩擦樁,設(shè)計樁徑2 m,樁長119 m,樁尖均置于同一粉質(zhì)黏土層,該土層地基基本承載力σ0=260 kPa。樁的排列采用行列式,順橋方向布置5列,橫橋方向布置7行,共35根樁,如圖1所示。樁在順橋向、橫橋向的中心距均為5 m,承臺外緣至邊樁的凈距為0.8 m。

圖1 樁基平面布置Fig. 1 Plan of pile foundation

2 水文地質(zhì)條件

橋軸線法線與主流線夾角為4°,主橋上距韓劉水文站5.42 km,下距濼口水文站河道49.13 km。長清區(qū)段黃河整體呈北東向,彎道較多,多年平均徑流量 437.09 億 m3,每年的最大洪峰多出現(xiàn)在 7—9月,10 月較少?？菟髁慷嘣?2月—次年2月?？辈炱陂g實測水位為 29.190 m。

根據(jù)現(xiàn)場勘察分析,地下水主要分布在第四系地層中,地下水類型為孔隙潛水,含水層主要為粉土、粉砂層。地下水補(bǔ)給來源主要為大氣降水及河水補(bǔ)給,孔隙潛水排泄以蒸發(fā)及開采、側(cè)向徑流為主。勘察期間地下孔隙潛水穩(wěn)定水位埋深 2.65～6.04 m,相應(yīng)高程為 23.950～29.270 m。

地基土層主要為第四系沖積層形成的黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粗砂、膠結(jié)層。

3 鉆孔作業(yè)平臺與鉆孔設(shè)計

3.1 鉆孔作業(yè)平臺

249號墩鉆孔作業(yè)平臺采用鋼管樁+貝雷梁形成鋼棧橋平臺,鋼管樁作為基樁和臨時墩,鋼管頂布置貝雷梁,貝雷梁上再布置型鋼縱橫梁,橋面板采用花紋鋼板。鉆孔作業(yè)平臺沒有利用鋼護(hù)筒參與平臺受力。該鉆孔作業(yè)平臺兼顧鉆孔35個、灌注35根樁基混凝土以及承臺施工。

平臺滿足支撐鉆機(jī)、護(hù)筒加壓、鉆孔操作及澆筑水下混凝土等施工過程中的所有設(shè)備質(zhì)量、移動荷載要求,堅固穩(wěn)定,滿足鉆機(jī)、汽車式起重機(jī)、履帶式起重機(jī)、灑水車、混凝土泵車等施工設(shè)備進(jìn)出場要求,提供運(yùn)輸通道和吊裝平臺,完成長大樁基鉆孔作業(yè)、鋼筋籠下放和樁基混凝土澆筑、承臺施工。鉆孔作業(yè)平臺設(shè)計還考慮了泥漿的循環(huán)、過濾和排放要求。

3.2 鉆孔設(shè)計

1)249號墩樁基設(shè)計樁長119 m,該樁長對應(yīng)承臺底面到樁底的長度。實際鉆孔在黃河深水區(qū),水深約10 m,考慮鉆孔平臺高度,鉆孔深度超過140 m。

2)249號墩由于在黃河深水區(qū),鉆孔淺層布置鋼護(hù)筒,要求鋼護(hù)筒底刃腳伸入承臺以下至少1 m。采用RTK定位埋設(shè)鋼護(hù)筒,安裝完成后,采用“十字法”連接護(hù)樁,對鋼護(hù)筒中心進(jìn)行校正,頂面允許偏差為50 mm,傾斜度允許偏差為1%。護(hù)樁要保留至該樁下完鋼筋籠。

3)布置泥漿循環(huán)凈化系統(tǒng),通過濾網(wǎng)砂箱、泥砂分離器凈化分離排渣,泥漿沉淀后循環(huán)使用。泥漿循環(huán)池尺寸為5 m×3 m×2.3 m,沉淀池尺寸為4.5 m×2.5 m×2 m。每臺鉆機(jī)配備泥漿箱,箱外懸掛警示標(biāo)志。分離后的鉆渣由渣土車運(yùn)輸,泥漿由全封閉抽漿車外運(yùn),運(yùn)輸后集中處理,嚴(yán)禁排向黃河,及時清運(yùn)。

4)鉆孔前制造泥漿,造漿材料選用膨潤土,必要時再摻入適量外加劑,設(shè)置泥漿箱并及時抽運(yùn),避免泥漿外露流至黃河造成污染。新制泥漿性能指標(biāo)應(yīng)符合下列規(guī)定:相對密度1.05～1.15;入孔泥漿黏度,一般地層為16～22 s,松散易坍地層為19～28 s;含砂率≤4%;膠體率≥95%;pH值>6.5。

