砂层地质进行水中钻孔桩施工的质量控制.doc

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浅谈厚砂层复杂地质条件下水中钻孔桩施工

摘　要：结合江苏新沂毛林特大桥在较厚砂层地质情况下进行水中钻孔灌注桩的施工探讨在厚砂层复杂地质条件下水中桩的施工工艺及质量控制方法，特别介绍了利用自制振动筛振动除砂的方法。
关键词：砂层　振动筛　钻孔桩 施工
1、案例工程基本概况
案例工程为位于江苏省新沂市骆马湖区域，是与正在实施的连徐高速公路联络线相接的一座特大桥。该桥全长1482.2米，桥宽10米，桥中心桩号为K17+191，桥跨布置为2×（6×30）+（42+70+42）+4×（5×30）+2×（6×30）m，引桥上部结构为部分装配式预制预应力砼连续箱梁，主桥上部为变截面预应—力连续箱梁，全桥共有138根钻孔桩，主桥20根，引桥106根，主桥防撞桩12根，其中1.5m桩径水中桩共有80根，最短桩长34m，最长62m。
该桥址地质构造以素填土、粉砂、粉质粘土、粘土、中砂为主，局部伴随粗砂，中、粉砂岩层中赋存孔隙承压水，补给及排泄方式均为侧向径流。河床地面因过度采砂而破坏严重，原生层坍塌，河床稳定性较差。地质土层为第四系全新统（Q4）及更新统（Q1-Q3）。根据地层时代成因、岩性、物理力学性质，场区共分15个各种厚薄不同的砂层；
2、施工准备过程考虑重点和应对措施
根据设计图纸中地质勘探资料，并结合施工场地的具体情况和以往的施工经验，我们总结得出本桥桩基施工的难点主要是开钻前的泥浆调制及钻进过程中的泥浆护壁和清孔时含砂率的问题，针对这些问题，在工程开工前重点准备了以下的对应措施：
21、选用机械稳定性好的YKC-18或YKC-20钻机进行钻孔
2.2、护筒打设要高出常水位不少于1m，入河床深度不得少于4m
2.3、选用易溶解且造浆率高的优质粘土进行造浆
2.4、清孔时采用振动筛配合锥形过滤器进行联合除砂（见图2-1）
2.5、备用袋装水泥，以确保泥浆比重可以满足灌注前的要求
2.6、用试验钻桩来核对地质状况，进行首件工程总结作为全面开工的施工依据

图2-1 振动除砂器和锥形过滤器
3、施工情况和施工过程中的质量控制　　
项目部选择具有代表性的13#-1桩作为水中桩首件工程，于2009年12月23日进行了技术交底，12月26日开钻，12月28日夜间成孔，12月29日下钢筋笼、12月30日上午10：15~下午15:30完成灌注。
3.1、首件工程基本参数
13#-1桩设计桩径φ1.5m、设计桩顶高程（承台底）13.397m、设计桩底高程-48.603m、下护筒时水位22.688m，水深6.98m；灌注时水位22.552m，水深6.84m（汛期水位变化较大），设计桩长62m，设计孔深74.958 m，成孔后实测孔深75.100m。
3.2、施工情况
3.2.1、护筒埋设
实际测得13-1护筒埋设情况表
桩位
护筒长度
上口内径
下口内径
上口高程
下口高程
河床高程
入土深度
护筒底土层
13-1
15.02m
1.80/1.79m
1.79/1.78m
24.452m
9.432m
15.702m
6.27m
素填土
3.2.2、造浆
采用优质粘土及红土配合造浆，用铲车运送粘土至施工平台，挖掘机将粘土送至护筒内，共计填入7m3粘土。在护筒内造浆，采用40t泥浆船做循环沉淀池，造浆时，在临近护筒内备满泥浆，以备调用。
3.2.3、钻进
