冲击钻工艺在远海岛礁珊瑚礁地质灌注桩施工中的应用

    张向东+桂凯飞

    摘 要：本文介绍了海南省三沙市XXX3D连接工程在远海珊瑚礁地质条件下进行桥梁灌注桩基础施工，工程所在地无任何原材料，都需从大陆通过船运至施工现场，现场施工条件差，克服各种不利因素顺利的完成灌注桩施工，为以后类似的远海环境施工提供了一定的参考。

    关键词：远海岛礁；珊瑚礁地质；灌注桩

    中图分类号：U443.15 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）05-0050-03

    近年来，随着国家经济的发展，国家对远海岛礁的建设开发的力度越来越大，工程项目越来越多，在远海岛礁工程中，灌注桩作为桩基基础，应用比较常见，而对于远海岛礁珊瑚礁地质下，灌注桩的施工工艺，以前的施工经验非常少，本文结合海南省三沙市XXX3D連线工程中桥梁灌注桩施工，对采用比较成功的冲击钻工艺进行了介绍，为后续珊瑚礁地质灌注桩的施工提供一定的经验参考。

    1 工程概况

    1.1 基础概述

    3D连接线工程桥梁的桥墩为T型墩，桥墩下为承台，承台下基础为灌注桩（每个承台有2根灌注桩基础，加宽段为3根），灌注桩总数为118根，灌注桩混凝土为C35，单根桩长15m，桩径为1.4米，桩顶标高为-1.0m左右（原地面标高为0.1m～0.5m，当地平均潮位为0.7m左右）。B岛至Z岛区间段有灌注桩65根，Z岛至N岛区间段有53根，灌注桩施工过程中采用设计底标高进行桩长控制。首先沿桥梁轴线方向修筑一条20m宽的临时便道，陆上进行灌注桩施工。

    1.2 自然条件

    1.2.1 气候条件

    施工区位于热带，受热带海洋性季风气候影响，工程所在区域位于低纬度地带，光照长，接受到的太阳辐射量多，光能充足，热量丰富，再加上海洋调节的作用，终年高温，全年均为夏季，无气候学意义上的冬、春、秋季，年平均气温26～27℃。年平均最高气温在29℃左右，年平均最低气温在25℃左右，最冷月份（1月）的平均最低气温为22℃。

    1.2.2 地质条件

    场地地貌单元为海岛浅滩，水深一般1～3米。

    在本次勘察35.50m深度范围内，场地揭露地层为第四系全新统海相沉积土（Q4m），根据地基土的岩性特征由新到老分为①、②共两个工程地质层。现分述如下：

    第①层中砂（Q4m）：场地内仅QLZK35～QLZK37、QLZK61、QLZK62、QLZK65号钻孔见有揭露，浅黄色、灰白色，稍湿～饱和，松散～稍密状，以珊瑚、贝壳碎屑中、粗粒为主，上部含少量细粒，下部含有少量贝壳和珊瑚碎块，次圆状，含粘粒<1%。层顶标高0.48～4.06m，平均值2.37m；层底标高-0.12～1.96m，平均值1.07m；层厚0.50～2.10m，平均值1.30m。

    第②层角砾（Q4m）：场地内均有分布，浅黄色、黄色、灰白色。饱和，中密状为主，表层较松散，以珊瑚角砾、碎块混合贝壳碎屑为主（其中QLZK34、QLZK35号孔上部含有少量胶结成岩的海滩岩），棱角状为主，含粉、粘粒约3%～10%，粒径一般约为0.5～15mm。局部夹有胶结成岩的珊瑚礁岩，块径一般小于50cm。钻探施工过程中大部分钻孔局部存在漏浆现象。层顶标高-0.97～2.34m，平均值0.18m；揭露层厚28.30～35.50m，平均值34.66m。受勘探深度限制，未钻穿。

    2 施工前期准备

    2.1 原材料

    本工程所在水泥、砂、石、减水剂、CAP、粉煤灰、钢筋等原材料，全部从广东省通过船运输至施工现场，确保船舶运输的效率，船舶运输的材料工程量较大，尤其是水泥、钢筋等原材不易存储；另外该施工区域湿度大，海水腐蚀性强，施工区域又是台风多发地带，针对上述情况，水泥采用袋装水泥，存储时设置水泥平台，水泥平台比周围地面高0.5m，水泥平台上铺设木板，水泥放置木板上，水泥上方覆盖2层防雨布。钢筋存储时下方垫木枋防潮，防雨布将钢筋包裹。

