黄河湿地漫滩区特殊地质桩基施工技术研究.pdf

65现 代 工 程 科 技Modern Engineering Technology第 3 卷第 3 期2024 年 2 月Vol.3 No.3Feb.2024黄河湿地漫滩区特殊地质桩基施工技术研究高金明中铁十七局集团第五工程有限公司，山西太原 030032摘 要：在黄河湿地漫滩区特殊地质条件下，桥梁桩基施工无法保证成孔质量。针对此问题，研究分析了桥址区的地质情况，以及钻孔过程容易塌孔、缩颈的原因。在钻孔时采用打设超长钢护筒、清孔采用除砂器等新技术、新工艺，解决了桩基成孔难题。结果表明，对于深厚淤泥砂土地层的桩基施工采用长护筒穿过淤泥层，能有效避免塌孔、缩颈问题，清孔过程增加除砂器，能较快地降低泥浆的含砂率，缩短清孔时间，减小孔底沉渣厚度，达到快速灌注水下混凝土的目的。对于类似地质条件下的桩基施工具有指导作用。关键词：黄河漫滩区；桩基；施工技术中图分类号：TU753.3 文献标识码：AConstruction Technology of Special Geological Pile Foundation in the Yellow River Wetland Floodplain AreaGao JinmingChina Railway 17th Bureau Group Fifth Engineering Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi 030032Abstract:The article focuses on the problem that the construction of bridge pile foundations cannot guarantee the quality of drilling under special geological conditions in the Yellow River wetland floodplain area.It studies and analyzes the geological conditions of the bridge site area and the reasons for easy collapse and necking during the drilling process.New technologies and processes such as drilling ultra long steel casing and using sand removers for hole cleaning are used to solve the problem of pile foundation drilling.The results show that for the construction of pile foundations in deep silt and sandy soil layers,using a long casing through the silt layer can effectively avoid problems such as collapse and necking.Adding a sand remover during the hole cleaning process can quickly reduce the sand content of the mud,shorten the cleaning time,reduce the thickness of sediment at the bottom of the hole,and achieve the goal of quickly pouring underwater concrete.It has guiding significance for pile foundation construction under similar geological conditions.Keywords:Yellow River floodplain area;pile foundation;construction technique作者简介：高金明（1975），男，中铁十七局集团第五工程有限公司工程师，研究方向为隧道、桥梁工程施工技术。