海上嵌岩灌注桩施工技术.doc

海上嵌岩灌注桩施工技术

1　概况
　　xx市xx国际集装箱码头二期工程共有3个5万吨级泊位，码头岸线长950m,为高桩梁板结构，总共1 271根桩，其中嵌岩钻孔灌注桩426根，内中嵌岩斜桩72根，嵌岩直桩354根。斜桩、直桩内嵌岩锚杆有233根，其中嵌岩桩内加嵌岩锚杆40根。斜桩直径为1 000mm，直桩前后排直径为1 000mm，中间4排直径为813mm，横向6排桩，排距6m，纵向桩距前后排为3.2m，中间4排为6.4m。沉桩前，桩区已进行疏浚挖泥，将海底面上软塑层淤泥和部分淤泥质粘土挖去。工程地质比较复杂，基岩中顶层为黄至黄褐色强风化层，比较破碎，中风化层为黄褐色到灰黄色凝灰岩，节理发育，微风化及新鲜岩层为青灰到深灰色凝灰岩。据地质试验资料，岩石单轴抗压强度平均为65MPa，最大为101MPa，局部地段(I、J段)个别桩位特别坚硬，可能达到150MPa，钻进十分缓慢。由于地质条件复杂，特别是在个别特硬基岩桩位的嵌岩施工中，在苛刻的技术要求和条件下碰到的问题也就较多，正是诸多棘手难题的挑战与攻克，使我们积累了经验，总结这些经验就是一笔宝贵的财富。下面重点介绍嵌岩灌注斜桩的施工技术。
2　嵌岩钻孔施工设备
　　对于嵌岩直桩，采用冲孔法或钻孔法成孔都可以，但对于嵌岩斜桩只适宜用钻孔法成孔，然而也非一般钻机都能适用，应采用专用钻机，目前国内尚无标准定型产品 ，但已有专门设计并少量试制，如要用一般钻机改装来钻大直径嵌岩斜桩孔，也只宜采用动力头式钻机进行改装。对于嵌岩斜桩钻机，目前流行的型式是座顶式，即将钻机直接座套在斜桩顶上，再夹紧或锁定，这样容易保证钻杆与桩孔同心，不会错位，而且多用液压传动，动力部分与主机分离，只以软油管联系，这有利于减轻主机重量，并有利于用油缸对钻头加压，提高钻进效率。另外钻机发出的扭矩一般要较大，才能有效切割和破碎岩石层。国外有专门生产嵌岩斜桩钻机的厂家，其中以德国WIRTH公司和BAUET公司较有名。本工程乃使用日本IHI—L3B型钻机和WIRTH—B6型钻机进行嵌岩斜桩的钻孔施工，前者乃70年代产品，其性能已显落后，但其整机重量比后者轻1/3。实际工程施工中却又基本使用IHI—L3B型钻机成孔，这主要是因WIRTH—B6钻机自身重量为21t，其移位受吊机起重能力所限之故。钻孔清渣使用压缩空气射流反循环。在嵌岩灌注直桩钻孔施工中，同时使用国产钻机，它的清渣方式乃采用水射流反循环，配备正反循环两用射流水泵1台，效果不错，而且动力要省得多。由于钢管桩已打入强风化岩层中，故钻孔护壁不需使用泥浆而直接用清海水，这既可降低施工成本又省事得多。对于IHI—L3B型和WIRTH—B6型钻机需配用15m3/min空压机和150mm水泵，对国产钻机配备SPS—150两用水泵1台和100mm潜水泵2台。在xx年xx月中旬我们又采用一般立轴式钻机加以改装进行嵌岩斜桩钻孔试验，配用80mm泥浆泵正循环清渣，采用国产菠萝球齿滚刀式钻头，钻架是用钢管自制的三角塔架，该机因重量轻，且非座顶式，而是放在施工平台上，前后可滑动行程720mm，对施工平台要求不高，因其扭矩较小，钻杆直径也较小，容易发生断裂事故，但成孔钻进效率在中微风化岩层也有0.1m/h左右，效果尚可，此不失为解决斜桩嵌岩钻孔的另一途径，此种钻机也可用于嵌岩锚杆施工。
　　对于嵌岩钻孔施工，必须采用特种钻头，才能取得预期的效果，对于中、微风化岩层，只有用牙轮滚刀式或菠萝球齿滚刀式钻头才能适应，同时必须施加合适的钻压，才能有较高的钻进效率，钻压的施加有依靠本身的油缸加压，也有用配重加压者。所使用的滚刀式钻头有进口的、有国产的，工程实践中证明，两者在钻进效率及寿命上相近，但国产钻头要便宜得多。在钻进效率方面，对于强风化岩层和中风化岩层，一般是0.5～1.0m/h,在裂隙较发育且有破碎的地层最高曾达到5m/h，而对于微风化及新鲜岩层，一般为0.2～0.4m/h，在个别特别硬质的岩层中也有0.1～0.2m/h左右。
　　对于斜桩嵌岩钻孔，钻头及钻杆必须附加稳定器，才能保证钻孔的斜度，否则钻出来的孔会产生弯曲并很容易卡钻。
　　嵌岩钻孔钻机性能如表1所示。
表1　嵌岩桩钻机性能表

