超长大直径变径钻孔灌注桩施工关键技术.docx
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超长大直径变径钻孔灌注桩施工关键技术
广东省南澳大桥主墩海上超长大直径变径钻孔灌注桩施工关键技术
李春元崔然刘学洋姚延焕
（中交一航局第三工程有限公司；大连；116001）
摘要:
广东省南澳大桥主墩超长大直径变径钻孔灌注桩施工采用了回转钻机成孔及海上拌和船浇筑水下砼的施工工艺，针对海上超长大直径变径钻孔灌注桩的施工难点及要点，文章阐述了该项工艺的技术要点及工程实施情况。
关键词：
钢护筒沉放;大直径钢筋笼、泥浆
1、工程概况
南澳大桥主桥总长490m，共设2个主墩W0、E0；2个过渡墩W1、E1；其中W0、E0主墩基础采用13根变截面钻孔灌注桩，桩身上段20m直径为3。
1m，以下直径为2。
8m.梅花形布置，W0主墩设计最大桩长为91m，E0主墩设计最大桩长为110m，均为嵌岩桩。
2、施工总体思路
主墩桩基采用打设Φ800＊12mm的钢管桩和桩基钢护筒共同受力组建钻孔平台进行施工。
每个主墩搭建1个平台，共2个平台；钻机等各种设备在平台上工作，主墩平台采用ZDJ-3500型和ZDJ-4000型回转钻机进行钻孔施工，采取气举反循环出渣工艺,并配备泥砂分离器。
同时主墩平台上布置1台80t龙门吊，用来下放钢护筒和钢筋笼，包括钻机移位、灌注混凝土的施工.
3、施工重点、难点
⑴、主墩钻孔灌注桩施工是全桥施工的核心，直径φ3。
1m变径为φ2。
8m，最大设计桩长110m，单桩砼量约800m3，在国内也算是施工难度较大的桩基。
⑵、主墩钢护筒是钻孔灌注桩施工的必要措施,又是施工平台的受力支撑结构，单根最大长度46m,直径3。
1m，施工受风浪、水流影响大，精度、垂直度控制难度大。
以往工程施工出现过护筒底口变形的情况，控制好激振力也是护筒沉放施工的关键.
⑶、泥浆是成孔的关键保障，如何优化配合比，保证泥浆的各项指标，是钻孔灌注桩施工的难点。
⑷、主墩钢筋笼直径大、长度长，且桩顶20m范围内为双层钢筋笼,加工的难度大，钢筋笼线形及对接精度不易控制；整套钢筋笼最重达70t,单节最大重量15.8t，钢筋笼吊装、竖转难度大。
⑸、桩基砼灌注是施工风险最大的环节,做好首罐砼浇筑施工,保证后续砼浇筑的连续性是钻孔灌注桩施工的重点。
4、施工中采取的对策及方法
针对上述施工重点、难点，项目部通过召开专家会、施工技术讨论会等方式,对施工方案不断完善，并成立课题组，年轻施工技术人员和老师傅共同探讨，对施工工艺不断进行优化,具体如下：
4.1临时平台搭设
主墩平台整体尺寸为27m×53.5m,起始平台尺寸为27m×15m。
平台基础共采用φ800×12mm钢管桩，平台钢管桩及钢护筒之间设置两层平联，上层平联采用φ426×8mm钢管，标高在+5。
0m左右，下层平联在+1.2m处采用φ600×8mm的钢管；上下层之间采用φ426×6mm的钢管做斜撑。
钢管桩上部为2HM300×588的搁置梁,搁置梁上为I18工字钢的纵向分配梁,最上面是6mm的面板.
⑴、钢管桩打设
a、打桩船选择：
设计的桩长为41m，前期选择粤航工05，锤型为D62—22；后W0墩桩长更改为48m，W1、E1墩桩长更改为51m，打桩船更改为粤航工03，锤型同样为D62-22，具体参数如下：
项目
粤航工05
粤航工03
尺寸
12×32m
16×40m
可打设最大桩长
48m
58m
可打设最大桩径
1。
2m
1.4m
桩架高度
48m
48m
吊杆跨距
15m
15m
钢管桩起吊方式
捆扣
捆扣
b、钢管桩沉放顺序
先施工起始平台钢管桩，打桩船按扇形退打钢管桩。
如图：
主墩平台打桩顺序示意图
打桩按照上图所示，按区号依次进行施打,每区钢管桩打完后,立即以区为单位进行夹桩.
