蒙(西)华(中)铁路系国内首条煤运重载铁路,公安长江公铁两用特大桥为其全线控制性工程之一。大桥主桥采用(98+182+518+182+98)m双塔5跨钢桁梁斜拉桥,如图1所示。

主塔墩采用钻孔桩+圆端形承台基础,每墩为36(2.8~3.1)m变直径钻孔桩,承台平面尺寸58.4m×33.6m×6m;主塔为H形塔,箱形截面,设上、下2道横梁。斜拉索呈扇形双索面对称布置,每塔肢两侧17对索,共136根。

3号、4号墩是位于水中的2个主塔墩,4号墩为南主塔墩,距岸边河堤约620m。设计采用36Ф(2.8~3.1)m变直径摩擦型钻孔桩,行列式布置,桩顶标高为15.450m,桩底标高为-74.550m,桩长90m;承台底标高-21.450m以下14.95m长范围桩径为Ф3.1m,其余桩径为Ф2.8m。桩身混凝土为水下C30,每根584.1m³。

桥址位于上荆江河段,是著名的长江险段。H_5%=39.770m,最低通航水位为26.480m,高差达13.29m。墩位处汛期最大水深约26m,对应水流流速3.38m/s,且主河槽冲刷较大。根据水文条件推算确定钻孔桩施工设防水位为38.500m。

荆江河段属长江堤防险段,长江干堤附近地面标高较低,基本与长江正常水位持平,一到汛期,长江水位平均高于堤外地面3~5m,成为“悬河”。加之地表硬壳层薄,下部砂夹卵石强透水层厚,故此处自古就是管涌和溃堤的易发地段。

墩位处地质由上至下大致分为4大层:(1)松散~稍密状细砂,厚11~12m;(2)中密饱和砂夹卵石,厚约19.0m;(3)粉质黏土、砂夹卵石及其胶结层,厚约35m;(4)坚硬、密实粉质黏土,砂夹卵石,系桩端持力层。

常水位时4号墩处水深6~16m,为充分发挥后期承台施工用钢围堰的功能,减少临时钻孔平台搭设、拆除工作量,缩短施工周期,采用先平台、后围堰方案。前期利用钢围堰充当钻孔平台完成钻孔桩施工,后下沉钢围堰着床就位、封底、抽水,在无水状态下进行承台、塔柱施工。该方案和传统“钻孔平台+钢围堰”方案相比,具有3个显著优点:(1)钢围堰制作和拼装可事先在岸上进行,降低了安全风险,缩短了施工时间,也无须水上大型吊装设备;(2)双壁钢围堰可随水位变化控制“沉浮”,以达到洪汛期仍可进行钻孔桩施工的目的;(3)钢围堰属“巨无霸”结构,不仅强度高、刚度大且稳定性好,其抗洪渡汛安全能力强。因钢围堰施工是在钻孔桩及承台施工中穿插进行的,本文着重讲述4号墩钻孔桩施工。

基础钻孔桩需穿过深厚砂夹卵石层,然而该覆盖层孔壁自稳能力差,钻进时极易产生塌孔和漏浆,严重者孔壁可坍塌至相邻钻孔互串。本桥附近已建跨江大桥基础钻孔桩施工时曾出现过此类情形,处理十分困难。可见,钻机选型和确定成孔工艺至关重要,是保证顺利成孔的关键。

针对本工程实际情况,目前国内可供选择的钻机型式主要有:旋转钻、冲击钻、旋挖钻、套管钻(幌桩机)和冲吸钻等。若采用冲击钻或冲吸钻,不仅成孔周期长、扩孔率大,而且难以避免塌孔和漏浆,冲吸钻更容易发生;旋挖钻和套管钻成孔时间都较快,也能避免塌孔和漏浆发生,但对于大直径和深孔钻孔桩则很不经济,国内市场暂时缺乏该大孔径机型,需特制定做。经综合比选,确定采用KPG-3000型液压动力头旋转钻机,其最大钻孔直径为3m,最大钻孔深度达130m,转盘最大扭矩为200k N·m,电动机最大功率为238k W,水龙头提升能力为120t。

采用气举法泥浆反循环成孔工艺,配制优质泥浆,利用500mm大直径管道循环系统及时将大粒径卵石等钻渣排出孔外。配备加强型钻杆,以提高钻杆抗扭能力;在大粒径密实卵石层及胶结层中,使用滚刀牙轮即菠萝钻头,其余地层均采用六翼笼式刮刀钻头,钻压和转速随地层而定,配备6台钻机同时钻孔,分6个循环完成。钻孔顺序如图2所示。