    2.2 施工机械配置

    本次灌注桩施工现场共进场5台冲孔式打桩机，250kw的发电机4台，挖掘机2台，混凝土罐车2台，0.75m3和0.5m3的搅拌机各1台，装载机1台，25t的汽车吊1台，施工机械全部通过船从大陆运至施工现场。

    2.3 施工人员配置

    混凝土拌和站配置8人：操作手1人，配料人员6人，罐车司机2人，装载机司机1人，挖掘机司机2人；桩机施工人员20人，每台机子4人；钢筋工5人，起重工2人。

    3 施工方法及质量控制措施

    3.1 施工方法

    3.1.1 施工准备

    所有的原材料进场后立即送检，所有原材料合格。

    3.1.2 测量放线

    测量员采用GPS测放各灌注桩桩位点，钉入钢钎作为标记，并进行保护。

    3.1.3 钢护筒制作及埋设

    每套钻机配置2套钢护筒，护筒内径Φ=1600mm，壁厚10mm，长度为3.0m。

    钢护筒埋设采用反铲挖掘机进行开挖，挖机开挖至珊瑚礁盘位置，珊瑚礁盘标高在+0.5m，护筒顶标高控制为+3.0m，护筒埋深为2.0m。钢护筒吊装采用在筒身上焊吊耳、两点吊工艺。吊车大小钩头同时挂在护筒上下两个大小钩钢丝扣，水平起吊护筒，通过大小钩头的相对运动，使护筒由水平方向转为垂直方向并插入礁盘顶面。并复测两条线绳交叉点与护筒中心与桩位中心线应重合，其中心偏差应<50mm，竖直倾斜应<1/100。护筒定位后，四周对称回填珊瑚砂并压实。

    3.1.4 泥浆配制

    泥浆制备采用人工向孔内填粘土后钻锤冲击造浆。制浆采用水化快、制浆能力强、粘度大的粘土，确保护壁效果，泥浆相对密度控制在1.2～1.4g/cm3、粘度22～30s、含砂率≤4%、胶体率≥95%。

    施工过程中珊瑚碎屑较多，泥浆控制在1.4 g/cm3时便于将珊瑚碎屑及颗粒带出，在冲孔完成后泥浆比重逐渐调整1.2 g/cm3，有利于混凝土的浇筑。

    泥浆比重每工班检测泥浆性能指标1次，终孔后检测一次，清空后浇筑混凝土前检测一次，确保成孔的质量及混凝土浇筑质量。

    3.1.5 钻机就位及钻孔

    根据地质条件特点，采用冲击钻成孔。冲击钻钻头为一次铸造，钻头加焊耐磨合金块。

    钻机使用吊车辅助，在拟施工的桩位就位，并使钻机保持水平，对钻机的各个部件进行检查，尤其底座要平稳，在钻进过程中不应发生位移或沉陷。

    冲击成孔时，钻头为十字型钻头，钻头直径1350mm。冲击钻机成孔开孔时先低锤密击，待钻孔达到3.0m深度后，可正常冲击。冲击时在钢丝绳上作记号控制冲程，并根据土质的软硬程度调整冲程，最大冲程3.0m，防止放绳过少，导致发生空锤现象。

    每成孔3.0m深后进行清渣，然后冲孔，再清渣、冲孔，反复循环，直至施工至设计孔深。清渣时选取中空十字封闭型钻头，钻头直径600mm。 冲击成孔过程中出现护筒变形、塌孔、卡钻和掉钻等情况时，采取以下补救措施：

    （1）护筒变形：根据变形程度回填角砾等至变形部位，用冲击锤反复冲击，严重变形的护筒可拔出重打。

    （2）塌孔：塌孔不严重时，回填至塌孔位置以上，采取改善泥浆性能措施；护筒底口塌孔时，采取跟进护筒、下内护筒等方法；塌孔严重时，立即回填碎石、粘性土、砂浆或混凝土等，待回填物稳定后，重新钻进成孔。