c、测量定位
施工区域为海上独立作业，距离岸边较远，常规的测量方法不能满足施工需求，故采用2台GPS联合测量定位。
莱芜渡口及长山尾渡口附近各设有一个GPS固定基准站.打桩前，在打桩船驾驶室顶平台上,选位于打桩船中轴线上（通过桩架及龙口中心）两个固定点A点、B点，用于固定GPS接收机，进行测量定位。
①直桩定位
选取平面任意一条通过桩位中心的直线，计算出当打桩船轴线与所选取的直线重合，且桩位中心正好位于设计坐标时，打桩船上A、B两点的坐标。
将两个GPS接收机固定在这两个点上，连接接收机与手簿，选择坐标系，将计算出的A、B点坐标提前输入手簿，然后发射信号，接收固定基准站发出的RTK信息，获取这两个点的实时坐标，手簿计算出这两点实际坐标与计算坐标的偏差,根据偏差数据通知打桩船绞缆移船，直至这两点位置与计算的坐标重合，从而定出桩位。
为便于定出船艏方向,需在船艏朝向设置浮漂.
直桩定位示意图
②斜桩定位
斜桩与直桩定位相比，略显复杂，当船身随着水位的变化导致船身标高发生变化时，桩身中轴线将产生竖向位移,从而引起桩位产生偏差，实际偏差距离应为：
船身标高差值/桩身斜率（6：
1），如下图：
为了保证桩位正确，打桩船必须前后移动消除偏差，打桩船位置发生变化,设置在打桩船上的固定测量点A、B两点坐标也必然发生变化，如下图：
所以斜桩定位方法为：
前期与直桩定位一样，将两个GPS接收机固定在打桩船中轴线上A、B两点上，连接接收机与手簿，选择坐标系,测量此时A、B两点的实时标高，根据标高计算出A、B两点的实时坐标，然后将这计算结果输入手簿，然后发射信号，接收固定基准站发出的RTK信息,获取这两个点的实际坐标，手簿计算出这两点实际坐标与计算坐标的偏差，根据偏差数据通知打桩船绞缆移船，若在绞缆移船期间水位变化较大,超过30CM；应重新测量A、B点标高,计算坐标，重复前一步骤，直至定出桩位.桩的倾角由桩船桩架倾角控制。
d、沉桩锤击数和贯入度的控制
E0主墩平台沉桩过程中锤击数和最后贯入度均满足设计要求，当W0、W1、E1墩开始沉桩时锤击数和最后贯入度均不满足设计要求,项目部根据现场实际情况请天津港湾工程质量检测中心对我项目部所沉钢管桩进行桩基高应变检测，根据检测结果对钢管桩的长度进行修改，W0墩桩长改为48m，E1和W1墩桩长均改为52m；检测结果如下:
e、工效分析
在沉桩前期，施工工效为6根/天，后期施工时工效为9根/天。
根据总体可作业施工天数和工程量可知沉桩的工效约为8根/天.
⑵、上部结构施工
a、上、下层平联施工
下层平联采用φ600×8mm。
平联之间的连接通过“哈佛接头”焊接连接，每根平联设置一个“哈佛接头".
平联的吊装具体施工方法如下：
在待安装平联的一端套上“哈佛接头”，为了方便调整平联位置，用两个2t的手拉葫芦吊挂在桩顶及平联的两端。
平联吊装到位后，首先对平联与钢管桩直接连接的一端进行焊接，然后将平联一端的“哈佛接头”推到指定位置进行焊接,焊接时先焊接“哈佛接头”与钢管桩连接处，后焊接与平联连接处.
b、上部结构施工
施工人员在吊篮上进行截桩头、焊桩帽，桩帽施工完成后，方驳吊机配合进行上部横梁、分配梁及面板铺设施工。
4.2钢护筒沉放
主墩桩基钢护筒内径3.1米，采用22mm厚Q345钢板卷制,E0墩长度为36米，W0墩长度为46米.E0墩、W0墩各需沉放13根钢护筒.