为确保钻孔施工能顺利突破深厚砂夹卵石层,避免塌孔、埋钻及漏浆,特遵循了以下基本原则或总体要求:保证钻机机况良好,以便连续不间断作业,采用1.3以内大密度优质泥浆并适当保持泥浆高黏度近22s,泥浆循环不得随意停歇;严格控制钻进参数,即钻压≤2.5MPa,转速≤6r/min,最快进尺≤10 m/d,易钻层即疏松砂层或砂夹卵石层也≤10m/d进尺;适时更换钻具,硬质地层采用滚刀牙轮即菠萝钻头,其余地层均采用六翼笼式刮刀钻头。

根据4号墩地质水文条件,全孔段均为易坍塌的厚砂夹卵石覆盖层,故宜采用高浓度泥浆护壁。在拌浆池做大量试验后,最终确定配合比为:水∶纯碱(Na₂CO₃)∶膨润土∶羟甲基纤维素(CMC)∶聚丙烯酰胺(PHP)=1 000∶3∶120∶0.05∶0.03。优质泥浆主要性能指标为:相对密度>1.02~1.2(特殊情形可为1.2~1.3),胶体率>95%,含砂率<3%,黏度为18~22s(特殊情形可为22~26s),p H>7。

泥浆循环系统:于岸边修建1座3 000m³大型拌浆池,供应并回收泥浆。在围堰顶摆放泥浆分离器和沉渣筒,与钻机一道形成泥浆循环回路。拌浆池新鲜优质泥浆通过管路输送到沉渣筒内,经管路进入孔内,再由钻机吸泥机连同钻渣一起吸出,经泥浆分离器分离净化后再回到沉渣筒内,如此循环直至钻孔结束。

常规条件下此处应采用刮刀钻头。钻头旋转时通过刮刀逐步切削地层形成钻渣,经泥浆循环由吸泥机排出孔外。由于钻渣中有较多坚硬大颗粒砾石和卵石,加之孔深且桩径大,特采用了六翼2.0m高腰带笼式钻头,其翼板截面也大,以保证钻头结构强劲;同时腰带有导向即抑制钻头摆动的作用。钻头18°锥度较平缓,翼板上焊接有带YG8合金刀头的铁块或刀架,在翼板上成齿状,利于切削地层,提高钻进效率。由于此厚砂夹卵石层中有较密实层和砂夹砾卵石胶结层,强度高、颗粒大且整体性好,刮刀钻头难以切削;对此,则选用滚刀牙轮即菠萝钻头。钻头旋转时菠萝随钻头转动并自转,通过合金菠萝齿块将地层压碎形成钻渣,经泥浆循环由吸泥机排出孔外。该钻头所用菠萝及固定架(又称刀架)均为工厂定做,可以更换,一次配装菠萝23个。施工时,根据不同地层配套相应钻头进行钻孔。

1)钻压控制钻孔采用KPG3000型液压钻机,主要选用刮刀钻头钻进。施钻中,钻压主要由含钻头、配重、钻艇等在内的钻具和加强型钻杆自重提供,总重高达40t;由液压卷扬机提升和下落加以控制,将钻压始终控制在≤2.5MPa。液压电动机提供转盘扭矩,两者协同工作可实现减压钻进。

2)转速控制因地质为全覆盖层,且主要以粒径各异、含量不同的卵石贯穿大部分地层,钻进效率很大程度体现在如何高效吸除钻渣上。故从钻头形式、预防塌孔与漏浆等方面考虑,主要采用单泵低速给进,即“慢转速、低给进、勤给进”的施钻技巧。钻机转盘转速设置为1~13r/min,本处控制≤6r/min低速范围。如若转速过高,不仅不易固壁,而且会增大钻头磨耗或扭坏钻杆。

3)实际钻进控制旋转钻孔中,钻压、转速及钻进是相互关联的,各项参数搭配适宜,不仅效率高,还可避免钻孔故障。本墩通过事先设定和过程摸索,总结出与地层相适应的钻进参数,如表1所示。但钻进总进尺严格控制在≤10m/d,不仅可以保证成孔总工期,而且能使优质泥浆有足够的浸入孔壁时间,以达到孔壁稳固、不坍塌的目的。

1)细圆砾土层钻进细圆砾土层反复出现在整孔地层中,层状相对密实,卵石粒径<15cm,类似于砂层,切削较容易。钻进过程中,选定钻压为1~1.5MPa,主泵压力为4~8MPa,转速为3~4r/min时,钻进相对平稳,进尺效果较理想。

