第４４卷第９期２０１３年９月 建 Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ筑 技 术 Ｖｏ１．４４ Ｎｏ．９ Ｓｃｏｔ．２０１３ ｏｇｖ ・８２７・ 南京长江第四大桥南主墩钻孔桩施工技术 许 垒，黄 伟 （中交第二航务工程局第四工程有限公司，２１００３３，南京） 摘要：分析南京长江第四大桥南主墩的特殊地质构造，借鉴多个大型桥梁基础施工经验，提出以钢护筒 作为护壁，清水钻进的施工工艺；应用超声测孔仪进行检测，使成孔的效率和质量有了较大提高。 关键词：钢护筒；平台；钻孔桩；清水钻进 中图分类号：ＴＵ７５３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１０００—４７２６（２０１３）０９—０８２７－０４ ＣｏＮＳＴＲＵＣ１ｒＩｏＮ ＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹ ＯＦ ＢＯＲＥＤ ＰＩＬＥ ＦＯＲ ＳＯＵＴＨ ＭＡＩＮ ＰＩＥＲ ＯＦ ＴＨＥ ＦＯＵＲＴＨ ＮＡＮＪＩＮＧ ＹＡＮＧＴＺＥ ＲＩＶＥＲ ＢＲＩＤＧＥ ＸＵ Ｌｅｉ．ＨＵＡＮＧ Ｗｅｉ （ＣＣＣＳＨＥＣ Ｆｏｕｒｔｈ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｔｄ．，２１００３３，Ｎａｎｊｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｏｕｔｈ ｍａｉｎ ｐｉｅｒ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｏｕｒｔｈ Ｎａｎｊｉｎｇ Ｙａｎｇｔｚｅ Ｒｉｖｅｒ Ｂｒｉｄｇｅ ａｎｄ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｌａｒｇｅ Ｂｒｉｄｇｅｓ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ，ｐｕｔｓ ｆｏｒｗａｒｄ Ｗａｌｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｂｙ Ｓｔｅｅｌ ｃａｓｉｎｇ，Ｃｌｅａｎ ｗａｔｅｒ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｕｓｅ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｍｅａｓｕｒｅ ｈｏｌｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｐｏｒｅ—ｆｏｒｍｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｆｏｒ ｏｔｈｅｒ ｂｒｉｄｇｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌ ｃａｓｉｎｇ；ｐｌａｔｆｏｒｍ；ｂｏｒｅｄ ｐｉｌｅ；ｃｌｅａｎ ｗａｔｅｒ ｄｒｉｌｌｉｎｇ 南京长江第四大桥位于南京长江二桥下游１０ ｋｍ 处的石埠桥附近，由跨江大桥和两岸接线工程两部分 构成。全长２８．１１ ｋｍ。 １ ’… １ 一 －ｒ㈣ｒ￣－ｒｒ卜 血１１ Ｉ１ １工程概况 ｌ Ｉ ｉ．ｏｏｂ Ｉ ｌ Ｉｄｎ＿ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ 一６．５ｏ０－ｎ●Ｉ ｌ ｌ ｌ ｌ ｌ【Ｉ 南京长江第四大桥跨江主桥采用双塔三跨悬索桥 方案，桥跨布置为（１６６＋４１０．２）ｍ＋ｌ ４１８ｍ＋（３６３．４＋１ １８．４） １ Ｌ Ｌ Ｌ Ｌ Ｌ Ｌ【ＬＪ ｕｌ【Ｌ Ｌ Ｕ【ｌ广 ｒ丁ＴＴ 口［盯 ｍ＝２４７６ｍ。