1 引言钻孔灌注桩是桥梁工程中常见的桩基础形式，适用各种地层，施工工艺成熟，施工简单，在桥梁工程领域被广泛应用。桩基在遇到特殊复杂地质情况时，成孔、灌注是桩基施工中的一大难题。在建的窑头特大桥位于黄河湿地河滩冲积平原上，主要地层为淤泥质砂土地层，泥沙含量大，存在易塌孔、清孔难等难题。文章从施工场地处理、钻孔、灌注等方面阐述淤泥质砂土地层桩基施工技术。2 工程概况本文案例运三高速连接线窑头特大桥桥位区位于平陆县窑头村黄河谷地河滩上，大里程接三门峡公铁黄河大桥北端。全桥桩基648根，桩径分别为2.0m、1.8m、1.5m，其中1833#墩位于黄河河滩上，桩径为1.5m，桩长6582m。地层以淤泥层和粉细砂层为主，具体地质分布见表1。表1 桩基地质分布情况岩土名称种植土淤泥软土粉砂圆砾粉质黏土粉砂、细砂岩土特征深灰色流塑状、软塑状褐黄色，饱和，中密灰色，饱和，密实灰绿色，坚硬褐黄色，稍密，密实平均厚度（m）0 28 155 101 23 410 30从地质资料可以看出，表层土以下为淤泥层和粉细砂层，中间夹杂分层圆砾土和粉质黏土，淤泥层厚度可达15m，粉细砂层厚度最大30m。此种地质，常规采用662024 年 2 月第 3 卷第 3 期现 代 工 程 科 技66回旋钻泥浆强护壁成孔，但是存在的问题较多：施工成孔周期长，时间约为48h，造浆量大，二次清孔时间长，泥浆外运量大，不利于环保且成本高；设计桩长82m，施工过程中采用回旋钻施工因钻杆接头多，底部扩孔严重，混凝土超方量大；采用常规36m护筒，护筒以下淤泥层流动性大，自稳能力极差，塌孔严重，难以保证桩基成孔质量；在灌注过程中混凝土容易与饱和粉土混合出现“包饺子”现象。通过旋挖钻+下长护筒，解决了桩基施工难题1。3 施工技术3.1 设备选择本工程桥址区位于黄河湿地自然保护区内，环保要求高，为减少钻孔泥浆污染湿地及河道区域，根据地质情况和钻孔深度选用了三一SR405R旋挖钻机成孔，旋挖钻机具有成孔速度快、施工精度高、有利于环保、泥浆用量少等优点，护筒由75t履带吊配合振动锤埋设钢护筒，另外配备1台25t汽车吊安装钢筋笼和混凝土导管。3.2 护筒埋设因为淤泥土层的特殊性，淤泥土距地表较近，厚度大，淤泥稳定性差，极易造成塌孔及孔口塌陷，所以要下长护筒，提高孔口稳定性。护筒长度根据淤泥厚度来选择，护筒长度选用了818m，桩基护筒直径1.7m，壁厚16mm。钢护筒施工前由项目测量班放样定位，测出桩基中心线，每次放样不得少于3根桩，放样完成后由现场技术员对桩位进行复核，用钢尺复核桩之间的距离是否与施工图一致。复核无误后再打设十字护桩，以便钻孔过程中随时对桩中心复核纠偏。护筒埋设过程需要测量班全程跟踪测量，采用全站仪测设长护筒垂直度，保证钢护筒的倾斜度不得大于1%，由于护筒长度较长，还应确保护筒中心与设计桩中心的平面偏差不大于5cm，护筒需高出原地面0.3m以上2。钢护筒中心放样及护桩设置见图1。钢护筒图1 钢护筒放样及护桩设置示意图3.3 制备泥浆3.3.1 泥浆配比泥浆在钻孔施工中起着维持孔内压力、增加孔壁稳定性、防止塌孔和清孔的作用。通过多方比选，选用膨润土进行造浆，造浆比例为1m水配6070kg膨润土和23kg氢氧化钠（烧碱）。钻孔过程中根据地层情况增加膨润土和氢氧化钠的使用量调整泥浆比重。3.3.2 泥浆制作泥浆池设置在两个墩之间共同使用，沉淀池靠近施工桩基，泥浆池和沉淀池底板均采用30cm厚C20混凝土硬化处理，池壁打设钢板桩防护，储存泥浆前在池壁、池底做防渗处理，防止泥浆渗入池底和周边农田，给湿地造成污染。根据配比在泥浆池进行搅拌泥浆，符合要求后通过泥浆泵抽入桩孔内，桩内带钻渣的泥浆流入沉淀池，施工过程中重复循环。泥浆相对密度根据地质情况的不同应适时进行调整，取值范围为1.11.4。在钻孔桩施工过程中，对沉淀池中的沉渣应随时清理，尤其是灌注混凝土前，应将沉淀池的泥浆面降低至能没入整根桩的泥浆容量为止，防止泥浆外溢，污染周围环境。泥浆运输车应做好防漏措施，将废弃泥浆运至指定弃土场掩埋。3.4 钻孔施工3.4.1 钻孔淤泥层地质条件差，淤泥位置浅，旋挖钻机自重大，容易倾斜而导致钻孔偏斜。对于部分地表种植土厚度较薄，或者直接处于较软的淤泥地段，需要对地表进行处理，铺0.51.0m厚的砂砾石，在钻机工作位置铺设15mm厚的钢板，以增加地表承载力，确保钻机能在平稳的状态下施工。