5)鉆進(jìn)過程中每2 m及地層變化處撈取渣樣,查明土類,保存于渣樣盒中,并做好記錄。撈取的渣樣采用透明的塑料袋保存,塑料袋貼上標(biāo)簽,寫明日期、樁的位置和編號、取樣時鉆孔深度。

6)成孔孔徑不得小于設(shè)計孔徑,成孔深度不得小于設(shè)計孔深,傾斜率不超過1%。

4 鉆孔施工

4.1 樁位測量放樣

施工樁位編號按里程增大方向各排從左向右連續(xù)進(jìn)行編號,249號墩樁位編號如圖2所示。

圖2 249號墩樁位編號Fig. 2 Numbering of each pile of pier 249

埋設(shè)鋼護(hù)筒前,由測量組用RTK準(zhǔn)確地測放各樁中心位置。放樣時考慮到樁位復(fù)核,一次放樣多個樁位。安裝鋼護(hù)筒前,用十字交叉法將樁中心引至鉆機(jī)施工范圍外,作4個標(biāo)記點,并做好保護(hù)。

4.2 鋼護(hù)筒制作與埋設(shè)

早期249號墩樁基鉆孔的鋼護(hù)筒設(shè)計長度為18 m,泥漿滲漏嚴(yán)重。將鋼護(hù)筒加長至24～31 m,解決了漏泥漿問題。鋼護(hù)筒入土深度14～21 m,直徑2.3 m,采用鋼板卷制。為增大鋼護(hù)筒底部鋼板承載力,避免卷邊,鋼護(hù)筒底端1 m長壁厚增大為22 mm,其余壁厚均為18 mm。多節(jié)護(hù)筒連接時,接縫牢固、不漏水,筒內(nèi)連接處無突出物,并在鋼護(hù)筒上部設(shè)溢漿孔。鋼護(hù)筒在鋼結(jié)構(gòu)加工場統(tǒng)一加工制作,運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場分兩節(jié)焊接下沉。鋼護(hù)筒定位后用履帶式起重機(jī)+400振動錘打入,振動錘中心線與護(hù)筒中心位置一致。護(hù)筒全部下沉到位后,覆蓋型鋼井蓋。對施工完成的鋼護(hù)筒中心復(fù)測,頂面偏差在50 mm以內(nèi),傾斜度偏差在1%以內(nèi)。

鋼護(hù)筒長度大,為保證垂直度,建議采用導(dǎo)向架固定位置。除增大壁厚外,鋼護(hù)筒底部可做包邊處理,提高鋼護(hù)筒底部承載力。

4.3 鉆機(jī)選擇

地層主要特征為巨厚黏性土層、含砂層、膠結(jié)層。采用回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆進(jìn),在黏土層中很容易糊鉆,影響成孔速度。反循環(huán)鉆進(jìn)比正循環(huán)鉆進(jìn)快5倍以上,造漿原材料用量少、孔壁泥皮薄,對樁基側(cè)摩阻力發(fā)揮更有利。反循環(huán)鉆進(jìn)還有邊鉆邊清孔的效果。反循環(huán)鉆進(jìn)速度快,來不及調(diào)整泥漿密度,泥漿護(hù)壁薄,對土層變化敏感,遇土質(zhì)較差的砂土、粉土容易塌孔,需要注意。但反循環(huán)鉆孔裸露時間短,降低了塌孔風(fēng)險。反循環(huán)比正循環(huán)鉆孔單價約高2倍,但鉆孔數(shù)量多,工期節(jié)約,也會降低總造價。綜合考慮決定采用反循環(huán)鉆機(jī)。

現(xiàn)場實際鉆進(jìn)顯示,氣舉反循環(huán)鉆機(jī)鉆進(jìn)在黏土層中多次糊鉆,鉆進(jìn)速度緩慢。調(diào)整采用履帶反循環(huán)鉆機(jī),避免了糊鉆,但在孔深120～140 m時,遭遇硬度大的膠結(jié)層,鉆進(jìn)困難。因此,在鉆進(jìn)深度120 m以內(nèi),采用履帶反循環(huán)鉆機(jī);鉆進(jìn)深度超過120 m,更換為氣舉反循環(huán)鉆機(jī)。