    （3）泥浆流失过多：钻孔内泥浆流失过多时，采取加稠泥浆、改善泥浆性能或填入粘性土反复冲击等措施；

    （4）孔深偏斜、弯曲：当孔深出现偏斜弯曲时，采取提钻至偏斜处，反复扫孔或回填至偏斜处，重新钻孔等措施。

    （5）卡钻或埋钻；当出现卡钻或埋钻时，采用冲、吸等方法，将钻头周围土松动后提钻，并采取保持孔壁未定的措施。

    （6）掉钻或落物：掉钻或落物时，应立即打捞。

    3.1.6 清孔及验孔

    清孔采用置换清孔法，用砂泵下放至孔底进行置换作业，其优点是清孔结束后孔内剩余的钻渣充分悬浮，并能控制在数小时内不发生沉淀。

    为防止泥浆污染施工周围水域，用砂泵抽出的泥浆采用溜槽回收至泥浆池中，沉淀后重复使用。

    钻孔结束后与吊放钢筋笼之前分别用3mm直径的细钢丝绳栓测砣测量孔底深度，两者差值即为沉渣厚度。二次清孔后确保孔底沉渣厚度≤50mm。

    3.1.7 钢筋笼制作及沉放

    钢筋加工制作在钢筋加工场地加工成型，钢筋加工前先进行调直、除锈。钢筋笼成型在成型平台上进行。

    主筋分2节焊接加工，焊接方法为单面帮条焊，分节制作时连接处相邻主筋长度错开1m组成2个连接面，确保单个截面钢筋接头不超过50%；加强筋采用双面焊，；螺旋箍筋采用单面焊，。帮条焊接应确保焊缝厚度s≥10mm（主筋直径的0.3倍）；焊缝宽度b≥26mm（主筋直径的0.8倍）。

    主筋与加强筋、螺旋箍筋采用点焊，焊点呈梅花状布置。

    焊接时，先焊接加强筋，后焊接螺旋筋，边焊边校正，焊接成整体。为保证吊装安全，在头和尾各满焊3-5圈，防止在吊装过程中起吊和钢筋笼竖直时受力不均引起焊点开焊造成危险。

    钢筋笼采用25t汽车吊沉放，采用2点吊，通过大小钩头的相对运动，使钢筋笼由水平方向转为垂直方向并插入孔内。沉放时，注意使笼子居中下放，将钢筋笼竖直，以防笼子底部插坏孔壁。在笼子吊放过程中，用垂球测笼子的垂直度，垂直度控制在1/100以内，并做好记录。

    吊入钢筋笼时，对准孔位轻放、慢放。遇阻时可随起随落或正反旋转使之下放。

    钢筋笼下放至孔底时，使用护桩吊十字线将钢筋笼对中，确保钢筋笼平面位置及垂直度满足规范要求，钢筋笼安装完成后使用3根直径Φ=25mm钢筋将钢筋笼焊接固定在钢护筒上，防止钢筋笼移位或上浮。

    3.1.8 导管安装及混凝土浇筑

    采用导管法进行混凝土水下灌注。混凝土在拌合站搅拌，混凝土罐车运输。

    导管采用Φ250法兰钢管，管节长度1.5～3.0m，导管采用刚性导管及快速套接接头，由一台25t汽车吊吊导管，当吊车达到起吊极限高点，将导管在孔口处临时固定，将上部导管拆除，然后继续由汽车吊吊导管浇筑混凝土。导管顶端连接活底漏斗，首盘混凝土装满整个活底漏斗后启动活底漏斗開关进行混凝土浇筑。