开钻前泥浆比重1.31 g/cm3，泥浆含砂率6.0%，泥浆稠度28s。2009年12月26日18：40开始进尺，进尺速度控制在1.0m/h左右，河床以下10m范围均为粘性素填土，夹有砾石和砂粒。在护筒底口上下各2m范围，进尺速度控制在70cm/h左右，钻进未对护筒底部素填土层形成扰动。泥浆采用单泵循环，循环路径：泥浆船→护筒（从出浆孔流出）→泥浆船（泥浆流入船舱前经除振动筛除砂）。在钻进过程中，项目部技术人员加强监控泥浆指标和进尺速度并做好施工记录，泥浆比重控制在1.30g/cm3以上，含砂率≦40%，由于含砂率较大，实测泥浆比重1.30-1.50 g/cm3，当含砂率超过40%时，暂停进尺，将含砂率降采用振动筛低到20%以下后继续钻进，至12月28日晚19：20成孔。
3.2.4、一次清孔
终孔孔深75.1m，泥浆比重1.38 g/cm3，含砂率20%。孔深报检合格后开始一次清孔，钻机施工人员采用振动筛除砂，至12月29日上午7：00，孔内泥浆指标为：含砂率6.0%，泥浆比重1.16g/cm3，粘度22s。此时泥浆含砂皆为细粉砂，振动筛网眼尺寸过大，已无除砂作用；10：00钻机施工人员更换细筛网进行除砂。下午15：15孔内泥浆指标为：含砂率5.0%，泥浆比重1.15g/cm3，粘度21s。此时振动筛除砂已无任何效果，且振动筛漏浆严重，项目部技术人员立即要求钻机施工人员安装锥形除砂器进行除砂。19：00锥形除砂器安装完毕，孔内泥浆指标为：含砂率3.0%，泥浆比重1.13g/cm3，粘度18s。
3.2.5、下钢筋笼
12月29日19：20开始提钻，21：00提钻完毕并开始下钢筋笼至次日凌晨4：40完成。下钢筋笼过程中注意了声测管的连接安装，在进行接长之前，在下面一节声测管中预先灌水，以减小内外压力差，避免或减轻声测管的局部渗水缺陷造成孔内泥浆大量渗入声测管内造成堵管。项目部技术人员对钢筋焊缝及声测管接头逐根检查，确保焊缝长度及声测管接头密封性100%合格。
3.2.6、二次清孔
下完钢筋笼立即下导管进行二次清孔，12月30日6：00下置导管完毕，并开始二次清孔，上午9：50灌注砼前泥浆含砂率降低到2%，泥浆比重1.10 g/cm3，泥浆粘度17s。
3.2.7、灌注水下砼
12月30日上午10：15至下午15：30完成13#-1桩灌注。灌注前，将导管下落到孔底，回提40cm，然后灌注首批砼，首盘砼封孔导管埋深2.6ｍ，灌注过程中每灌一车对砼的上升高度进行量测，以确定导管埋置深度，并与砼的实际灌入量进行校核，及时拆除导管，确保导管埋置深度控制在2~6ｍ。整桩灌注过程比较顺利，未出现明显异常情况，砼灌注到承台顶口标高。
4、施工技术成果总结
4.1、桩基施工前的准备
4.1.1、把桩基施工放在首要位置，完善桩基施工人员的配置，保持主要施工人员的稳定。
4.1.2、加强机械设备的检修和保养（特别是钻机、搅拌机），保证施工过程中机械设备的正常运行。
4.1.3、对钻机设备中的易损易耗零件，包括钻头合金、离合器、密封圈、传动轴、泵壳、叶轮、叶轮护板、轴成、电动振动机、大小筛网、分流管、阀门等零配件，桩基施工队必须储备齐全，以便机械出现故障时能够即使更换维修。
4.1.4、项目部技术人员加强与施工队伍的沟通交流，增强质量意识，及时发现问题，解决问题。
4.1.5、做好施工组织计划，加强现场管理，优化工序衔接。
4.2、桩基施工过程中的控制
4.2.1、护筒水头高度控制在1.0~1.5m。
4.2.2、保证护筒底口入土深度6m以上，并尽可能深入（打入到振动锤所能打入的最大深度），提高施工安全系数。