⑴、施工工艺
钢护筒沉放采用悬臂导向架进行定位,钢护筒分两节对接沉放，采用横鸡趸吊入临时悬挂存放区，换80t龙门吊起吊定位、振动锤沉放的施工工艺。
⑵、悬臂式导向架设计
为确保护筒沉放的精度和垂直度，分公司自行开发、设计了悬臂式导向架.根据钻孔要求，钢护筒的垂直度不得大于1/200,将导向架上下龙口距离定为10m,由于自沉时钢护筒顶口低于上龙口，故在中间加设一道龙口,确保自沉时钢护筒垂直度满足要求。
为能精确调节护筒位置及垂直度，在龙口梁4个方向设置调整限位装置,调整装置由顶推和转轴滚轮组成，顶推装置为1个32t手动千斤顶，调整时千斤顶顶推前面的转轴滚轮对护筒位置进行调节，可调节最大距离为25cm.
限位装置的前方做成滚轮形式，基本形成点接触，使摩阻力减到最小，便于护筒下沉.
⑶、钢护筒沉放
钢护筒分节进行沉放，第一节钢护筒长30m，用横鸡趸运至现场、竖转出仓，但横鸡趸稳定性差，不能直接将护筒吊至导向架内进行定位，为解决这一问题，在临时平台钢护筒入口处设立一个钢护筒存放区,横鸡趸将第一节钢护筒竖转后吊至护筒存放区临时存放,然后龙门吊行至存放区将护筒吊至导向架进行定位、沉放。
存放区采用4根长度18米的铁链，下部吊一块钢板作为护筒支撑，钢板底标高为泥面以下1m左右，在下放钢板时，随时测量钢板标高，用4根铁链调节钢板的平整度及标高，定位完成后,用卡环将桩顶的耳板和铁链进行连接。
护筒临时存放区横鸡趸吊钢护筒进临时存放区
护筒进导向架定位振动锤沉放钢护筒
⑷、护筒沉放激振力控制
钢护筒采用2台DZJ240型振动锤联动进行沉放，相关参数如下:
项目
电机功率
激振力
允许拔桩力
静偏心力矩
数值
480KW
0—3644KN
1372KN
7056Nm
在以往的钢护筒沉放施工中,激振力控制不当，钢护筒底口易发生变形，给施工工期及质量造成极大的影响,很难进行处理。
在施工中，为防止护筒变形，一是在距底口2cm处设置4道50cm宽的加强箍，间距40cm，在距顶口2cm处设置长度50cm的加强箍，护筒中部设置1道50cm宽加强箍（距两节护筒焊缝位置为8m）,加强箍具体位置结构见下图。
主墩钢护筒加强箍位置图
二是严格控制激振力，根据地质情况及护筒埋深，计算护筒沉放的激振力，若发现激振力达到计算数值，持续2分钟，护筒仍不下沉的情况立即停锤,避免激振力过大或振动时间过长,护筒底口变形。
小结：
这种工艺解决了无大型起重船的难题,同时保证了打设精度和安全问题,施工效率达到每天沉放1根.主墩26根钢护筒全部沉放完成，钻孔灌注桩施工未发现护筒底口变形的现象。
4.3钻进控制
主墩平台采用ZDJ—3500型和ZDJ—4000型回转钻机进行钻孔施工,采取气举反循环出渣工艺，并配备泥砂分离器.
成孔过程分三个阶段：
护筒内钻进阶段、护筒底口以下钻进阶段和终孔后清孔阶段。
⑴护筒内钻进：
在开孔钻进时采用轻压、慢速钻进。
开孔时在钻头母体外侧加高强度钢丝刷，一是保证护筒内壁清理干净；二是护筒内径为3。
1m,钻头直径为2.8m,加钢丝刷增加钻头直径的作用（护筒内桩径为3.1m，从护筒底口开始变径为2.8m）.另外，每钻完一根钻杆要上下慢速窜动几次,目的是加强对钻渣的充分吸收，钻进过程中认真观察进尺和排渣情况，当泥浆中含渣量较多或排量减少时，应控制钻进速度。
⑵护筒底口以下钻进阶段:
此阶段是整个施工的关键.地层变化较大，故在不同地层的钻进施工中，操作人员要及时调整钻压和转速确保钻孔安全。
钻头钻进至护筒底口时，认真观察护筒底口是否漏浆，其症状为水位明显下降。
护筒口以下正常地层钻进过程中，必须密切注意泥浆指标和钻进速度，同时在钻孔过程中分不同深度测量钻孔垂直度及成孔质量，发现偏斜及时采取措施纠正.
