铁道建筑 ２０１５年第９期 Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ４ｌ 文章编号：１００３—１９９５（２０１５）０９—００４１—０４ 虞城特大桥超深大直径灌注桩施工技术与质量控制 胡在良 ，王亚国 （１．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京１０００８１；２．中铁一局集团第四工程有限公司，陕西咸阳７１２０００） 摘要：虞城特大桥跨陇海铁路转体连续梁主墩基础采用了桩径２ ｍ、桩长９２或９３ ｍ的超深大直径钻孔 灌注桩。在桩基施工的重难点分析的基础上，从工艺流程、钻机选型、泥浆制备、钻孔、清孔、钢筋笼及声 测管安装、导管选型、混凝土灌注等关键环节进行施工控制和技术分析，并提出了对该桩基础进行质量 控制的若干措施和相应的施工建议。桩基施工完成后，检测效果良好，有效地控制了施工质量，实现了 施工缺陷的提前预防。 关键词：超深大直径灌注桩施工技术质量控制 中图分类号：Ｕ４４３．１５ ４ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３—１９９５．２０１５．０９．１３ 近年来，随着我国桥梁工程的建设发展，大直径钻 该区域自上而下的地层分布见表１。 孑Ｌ灌注桩得到广泛应用，钻孔与灌注技术日益成熟。 表１地层情况 但在施工中，桩身缺陷仍不可避免，且呈现以下特点： ①超深大直径灌注桩的缺陷多于普通大直径灌注桩； ②在同一工程不同工点，缺陷桩多是由同一家施工队 伍或同一台钻机造成；③特殊地质下的不合理施工工 法可能会导致桩基成孑Ｌ困难或一个承台的多根桩存在 严重缺陷。为了保证上部结构的安全，不仅要及时发 现并科学地开展施工缺陷处理，排除隐患，更重要的是 应通过严格管理和科学施工保证桩基的施工质量，做 到提前预防质量缺陷。 虞城特大桥是郑徐高铁的重点工程，其跨陇海铁 路转体连续梁主墩采用超深大直径钻孔灌注桩，桩基 础的施工与质量控制是重点工程中的重点项目。本文 对该超深大直径钻孔灌注桩的施工工艺与质量控制技 ２桩基施工重难点分析 术进行探讨，以期对同类工程起到借鉴作用。 １）成孑Ｌ难度大。桩长９２，９３ ｍ，桩径２ ｍ，属于超 ｌ 工程概况 深大直径钻孔灌注桩，成孔深度达１００ ｍ，施工难度 虞城特大桥全长５４ ｋｍ，地处平原地带，沿线跨越 大，且既有陇海铁路运输繁忙，对桩周土体产生偏载土 了商丘市中州路、陇海铁路与京九铁路西北联络线，桥 压力。 梁墩台１ ６６２个，均采用大直径钻孔灌注桩，设计桩径 ２）工期紧。该转体连续梁是郑徐高铁的控制性 １．０～２．０ １ＴＩ，桩长４２～９３ ｍ，总桩数１３ ６５３根。其中， 工点，控制好其工期是后续工程按期完成的先决条件。 跨陇海铁路（６０＋１００＋６０）ｍ转体连续梁是本工程中 ３）灌注方量大。每根桩的混凝土方量约４４０ ｎｌ ， 的控制性工点，２个主墩的基础采用超深大直径钻孔 灌注时间长，如何合理控制灌注时间内的混凝土供应 灌注桩，桩径２．０ ＩＴＩ，桩长分别为９２，９３ ＩＴＩ，桩数均为 是桩基础施工的重点。 １２根，混凝土强度等级Ｃ４０。 ４）桩基缺陷难处理。承台紧临既有线，一旦在既 有线一侧出现缺陷桩，则很难进行工程处理。 收稿日期：２０１５－０ｌ＿２１；修回日期：２０１５．０３．