型号
钻孔直
径m
钻孔深
m
钻头转速
r*min-1
扭矩
kN*m
主机动
力kW
钻岩效率
m*h-1
主机重
t
产地
配空压机
配水泵
备　注
IHI—L3B
2.0
40
35
30
140
0.2～0.4
14
日本
15m*h-1
0.8MPa
150mm泵
2台
斜、直
桩均可
WIRTH—B6
2.0
50
0～100
95
140
0.2～0.5
21
德国
15m*h-1
0.8MPa
150mm泵
2台

国产钻机
1.5
50
30～35
18
37
0.15～0.4
9
中国

SPS—150一台
100mm潜水泵二台
只钻直桩
国产钻机
1.0
40
18～218
13.5
30
0.05～0.2
3.5
中国

80mm泥浆泵1台
钻斜桩

3　施工技术
　　海上嵌岩灌注斜桩从xx年5月中旬开工至xx年5月上旬完成，历时一年，曾遇到许多预想不到的难题，在各方协同努力下，进行技术攻关与研究，每一项技术难题的攻克解决，都积累了宝贵的经验，当然也有不少教训。在此愿与读者共同探讨。
3.1　海上施工平台
　　本工程嵌岩桩及嵌岩锚杆的海上施工平台，具有易装易拆，可循环使用的特点。平台是利用已打好的钢管直桩作为支承基础，支承牛腿设计成两个半圆用螺栓连接成全圆，套搁在钢管桩的顶部，可分可合，装拆方便。主梁由两根槽钢背向组合而成，搁置在两边牛腿上。平台板即为组合式平台板，由槽钢组成，平台板上铺木板并码固。对于嵌岩直桩如采用冲孔法施工，因冲孔机荷载大，振动剧烈，如遇挂锤、卡锤或打空锤时，过载很大，为保平台安全，采用了在主梁两边加焊斜撑的方式解决。这种海上施工平台可反复循环使用，装拆十分简捷方便，达到以较少的材料耗费就可满足3个泊位950m长海上桩基施工的需要，值得借鉴与推广。
　　由于斜桩钻孔时，IHI—L3B钻机和WIRTH—B6钻机是座顶式座套在斜桩顶上的，桩的自由长度一般较长，钻机因自重已在桩顶上存在一水平分力，在钻孔时，钻机又产生较大的振动作用，为了保证安全和不使桩产生倾倒与变位，必须对斜桩进行拉桩和夹桩，并且钻机在桩顶上就位后，还应以拉索(本工程用两个手动葫芦)呈八字型向后拉紧定位。
　　海上施工平台和斜桩拉桩夹桩如图1所示

图1　海上施工平台和斜桩拉桩夹桩图　单位：mm
3.2　嵌岩桩内加嵌岩锚杆的半逆作施工法
　　本工程有部分是嵌岩桩内加嵌岩锚杆的桩，而且直桩、斜桩均有，这在国内尚属首例，其施工难度远远超过单纯的嵌岩桩和单纯的嵌岩锚杆。按设计要求，此类桩需先嵌入中微风化岩层下3m，后再加嵌岩锚杆入微风化或新鲜岩4.5m。其结构如图2。