该项目配备的钻头有三种:
刮刀钻头、楔齿滚刀钻头和球齿滚刀钻头。
刮刀钻头主要用于表土层钻进，在破岩面积较小时,也可用于较软的泥灰岩钻进；楔齿滚刀钻头主要用于中硬以下岩石钻进;球齿滚刀钻头主要用于硬岩钻进。
⑶终孔后清孔阶段：
根据设计要求确定入岩深度和终孔标高，钻至终孔标高后，停钻将钻具提离孔底约30～50cm,缓慢旋转钻具,进行气举反循环清孔;在整个的清孔过程中，始终保持孔内泥浆面的高度，防止塌孔，清孔所用的泥浆比重不得小于孔中泥浆的比重。
经检查孔径和孔深及垂直度均满足要求后，才能移走钻机，尽快进行钢筋笼安放施工，在浇筑砼前须进行第二次清孔。
4。
4泥浆控制
泥浆是成孔的关键保障，项目部在请教专家、现场试验的基础上决定采用淡水制浆。
在钻进过程中，配备专门的试验人员及时及时测定泥浆指标，泥浆的检测保证每2小时检测一次，严格控制不同地层的泥浆性能，如下表所示:
在不同地层钻进时的钻压及泥浆参数表
地层
钻压（t）
转数（r）
比重（g/cm3）
粘度（s）
PH值
含砂率（%）
淤泥
5～10
3～5
1.15～1。
25
17～20
8～10
≤4
砂层
5~15
3～5
1.15~1.25
18～20
8～10
≤4
粘土
10～15
3～5
1。
15~1.20
18～20
8～10
≤4
强风化花岗岩
15～18
3～5
1。
15~1.20
17～20
8～10
≤4
微风化花岗岩
15～20
3～5
1.13～1。
18
17~20
8～10
≤2
二次清孔以后，泥浆指标按下表进行控制：
清孔后泥浆指标
项目名称
比重（g/cm3）
粘度（Pa。
s）
胶体率（％）
含砂率（％）
指标
1。
03~1.1
17～20
>98%
〈2
小结：
采用淡水制浆，并对泥浆的配合比进行优化，保证了泥浆各项指标，首根桩在成孔后经过近半个月的台风影响毫无变化。
4.5钢筋笼制作及安装
⑴长线法制作钢筋笼
主墩桩基钢筋笼外层钢筋笼直径2。
94m，内层钢筋笼直径2。
64m，最长为110m，桩顶20m范围内为双层钢筋笼，钢筋笼节与节之间采用直螺纹套筒进行连接,按常规方式制作，钢筋笼的线形及对接精度难以保证。
根据以往施工经验及项目实际，采用长线法制作钢筋笼：
首先，采用δ12mm钢板结合钢筋笼的直径、主筋间距以及双层钢筋笼的内外层排距按下图形式加工专用胎具：
胎具加工完成后，在钢筋笼加工场地内采用经纬仪、水准仪配合进行胎具安装，确保整条线的胎具处于同一轴线、同一水平面上。
每隔2m设置一个胎具并在胎具底脚旁边钻孔植入Φ16钢筋将胎具固定。
为保证首节钢筋笼顶端平齐，在胎具生产线的起始端安装端头挡板，端头挡板采用δ10mm钢板，如下图所示:
钢筋笼加工用端头挡板
胎具生产线安装完成后，钢筋笼采用分多节在胎具上进行制作，按钢筋原材长度划分基本节长为12m,尾节长度根据钻孔终孔高程确定。
加工至两节钢筋笼的对接处时，先将直螺纹套筒拧至长丝一侧，待对接的钢筋靠紧后用直螺纹套筒将对接的两根钢筋拧紧固定。
整套钢筋笼加工完成后，在每两节的对接处均按照长线法的原则做好标记,以便吊装对接过程中辨识。
加工完成的双层钢筋笼
小结:
采用长线法制作钢筋笼,大大提高了钢筋笼制作的线形精度及直螺纹接头对接精度,保证了钢筋骨架结构尺寸成型准确、轴线顺直。
为钢筋笼的加工质量及顺利安装对接施工提供了保证。
⑵、钢筋笼采用钢板作为吊点
主墩桩基钢筋笼重量较大，整套钢筋笼最重达70。
