百米大直径超长灌注桩施工质量控制关
键技术研究
摘 要 对京台高速特大桥主墩设计采用桩基2.5米、桩长108米,实际钻孔深度115米，对该地质结构粉细砂、粉质黏土、夹杂孤石层等通过配置W5000型钻机加合金钻头，钻孔过程中泥浆的性能指标、钻孔速度技术指标控制，顺利完成本工程桩基施工，为类似工程提供技术依据和参考。
关键词 大直径 超长桩 质量控制 技术研究
随着我国高铁时代的来临，大跨度铁路桥梁建设发展迅速，对大直径超长灌注桩群桩基础的应用需求不断增加。京台高速特大桥主墩设计采用桩基2.5米、桩长108米,实际钻孔深度115米，对该地质结构粉细砂、粉质黏土、夹杂孤石层等施工技术研究，针对大直径超长灌注桩极易出现的塌孔、斜孔、沉渣、水下混凝土灌注等施工难点，结合现场实测数据分析，对大直径超长桩的施工全过程进行跟踪分析研究，制定切实可行的质量控制措施，提出控制技术指标，形成大直径超长钻孔灌注桩成桩质量过程控制措施和关键技术。为类似工程提供技术依据和参考。
一、项目概况： 1、工程简介 1.1工程概况
本标段起止里程为DK69+028.06～DK100+882.195，其中京台高速特大桥矮塔斜拉桥（38+120+228+120+38）m，167#、168#主墩桩基各16根，桩径Φ2.5m，167#墩桩基桩长101m，钻孔深度106.3m，纵横向桩间距均为6.3m。168#墩桩基
桩长108m，钻孔深度113.3m，纵横向桩间距均为6.3m，纵横向桩间净距均为3.8m。
1.2水文情况
根据地下水的赋存条件及含水介质的空隙类型，地下水的主要类型为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类岩溶裂隙水、碎屑岩类裂隙水、岩浆岩类风化带网状裂隙水四类。
1.3地质情况
沿线地表基本被第四系地层覆盖，为准北冲积平原之粉质黏土、黏土、粉土及砂砾石土等，除低洼地有淤泥质土外，大多为粉质黏土、黏土、粉土和粉细砂，土质较好，属中～中低压缩性土。沿线的上部土层有弱膨胀性，第四系地层的基本承载力为σ0＝120～250kPa左右，厚度在20m～110m左右，在108米位置局部有砂岩孤石。沿线不良地质主要为采空区、地震液化、人为坑洞、危岩、落石以及水源地附近的地面沉降。沿线煤矿采空区主要分布在位于宿州凹断褶束范围内的淮北市和宿州市一带。
1.4施工重难点
（1）该部位地质结构主要是粉细砂、粉质黏土、黏土，其中伴有砂岩孤石层，钻孔过程中泥浆的性能指标控制是重点，尤其在粉细砂地层泥浆及钻孔速度控制。
（2）大直径、大吨位钢筋笼加工质量控制及现场吊装安全控制是难点。 （3）混凝土运输距离较远，保证混凝土的不间断供应及缩短灌注时间是重点。
二、设备选型 1、钻机设备比选
（1） 主墩桩位106.4m-108.2m地层有砂岩孤石，普通钻机钻杆直径小，刚度不足，转盘扭矩太小，不能满足大直径超长桩垂直度控制及钻孔施工要求，不能满足破碎孤石基岩的要求。
2、钻机设备选择 W5000型钻机优点：
（1）钻杆直径53cm，刚度大，转盘扭矩大（600KN.m），配备合金钻头，能更好破碎孤石基岩，卷扬提升力能达到2000KN，不易卡钻；
（2）加压力可达到150KN，可对钻进面土体施加较大压力，迫使桩周土体挤密，护壁效果好；