１７ ５）同类工程易产生桩身缺陷。在以往类似工程 作者简介：胡在良（１９７８一），男，内蒙古呼和浩特人，副研究员，硕士。 的超深大直径灌注桩检测与缺陷处理中表明，当桩长 ４２ 铁道建筑 在９０ ｍ左右时，极易在距桩顶２Ｏ ｍ范围内产生施工 挖钻施工。对于桩径１．０—１．５ ｍ，桩长４２—６０ ｍ的 缺陷，个别桩基呈现中心直径１ ｍ范围内混凝土质量 良好，外侧为混凝土与泥的混合物，缺陷面积占到整桩 面积的７５％左右。其原因在于没有从缺陷产生的源 钻孔灌注桩，均采用旋挖钻成孔，配内径２５～３０ ａｍ的 导管进行灌注，取得了较好的效果。 本项目为跨既有铁路超深大直径灌注桩，结合地 质特点和周边环境，选用反循环回旋钻机。钻机型号 为ＦＸＺ３５０，钻机参数见表２。 表２ ＦＸＺ３５０钻机参数 头进行施工预防和质量控制，而是采用普通大直径灌 注桩的施工工艺，由于超深大直径钻孑Ｌ灌注桩的混凝 土灌注时间在１０ ｈ左右，顶部２０ ｍ范围内的混凝土 是在开始灌注后的８～１０ ｈ完成的，此时首封返上来 的混凝土与沉渣的混合物已凝固，沉人桩身混凝土中， 从而产生缺陷。 一一～一 一 一一 ３关键施工技术 为避免出现同类工程的桩身缺陷，控制好超深大 直径钻孑Ｌ灌注桩的施工质量，并满足工期要求，本项目 充分借鉴了同类工程的经验，在桩基础施工之前精心 组织，制定了严格的施工组织方案，并对桩基施工的关 键环节进行了控制，确保桩基混凝土质量顺利通过 检验。 ３．１工艺流程 钻孔桩施工在原位进行，采用ＦＸＺ３５０反循环回 旋钻机，每台反循环钻机均配备１台４ＰＮＬ泵进行反 循环清孔，采用内径３５ ｃｍ钢导管进行水下混凝土灌 注。施工工艺流程见图１。 施工准备 对位、调试 护筒就位 泥浆循环系统 钻机移位 孔深、孔径 垂直度检查 ｌ安放钢筋笼 钢筋笼制作、运 输、声测管安装 ■ —厂 ’ 二次清孔 一ｌ检查沉渣厚度 灌注记录 混凝土灌注 制作试件 配合比选定 二［ 桩基检测 缺陷处理 承台施工 图１ 钻孔桩施工工艺流程 ３．２钻机选型 本工程地层分布以粉土、粉质黏土为主，较适合旋 ３．３ 泥浆制备 通常情况下，泥浆制备宜选用优质膨润土造浆，泥 浆性能指标根据钻孔方法和地质情况确定，同时应符 合下列规定： 一般地层泥浆相对体积质量为１．０５～１．１５，松散 易坍地层泥浆相对体积质量为１．２～１．４５；一般地层 泥浆黏度为１６～２２ Ｓ，松散易坍地层泥浆黏度为ｌ９～ ２８ ｓ；新制泥浆含砂率≤４％；胶体率≥９５％；ｐＨ值＞ ６．５。 土质较好的黏土层泥浆应略稀；遇有土质较软的 土层时，应上下提升钻头，进行扫孔，同时适当增大泥 浆浓度，以防缩孔；如遇有砂土层时，除增大入孔泥浆 浓度、加强护壁外，在出浆处泥浆沟内不断注入少量清 水，或将泥浆沟改道加长，加速钻渣沉淀。 本项目采用优质膨润土结合原土造浆，膨润土掺 入量３％～５％。入孔泥浆相对体积质量１．０５～１．１５， 黏度２０～２４ ｓ；孑Ｌ内泥浆相对体积质量≥１．３，黏度 ２２—３０ ｓ。 ３．４钻孔 护筒内钻进阶段：采用直径匹配的刮刀钻头反循 环加压清水钻进，进尺速度控制在４～６ ｍ／ｈ，孔内补 充清水，混合泥浆经泥浆净化器处理后，泥浆回流入护 筒，钻渣转运至处理堆场处理。 土层内钻进阶段：在护筒底口以上２ ｍ至孔底，调 换直径匹配的改进型平底钻头，开钻时钻头反循环空 转，启动泥浆循环系统，置换孔内泥浆，当孔内泥浆指 标符合要求后，优质泥浆护壁反循环减压钻进，在护筒 底口附近慢速钻进，形成稳定孔壁，进尺速度控制在 ０．