4.2.3、为加强护壁效果，提高泥浆性能指标，每个护筒适当填入粘土（填入高度4m左右为宜），调制的泥浆比重应控制在1.30g/cm3以上，砂率8%以下。调制好泥浆后方可进尺，进尺过程中必须采用低速慢档，进尺速度在砂层时控制在1.0cm/h左右，护筒底口上下2m范围控制在70cm/h左右。进尺过程中由于含砂率较大，实测泥浆(含砂)比重通常在1.35-1.50 g/cm3范围在进尺过程中，开动振动筛，可有效把泥浆中的粗砂清除。若进尺砂率过程中泥浆砂率≥40%时，暂停进尺，换用细筛网，降低砂率到20-30%，再恢复进尺。
4.2.4、一清泥浆比重控制在1.20g/cm3左右，含砂率≦3%，粘度18~20s。若泥浆比重和粘度较小，可向孔内加入适量水泥增大泥浆比重及粘度。提钻过程中，工人操作要小心谨慎，防止钻头戳碰孔壁，引起孔壁脱落或塌孔。提钻后孔内沉淀层厚度不大于70cm，若沉淀层较厚，必须重新下钻头清孔，为及时掌握沉淀厚度，可在提钻过程中测量孔深。
4.2.5、提钻后立即组织下钢筋笼，并尽量缩短下钢筋笼时间。要求钢筋班下钢筋笼时必须上足4名钢筋工、3台焊机，合理安排人员轮换，尽可能避免下钢筋笼过程中停顿或工序冲突情况出现；钢筋笼焊接必须顺直，且在吊放钢筋笼时，钢筋笼尽量居中下放，减少钢筋笼对孔壁的扰动。钢筋班必须保证声测管对接牢固顺直，无扭曲渗漏现象，每节钢筋笼下方完毕后必须向声测管内注入清水，防止泥浆堵塞声测管。
4.2.6、二清时，通过调整振动筛筛网已不能有效降低含砂率，施工中增加锥形除砂器除去泥浆中粉砂，效果明显，能够在3小时左右将含砂率降低到2%以下，大大减少二清时间。二清后泥浆比重减小，粘度降低，恐影响泥浆护壁效果，必要时掺入适量水泥增加泥浆比重及粘度，增强护壁效果，防止灌注过程中二次沉淀。泥浆比重为1.15 g/cm3左右，砂率≤2%泥浆粘度保持在17~20S，时适宜灌注混凝土。
4.2.7、灌注前，将导管下落到孔底，回提20~40cm，然后灌注首批砼。灌注过程中每灌一车对砼的上升高度进行准确量测，以确定导管埋置深度，并与砼的实际灌入量进行校核，及时拆除导管，确保导管埋置深度控制在2~6ｍ。在灌注水下砼期间，加强混凝土坍落度的控制，协调好施工现场的组织工作，确保灌注的顺利进行。
4.2.8、灌注混凝土时，尽量回收护筒内的泥浆，将其排入相邻护筒内，节约成本，提高效率。
4.2.8、成桩后，及时安排桩基检测，按成熟科学的施工方法指导后序施工，保证桩基质量。
5、结束语
本桥80根水中桩基已全部完成并检测完毕，只有13#--3一根桩判定为II类桩，其余的桩经超声波检测全部为I类桩。结合桩基主要施工工序，我们分析13＃-3灌注桩桩身缺陷的原因主要在于混凝土灌注环节。本桥主要地质构造层为砂层，灌注桩成孔后，二次清孔后泥浆指标按规范要求控制，当泥浆指标满足要求后，泥浆的附着力大大降低，在混凝土灌注过程中，泥浆中所携带的砂体会产生自然沉淀现象。混凝土在正常灌入的情况下，混凝土足以把沉淀砂体冲至桩顶，但是当水下混凝土灌注出现停顿后，沉淀层会越积越厚，可能有部分沉淀砂体被混凝土挤至孔壁处，最终导致桩身出现质量缺陷。在这样的沙层地质环境下施工只出现一根II类桩算是成功的，既锻炼了队伍又总结了宝贵的施工经验，取得了一定的经济利益和社会效益。但是教训和经验值得我们回味，在这种地质下进行钻孔灌注桩施工，钻机、粘土和清孔设备的选用是非常重要的，其次要加强施工过程控制，保证清孔质量、钢筋笼和导管的安装速度及砼的供应，不断总结经验，从而杜绝类似质量事件的发生。