249號墩使用的履帶反循環(huán)鉆機(jī)型號HF-250,施工設(shè)備主要包括動力泵、鉆桿、鉆頭等。履帶反循環(huán)鉆機(jī)的排渣能力為3 m3/h,鉆速8～9 r/min,每天可鉆進(jìn)約20 m。使用的氣舉反循環(huán)鉆機(jī)型號為KTY3000,施工設(shè)備主要包括:空氣壓縮機(jī)、高壓空氣膠管、風(fēng)包、氣水龍頭、液氣分離裝置、液氣輸出膠管、雙壁鉆桿、氣水混合器、單壁鉆桿、扶正器、鉆頭等,采用螺桿式40 m3/min空壓機(jī)系統(tǒng)。氣舉風(fēng)包70 m一換,形成兩級風(fēng)包,通過泵吸、抽吸、充氣將壓縮空氣送入鉆孔,氣體、泥漿、鉆渣形成混合液,使混合液快速向上流動,通過鉆桿流向泥漿池。排渣能力大約為0.5 m3/h。氣舉反循環(huán)鉆機(jī)鉆速6 r/min,每天可鉆進(jìn)4～7 m。

249號墩少量鉆孔使用過5 t配重,大部分鉆孔沒有配重,鉆壓為總鉆壓的50%～70%。結(jié)合以往的跨黃河大橋工程經(jīng)驗,鉆頭采用直徑2 m的三翼刮刀鉆頭。

4.4 泥漿性能

泥漿性能對鉆孔護(hù)壁至關(guān)重要,泥漿密度太大,孔壁泥皮太厚,螺紋鋼筋籠碰掛泥皮,鋼筋凹槽積滿泥皮,鋼筋與混凝土的粘結(jié)力受到削弱;泥漿密度太小,局部塌孔,孔壁形狀也影響鋼筋保護(hù)層厚度。以18號孔為例,研究泥漿密度、黏度及含砂率對鉆孔成孔的影響。18號孔鋼護(hù)筒標(biāo)高38.982 m,護(hù)筒直徑2.3 m,護(hù)筒實際長度24 m。由于鉆進(jìn)時混入鉆屑,泥漿相對密度由造漿時的1.07開始,隨著鉆孔深度的增加逐漸增加,通過調(diào)試改進(jìn)始終保持在1.05～1.15的限值內(nèi)(見圖3)。泥漿黏度由開始的17.5 s隨開挖深度增加到20 s時基本穩(wěn)定,保持在16～22 s的限值內(nèi)(見圖4)。含砂率由開始的0.9%隨鉆孔深度增加到2.2%時基本穩(wěn)定,保持在≤4%的限值內(nèi)(見圖5)。

圖3 18號鉆孔泥漿密度隨鉆孔深度的變化Fig. 3 The following change of drilling mud ratio with various borehole depth

圖4 18號鉆孔泥漿黏度隨鉆孔深度的變化Fig. 4 The following change of drilling mud viscosity with various borehole depth

圖5 18號鉆孔泥漿含砂率隨鉆孔深度的變化Fig. 5 The following change of sand content of drilling mud with various borehole depth

經(jīng)過不斷調(diào)試改進(jìn),249號墩鉆孔泥漿性能指標(biāo)如表1所示,護(hù)壁效果良好。泥漿約半小時循環(huán)1遍。

表1 鉆孔不同階段的實際泥漿性能指標(biāo)Table 1 Actual mud performance indexes at different stages of drilling

4.5 鉆孔

1)鉆孔樁施工過程中嚴(yán)格遵循“跳樁施工”原則。前期鋼護(hù)筒下放過程中,采用2臺鉆機(jī)施工。護(hù)筒下放完成后,采用4臺鉆機(jī)施工,共10組施工循環(huán)。履帶式起重機(jī)沿鋼棧橋平臺行走。在承臺區(qū)域內(nèi)行走履帶式起重機(jī)時,嚴(yán)禁碾壓型鋼井蓋,行車方向與貝雷梁垂直。

2)鉆機(jī)安裝就位時,檢查鉆機(jī)各部位。對有損傷的各零件、緊固件進(jìn)行維修、更換。鉆機(jī)底座支墊堅實平穩(wěn),防止位移。鉆機(jī)平穩(wěn)地就位于埋設(shè)好的護(hù)筒上方。鉆機(jī)安裝周正、水平、穩(wěn)固。機(jī)座梁全部承壓,機(jī)座梁與平臺貝雷梁保持垂直方向放置。