３～０．８ ｍ／ｈ。钻头出护筒５ ｍ后恢复正常钻进，根 据不同土层的特点，在钻孔过程中及时调整护壁泥浆 指标和钻进速度，孔内补充优质泥浆。 砂层的钻进：宜轻压、低档慢速、大泵量、稠泥浆钻 进（进尺速度≤０．５ ｍ／ｈ），以免发生局部扩孔或坍孔 的现象，同时需充分浮渣、排渣。 粉质黏土层的钻进：粉质黏土质软，钻进容易，但 ２０１５年第９期 胡在良等：虞城特大桥超深大直径灌注桩施工技术与质量控制 ４３ 是极易糊钻或裹钻。该层钻进过程中需对泥浆和钻压 进行严格控制。经过试验和调节，钻进参数确定为：钻 压２０．０～２５．０ ｋＮ，转速７～９ ｒ／ｍｉｎ，进尺速度０．５～ 度≥１０ｄ ，焊缝高度ｈ≥０．３ｄ。，并不得小于４ ｍｍ；焊缝 宽度ｂ≥０．７ｄ ，并不得小于８ ｍｍ。其中ｄ。为钢筋笼 主筋直径。 ０．７ ｍ／ｈ。出渣效果良好，均为小块状泥团，后期提钻 观察无糊钻或裹钻情况出现。 ３．５泥浆高度与钻进记录 根据《铁路工程基桩检测技术规程》（ＴＢ １０２１８－－ ２００８）及《建筑桩基检测技术规范》（ＪＧＪ １０６－－２００３） 的要求，桩径２ ｍ时，埋设声测管不少于３根。本工程 钻孔过程中始终保持孔内泥浆高度，及时检查孔 内泥浆质量，并对照设计图纸中的地质柱状图，详细记 为准确、详细地检测桩身混凝土质量，每根桩埋设４根 声测管。声测管采用金属管，内径５０ ｍｍ，壁厚３ ｍｍ， 录实际土层分布。每根桩在钻进过程中根据不同的地 质情况采集渣样，标明标高及情况，并留取渣样，便于终 孑Ｌ参考，同时报现场监理工程师签认。整个钻进过程 中，始终保持孔内外水头差至少２ ｍ。同时，密切注意 土层变化，按要求做好钻孔记录和换班记录，钻孔记录 上有每层土的起止标高及对应泥浆指标、钻孔历时等。 ３．６ 清孔 在多砂、厚砂土层中，成桩孑Ｌ内泥浆相对体积质量 较大，加之桩径大、桩孔深、成桩时间长，终孔后泥浆含 砂率及沉淀均会出现不同程度超标。因此待钻孔到位 后，将钻头上提至距孔底２０ ｃｍ左右，上下活动，低速 回转，利用４ＰＮＬ泵进行第一次清孔。按照“一次清孔 为主、二次清孔为辅”的清孔排渣原则，第一次清孔将 大量的粗砂、泥团置换出孔内，待孔内返出的泥浆中无 泥块、泥皮，泥浆相对体积质量≤１．２５，即可视为第一 次清孔结束。第一次清孔耗时１～２ ｈ。 待混凝土灌注导管在钢筋笼孔内安装完毕后，即 进行第二次清孔。待孑Ｌ内返出泥浆相对体积质量≤ １．１，沉渣厚度≤５０ ｍｍ时，则清孔完成。第二次清孔 耗时１．２～２．２ ｈ。清孔过程中应始终保持孑Ｌ内原有水 头高度，当孔深较大时，中途应停顿片刻，待孔内上部 悬浮钻渣均匀沉淀后，再次清孔。清孔结束后测量孔 底标高和泥浆指标，合格后将导管弯头和风管拆除，进 行水下混凝土浇筑。清孔标准如下： ①孔内排出或抽出的泥浆手摸无２～３ ｍｍ颗粒。 ②排出孔口泥浆相对体积质量１．１５～１．２５，黏度 ｌ７—２０ ｓ。 ③一清泥浆相对体积质量１．１５～１．２，黏度ｌ８— ２１ Ｓ。 ④二清泥浆相对体积质量１．１～１．２，黏度２０～２５ ｓ。 ⑤含砂率＜２％。 ⑥沉渣厚度≤５ ｅｍ。 ３．７钢筋笼与声测管 钢筋笼主筋采用（ｂ２５圆钢，分节段加工（分节长 度为９ ｍ），桩顶２６ ｍ范围采用３２根 ２５圆钢，其余 采用１６根＋２５圆钢，由板车运至施工现场，下笼时拼 装完成。