厚层砂卵石地层桩基施工

第25卷 第4期

文章编号:1671-2579(2005) 04-0149-03

中 外 公 路

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厚层砂卵石地层桩基施工

陈继发

(湖南路桥建设集团公司, 湖南长沙 410004)

摘 要:桥梁基础施工过程中经常会遇到难成孔的砂卵石地层, 由于受冲洗液的冲刷和钻具回转振动及撞击等因素的影响, 易出现掉块、坍塌、跨孔等不良现象。该文详细介绍了衡大高速公路金堂湘江特大桥厚层砂卵石地层桩基采用回转钻进、冲击钻进及人工开挖3种不同施工方式的成孔成桩施工工艺。

关键词:厚层砂卵石; 回转; 冲击; 人工开挖; 施工工艺

平层理发育; %砂卵石:黄灰色, 松散~密实, 卵石粒径

1 工程概况及地质条件

1. 1 工程概况

金堂湘江大桥是衡(阳) 大(庸) 高速公路跨越湘江的一座特大型桥梁, 大桥总长1010m, 桥宽29. 0

m, 主桥为54+2 96+62+44m 预应力混凝土变截面悬浇连续梁及44+6 48m 预应力混凝土顶推连续梁, 引桥为16 20m 预应力混凝土简支空心板。共设计桩基132根, 其中 220cm 桩64根, 150cm 桩60根, 120cm 桩8根, 桩长23~35m 不等。1. 2 工程地质条件

桥址区域属大源渡枢纽水库尾部, 水位受库区蓄水及上游降水量双重影响, 水深2~12. 5m 不等。主桥1#~9#墩处于河床中, 10#~12#墩及引桥13#~28墩处于湘江西岸! 级阶地, 地形较平坦开阔。

据地质勘探资料, 主桥1#~7#墩所在河床处, 覆盖层较薄, 主要为砂卵石, 一般厚为0. 2~2. 0m, 局部甚至有岩石裸露。8#、9#墩处河床覆盖层较厚, 约3. 5~9. 0m, 主要为砂卵石, 呈松散~中密状, 局部夹漂石; 河床基岩均为钙质泥岩、砂岩。10#~28#墩所处西岸! 级阶地, 覆盖层主要为湘江! 级阶地冲积物, 厚度较大, 为15. 2~23. 4m, 区内地层自上而下为:∀种植土:灰褐色, 松软, 厚0~0. 6m; #亚粘土:黄色, 硬塑, 厚3. 0~6. 2m; ∃亚砂土:黄灰色, 软~可塑, 厚1. 8~4. 0m, 水

收稿日期:2005-04-13

作者简介:陈继发, 男, 大学本科, 工程师.

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一般为2~6c m, 泥砂含量高, 厚6. 8~14. 0m; &钙质泥岩:灰褐色, 硅化, 岩石完整坚硬。

2 桩基施工方案选择

(1) 江中1#~7#墩桩基施工方案

根据勘探资料, 墩位处覆盖层较薄, 约0. 2~2. 0m, 且河床地表较平坦, 拟定采用泵吸反循环回转钻机或冲击反循环钻机清水钻进成孔。

(2) 江中8#、9#墩桩基钻孔方案

8#、9#墩位覆盖层为冲积层砂卵石, 呈松散~中密状, 层中夹漂石, 最大层厚达9m, 水深3~5m, 由于漂石的影响, 拟定搭设钢管桩钻孔平台后, 采用YCJF -25型冲击钻钻进成孔。

(3) 西岸10~28墩桩基施工方案

西岸覆盖层厚度较大, 平均达20m, 以渗透性较强的亚砂层、砂卵石层为主。因此正式桩基施工前, 在离岸堤150m 处的12#~13#墩位置利用顶推平台辅助桩进行桩基试开挖。试开挖采用人工开挖, 现浇混凝土护壁; 根据开挖情况发现, 亚砂层流动性较大, 亚砂层及砂卵石层孔隙水较发达, 水量较大, 且涌水量达400t/d 。根据实际情况, 确定10~15墩桩基采用回转钻机钻进成孔, 远离河堤的16#~28#墩采用人工挖孔桩施工。具体施工方案见表1。