南塔基础采用４８根直径为２８００～３２００ｍｍ的 变截面钻孔灌注桩，梅花形布置，按端承桩设 甲口 甲， 。甲ｑ旦蒙９鼠 白甲一 计，桩底标高为一６０．０００ｍ，桩尖持力层为微风化砂 图１ 南塔墩基础剖面示意 砾岩；钢护筒材质为Ｑ ３４５ Ｃ，内径３．５ ｍ，壁厚２４ｍｍ， 钢护筒底标高为一４４．０００ ｍ［１］，南塔基础一般构造见 层厚２４．１０－２６．９０ ｍ。 图１。 该段①一１层为全新统淤泥质粉质粘土，局部粉质 本桥位处水位受长江径流与潮汐复合影响，每ｄ涨 砂：ｔ，流塑状，工程地质条件极差；①一２层全新统松 落两次。１ １月份时，高潮位时水位标高为２．６００～３．０００ 散一．中密状粉细砂为可液化土层，工程地质条件极差； ｍ，低潮位时为１．４００～１．８００ ｍ，潮差一般为１．０～１．２ ｍ， ②一１层稍密～中密状粉砂、细砂为可液化土层，工程地 为非正规半日潮。涨潮历时３个多ｈ，落潮历时８个多ｈ。 质条件差；②一２层中密一密实状粉细砂，局部为可液化 南塔墩位于长江南侧深水域，地层江域受长 土层，厚度大，层位稳定，工程地质条件一般；②一２层粉 江冲刷作用较大，上部地面起伏较小，地面标高 质粘土，软塑～流塑，为软弱土层，工程地质条件差；上 一１５．８２０— １７．９６０ ｍ；下伏基岩面也较平缓，基岩顶 更新统④一２层粉细砂，分布稳定，呈密实状，工程地质 面标高一４２．２２０—．４３．４５０ ｍ，与地面较为一致，覆盖 条件良好，但土层较薄，其上覆土层侧摩阻力不大。下 伏基岩地层为白垩系葛村组砂岩、砂砾岩和泥岩，基岩 收稿日期：２０１３—０４—１７ 作者简介：许垒（１９８１一），男，河南开封人，工程师。ｅ—ｍａｉｌ：０３０１２６２８＠１６３ 面较平缓，分布稳定，岩石强度高，无明显断裂形成的 破碎带，裂隙不甚发育，工程地质良好，为较理想的桩 ・８２８・ 建筑技术 第４４卷第９期 基持力层，具体地质构造见表ｌ闭。 表１塔桩基具体地质构造 土层 层底高程／ｍ 土层厚度／ｍ 层底深度／ｍ 淤泥质粉质粘土 －１９．１２Ｏ ２．ｏ０ ２．ｏ０ 粉砂 －３９．１２０ ２０．００ ２２．０ｏ 细砂 －４３．２２０ ４．１Ｏ ２６．１Ｏ 弱风化砂岩 －４８．９２０ ５．７０ ３１．８Ｏ 微风化砂岩 －５９．９２０ １１．ＯＯ ４２．８０ 微风化砂砾岩 －６５．１２０ ５．２０ ４８．００ 微风化砂岩 －６９．６２０ ４．５０ ５２．５０ ２施工难点及解决方法 ２．１施工难点 （１）南主墩基础桩基为直径３．２～２．８ ｍ的变截面钻 孔灌注桩，桩基入岩达１７ ｍ，钻孔施工难度大。 （２）桩位地质条件复杂。南主墩处特殊岩土主要 为软土和膨胀性岩土，不良地质作用主要有岸边坍塌 和砂土液化；软土层厚１．００～ｌ３．９０ｍ，具有含水量较高、 孔隙比大、压缩性高、强度低、灵敏度高、工程地质条件 差等特征。 （３）采用传统的泥浆护壁钻进需建造泥浆池或租 用泥浆船，污染环境且费用较高。 ２．２解决方法 针对钻孔难度大的问题，采取以下措施。 （１）采用大功率、大扭矩的ＫＰ３５００型全液压转盘 式钻机，该机是转盘带动钻具旋转进行钻进的回转式 钻机，采用钢轮行走，全液压驱动，四泵双马达组成恒 功率驱动回路，由液压缸代替卷扬机，钻机最大钻孔深 度达１２０ｍ，最大输出扭￣Ｅ２１ｏｋＮ・ｍ，起重量大（可达 １ ２００ｋＮ）、速度快、升降平衡，必要时还可加压钻进。 （２）采用大直径大刚度钻杆。钻杆直径３２５ ｍｍ， 壁厚２５ ｍｍ，可有效克服因钻杆刚度不足而造成的钻 头摆幅过大，钻进效率低，钻杆易折断等现象。 （３）集中供应压缩空气。压缩空气经调压风包稳 压后供应给钻机，始终保持较为稳定的气压，可避免单 机直接供应气压不稳定而造成的钻渣堵塞钻杆等事 故，提高钻孔效率。 鉴于南主墩特殊的地质条件，为避免不良地质对 钻孔桩施工进度的影响，采用内径３．５ ｍ、壁厚２４ ｍｍ的 钢护筒进行护壁。钢护筒材质￣Ｑ３４５ｃ，底标高为—４４．