（3）砂石泵排量每小时达到1500m³，满足2.5m深孔桩基施工； （4）该钻机兼具正循环造浆与反循环清孔的功能，二次清孔效果突出。 （5）转盘齿轮咬合精度高，钻杆连接丝扣为特殊设计，能有效控制钻孔垂直度。
3、吊装设备选型
由于大直径桩基钢筋笼重量大，如何解决吊装问题是难点。根据不同吊装工况分析，最大吊重40.206t。根据对汽车吊与履带吊对比分析，履带吊接地比大，对场地地基承载力要求相对较低，且机动性能优于汽车吊，因此选用150t履带吊。
三、施工前准备 1、场地准备
（1）钻机自带泥浆泵功率大，清孔时泥浆管出浆口压力大，为保证泥浆池不被冲毁，在167#、168#墩各开挖一个10m×10m×3m泥浆池，采用C20混凝土浇筑，中间设置横隔墙。
（2）桩基孔径大、钻孔深度达113m，混凝土灌注时，一次产生泥浆535m³，为保证泥浆正常循环及存储，在167#、168#墩临时场地设置30m×15m×3m储浆池。
泥浆池与储浆池之间用泥浆管连接，钻孔过程中将泥浆用泥浆泵由储浆池抽至泥浆池，混凝土灌注过程中将泥浆由泥浆池抽至储浆池，以达到循环利用。
2、混凝土供应保障措施
1#拌和站位于北杨寨乡附近，混凝土运输线路全长14.1km，经计算共需混15m³凝土运输车12辆，考虑特殊情况备用3辆，共计需要15辆。提前与村委会、地方签订协议，出现紧急情况时（如交通事故、道路临时封闭等），选用备用路线通行，备用路线为2条道路。
四、施工工艺技术 1、施工工艺流程
矮塔斜拉桥主墩桩基采用W5000型反循环钻机施工成孔。钻孔桩钢筋笼主筋采用HRB400 Φ28螺纹钢，长度167#墩为102.6m、168#墩为109.6m。钢筋笼短线法分节制作，履带吊吊装就位，声测管附笼安装，主筋接头采用剥肋滚轧直螺纹套筒连接。钻孔达到设计孔深后，孔内泥浆静置沉淀2-3小时后开始清孔，缩短二次清孔时间。
2、测量放样、护筒埋设 （1）护筒规格
主墩桩径设计为Φ2.5m，钢护筒内径设为Φ3.1m。为保证护筒刚度，采用18mm厚Q235钢板卷制，钢护筒长3.5m，重约5.32t。
（2）施工方法
护筒采用挖埋法施工。采用挖机在桩位处开挖直径4m，深3m的埋设坑。利用150t履带吊起吊钢护筒就位，挖机配合调整护筒姿态，平面位置及垂直度满足要求后进行回填，完成护筒埋设。
（3）技术标准
护筒平面位置偏差不大于50mm；护筒倾斜度小于1%；护筒顶高出地面0.5m。 （4）技术措施
采用全站仪检查护筒垂直度，确保控制精度； 回填采用黏土，对称分层回填夯实，保证回填密实； 钻进过程对护筒进行测量监测，保证护筒的稳定；
因护筒进浆口较大，为防止孔口坍塌，增设80cm×80cm×150cm导流槽。 3、钻孔施工 （1）钻进速度控制
开钻时宜低档慢速钻进，控制在转速不大于3转/min ，使初期成孔竖直、圆顺、坚实，防止孔位偏心、孔口坍塌；
黏土层、粉质黏土层转速控制在7转/min； 砂层转速控制在4转/min。 （2）泥浆控制
黏土层、粉质黏土层泥浆比重为1.1、黏度22、PH值8 粉砂层、粉细砂层调整比重至1.2、黏度28。 （3）垂直度控制
为保证钻孔垂直度，在钻机就位后，采用30mm厚60cm×60cm钢板对钻机支腿进行支垫，确保钻机在钻孔全过程始终处于稳固状态。钻进过程中，勤量测。