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150 中 外 公 路 25卷

表1 金堂湘江特大桥桩基施工方案

墩位1#~7#8#、9#10#~15#16#~28#

地层特性覆盖层为砂卵石,

水深5~12. 5m 覆盖层为砂卵石, 水深3~5m 覆盖层为亚砂层及砂卵石层覆盖层为亚砂层及砂卵石层

层厚/m 0. 2~2. 03. 5~915. 2~23. 415. 2~23. 4

桩长/m 23~3326~2827~3523~26

成孔护壁方法泵吸反循环回转钻进,

无护壁

冲击钻进、泥浆护壁泵吸反循环回转钻进, 泥浆护壁人工挖孔、现浇混凝土护壁

存在不良因素护筒底易穿透易掉块、坍塌易缩径、坍塌易坍塌

混凝土灌注方法

导管法导管法导管法导管法

析发现, 主要是由于孔位处砂卵石呈松散状, 孔隙较

3 厚层砂卵石地层成孔施工

3. 1 冲击钻进成孔

3. 1. 1 施工准备及成孔设备

用 80cm 钢管桩及型钢搭设整体钻孔平台, 平台

顶面标高高出常水位1. 5~2. 0m 。钢护筒由6mm 厚钢板卷制而成, 内径2. 6m, 内侧每1. 5m 加10mm 加劲法兰盘加强, 刃脚用10mm 钢板加强。钢护筒在岸上车间制作后, 整体浮运至桩位, 采用90t 振动锤振入砂卵石层并固定。钻孔设备采用YCJF-25型10t 双筒卷扬机冲击钻机, 佩带副刃的十字型冲击钻头, 冲击锤重达5. 5t, 3PNL 型泥浆泵, 泵量800~1000L/m in 。3. 1. 2 钻进方法

钢护筒定位好后, 将粘性较好的粘土投入护筒内, 加清水后用冲击锤冲击造浆, 同时在冲击中钻进进尺。冲击过程中, 根据实际需要, 向孔内添加膨润土、优质粘土和水, 保持孔内水头及泥浆性能指标; 边冲击钻进边造浆护壁。在开钻、冲击锤通过护筒刃脚部位时, 采用低冲程(冲程2~3m) 慢速钻进, 待冲击锤全部进入护筒刃脚以下时, 采用冲程4~6m, 冲击频率15次/m in 的速度钻进。

3. 1. 3 护壁防塌措施

冲击造浆过程中, 对于砂卵石地层, 通过泥浆对孔壁的静水压力和泥浆在孔壁形成的泥皮, 起到护壁防塌的作用。为此在冲击钻进过程中选用造浆能力不低于2. 5L/kg 的优质粘土制浆, 控制泥浆相对密度为1. 3~1. 5, 严格控制泥浆性能, 胶体率不低于95%, 含砂率不高于4%。

9墩2桩施工过程中, 在钻进至地面以下4m, 即冲击锤穿过护筒刃脚1m 时, 发生了穿孔现象, 孔内, #

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大, 固相颗粒在静水压力下渗透至地层中, 未形成足够支撑孔壁的泥皮, 同时由于冲击成孔过程中, 冲击时孔壁产生的振动造成。为此采用循环向孔内倒入片石、优质粘土、适量水泥, 然后冲击锤低锤勤击, 通过冲击对钻孔产生的横向挤压力, 将片石及低固相泥浆挤压至孔壁, 对砂卵石地层孔壁起到压实的作用, 降低孔壁内的坍塌, 确保孔内水头的稳定, 取得了很好的效果。3. 1. 4 出渣方法

冲击钻进过程中, 孔内泥浆没有循环过程, 钻渣不能经过泥浆的循环排出孔外, 而沉于孔底, 孔底沉渣过厚, 将影响钻进, 因此每进尺30~50cm, 采用3PNL 型泥浆泵正循环冲渣捞渣法施工。具体为:提上冲击锤, 将泥浆泵出浆管的一端捆系于冲击锤上, 再下至孔底, 管口离孔底10~20cm, 然后全泵量向孔底压入优质泥浆, 将孔底沉渣冲起, 钻渣通过泥浆的循环过程悬浮流出孔外, 沉淀于泥浆池。3. 1. 5 质量评述

冲击钻进施工, 针对砂卵石层厚度大、松散、稳定性差、渗透性强的特点, 采取向孔内投入粘土和添加适量水泥来提高泥浆粘度和密度, 确保孔壁稳定, 采用正反循环泥浆的排渣方式, 有利于孔壁稳定。3. 2 泵吸反循环回转钻进、泥浆护壁成孔

西岸10#~15#墩共24根 150cm 、 220cm 桩采用此种成孔方法施工。3. 2. 1 地层概况

区域内覆盖层较厚, 达23. 4m , 主要为亚砂层及卵石层, 砂层、卵石层均较松散, 在试挖桩过程中发现有掉块、局部坍塌现象, 且3~5m 层厚的细砂层有涌砂现象。桩孔穿过砂层、卵石层均易坍塌。3. 2. 2 成孔设备及钻进方法