    活底漏斗容积大于3m3， 以保证首盘混凝土能充满孔底并将导管底端埋入1m以上。

    导管法浇筑水下混凝土施工时注意的问题：

    （1）混凝土必须连续浇注不可中断。

    （2）开始浇注混凝土时必须有一定的储备量，首盘混凝土能充满孔底并将导管底端埋入1m以上。

    （3）浇注混凝土过程中，导管埋深不得小于1.5m，为防止埋入深度过大，致使混凝土流动不畅，造成堵塞，甚至造成钢筋笼上浮，应控制导管埋深在2～6m。

    （4）提升导管前要先测量混凝土浇注顶面标高，计算导管埋深，根据埋深确定拆管长度。

    （5）导管提升与拆除应迅速，当导管内混凝土不满时，应缓慢灌注混凝土，防止产生高压气囊压漏导管，导管提升时必须有专人现场指挥，防止钢筋笼被导管挂住一起提升。

    （6）在浇注过程中，应经常测量孔内混凝土面的高度，混凝土终灌标高要高于设计标高0.8～1.0m。

    （7）完成该桩混凝土浇注所需时间不可大于混凝土初凝时间。

    混凝土塌落度是水下混凝土进入导管前施工现场质量控制的一个重要指标，施工现场安排试验人员对每车混凝土塌落度进行检测，对不符合塌落度要求或和易性差的混凝土不予使用。

    3.2 施工质量控制

    （1）桩孔的直径、深度应满足设计要求，本工程桩基以深度控制成桩的终孔条件。

    （2）孔底的沉渣应清理，清孔后的沉渣厚度不大于30mm。

    （3）灌注桩用的混凝土自拌，施工过程中加强混凝土的搅拌质量，尤其砂石料露天存储，砂石料的含水率变化较大，控制好配合比的用水量。

    （4）主筋焊接时确保焊缝饱满，无焊瘤、确保焊渣清理钢筋。

    （5）混凝土灌注应连续。每孔实际灌注混凝土的数量不得小于计算体积。

    4 施工过程中出现的问题及处理措施

    4.1 泥浆含砂量大

    前期灌注桩制作泥浆所用的粘土含砂量较大，在成桩过程中施工泥浆无法及时将孔渣清除，施工效率低下，每根桩成桩时间为48个小时；后期要求更换配制泥浆粘土后，配制的泥浆粘度好，泥浆含砂率低，施工过程中能及时将孔渣清除，施工速度大大提高，每根桩成桩时间缩短为30小时。

    4.2 塌孔及漏浆

    灌注桩靠近中岛区域出现不同程度的塌孔和漏浆情况：根据地勘资料显示该地区下方角砾较大，地勘过程中出现不同程度的漏浆情况，针对上述情况后，向泥浆内加入水泥，增加泥浆浓度及粘度进行护壁。

    4.3 埋鉆

    在施工灌注桩时出现埋钻情况，埋钻原因由于施工过程中出现突然停电未能及时将钻头提起，之后又出现塌孔现象，导致钻头被埋。处理措施采用高压水枪对成渣进行冲洗，将钻头周围土清除后提钻，并采取防止孔壁踏孔的措施。

    5 远海施工时注意事项

    5.1 施工准备

    工程开工前，必须提前谋划好，所有施工细节必须考虑面面俱到，工程所有人、机、料都来源于大陆，运输船舶的组织及运输过程中耽搁时间较长，一旦一个环节未考虑周到，将直接影响工程的进度，造成损失较大。

    5.2 原材料的储备

    现场水泥、砂石等大宗材料必须能够保证20天的使用储备量，少量材料一次进场，同时考虑材料的损耗，做到宁多勿少的原则，材料的运输受海况的影响较大，一旦无法及时补救，直接造成工期耽搁，人员机械窝工。

    5.3 机械设备配置

    远海施工的所用常用机械设备按照大陆施工的1.2倍配置，同时易损件及消耗品按照大陆2倍配置。

    6 结束语

    综上，对于远海岛礁珊瑚礁地质，灌装桩施工选择冲击钻施工，工艺比较适合，同时总结出的远海岛礁施工过程存在问题及施工过程中需要注意的细节，为后期的远海岛礁项目施工提供的一些借鉴经验。

    另外，对于远海岛礁的灌注桩的桩基承载力检测，由于受现场条件限制，建议采用自平衡法进行检测。

    参考文献：

    [1] JGJ18-2012.《钢筋焊接及验收规程》[S].

    [2] JTS167-4-2012.《港口工程桩基规范》[S].

    [3] JTJ248-2001.《港口工程灌注桩设计与施工规程》[S].