1t，吊装时如采用常规的利用加强箍筋吊挂方式难以承受这么大的重量，根据计算采用δ2cm钢板单独设置吊点。
采用4块δ2cm钢板等间距满焊在主筋内侧、第一道加强箍筋下方，设置形式如下图所示：
钢板吊点布置示意图
钢板吊点
⑶、钢筋笼竖转
钢筋笼由方驳吊机吊至桩基施工临时平台后需进行竖转施工，单层钢筋笼采用80t龙门吊主副钩配合进行竖转,最后两节双层钢筋笼由于副钩吊重不够（副钩吊重5t），需采用转轴式支架进行竖转。
竖转支架制作形式如下图所示:
竖转直架正面示意图竖转直架侧面示意图
80T龙门吊主副钩配合竖转1
80T龙门吊主副钩配合竖转2
使用竖转支架进行竖转1
使用竖转支架进行竖转2
⑷、采用F型扁担临时悬挂钢筋笼
为防止下放钢筋笼过程中碰撞孔壁，吊装时,调整钢筋笼平面位置确保其处于孔中心下放。
吊装就位后，用厚2cm的钢板制作的F形扁担将钢筋笼临时悬挂在护筒上，以便与后续节段进行对接施工，F形扁担如下图所示：
F型板示意图
F型板临时悬挂钢筋笼
小结：
应用竖转支架避免了使用2台起重设备配合竖转所产生的安全隐患，增设的钢板吊点为吊装安全提供了有效保证，F型扁担为钢筋笼的临时悬挂对接提供了方便，采用本套施工工艺，保证主墩钢筋笼安装施工的快速、安全。
4.6桩基砼浇筑施工
⑴、确保首罐砼浇筑成功
为保证首批灌注足够数量的砼,大料斗容量为6m³，导灰架料斗容量为22m³，合计28m³;浇注前将大料斗和导灰架均灌满混凝土，以保证首罐砼埋置导管深度在2ｍ以上,保证首罐砼浇筑成功。
⑵、控制导管埋深,保证砼浇筑连续
灌注过程中，应及时的探测所灌注的砼面高度,以控制沉淀层、埋导管深度和桩顶高度。
如探测不准确，将造成沉淀过厚、导管提漏、埋管过深，因而发生夹层断桩、短桩或导管拔不出事故。
本项目采用测锤法量测,测锤重4公斤，用钢测绳连接测锤来测量混凝土顶面距基准面高度，计算混凝土浇筑厚度和导管的埋深，根据规范要求严格控制导管埋深为2~6m，拆完导管后埋管深度大于2m.
本项目最大设计桩长110m，需浇筑砼方量约800m3，为确保砼浇筑连续性,现场配备1000m3浇注能力的拌和船，并联系了备用拌和船.
长大18＃（砼拌合船）参数如下：
a、拌合船船长75.6m,船宽23。
4m,设计吃水3.2m，结构吃水3。
6m。
该船上共两台1。
5m3混凝土拌合站，搅拌机位置在粉料灌下面的船舱内；
b、骨料仓横向分为2列,纵向分为3排，共6个骨料舱：
其中两侧4个舱为粗骨料中间2个舱,为细骨料料仓，为保证船舶航行安全，在极限状态下拌合船甲板面距离水面距离约为50cm，骨料舱最大装载能力为碎石1000t,砂850t；
每台拌合站共4个罐,1个大罐装粉煤灰，1个大罐+1个小罐装水泥,另一个罐装矿粉，如下图：
拌和船长大18平面布置图
拌和船长大18＃浇筑混凝土施工
5、结束语
南澳大桥海上超长大直径变径钻孔灌注桩施工难度大，依托本工程特点，对海上超长大直径变径钻孔灌注桩施工关键技术进行了研究和实施，钢护筒沉放采用悬臂导向架及设立第一节护筒临时存放区、桩基施工采用液压回转钻机及气举反循环出渣工艺、用淡水制浆并优化泥浆配合比、采用长线法制作钢筋笼、设计钢筋笼竖转支架、现场配备1000m3砼拌合船等施工工艺都取得较大的效果，现已浇筑完成4根钻孔灌注桩，经检验合格，验证了海上超长大直径变径钻孔灌注桩施工工艺的可行性，为以后进行此类施工积累了宝贵的经验。
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