（4）孔深控制
作业班组根据技术交底的设计孔深，用钻杆控制进尺（每节钻杆长2.8米），当钻进至设计孔深，剩余约3米时，现场技术人员，采用测绳及时检查控制设计孔深，防止超钻。
（5）地质确认
钻进过程中在反循环钻机出浆口每2m捞取渣样。渣样编号保存，记入记录表中，终孔前与监理、设计进行地质确认。
4、成孔检测
每根桩成孔后，采用超声波检孔仪进行成孔质量检查，钻孔直径、垂直度、孔壁状况、孔深均满足设计及规范要求。孔深≥设计孔深、孔径≥设计桩径、
倾斜度＜1%
5、一次清孔
钻孔达到设计孔深，孔内泥浆静置沉淀2-3小时后开始清孔，采用反循环钻机自带离心泵将孔底沉渣连同泥浆经钻杆吸出孔外，经沉淀池沉淀后、由泥浆池回流至孔内，清孔用时约1小时，提钻杆3小时。
6、钢筋笼制作、安装
钢筋笼制作、安装钢筋笼在加工场下料，分节制作。各墩位钢筋笼自上而下分节如下：167#墩 11米+12米/节*7节+7.9米=102.9米、168#墩11米+ 12米/节*8节+2.9米=109.9米，钢筋笼主筋间采用滚轧直螺纹连接，每个断面接头数量不大于50％，
相邻接头断面间距不小于35d（本项目钢筋笼主筋直径为28mm,相邻两接头错开1米）。加强筋自上向下每2m设置一道，搭接部分釆用双面焊，箍筋采用HPB300φ10mm钢筋，钢筋下料、加工、焊接均在专用台架上进行，确保结构尺寸及焊接质量合格。钢筋笼保护层厚度由外径15cm的垫块控制，沿桩身主筋每2m
布设一道，每道4个。为保证顶节钢筋笼钢筋端头平齐，位于一个平面上，在端头设置一块钢板。
（1）增加内支撑
在主笼沿钢筋笼竖向每2米（即在每道加强筋位置）设置三角形内支撑（即顶笼第一节、第二节），辅笼沿钢筋笼竖向顶上两道加强筋处各设置一道三角支撑，隔两道后在底下倒数第二道加强筋处设置一道三角支撑，（即第三节钢筋笼之后每节设置三道三角
支撑）。内支撑采用与主筋同规格的Φ28钢筋。
（2）钢筋笼安装
本次施工钢筋笼吊装重量大，采用150t履带吊吊装，项目部特对钢筋笼主要部位进行加强处理每节钢筋笼顶部每隔三组（即6根主筋）双支主筋焊接一组（即2根）10cm长钢筋头，钢筋头直径采用与主筋同规格Φ28钢筋，焊缝长度10cm、宽度2.3cm、高度0.8cm，必须保证焊接质量，焊缝存在质量问题的，在相邻的主筋上设置10cm长钢筋头。
（3）钢筋笼安装平台
吊装平台采用I36a框架梁、16mm平台钢板、3×20mm钢板伸缩牛腿组成，要求在钢板伸缩牛腿与加强箍之间增设20mm厚垫板，垫板尺寸为宽度略小于最顶节钢筋笼主筋净间距，长度略小于牛腿伸出长度，以分散加强箍筋支撑处的集中力。
（4）钢筋笼吊架设置
钢筋笼采用四点起吊，吊架横梁采用四块40mm（厚）×350mm（高）钢板，横梁间连接采用四块16mm（厚）×350mm（高）钢板，钢丝绳采用直径34mm、公称抗拉强度1870MPa、钢芯钢丝绳，共8根，钢丝绳夹角不小于60°，钢丝绳连接采用12.5tD型扣。
（5）钢筋笼现场连接
施工方法：现场连接钢筋时应对准轴线将钢筋拧入连接套筒，用手拧不动为止，然后用力矩扳手拧紧，接头拼接完成后，应使两个丝头在套筒位置互相顶紧，套筒短丝端外露的丝扣不超过两扣，连接用的力矩扳手精度必须达到要求