单位：mm
图2　嵌岩桩内加嵌岩锚杆
　　此类桩如按顺法施工，即先钻嵌岩桩孔入中微风化岩层3m后终孔并清孔→次钻锚杆孔再入岩4.5m→锚杆孔清孔→下锚杆→灌锚固浆→取出锚杆钻孔的导管→一定龄期(通常7d)后进行锚杆上拔试验，试验上拔力3 930kN→拆除上部锚杆→再清桩孔→下钢筋笼→浇注混凝土至桩顶。但这种顺法施工法实际上行不通，问题出在上拔试验。工程技术条件书规定，每根锚杆必须进行上拔力试验，这时由于桩内已掏空，上拔试验时在3 930kN压力下必然会将钢管桩压沉而导致塌孔报废。
　　为此，经群策群力、攻关研究，采用了半逆作施工法，解决了这一难题。方法如下：首先钻桩孔至要求入中微风化岩层3m后终孔→清孔→钻机移开→下钢筋笼并高出桩顶约1.4m，钢筋头不弯曲→再清孔→水下浇注第一期混凝土至钢管桩尖以上1.5～2.0m→清除混凝土面浮渣至露出粗骨料→锚孔钻机就位→安放锚杆钻孔导管→锚杆孔钻孔、钻穿桩底混凝土层再钻进至微风化岩层4.5m后终孔→清孔→下锚杆→灌锚固浆→取出钻孔导管→待7天后进行锚杆上拔试验→抽干桩孔内水→取出上部锚杆→浇注第二期混凝土直至桩顶。
　　采用半逆作施工法满足了各方的要求，使施工顺利进行。
3.3　水下混凝土面浮渣的处理新方法
　　对于嵌岩桩内加嵌岩锚杆这类型桩，如上述采用半逆作施工法，也曾碰到棘手的问题，即第一、二期混凝土结合面的处理问题。按我国《港口工程技术规范》(1987)规定，两次混凝土结合面必须进行处理，必须露出粗骨料，如果桩内第一期混凝土面浮浆较厚或混凝土离析较严重时，那是绝对不能接受而伤脑筋的事。处理好两次混凝土结合面成了实施半逆作施工法的关键，而除了半逆作施工法以外，没有更好的方法可解决嵌岩桩内加嵌岩锚杆这类桩的施工。第一根桩，我们采用抽干孔内水，人工下去凿除浮浆。孔下约20m作业条件极端恶劣，劳动强度大，绑扎钢筋笼的铁丝将人扎划得皮伤肉损，既不好干，更不安全，后来采用了科学方法，用压缩气破土射流清渣法，在水下浇注第一期混凝土后3～4小时内，即混凝土初凝后，进行水下射流清渣，如果在浇混凝土后2～3小时进行，即可不用专门喷射破土而直接用气射流方法清渣，效果也不错，直到喷射出来的渣浆带有较多的碎石骨料为止，既快又好，效果令各方满意。解决了两次混凝土结合面处理的关键难题使施工得以顺利进行。
3.4　钻头国产化及钻头稳定器
　　本工程嵌岩斜桩钻孔施工主要由国外建筑商分包，后来有少部分由国内工程单位分包、嵌岩直桩由国内承包。国外分包商使用外国钻机和钻头，这是可理解的，但钻头是一种正常的消耗品，从我们自己发展的眼光来看，钻头必须立足国内。国内也有合适的嵌岩滚刀钻头，其性能与寿命同进口钻头相近，而价格又低廉得多，后来我们用国产钻机配国产嵌岩滚刀钻头进行嵌岩桩钻孔的试验，并组织攻关和解决具体的技术难题，选用菠萝型球齿滚刀式钻头，效果相当不错。
　　对于嵌岩斜桩钻孔，钻头稳定器起着导向和纠偏的作用，是必不可少的，但我们发现国外分包商的钻头稳定器其结构不尽合理，很容易产生卡钻事故。它的不合理之处在于导向筒上下为一个等直径的圆筒体，每节长4.5m，一般用2节，有时用1节，且又不与钻杆同步旋转，很容易被钻出的碎石卡住，曾经发生过多次卡钻事故，后来，我们建议他们加以改进，卡钻现象就基本消除。而在国产钻机中的钻头稳定器，我们设计了在导向圆筒体两端加上非连续的导正块，采用分块式的钻头稳定器，卡钻情况就没有了。
3.5　斜桩水下浇注混凝土导管导向定位器
　　嵌岩灌注斜桩浇注水下混凝土时，不同于直桩，浇注混凝土导管因自重作用而会偏向下方，如没有导向定位器，浇注导管不能下放到桩底，而且导管必然会卡钢筋笼，为解决这一难题，特别设计了导管锥鼓形导向定位器，使用情况十分理想。以后在嵌岩斜桩内的嵌岩锚杆施工中，锚杆孔钻孔导管也采用这种导向定位器的方法，顺利地进行施工。
4　施工事故和质量事故的处理和对策
　　通过施工实践的摸索、教训、技术攻关，我们获得了对于施工事故和质量事故的处理和对策的经验，主要介绍如下：
4.1　卡钻处理