成孔设备采用T S-20型工程钻机、6BS 砂浆泵,

4期 厚层砂卵石地层桩基施工 151 壁。

钻进时选用配制好的优质低固相化学泥浆, 控制泥浆相对密度在1. 1~1. 2, 含砂率不大于4%。钻头穿过亚砂层及砂卵石层时, 钻具转速控制在10~15r/min, 钻压控制在1700~2600kg/钻头, 反循环出渣泵量180m 3/h 。钻进穿过砂卵石层进入岩层后, 提上钻头, 换用牙轮钻头, 钻进至桩底成孔。3. 2. 3 护壁防塌措施

由于是在易掉块、易坍塌的砂土层、砂卵石层中钻进, 确保泥浆质量特别重要。因孔径较大, 钻进过程中泥浆含砂率增加导致泥浆性能质量下降较快。因此边钻进、边往孔内输送优质泥浆, 用以更换全部或部分废泥浆, 以保护孔壁稳固。低固相优质泥浆的主要成分为膨润土、优质粘土、聚丙烯酰胺、纤维素、火碱等, 在钻进过程中, 及时通过砂石泵的泥浆反循环将孔底钻渣及砂粒排出孔外。3. 2. 4 清孔

在回转钻进过程中, 通过泥浆的不断循环, 可将大部分钻渣排出孔外, 为确保桩基成孔质量, 必须进行二次清孔。清孔方法采用泵吸反循环换浆法:利用灌注水下混凝土的导管为吸管, 导管直径 30cm , 6BS 型砂石泵为吸泵, 清孔时导管离孔底10~20cm, 并在不同平面位置反复抽吸, 使孔底沉渣随泥浆循环排出孔外, 沉淀于泥浆池。实际效果:采用6BS 型砂浆泵进行反循环清孔, 泥浆上返速度快, 可以排出粗大颗粒的沉渣, 具有孔壁稳定性强(不破坏孔壁的稳定性) 、排渣效果好的优点。清孔后, 泥浆的相对密度为1. 03~1. 1, 粘度17~20s, 含砂率

泵吸反循环回转钻进施工, 虽然遇到了厚层易掉块、易坍塌、稳定性差的砂卵石地层, 但在钻进过程中, 桩孔上部采用钢护筒(约2m) 护壁, 在桩孔中下部使用优质泥浆护壁, 并严格控制钻压、钻速。所钻桩基成孔顺利, 质量完全符合设计要求。

3. 3 人工挖孔施工(引桥16#~28#墩施工)

根据在13#墩位处试挖桩的情况显示, 覆盖层以

亚砂土及砂卵石层为主, 亚砂层受扰动或受水流作用后流动性较大, 砂卵石层孔隙较大, 渗水性能较强, 涌水量较大。因此决定16~28墩桩基采用现浇混凝土护壁, 井点集中降水的人工开挖施工。

在粘土层, 桩孔分段开挖, 分段浇注护壁混凝土, 护壁结构形式为斜阶梯形, 阶高1m, 采用素混凝土护壁。桩孔开挖至砂卵石层后, 因涌水量较大, 采用井点降水及成片集中施工相结合的方式, 降低施工难度。先施工16#墩1#桩、22#墩4#桩、27#墩2#桩共三根桩作为降水井点, 其余桩基均成片多孔同时施工, 有效降低水位。在砂卵石层采用钢筋加竹板的方式加固孔壁, 首先沿孔壁四周打入 10mm 钢筋, 间距100mm 左右, 打入钢筋时, 钢筋略向外倾斜, 并大于护壁弧形模板的倾角, 以便于护壁。每施工300~500m m 后护壁一次, 拔出钢筋。为防止四周砂卵石被掏空, 施工时引起护壁下沉, 在护壁混凝土内配置少量钢筋。护壁前, 先将纵筋打入砂层5~10cm , 便于与下节护壁搭接, 两节护壁间纵筋通过弯钩相连。护壁后, 立即停止抽水, 以免渗水洗刷护壁, 带走水泥浆, 进而毁坏护壁。在混凝土中加入CaO 早强剂, 待混凝土达到一定强度后, 抽水继续掘进。

最后一节护壁混凝土进入强风化砂岩20cm, 并在护壁模板四周预留8根50m m 钢筒排水, 避免形成较高水压, 破坏护壁。进入岩层后采用风镐掘进, 孔内集水井集中排水。

质量评述:在涌水量不是特别大的砂卵石地层中, 采用人工挖孔施工桩基, 采用井点集中降水, 早强混凝土护壁等措施, 桩基施工进度快, 直观性强, 桩底沉渣能清除干净, 桩基成孔质量均能得到保证。

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4 结语

在衡阳金堂湘江特大桥厚层砂卵石地层桩基施工中, 由于根据地质特性分别采用泵吸反循环回转钻进, 冲击钻进、人工开挖三种施工工艺, 桩基工程取得了成功, 在短短的4个月内完成了所有132根桩基的施工, 成桩后经超声波检测后均被评为! 类桩, 质量优良。