（6）声测管安装
桩基声测管采用50×3.0mm无缝钢管，沿桩身均布6根，附笼安装。声测管接头采用套管焊接，防止泥浆渗入。每4m设一道 “U”型卡，将声测管固定在钢筋笼上。
7、导管安装 （1）导管制作
导管制作采用锰钢无缝钢管，接头形式为丝扣式，其内径为350mm，壁厚为10mm，底节导管长为5m，中间每节长3m，调整节长度为1m和0.5m。每节导管距顶端50cm处焊接φ10钢筋作为吊装防滑箍，导管接头牢固，严密不漏水；控制导管长度和导管节数，导管下口距孔底控制在30～50cm之间。
（2）导管水密性试验
水密性试验方法是把拼装好的导管先灌入70%的水，两端封闭，一端焊接出水管接头，另一端焊接进水管接头，并与压水泵出水管相接，启动压水泵给导管注入压力水，当压水泵的压力表压力达到导管须承受的计算压力1.712MPa，稳压15分钟后接头及接缝处不渗漏即为合格。
8、二次清孔
二次清孔采用泵吸式反循环，导管安装完成后，将导管与钻机连接，采用反循环钻机自带离心泵将孔底沉渣连同泥浆通过钻杆吸出孔外，经沉淀池沉淀后、由泥浆池内返回孔内，使泥浆指标满足要求。
9、混凝土灌注
主墩钻孔桩设计混凝土168#墩单桩534.8m3，拌和站集中拌制，混凝土罐车运输，导管水下混凝士灌注。 混凝土灌注前，将导管顶面放平至泥浆面，平衡泥浆管内和孔内的水压, 将导管内气体全部排出。根据《铁路桥梁钻孔桩施工技术规程》Q∕CR 9212-2015，7.3.5式进行计算，首封混凝土需11.85m³，选用12m³大料斗，将混凝土放满料斗后，在打开料斗底部隔挡的同时，两台满载15m³的混凝土车同时放料。
混凝土坍落度控制在18～22cm，保证首罐混凝土导管埋深1-3m，控制拨管长度，导管埋深控制在2～6m；在灌注过程中，混凝土连续浇注，每根桩的灌注时间在混凝土的初凝时间内完成，混凝土浇注高度高出设计至少1m。
五、质量保证措施
（1）施工过程中对每道工序进行严格控制，主要控制要点见下表。
钻孔桩主要控制要点
序号 主要工序 控制要点 备 注 1 护筒 放线后安装检查护筒中心与桩中心的偏差（不大于50mm）。 2 钻机就位 检查桩机工作平台稳定性。钻机水平度 不同的地质时应控制钻进速度； 3 钻孔 桩机设备发生异常现象要及时处理；如遇斜孔、塌孔，溶洞等不良现象应做处理方案及时处理。 4 制作钢筋笼 检查钢筋笼制作质量 5 吊装钢筋笼 检查连接接头是否符合要求。钢筋笼长度（承台锚固长度），保护层是否齐全，钢筋笼的中线。 6 插入导管 检查导管长度及封密性能，导管底与孔底的距离。 检查砼配合比、原材料计量、搅拌时间、混合料7 灌注砼 均匀性及初凝时间；控制砼的初灌量；砼坍落度测试；砼强度试验试件的取样和制作；充盈系数是否符合要求。 8 拔出导管 检查桩顶标高；单桩验收。 （2）钻孔灌注桩施工过程中均需对钻孔进行阶段性的质量检查。钻孔桩的质量检查项目及检查方法下表。
桥梁钻孔桩检验标准