3)檢查鉆架頂部滑輪槽、轉(zhuǎn)盤卡孔、護(hù)筒中心,三者在同一豎直線。鉆桿保持豎直,鉆頭中心與孔位中心的偏差<2cm。檢查機(jī)械水平度和鉆桿垂直度。鉆孔開始前采用尺量的方法檢查鉆頭尺寸不小于樁基孔徑。

4)鉆機(jī)就位后進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn),運(yùn)轉(zhuǎn)正常后鉆進(jìn)。鉆孔時,孔內(nèi)水位高于護(hù)筒底腳0. 5 m以上或地下水位以上1.5～2 m。開鉆時低檔慢速鉆進(jìn),鉆至地面下1 m后再以正常速度鉆進(jìn)。鉆頭提離孔底約20 cm,泥漿循環(huán)暢通后,開始正式鉆進(jìn)。

5)鉆進(jìn)過程中,鉆頭起落速度均勻。經(jīng)常檢查土層變化,對不同土層采用不同的鉆速、鉆壓、泥漿密度和泥漿量。通過增加鉆機(jī)重力、控制泥漿密度等方式提高鉆進(jìn)速度。

6)保持鉆孔垂直度的措施為:用鉆機(jī)的水平尺控制鉆機(jī)水平度,增加配重,根據(jù)地層的變化控制鉆進(jìn)速度。若鉆孔傾斜,調(diào)整鉆機(jī)水平度,根據(jù)實際孔位傾斜方向,調(diào)整鉆機(jī)傾斜位置。

7)接換鉆桿過程中,鉆頭均勻起落,不得碰撞孔壁,接換鉆桿動作快速。接好后的鉆桿逐個檢查接頭。每次接換完鉆桿后,重新鉆進(jìn)前,將鉆頭提離孔底20～30 cm,待泥漿循環(huán)正常后下落鉆進(jìn)。鉆桿連接采用10.9級高強(qiáng)螺栓,每鉆進(jìn)完成2根樁后,檢修鉆桿,更換高強(qiáng)螺栓。

8)鉆孔至設(shè)計高程時,將鉆頭提離孔底5～10 cm,轉(zhuǎn)盤勻速旋轉(zhuǎn),泥漿繼續(xù)保持循環(huán),至泥漿分離器基本無鉆渣時停機(jī)檢孔。

9)鉆孔作業(yè)保持連續(xù)進(jìn)行,不要中斷。鉆機(jī)撤離后,使用型鋼井蓋蓋住孔口,孔口井蓋打開后,用封閉圍擋防護(hù),并做好安全警示。

4.6 塌孔處理措施

1)在粉土或軟土等容易塌孔的土層中鉆孔時,采用慢速輕壓鉆進(jìn),同時提高孔內(nèi)水位和加大泥漿密度。

2)輕微塌孔時,填水泥、膨潤土、鋸末等增大泥漿密度,增強(qiáng)泥漿護(hù)壁,控制鉆進(jìn)速度。塌孔嚴(yán)重時提鉆,用導(dǎo)管清孔并造漿。成孔質(zhì)量不理想時,重新下鉆掃孔。通過采取以上措施,基本解決了塌孔問題。

4.7 糊鉆處理措施

發(fā)生糊鉆時,先上下抖動鉆頭。若仍無法解決,提鉆清理鉆頭,將鉆頭上的泥清理干凈后,再正常鉆進(jìn)。

5 清孔

鉆孔清底質(zhì)量影響鉆孔灌注摩擦樁樁端阻力,進(jìn)而影響樁的軸向受壓容許承載力。鉆孔達(dá)到設(shè)計深度后,采用換漿法進(jìn)行清孔,向孔內(nèi)注入清水或新鮮泥漿保持孔內(nèi)水位。清孔完成的標(biāo)準(zhǔn)為:孔內(nèi)排出或抽出的泥漿手摸無2～3 mm顆粒;泥漿相對密度≤1.1;含砂率<2%;黏度為17～20 s;孔底沉渣厚度≤2cm。清孔標(biāo)準(zhǔn)符合Q/CR 9603—2015《高速鐵路橋涵工程施工技術(shù)規(guī)程》要求。