ｏｏｏ ｍ，顶标高为７．０００ｍ，单根长度为５１ ｍ，重约１１０ｔ。钢护 筒在成桩后参与结构受力。 目前，国内已建或在建的大型跨江、跨河桥梁桩基 施工中，由于水下未知因素较多，大都采用钢护简作为 导向，能稳定孔壁，防止塌孔。对桩基较长的大型桥梁， 钢护筒嵌入持力层的长度有限，施工护筒底标高以下 的桩基时，几乎所有桥梁均采用泥浆护壁。本＿［程南主 墩钢护筒深入泥面以下约２６ ｍ．且深入微风化砂岩平 均１．１５ ｍ，标高一４４．０００ｍ以下为微风化砂砾岩和微风 化砂岩，稳定性好、岩石强度高，为清水钻进提供了基 本条件。 ３施工过程 南塔墩基础位于主航道南侧河床变坡上，为淤泥 质粉质粘土及其下的粉细砂，启动流速小，很容易被冲 刷掉。针对此特点，参考多个大型水上桥梁基础施ｌ丁经 验。南塔基础施工采用以钢护筒为主要承重结构，钢管 桩受力为辅的高桩平台方案。即先采用浮吊打设钢管 桩搭设刚度强大的起始平台，然后以起始平台为依托 安装大悬臂导向架施振钢护筒，再以已沉放的钢护筒 为依托沉放剩余钢护筒，步步为营向前推进，直至完成 整个钢护筒的施工。最后施打边桩，形成整个钻孔钢平 台。钢护筒下放过程中平联安装施工同步进行。 ３．１钢护筒沉放 钢护简采用移动式导向架定位并作为导向，用振 动锤施振下沉。 ３．１．１钢护筒定位导向架 移动悬挑式定位导向架为钢桁架结构，其长度为 １７．６５ｍ，宽６．０ｍ，用起重船吊装移位，锚固在已完成的 起始平台或已沉放的钢护简顶口上。在导向架前端设 置２层（层距１０．０ｍ）的上下导向定位装置，导向装置内 设有用于钢护筒定位、施沉过程中纠偏、调整的液压千 斤顶和锁定装置。 ３．１．２钢护筒沉放 （１）导向架就位：放出导向架的平面位置，导向架 就位并调整垂直度。导向架上口采用手拉葫芦与平台 成３０。在四个方向固定。上层导向架与平台间采用螺栓 或焊接连接，下层导向架与平台上、下层平联焊接固 定。 （２）钢护简起吊及就位：用起重船吊起钢护筒，采 用两个主钩，钢护筒被吊起后一钩起钩，同时另一钩下 落，实现钢护筒由水平变垂直。打开导向架的开口销， 钢护筒缓慢进入导向架内，安装锁口拉杆，将钢护筒缓 慢下放，直至入泥稳定，钢护筒下沉稳定后才能脱钩。 为避免钢护筒发生吊装变形，采用捆绑式吊装方法（图 ２）。 （３）振动锤安装及振动下沉：安放振动锤时，将液 压钳对位后夹住护简，缓慢松钩，测量垂直度，进行点 ２０１３年９月 许垒，等：南京长江第四大桥南主墩钻孔桩施工技术 ・８２９・ ２ 钢护简捆绑起吊 （ａ）起吊过程１；（ｂ）起吊过程２ 振。观察护筒垂直度和平面位置，直接施振下沉到位。 当护筒顶口接近导向架上龙口时停振，将上龙口移开， 再启动振动锤，直至达到设计标高位置。 （４）钢护筒下沉精度控制 ：采用大刚度悬臂式导 向架进行钢护筒定位，导向架用大型钢箱梁制作且与 起始平台或已振钢护筒焊接，形成刚度强大的空间定 位框架。上下定位框相距１０ｍ，每个定位框四个方向均 设有千斤顶调整空间位置，先测量定位下口定位框，垂 直吊入钢护筒，通过经纬仪或全站仪控制护筒的垂直 度，再顶紧调整上定位框四周的千斤顶，通过两点确定 一条直线，再缓慢下放钢护筒，确保钢护简的垂直度。 选择流速较小的时间段定位钢护筒，对钢护筒全过程 进行测量观测，发现异常即停止下沉，利用起重船拔起 钢护筒重新施振。 ３．２护筒区平台 护筒区平台基础由４８根￣３５４８ｘ２４的钢护筒、１７根 １ ０００ｘ１２的辅助钢管及６根￣１５００ｘ１８辅助钢管桩组 成，平台自下而上依次为：平联 ６００×８ 轨道支撑梁 ２ＨＭ５８８及钻机轨道梁ＨＭ５８８ 轨道梁上铺设面网作 安全防护。 ３－３成孔施工 因钻孔桩孔距较近（中心距最小６ｍ），为防止钻孔 及浇混凝土时出现串孔．钻孔桩须严格按隔孔施工的 原则安排，钻孔桩混凝土浇完４８ ｈ后，相邻桩才可以开 钻。 ３．３．１钻机定位 钻机安装前，测量钢护筒的偏位情况、倾斜度及倾 斜方向，为钻孔施工提供依据。