相邻节段主筋采用单面搭接焊联接，搭接长 每根声测管长度距桩底５０ ｍｍ，高于设计桩顶面 ０．５ ｍ。声测管接头顺直牢靠，与钢筋笼的主筋牢固 联接，为防止声测管弯曲，同一节钢筋笼上的声测管始 终固定在同一根主筋上，每隔２ ｍ设一道加强箍筋。 声测管下端封闭，上端加盖，管内无异物，联接处光滑 过渡，不漏水。为确保混凝土灌注后管道畅通，声测管 安装后，在声测管内注入清水，其上、下端口用钢板密 封，严禁泥浆或水泥浆进入声测管内。 ３．８导管安装与埋深 对于桩径１．０～１．５ ｍ，桩长４２～６０ ｍ的钻孔灌 注桩，采用内径２５～３０ ｃｍ、壁厚８ ｍｍ钢导管灌注混 凝土。导管使用前进行水密承压和接头抗拉试验，并 严禁用气压试验。导管位于钻孔，在浇筑混凝土 前，进行升降试验。导管吊装升降设备的能力与全部 导管充满混凝土后的总重量和摩阻力相适应，并有一 定的安全储备。灌注混凝土时，导管埋入混凝土的深 度控制在２～６ ｍ。导管埋深直接影响成桩质量，埋深 ＞６ ｍ时易发生埋管事故。拔管前采用测锤在不同位 置进行三点量测，以防误测。 根据工程经验，通常导管内径为２５ ｃｍ时，每小时 灌注方量约为４０ ｍ ；导管内径为３０ ｃｍ时，每小时灌 注方量约为６０ ｍ ；导管内径为３５ ｃｍ时，每小时灌注 方量约为１００ ｍ 。该转体连续梁主墩的每根桩混凝 土方量约为４４０ ｍ ，为确保每根桩在８ ｈ之内灌注完 成，灌注混凝土时，采用内径３５ ｃｍ、壁厚８ ｍｍ的钢导 管，导管配置按（４十２×４８十１＋０．５）ｍ设置。 ３．９混凝土灌注 ３．９．１ 配合比 本项目中，环境等级Ｈ２，Ｌ１，桩基混凝土采用Ｃ４０ 水下混凝土，拌合站集中拌合，塌落度１８０～２２０ ｍｍ， 混凝土配合比见表３。 表３混凝土配合比 ｋｇ／ｍ ３．９．２首批灌注混凝土量的计算 首批灌注混凝土量的计算公式为 铁道建筑 Ｖ≥ （日。＋日 ）＋ ｈ （１） Ｈｒ ｈ ：—（２） ｒ 式中：日 为混凝土桩底到导管底口的高度， 为首批 灌注混凝土的最小深度（导管底口到混凝土面的高 度），ｈ 为泥浆底部到混凝土面的高度，Ｄ为实际桩孔 直径，ｄ为导管内径，Ｈ 为桩内混凝土面至桩孔内泥 浆顶面高度，ｒ 为泥浆相对体积质量，ｒ 为混凝土相对 体积质量。取Ｈ。＝０．３ ｍ，Ｈ２：１．０ ｍ，ｒ ＝１．１，ｒ。＝２．０， Ｈ ＝３８．４８ ｍ，由此计算得出首批灌注混凝土量为７ ｍ 。 ３．９．３混凝土灌注 准备一大一小２个料斗，方量分别为５，０．５ ｍ 。 大料斗方量满足首次灌注封底的要求，首封时在现场 配备２台１２ ｍ 满载混凝土的罐车，确保首封顺利完 成。首封完成后可更换小料斗进行灌注。导管底口与 孔底的距离为２５～４０ ｃｍ，保证混凝土顺利翻起，首封 完成后，正常灌注时，导管埋深２～６ ｍ。 ４质量控制措施 为确保桩基础的施工质量，本项目在钻孔、清孔、 混凝土供应、灌注时间、首封与灌注等关键环节进行了 控制，并取得了良好的应用效果。 １）优化了钻孔程序，严格控制钻进工艺，针对不 同的土层和部位采取适合土层的钻进工艺，增强了孔 壁的稳定性。 ２）清孑Ｌ过程表明，当泥浆相对体积质量＜１．１时， 容易发生塌孔，因此在二清清孔时，将泥浆相对体积质 量控制在１．１～１．２，在本项目中应用效果较好。 ３）针对该超深大直径灌注桩，专门配备了内径 ３５ ｃｍ，壁厚８ ｍｍ的钢导管，确保桩基混凝土在终凝 之前完成灌注。本转体连续梁的２４根９２，９３ ｍ超深 大直径灌注桩，均在６ ｈ之内灌注完成，有效地控制了 灌注时问。 ４）根据首封混凝土用量，专门加工了５ ｍ 料斗， 料斗注满混凝土后，提起活塞进行灌注，同时将１台 １２ ｍ 满载混凝土的罐车利用马道向料斗中连续注入 混凝土，确保首封混凝土用量。现场有５台混凝土罐 车供应基桩混凝土，确保现场连续灌注，并设置了备用 拌合站，一旦出现设备故障，立即由备用拌合站提供混 凝土供应。 ５）基桩混凝土灌注时，拌合站应停止向其他工点 的混凝土供应，对超深大直径钻孔灌注桩进行集中供 应。混凝土在拌合站集中拌合，配置２台１２ ｍ 混凝 土罐车和３台８ ｍ 混凝土罐车将混凝土运至施工现 场。应确保混凝土灌注间隔时间不超过１ ｈ，首封时在 现场配备２台１２ ｍ 满载混凝土的罐车配合，确保首 封顺利完成。 ６）针对该主墩的直径２ ｍ的超深钻孔灌注桩，布 置４根声测管，同时控制好声测管的安装和固定，确保 声测管畅通。桩基施工完毕，并达到测试龄期要求后， 采用声波透射法检测，取得了良好的测试效果。主墩 的２４根超深大直径钻孔灌注桩均为Ｉ类桩。 ５结论与建议 本工程在超深大直径钻孔灌注桩中所采用的技术 措施得当，取得了良好的应用效果。 １）有效缩短灌注时间是控制超深大直径钻孑Ｌ灌 注桩施工质量的重要途径，建议在试验提供的混凝土 终凝时间内完成单根桩的灌注。 ２）类似工程中桩顶２０ ｍ范围存在缺陷的问题， 在本工程中得到有效控制。当单根桩的混凝土设计用 量超过３５０ ｍ 时，建议选用内径＞３０ ｃｍ的导管进行 混凝土灌注。 ３）超深大直径钻孔灌注桩灌注时，应充分满足现 场混凝土的供应，以降低工程风险。 ４）清孔是钻孔灌注桩的重要环节，清孔的质量直 接影响桩的承载力。为保证清孔质量，应尽量缩短终 孔至清孔的时问，减少孔内泥浆的沉淀。 ５）提高钻机操作水平，控制垂直偏差不超过规范 及工艺要求，确保顺利安放钢筋笼和浇注导管。 ６）对于直径２ ｍ的灌注桩，建议埋设声测管数量 不少于４根，以提高桩身完整性检验的精度。 ７）超深大直径灌注桩的缺陷处理难度大，灌注前 应制定详细的施工组织方案，严格控制施工质量，根据 现场环境和地质条件，从源头上控制，做好提前预防， 避免或减少缺陷桩的产生。 参 考 文 献 ［１］中华人民共和国铁道部．ＴＢ １０２１８—２ｏ０８ 铁路工程基桩 检测技术规程［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００８． ［２］胡在良，姜勇，李晋平，等．后压浆技术处理大直径灌注桩缺 陷的应用与探讨［Ｊ］．铁路技术创新，２０１０（３）：６５—６８． ［３］胡在良，李晋平，张佰战，等．基桩声波透射法检测技术的应 用研究［Ｊ］．铁道建筑，２００７（１２）：２０—２２． ［４］梅子广，黄生根，郝世龙．超长大直径钻孔灌注桩施工质量 控制［Ｊ］．施工技术，２０１３，４２（１）：５４—５８． ［５］曾平．超长大直径钻孑Ｌ灌注桩施工工艺［Ｊ］．施工技术，２００５ （增）：７３—７５． ［６］石振华．桩基工程手册［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社， ２００１． （责任审编 周彦彦）