　　由于日本IHI—L3B钻机的上拔力偏小，只有200kN，加上原有的钻头稳定器结构不尽合理，在施工钻孔过程中，曾发生多次卡钻事故，钻头提拔不上来，尤其是钻第一根斜桩时就发生卡钻事故，为此攻关研究小组经过精心研究，采用锚杆上拔试验用的穿心式千斤顶(5 000kN)，专门设计了提钻拔杆，将被卡在桩孔内的钻具拉拔出来，很顺利地解决了这一难题。
4.2　卡锤处理
　　对于嵌岩直桩，如使用冲锤法冲孔，由于钢管桩卷边或桩斜或其他原因而造成卡锤事故。我们采用了将钢管桩拔起一定高度使冲锤与钢管桩底卷边部脱空的办法，然后再将冲锤吊出。拔升钢管桩(或护筒)，使用了(1)振动锤拔升法和(2)千斤顶拔升法，行之有效。
　　振动锤必须要有足够的振动力，能够将钢管桩振松，用吊机将振动锤吊住，振动锤和钢管桩连牢或夹紧，开动振动锤，吊机(船吊)慢慢往上提拔，钢管桩便被拔升起来，吊机(船吊)必须有足够的起重能力。
　　千斤顶拔升法，需要专门设计起拔支承梁和拉杆、顶梁等，用千斤顶一节节地往上拔起钢管桩，对于钢管桩打入岩土层较深者，此法较为有效。
4.3　漏孔处理
　　如果钢管桩(或护筒)底部遇孤石、探头石、或流砂层等，容易出现漏孔事故，使钻孔无法继续进行。我们采取振动锤将钢管桩再振下去的办法，使钢管桩下沉将漏孔封堵住。有时也往桩孔内倒灌一些混凝土将漏孔堵住的办法处理之。
4.4　塌孔处理
　　漏孔的处理对策，也适用于塌孔处理。此外，应预防塌孔事故，其对策是：对于以泥浆护壁钻孔(或冲孔)者，可以在易发生塌孔的地层及时加大泥浆的浓度并保持桩孔内的足够水头高度，有时往桩孔内倒入一些水泥，亦可有效。至于泥浆的浓度也不宜太浓，一般控制在1.25～1.45左右，如太浓又容易发生糊钻事故。对于嵌岩直桩如是用冲锤成孔者，在塌孔易发生段，应控制冲锤的冲程，不宜冲程过大。对于以射流反循环钻孔法施工时，钻杆应密封良好，这些都可以有效防止塌孔。
4.5　桩斜的处理
　　对于嵌岩直桩，如钢管桩(或护筒)在打桩时垂直度偏差太大，必须先进行调正后再进行成孔，如歪斜超出允许范围，不宜采用冲锤冲孔法成孔，否则容易卡锤。这时可以改用钻孔法成孔，但是在调整钻机时，必须使钻杆与桩孔中心线同心，可以将钻机底架垫高一端，使钻机底架平面垂直于桩孔中心线，这种处理对策是允许的也是非常有效的。
4.6　钢管桩卷边的处理及对策
　　对打入式钢管桩，在基岩面较深，强风化岩层较厚时，通过锤击，控制终锤时的贯入度即可使桩承载力满足设计要求并达到最浅桩尖标高要求。在基岩面明显较高，强风化岩层较薄，只依靠锤击，钢管桩的承载力不能满足设计要求，或者桩尖标高达不到设计要求的最浅桩尖标高，则这类桩预先就规定要嵌岩，此时打桩停锤的贯入度控制要尽量大一些，以尽量避免卷边。但是在地质过渡段即基岩面从较深到明显较高的过渡段，设计的指导思想是桩尽量往下打，实在打不下时，根据钢管桩桩尖的标高再决定是否要指令改为嵌岩，这种桩往往会发生卷边。再者，即使基岩面稍深，强风化层较厚，但由于风化程度的差异或遇有孤石、探头石、夹层等，这时钢管桩也往往容易卷边，因此钢管桩的卷边事故几乎是不可避免的，钢管桩卷边是钻孔施工中最为棘手和致命的难题，应特别注意，只能采取预防和处理相结合的手段，尤其是处理对策必不可少。
　　(1)预防卷边
　　a.控制沉桩贯入度
　　主要是指设计已事先明确要嵌岩的桩，初时打桩，设计单位也一定要按非嵌岩桩的停锤贯入度标准，即最后10击平均贯入度2～3mm控制，多有出现卷边情况，后来经我们力争，并用事实说服设计单位和顾问单位，才同意贯入度放宽为4～5mm，但在实际执行时，我们又减少了锤击能量，实践证明，卷边情况大大减少。对于钢管桩壁厚度较薄的桩，更应注意放宽打桩停锤的贯入度。
　　b.对钢管桩桩尖进行加强处理
　　我们详细分析了地质资料和先期已打桩的沉桩记录，指出了原设计图中非嵌岩但实际有可能需要改为嵌岩的桩，以及设计已明确为嵌岩的桩，为预防卷边，我们采取了对钢管桩桩尖进行加强处理的对策，具体如图3所示。钢管桩壁厚18mm，材质为16Mn钢，相近于合同条件书所要求的BS标准50C钢，在钢管桩的下裙部再加焊一层厚18mm的裙板。卷边情况得到进一步改善和减少，但仍未完全消除。这主要是由于我们开始打桩时，贯入度控制过小所导致，这时若发生卷边处理起来更难。