6 成孔質(zhì)量檢測

6.1 檢測方法

考慮到傳統(tǒng)的鋼筋籠法檢測長大鉆孔成孔質(zhì)量的效率低,超聲波法檢測成孔質(zhì)量快速有效,采用JL-IUDS(C)智能超聲成孔質(zhì)量檢測儀,檢測鉆孔的孔徑、孔深、擴(kuò)徑、縮徑、傾斜方向、垂直度。探頭產(chǎn)生一定頻率的電脈沖并同時打開計時器,電脈沖經(jīng)放大后由發(fā)射換能器轉(zhuǎn)換為超聲波,射入鉆孔內(nèi)的泥漿中,向孔壁方向傳播。超聲波穿過泥漿到達(dá)孔壁后,由于泥漿的聲阻抗遠(yuǎn)小于土層的聲阻抗,超聲波基本上從孔壁產(chǎn)生全反射。反射波經(jīng)泥漿傳播后,由接收換能器接收,產(chǎn)生一道信號波形,從信號波形上讀取反射點的時間即為聲時。

探頭在下放過程中按設(shè)置的測點距離均勻測試。探頭上的4組發(fā)射、接收換能器自動發(fā)射超聲信號,并接收經(jīng)孔壁發(fā)射的信號。反射信號到達(dá)時間反映孔徑大小,信號強(qiáng)度反映孔壁特性,同時測試剖面方位。通過聲時以及預(yù)先測試的泥漿波速,可計算出孔徑、垂直度和傾斜方向。深度計數(shù)器記錄探頭升降位置,方位記錄器記錄換能器水平旋轉(zhuǎn)方位,每一測試點同時自動測試正交方向的兩個剖面圖,實現(xiàn)鉆孔形狀的三維立體掃描測試。

該檢測儀探頭4組垂直布置,內(nèi)置電子羅盤,防水性能好;探頭自動實現(xiàn)“+”字兩個剖面測試,同時生成兩個剖面圖;深度計數(shù)器采用雙滑輪設(shè)計,有效防止電纜打滑,確保深度計數(shù)準(zhǔn)確;實時測試系統(tǒng)全智能化,只須升降探頭,自動完成按測點密度要求的測試;自動生成測試結(jié)果報告,實測過程能夠回放,自動判讀孔壁位置,并自動計算各測點孔徑值、偏移值和垂直度。

6.2 檢測結(jié)果

249號墩35號鉆孔在大里程下游側(cè)角部,采用JL-IUDS(C)智能超聲成孔質(zhì)量檢測儀進(jìn)行成孔質(zhì)量檢測,測點間距100 mm,逐點下降采集數(shù)據(jù)。實測35號鉆孔最大孔徑2 272.67 mm,最小孔徑2 003.25 mm,平均孔徑2 108.67 mm,均大于設(shè)計孔徑(2 000 mm),滿足設(shè)計要求。垂直度0.066%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1%的要求。設(shè)計孔深141.746 m,實測孔深142.3 m,鉆孔估算體積453.05 m3。鉆孔超過100 m深度后,個別位置有塌孔,孔徑局部有擴(kuò)大。平均孔徑比設(shè)計孔徑增大5.4%,混凝土用量估計增大1.3%。

檢測結(jié)果表明,成孔質(zhì)量優(yōu)良,滿足規(guī)范要求,可以下放鋼筋籠,進(jìn)行樁基混凝土澆筑?？椎壮猎穸仁褂脺y繩測量,滿足規(guī)范要求。

7 結(jié)語

1) 鄭濟(jì)高鐵長清黃河特大橋249號墩35個140 m深鉆孔全部完成,成孔質(zhì)量優(yōu)良,鉆機(jī)選擇和鉆進(jìn)工藝正確,鉆進(jìn)問題處理得當(dāng)。

2) 對于黃河大橋水中超百米鉆孔,設(shè)置鋼管樁+貝雷梁作業(yè)平臺,采用履帶反循環(huán)鉆機(jī)和氣舉反循環(huán)鉆機(jī)聯(lián)合鉆進(jìn)。140m深鉆孔 11～20 d成孔,清孔約5～6 h。

3) 鋼護(hù)筒長度適當(dāng)加深,入土深度14～21 m。鋼護(hù)筒壁厚一般18 mm,底部壁厚適當(dāng)加大至22 mm或者鋼護(hù)筒底部包邊處理,防止鋼護(hù)筒底部變形。鋼護(hù)筒埋設(shè)建議采用導(dǎo)向架,以防止鋼護(hù)筒傾斜。

4) 輕微塌孔時,填水泥、膨潤土、鋸末,增大泥漿密度,增強(qiáng)泥漿護(hù)壁,控制鉆進(jìn)速度。塌孔嚴(yán)重時提鉆,用導(dǎo)管清孔并造漿。

5) 可采用超聲波法成孔質(zhì)量檢測儀對長大鉆孔成孔質(zhì)量進(jìn)行檢測。