国内在陆域的抛石层地质条件下施工钻孔灌注桩的情况较常见, 对于钢护筒沉设一般采用冲锤或掏挖后振设跟进的方法施工, 采用此种方法施工钢护筒制作长度受限于钻头与原地面间的距离, 一般为1～2m, 且护筒沉设精度较低。而对于在设计中有接长次数限制的桩基永久性钢护筒, 常规施工工艺则无法满足施工需求。同时, 通过收集类似工程资料发现, 在抛石层中分布加固桩地质条件下施工钻孔灌注桩的情况极为罕见, 工艺流程及施工工效均无可借鉴实例。

在抛石层及加固桩的复杂地质条件下施工大直径钻孔灌注桩有以下难点需解决:①如何在保证高精度的前提下顺利突破抛石层及加固桩完成陆地永久性钢护筒施工;②如何规避加固桩导致卡钻、钻孔倾斜的风险。

本文以温州瓯江北口大桥BKTJ-02标北塔桩基为依托, 在常规陆地钻孔桩施工工艺的基础上进行优化。采用双护筒体系成孔工艺、深度抛石及加固区提前处理、自行研究制作的多点联控导向架控制钢护筒精度、采用加固桩影响作用下的一次成孔工艺等, 明确此种地质条件下陆地大直径钻孔桩工艺流程, 并切实保证桩基成孔质量。这是国内少有的在陆域抛石层及加固区大直径钻孔灌注桩成功实施的案例, 进一步完善我国钻孔灌注桩在特殊地质环境下的施工工艺, 对类似工程具有较好的借鉴意义。

温州瓯江北口大桥BKTJ-02标北塔采用钻孔灌注桩基础, 桩径由3.2m变至3.0m, 设计有39.5m长永久性钢护筒, 为嵌岩桩, 共计30根。北塔桩基施工所面临的地质条件极其复杂 (见图1) , 上层为20cm厚混凝土板及网格状混凝土框格梁, 框格梁横纵向交点处下部为桩径0.8m混凝土加固桩, 桩间距3.5m×4.5m, 桩长30～50m (见图2) 。加固桩间回填厚度为8～14m抛石层, 抛石层下部为6～33m厚淤泥层, 淤泥层下部基岩为凝灰岩, 岩面坡度为10°～20°。

本施工工艺所涉及的加固桩处理、抛石层处理及最终成孔均采用冲击钻施工。根据不同工序的要求及地质情况需选择不同种类的冲击钻钻头, 以提高各工序的施工质量及施工工效。具体冲击钻锤头参数如表1所示。

破除桩位中心4m×4m范围内20cm混凝土面板及加固桩顶框格梁, 在框格梁横纵向交点处确定加固桩位置, 并做好标记。

永久钢护筒设计直径为3.2m, 设计长度为39.5m。根据钢护筒直径与混凝土加固桩间距, 可确定钢护筒与加固桩存在3种位置关系:①加固桩位于钢护筒内部;②加固桩位于钢护筒边缘下方;③加固桩位于钢护筒外部, 如图3所示。

当加固桩位于永久钢护筒边缘下方时, 钢护筒后续无法下放, 需对该位置加固桩进行冲除处理。为提高施工工效、节约施工成本, 不影响钢护筒下放的加固桩不进行处理。

加固桩直径为0.8m, 采用钻头直径1.2m小型冲击钻进行冲除处理, 选用3t加重钻头, 以提高加固桩处理效率及质量, 处理成功标准为:①加固桩底标高高于钢护筒底标高 加固桩最小长度大于抛石层厚度, 因此加固桩下部为淤泥层, 当渣样无明显混凝土碎渣且冲击钻钻头提起存在黏滞感时, 说明钻头已进入淤泥层, 加固桩处理完毕;②加固桩底标高低于钢护筒底标高 当钻孔孔底标高低于钢护筒底标高, 此时加固桩将不再影响钢护筒下放, 说明钢护筒下放区域加固桩处理完毕, 综合考虑施工工期与成本, 以孔底标高低于护筒底标高1m为处理完毕标准, 如图4所示。

钢护筒边缘下方加固桩处理完成后, 在4m×4m基坑内进行掏挖处理, 掏挖深度为3m, 并对桩位再次进行精确放样, 埋设措施护筒, 护筒长3m、直径为3.5m, 其中心与桩位中心重合。在措施护筒周围 (4m×4m基坑) 浇筑混凝土固定, 同时在原地面浇筑25cm厚C30混凝土硬化, 使钢护筒与原地面形成整体, 如图5所示。

措施钢护筒主要作用为:①孔口防护;②桩位保护;③永久护筒导向。

临时钢护筒埋设完成后, 采用大直径冲击钻对抛石层及护筒内部的加固桩 (如果有) 整体进行处理, 冲击钻锤头直径为3.2m, 为提高抛石层处理效率及质量, 确保钻孔垂直度, 对钻头进行加重改制, 质量为23t, 施工工艺与常规冲击钻成孔工艺相同。当钻孔渣样无明显碎石、钻头冲击时有缓冲、提起有黏滞性时, 说明冲击钻已进入下覆黏土层, 抛石层处理完毕。