每个墩台只允许1台钻机施工，应合理安排桩基施工顺序，一般采取间隔1根桩进行施工。淤泥质地层泥浆比重应调整为1.3g/cm3左右，细砂层泥浆比重应调整在1.31.4g/cm3。在钻进过程中，要慢速钻进，提钻和下钻均要缓慢、匀速，且钻进过程中遇土层变化时必须慢速钻进，防止下钻过快对软弱地层产生较大扰动而引起孔壁坍塌。下钻和提钻时的速度也不要过快，以防止钻头对周围已形成的护壁造成破坏。同时要避免一次进尺过深，每次进尺2030cm后暂停加压和旋转，使泥浆可以进入土层和钻头之间，起到润滑作用，之后再循环加压钻进3。67高金明：黄河湿地漫滩区特殊地质桩基施工技术研究环境与化工科技3.4.2 成孔检测桩基成孔后应立即进行检验，现场技术人员提供钻孔过程的渣样，报现场监理进行确认，与设计地勘报告的地质进行对比，如与地勘报告不符时应通知设计代表和地勘负责人进行处理。地质确认后再进行孔深、孔径、垂直度检测。具体检查标准为：实际钻孔深度和孔径不得小于设计值；孔位平面位置偏差排桩50mm、群桩100mm；垂直度应不大于1%，本工程为超长桩，垂直度不得大于0.5m；本工程孔底沉渣厚度要求不大于0.15m。检查方法为：孔深用测绳检查；孔径和垂直度用检孔器检查，检孔器由钢筋自制，外径不小于设计桩径，长度为桩径的46倍，且不小于6m，利用钢丝绳将检孔器垂直起吊放入孔内，到达孔底后用1m垂线法测量孔斜率，以量测的水平距离乘以孔深不大于0.5m为合格。3.5 清孔由于桩基位于黄河河滩上，地质以淤泥和细砂为主，孔内泥浆含砂量较大，采用传统的泥浆循环置换法，清孔时间长且达不到应有的效果。在泥浆进入桩孔前安装一个除砂器可快速降低孔内泥浆的含砂率，使泥浆达标。经过泥浆泵加压的泥浆从进浆口进入除砂器内后，形成旋转的漩涡流，在离心力作用下，泥浆中的沙粒与泥浆分离，通过除砂器底部的出沙口排出，达到浆砂分离的目的4。除砂器示意图如图2所示。图2 除砂器示意图除砂器清孔试验对比：以两个孔清孔时使用和未使用除砂器的结果进行比对，设计桩径1.5m，孔深65m。比对前两个孔内泥浆，其比重分别为1.26和1.28，含砂率分别为11%和12%。使用除砂器前后数据对比见表2。通过表2可以看出，使用除砂器清孔时间可以大幅缩短，3h左右就可以达到规范要求。除砂器在实际使用中效果较好，施工中泥浆泵需要采用3PN的泥浆泵，加大进浆压力来补充泥浆经过除砂器而损失的水压。表2 使用除砂器前后数据对比表累计清孔时间（h）未使用使用除砂器泥浆比重含砂率（%）泥浆比重含砂率（%）01.2611%1.2812%11.249%1.167%21.27%1.083%31.185%1.062%41.143%61.122%81.11.5%3.6 钢筋笼和导管安装3.6.1 钢筋笼安装钢筋笼采用滚焊机加工成型，设计主筋为25mm螺纹钢筋，采用直螺纹套筒连接，要求套筒外径不得小于37.5mm，套筒长度不小于56mm。加工时相邻两节笼子主筋必须无缝对接。钢筋笼孔口对接时应保持上下两节在自由悬吊状态下连接，在接头拧紧后采用力矩扳手检查，拧紧扭矩不小于260N m，外露有效螺纹不得大于2丝。钢筋笼套筒连接时应配备4人进行紧固套筒，尽量缩短安装时间。下放钢筋笼时应防止笼子冲撞孔壁，到位后要固定牢靠，防止浇筑过程中上浮或偏移。3.6.2 导管安装混凝土灌注施工采用了新型绳卡导管，绳卡导管的连接方式利用了钢丝绳柔软、顺滑的特点，较为快捷。首先安装好橡胶密封圈，将导管对接好，在两根导管重叠部位的卡槽中穿入钢丝绳起到固定作用。该种导管的优点是：安装简单、快捷，拆除速度快，抽出钢丝绳即可，气密性好等。传统的丝扣导管安装拆除需要使用旋转扳手进行拆装，有时拆卸还需要动用蛮力，用大锤敲击扳手才能旋开，费时费力，总体来说采用绳卡导管能减小劳动强度，提高安拆效率5。3.7 灌注混凝土混凝土灌注是桩基施工最重要的环节，在成孔达到设计及规范要求后，由于淤泥软土的流塑性，在泥浆比重较低的情况下，操作中容易发生塌孔、缩径及孔底沉渣过厚等问题，因此第一次清孔泥浆比重控制在1.2g/m3 左右，黏度1920s即可，二次清孔达到1.15g/m3，黏度1719s时，可灌注混凝土。