2)砂夹砾卵石胶结层钻进由于胶结层强度较高且类似“牛蹄筋”坚韧,刮刀钻头钻进时,轻压则不进尺,磨损刀齿,重压则憋钻跳钻,崩损刀尖。宜采用滚刀牙轮钻头,选定压力为1.5~2.5MPa,转速为3~4r/min,以便提供足够的扭矩予以碾压;此时钻进平稳且进尺相对较好,但也只能达到0.05~0.15m/h。

3)粗圆砾土或大卵石层钻进粗圆砾土与细圆砾土相似,但因部分砾卵石粒径较大。需采用滚刀牙轮钻头并提供大扭矩碾压钻进,以压碎或松动土层并由吸泥机将大颗粒吸出,选定钻压为1~1.5MPa,转速为3~4r/min,主泵压力为6~10MPa时,钻机平稳且进尺效果理想。

1)钻孔到钻头出护筒底口标高约6.5m时应特别注意,因属于过渡段或突变段,护筒底口位于细砂或细圆砾土层,稍有不慎便会出现钻孔故障;为此,应在钢护筒底口附近5.0~9.0m标高约5m范围内来回至少2次复钻,确保该段孔壁稳固可靠并不漏浆或渗浆。

2)利用KPG3000型钻机,配置重型笼式刮刀钻头钻进疏松砂层或砂夹卵石层时,常常会遇到漏浆或渗浆现象;对此,现场主要采用黏土或浓浆和锯沫渗透法封闭卵石空隙止漏的方法,解决卵石层中进尺困难和漏浆难题,效果良好。

清孔分2次完成,第1次为终孔后,第2次在导管安装就位后水下混凝土灌注前,均采用气举泥浆反循环换浆法进行。钻孔接近设计孔底标高10~15m时可开始调浆,即泥浆密度、黏度、胶体率、含砂率与p H值“5大指标”尽量靠近优质泥浆;终孔后钻头提起20cm,低速旋转,利用钻孔气举反循环系统进行换浆、排砂及调浆,历时约20h,待泥浆主要指标达到要求后即可提钻。

2次清孔是清除下放钢筋笼时刮下的泥皮和泥浆沉渣,达到灌注水下混凝土时所需的要求。利用已安装好的导管做出浆管,安装约Ф40mm钢管充当风管,形成简易吸泥机进行清孔,大约2~3h后泥浆主要指标达到要求后即可。

钢筋笼置于孔底,每个钢筋笼重41.1t。钢筋笼采用长线法制作,钢筋接头为带锁母扣的直螺纹接头。为优质高效地安装钢筋笼,特自行设计制作了专用“钢筋笼打稍环”,可保证在24h内完成安装,以减少沉渣和缩短二次清渣时间。

钻孔经清孔完毕并经验孔合格后,便可采用水下垂直导管法填充桩身混凝土。桩身混凝土强度等级为C30水下混凝土,单桩计算方量为584.1m³,混凝土的可泵性、和易性应良好,坍落度为18~22cm,初凝时间≥2h,混凝土理论配合比为:水泥∶掺和料∶细骨料∶粗骨料1∶粗骨料2∶外加剂∶水=1.00∶0.43∶2.41∶2.26∶0.97∶0.017∶0.63,水胶比=0.44。

灌注导管由无缝钢管制作,为内径377mm,壁厚8mm的快速卡口垂直提升导管。导管在使用前应进行拼接、水密承压和接头抗拉试验。水密试验压力为2MPa,维持时间为5min,不漏水即为合格。导管安装完毕,底口距孔底约40cm。

首批混凝土经计算应>14m³,导管初次埋深应>1.0m,拔出后混凝土要连续灌注,不得停顿,并保证在8h内灌注完成。灌注过程中,导管正常埋深应为2~6m,混凝土灌注到桩顶约5m时,不再提升导管,待达到实际要求标高后一次提出导管。拔出最后一节导管时应缓慢,以免桩内夹入泥芯或形成空洞。鉴于桩孔深、桩径大,考虑到临近终灌时浮浆较厚,实际灌注桩顶比设计高出约1.2m。

深厚砂夹卵石地层一直是深孔大直径钻孔桩成孔的障碍或难题。本桥选用KPG3000大功率、高扭矩旋转钻机施工方法,配备Ф500mm大管径吸泥机,通过优质泥浆循环及时吸出大粒径卵石钻渣;采用优化钻头结构和刀头,“慢转速、少给进、勤给进”的低压钻进工艺,避免了塌孔、埋钻及漏浆等钻孔事故,取得了单桩钻孔15d以内、111d完成36根桩钻填、基桩经超声检测全为Ⅰ类桩的理想效果,值得今后同类工程加以参考和借鉴。