图3　钢管桩桩尖加强图　单位：mm
　　(2)卷边处理对策
　　虽然对卷边事故进行了预防措施，但工程实际中仍不可避免地出现卷边事故，且出现的概率还不算小。由于我们在打桩时都有打桩记录，每根桩的桩尖标高都已知道，在成孔时，不论是机钻法或冲孔法，凡到桩尖标高处，施钻或施锤都出现异常现象，如钻机冲击与振动特别剧烈，蹦锤、挂锤、跳动等，证明存在卷边。此时派潜水员入桩孔下探摸，尽量弄清卷边状态及程度。一般卷边状态主要有两种，即①平卷卷边；②翻卷卷边，如图4。在存在卷边时，尤其对于嵌岩斜桩者，可用以下对策处理之。
　　a.直接钻进法
　　对于卷边不甚严重者，如是属于平卷卷边类型者，可采用直接钻进法，依靠菠萝形球齿滚刀钻头或牙轮滚齿钻头慢慢将卷边切削磨掉，这时钻机一般都会引致剧烈振动与冲击，故需控制钻压(降压)及减慢钻速。操钻者必须特别留心，不可大意及分心，当然这种方法对钻头的磨耗特别快，稍不慎会打坏钻头，但此法却是行之有效的。当卷边程度e＜10cm者，一般只需几小时至1天可以钻削掉，当卷边e＞10cm者，一般2～3天可钻削掉。

①平卷卷边　　　　　　②翻卷卷边
图4　钢管桩卷边状态
　　b.水下切割法
　　对平卷卷边e＞25cm者及翻卷卷边状态者，不能用直接钻进法。可以派潜水员直接下到桩孔底，用水下切割方法将卷边切除。如果钢管桩孔内不漏水，可以抽干水，下孔底直接切割更省事。但应做好准备工作和安全措施，桩口上有人配合与监视。
　　c.冲锤法
　　冲锤法仅适用于直桩，而且对翻卷卷边状态较为有利。可在桩孔内抛入石块，多次反复冲击，冲锤冲程不宜大，一般2～3天，多则5～6天可以将卷边冲掉。捞出来的渣会有很多铁屑或小铁块，但此法要求操机手应有一定经验。
　　此外，在特殊情况下，我们还采取了下截桩径缩小法和以嵌岩锚杆代替嵌岩桩法等，但这是在特殊条件下的极个别处理措施，不能作为一般处理对策经验，此处不另作介绍。