混凝土开始灌注后，必须连续进行，尽量缩短灌注682024 年 2 月第 3 卷第 3 期现 代 工 程 科 技68时间。由于混凝土灌注开始后没有泥浆循环的压力，淤泥质泥浆护壁会很快向孔底沉淀，因此拆除导管停止灌注后，尽快放气，安装大料斗开始灌注施工，且首灌混凝土要满足理论计算方量，以保证混凝土能冲开孔底的淤泥沉渣。4 施工技术要点（1）护筒埋设深度至关重要，钻进至护筒底时应放慢钻进速度，加大泥浆比重，以增加该位置桩基四周的密实性，如果施工中护筒底塌孔，可采取接长护筒的方法，使护筒穿过塌孔处，继续施工。（2）成孔后第一次清孔应安装除砂装置，能快速降低孔内泥浆的含沙率和泥浆比重。下完钢筋笼和导管后进行二次清孔可直接向导管内压新鲜泥浆，其作用是清除沉渣6。（3）因地质条件的特殊性，成孔后要及时下放钢筋笼和导管，时间应控制在5h以内，缩短安装钢筋笼和下导管的时间，否则淤泥段很容易发生缩径，桩底部沉渣过厚也会导致二次清孔的时间相应延长，影响成桩质量。（4）钢筋笼长度每节12m，采用直螺纹套筒连接，声测管采用挤压接头，主筋连接时应配备足够的施工人员。钢筋笼加工完成后底节笼子主筋丝扣应将套筒安装好，上节笼子采用橡胶保护套做好丝扣保护，确保笼子在运输过程中丝扣不损坏。5 施工技术应用效果（1）黄河湿地特殊地质桩基施工技术的应用解决了深厚淤泥砂土层桩基成孔难题，前期施工的22号#墩2根桩和21#墩1根桩采用常规短护筒，虽然在泥浆调制上下了不少功夫，但效果不佳，易塌地层持续加大了泥浆比重，仍然出现塌孔、缩颈等问题，需要回填大量片石，再利用冲击钻稳定淤泥层，穿过淤泥后再改用旋挖钻施工。前期施工时间长，成本高。后续施工的桩基根据实际地质情况采用了长818m，壁厚16mm，直径1.7m的长护筒后，有效地解决了黄河滩常年淤积的软土地层流动性大、自稳能力极差、容易塌孔的施工问题，保证了桩基施工质量，缩短了施工工期，节省了施工成本。（2）采用旋挖钻成孔，膨润土泥浆护壁，大幅缩短了钻孔施工时间，同时降低了扩孔系数，减少了泥浆外运量，降低了混凝土超方量，节约了施工成本。前期采用常规护筒施工了3根桩，混凝土超耗率远大于规定值，采用了长护筒后大大降低了混凝土超耗率，桩基施工混凝土用量超耗对比情况见表3。表3 桩基混凝土超方率对比表常规施工采用超长护筒施工桩位号设计桩径（m）设计桩长（m）设计（m3）实际（m3）超方率（%）桩位号设计桩径（m）设计桩长（m）设计（m3）实际（m3）超方率（%）22d-01.565114.8155.035.020d-01.565114.8122.56.721d-01.565114.8148.529.421b-01.565114.8125.08.922d-31.565114.8145.026.320b-01.565114.8123.57.6/24d-01.580141.3150.06.2从表3可以看出，采用超长护筒后，节约混凝土量约23%以上，桩基混凝土超耗量基本控制在8%以内，符合公司考核指标要求。（3）在清孔设备上增加了除砂器，能够快速将孔内的泥沙抽出，不进入泥浆池重复循环，大幅缩短了清孔时间，每根桩大约可节约8h。原计划18-33#墩384根桩基2台旋挖钻需要3个月6天完成，采用新的除砂设备后，每台旋挖设备施工时间可充分利用，实际只施工了2个多月，工期提前了25天。6 结语运三高速连接线窑头特大桥桩基施工通过采取科学合理的措施，针对黄河河滩冲积平原淤泥质和细砂层的特殊性，以及施工中采用的各种新技术、新工艺，不断对施工技术进行优化，总结经验，使已施工的桩基合格率达到了100%，保证了桩基施工质量，为类似黄河河滩淤泥砂土地层提供了新的施工方法。参考文献1 李峰宇.旋挖钻钻孔桩施工技术研究以三门峡黄河公铁两用大桥南引桥桩基施工为例J.工程技术研究,2022,7(24):48-502 陈辉.旋挖钻成孔技术在桥梁桩基施工中的应用J.黑龙江交通科技,2022,45(9):83-85.3 和小军.浅谈潜水钻成孔灌注桩在黄河漫滩的施工方法J.土工基础,2013,27(4):55-57,65.4 李树文.深厚淤泥层桥梁钻孔灌注桩施工技术研究J.价值工程,2023,42(5):63-65.5 伏永祥.公路桥梁桩基施工技术要点J.科技资讯,2023,21(13):105-108.6 JTG/T 3650-2020.公路桥涵施工技术规范S.北京:人民交通出版社,2020.