常规陆地钢护筒导向架一般起到固定导轨导向作用, 当钢护筒入土深度较浅时可能出现因导向架失稳或自身刚度不够而导致钢护筒倾斜, 出现此种情况需提出钢护筒重新对导向架进行纠偏并加固, 造成一定的成本和工效损失。

本文所介绍的多点联控导向架思路主要是通过将常规导向架固定滚轴导向替换成千斤顶滚轴导向实现钢护筒倾斜度控制。一旦发现钢护筒倾斜, 只需对导向架稳定性进行检查, 即使导向架整体发生倾斜也可在直接对导向架进行加固后, 通过千斤顶直接调整钢护筒姿态, 而无须将钢护筒提出再重新下放, 节省施工成本及提高工效。

钢护筒多点联控导向架为空间正方体结构, 整体尺寸约为4m×4m×4m, 分为上、下2个工作面, 每个工作面在中轴线上分别设置4台千斤顶限位滑移装置。

导向架采用4点整体起吊安装, 根据措施钢护筒及斜撑支点预埋件的位置, 提前在地面放出导向架四角相对位置, 然后对导向架平面位置及角度进行精确调整。导向架下落后, 采用槽钢与措施钢护筒进行连接固定, 同时安装四角斜撑。为方便拆卸, 斜撑与导向架及支点预埋件间采用销接固定。

钢护筒下放采用2套体系对精度进行控制:第1套即临时护筒导向体系, 在临时护筒内设置导轨, 以临时护筒自身的稳定性对钢护筒进行“硬”导向;第2套是项目自主设计的多点联控钢护筒导向架体系, 分为上、下2个工作面, 每个工作面在中轴线上分别设置4台千斤顶导向滑移装置, 可随时对钢护筒平面姿态进行精确调整。以此形成钢护筒的“软”导向。同时, 严格控制液压振动锤沉放时的转速与油压, 避免钢护筒沉放速度过快导致底口遇到阻碍时产生偏心与变形。

在2套定位体系的双重控制下, 结合测量监控及人工测量检查, 永久钢护筒下放精度得到有效保证。

1) 抛石层处理完成后, 永久钢护筒内仍可能存在加固桩, 此时桩基采用冲击钻一次成孔工艺, 不再单独对加固桩进行处理, 提高施工工效。

2) 永久钢护筒施工完毕后, 余下钻孔地质为淤泥黏土层, 冲击钻采用常规直径3.0m钻头, 钻头质量约为17t, 以提高成孔效率。

3) 淤泥地质中的加固桩相较于淤泥刚度大, 则可能导致锤头被加固桩“顶住”而偏向更软弱的淤泥地质层, 导致钻孔倾斜。因此, 如果成孔过程中发现孔内有加固桩存在, 则抛填20～50cm粒径块石, 抛填厚度约为1m, 进行小冲程钻进施工 (冲程30～50cm) , 以保证钻孔倾斜度满足规范及设计要求。

“深度抛石及加固区大直径钻孔桩成孔工艺”的成功实施, 明确了在陆域深度抛石及加固区大直径桩基的施工工序, 并很好地保证此工况下桩基的施工质量, 同时大大提高施工工效。

1) 采用先冲孔处理加固桩及抛石层再下护筒的工序, 有效解决钢护筒无法正常下放难题。

2) 本文提出的“双护筒体系”成孔工艺, 即在抛石及加固桩处理阶段设置埋设临时护筒并在正式钻孔前下放永久钢护筒, 临时钢护筒对孔口处松软抛石起到挤压稳固作用, 有效对孔口进行保护, 预防顶部抛石滑塌导致埋钻等事故发生;而永久性钢护筒穿越抛石层可解决抛石层孔隙漏浆等问题, 大大提高钻孔桩的成孔质量。

3) 采用临时护筒及多点联控导向架2种体系对钢护筒下放进行双控, 形成“软”与“硬”结合的导向, 钢护筒下放进度达到千分级 (1.3/1 000) 精度。

本工艺提出对桩基投影范围内的加固桩不单独处理, 根据目前施工经验, 若单独处理1根加固桩需耗时约10d, 之后再进行钻孔约需20d;而不单独处理加固桩, 对孔内进行块石回填, 并减小钻机冲程, 在保证成孔质量的前提下, 成孔耗时在23～25d。每根桩基即可缩短工期5～7d, 按照本项目北塔30根桩基投入6套钻孔设备计算, 共可缩短工期25～35d, 施工工效明显提升。

深度抛石及加固区大直径钻孔桩成孔工艺, 使施工组织难度大、钢护筒下放精度控制难度高的钻孔灌注桩施工变得高效、简单、便捷, 提高施工质量、缩短施工工期, 圆满达到设计要求。

本施工方法具有工序更加简捷、施工精度更高、经济效益更加显著的众多优点, 可广泛应用于施工组织难度大、护筒打设精度要求高的抛石区分布有加固桩地质条件下的陆地钻孔灌注桩施工。