质量序控制 号 项目 质量标准和要求 检验 施工单位验 方法 监理检方法 1 放样 测量桩位放样误差≤5mm 全站仪测量 检查测量资料 2 桩 防护引出十字护桩并保护好，要求中心偏差≤5mm 挂线、吊垂线、尺量 尺量 3 埋设 护筒护筒严密不漏水，回填密实，埋深满足施工要求，顶面位置≤50mm；倾斜度≤1%；孔内水位宜高于护筒底观察、挂线、吊垂球、尺观察 脚0.5m以上。 量 4 就位 钻机有防止钻机下沉和位移的措施，对中误差≤10mm；钻头直径满足成孔孔径要求 观察、水准仪抄平、尺量 尺量 泥浆指标根据钻孔机具和地质条开件确定。针对粉土情况，新制泥浆比重指标控制在1.1～1.3为宜，钻孔过程中做好钻孔记录，进入岩层或卵石层技术人员现场核实 泥浆指标测试、抽渣取样，尺量 巡查 5 钻、钻进 检查钻孔孔深≥设计孔深、孔径≥设计桩6 检查 终孔径、 倾斜度＜1% 记录、测绳量测与外钻杆总长相校核、用超声波检孔仪检查 证 全部见观察和尺单面焊≥10d；双面焊≥5d；焊7 笼加工 钢筋缝厚度≥0.3d；焊缝宽度≥0.8d；焊渣敲净。主筋间距：±0.5d；箍筋间距：±20mm 量，受力钢筋尺量两端、中间各1处；箍筋间距尺量连续3处尺量 尺量 观察和单面焊≥10d；双面焊≥5d；焊钢筋笼入 8 孔及焊接 缝厚度≥0.3d；焊缝宽度≥0.8d；焊渣敲净。声测管接头严密不漏水，绑扎牢固，间距均匀；保护层误差-5～＋10mm；接头箍筋绑扎满足设计和验标要求；控制吊筋位置和长度来控制笼顶标高和位置，钢筋笼平面位置偏量 观察和尺见证检查、隐蔽工程验收 差≤10mm；底面高程偏差：±10mm 9 管 下导导管接头牢固，严密不漏水；控制导管长度和导管节数，导管下口距孔底控制在30～50cm之间 量 观察、尺检查施工单位原始记录 10 清孔 二次泥浆指标≤1.1g/cm3，含砂率＜2%，黏度17～20s，孔深≥设计桩长；沉渣厚度：≤5cm 泥浆指标测试仪，测绳量测 测 见证检混凝土坍落度控制在18～22cm，保证首罐混凝土导管埋深1-11 混凝土浇筑 3m，控制拨管长度，导管埋深控制在2～6m；在灌注过程中，混凝土连续浇注，每根桩的灌注时间在混凝土的初凝时间内完成，混凝土浇注高度高出设计至少1m 坍落度筒、测绳量测和混凝土反算相校核，做好灌桩记录 理 旁站监12 混凝土强度 ≥设计强度的1.15 倍 标准养护试件抗压试验 测 见证检13 桩身完整性 采用声波透射法进行检测 超声波检测 全部见证检测 （3）桩基混凝土出场时和运到现场均需要试验检测，检测项目、方法及标准见下表：
混凝土性能检测标准
工序 检验项目 规范要求 检查方法 坍落度 18～22cm 坍落度筒 混凝土浇筑 含气量 2%～4% 含气量仪 入模温度 5～30℃ 温度计 六、结论
通过对该地质粉细砂、粉质黏土、黏土、砂岩孤石层施工，从对W5000型反循环钻机选型、钻孔过程中泥浆的性能指标、粉细砂地层泥浆及钻孔速度、大直径、大吨位钻孔桩钢筋笼变形、缩短混凝土浇筑时间等关键管控措施，成桩后检测桩身完整性良好，满足I类桩条件。摸索出一套行之有效的施工办法。可为同类型地质桩基施工提供参考，具有重要的推广意义。
参考文献
【1】《高速铁路桥涵工程施工技术规程》(Q/CR9603-2015) 【2】《铁路混凝土工程施工技术规程》(Q/CR9207-2017) 【3】《铁路混凝土工程施工质量验收标准》（TB10415-2018） 【4】《铁路工程基桩检测技术规程》（TB10218-2019）