钻机及其部件在起始平 台上拼装成整体，利用浮吊整体吊装就位，倾斜钻架将 钻头、风包钻杆及配重的组合件吊入孔内。钻机初次就 位后，用全站仪放出桩位中心，根据测量结果调整钻机 中心位置，同时调整钻机底座平整度，调至钻机垂直度 偏差不大于１／２００、平面位置偏差不大于２ ｃｍ。为保证 钻进过程中不产生位移，钻机定位完毕立即将其与平 台焊接固定。 钻机利用自身的卷扬系统安装钻杆。安装前应编 号并测量钻杆实际长度，作为计算成孔孔深的直接依 据。 ３．３．２钻进成孔 南主墩钻孔桩采用江水补给、清水钻进的气举反 循环施工工艺，清水钻进不需租赁泥浆船或设置泥浆 池，利用江水为补给水源。钻渣专１］处理，以减少对环 境的污染。 （１）补水工艺：在护筒上开一个４０ｅｍｘ４０ ｃｍ的方 口，作为钻孔施工时的补水口，补水口处于低潮位以下 ｌｍ，以确保补水连续。采用此方法的好处是将长江作 为钻孔施工用水的补给源，比较稳定，也避免了循环水 造成小颗粒钻渣回流的现象，可确保清孔彻底。从钢护 筒内排出的水经泄渣槽通过清除岩石小颗粒等净化措 施后排回江内，可避免护壁泥浆污染环境，并节约成 本。 （２）清水钻进分为护筒内钻进和岩层内钻进两个 阶段。 钻机就位后先进行护筒内的钻进，选用直径３．２ ｍ 的滚刀钻头，外圈设钢丝刷，由于有护筒防护，护筒内 地层可采取高转速钻进。 岩层内钻进是采用反循环减压，在护筒底口附近 慢速钻进，形成稳定孔壁，每ｈ进尺控制在０．３～０．８ ｍ，直 至钻进至标高一４７．０００ ｍ处再次提钻，更换直径２．８ Ｉｎ的 滚刀钻头。按上述程序继续钻进至成孔。 ３．３．３第一次清孔 终孔后应及时清孔，将钻头提离孔底３Ｏ～５０ ｃｍ，缓 慢旋转钻头反循环清孔。提升钻头检测孔底沉渣厚度， 小于５０ ｍｍ即满足设计要求［３］。 ３．３．４成孔检测方法 成孔后进行孔径、孔深、垂直度及沉渣厚度检测， 采用ＤＭ ６０４超声波测孔仪测量孔径，垂直度依靠超声 脉冲发射和接收的时间差，测出传感器与孔壁间的距 离，记录仪在纸带上连续绘制出孔壁形状和孔中心偏 斜情况。这种方法操作简单，效率较高，能就地提供高 精度的钻孔形状资料，有助于改善钻孔质量、缩短工作 时间。降低工程费用。 超声波测孔仪和测锤配合检测钻孔桩孔径、倾斜 度和沉渣厚度，满足要求后安装钢筋笼灌水下混凝土。 ３．４成桩施工 钢筋笼单重约３７ ｔ，长５８．４２ ｍ，主筋采用虫３２ ＨＲＢ３３５钢筋，２根并排布置，在距桩底１ｌｍ单根间隔布 置，内部每２ｍ用 ３２钢筋设置１道加劲箍，螺旋筋为（｛）１０ 钢筋，主筋间接头采取滚轧直螺纹形式。钢筋笼分成５ ・８３０・ 建筑技术 第４４卷第９期 节运输，现场拼装连接，利用浮吊接高及下放。 钢筋笼全部安装到位后，用长８．５ ｍ长的吊筋将桩 钻头；（２）钻头经过岩层分界面时相邻岩层强度差别较 大，操作中未及时根据地质情况调整钻头行程；（３）未 基结构钢筋笼接长至护筒口，用型钢将钢筋笼固定在 及时焊补钻头，钻孔直径逐渐减小，焊补时超限，钻头 护筒上，以承受钢筋笼自重和防止混凝土浇筑过程中 钢筋笼上浮。 ３．４．１二次清孔 钢筋笼安装到位后即下放混凝土导管，检测孔底 沉渣。若沉渣厚度不满足设计要求，可在导管内下风 管，用空压机气举反循环进行二次清￣Ｌｔ４］。清孔结束拆 除吸泥弯头，开始浇筑水下混凝土。 ３．４．２混凝土浇筑 单根钻孔桩的混凝土理论方量约５００ ｍ 。混凝土 通过２台６０ｍ３／ｈ拖泵泵送至平台上的大集料斗内，再经 溜槽进入小料斗和导管进行灌注。 ３．５施工控制及问题处理 ３．５．１垂直度控制 垂直度是钻孔桩施工质量的重要指标，也是钻孔 施工中的最大难题。影响垂直度的原因有：（１）钻机底 座位移或不均匀沉降，使钻杆未保持铅直状态；（２）钻 杆自身刚度差，杆壁薄、重量轻，钻进中挠度过大，钻头 自由摆幅过大；（３）钻杆自身弯曲，造成钻头摆幅过大 形成斜孔。 针对以上原因，采取如下处理和预防措施。 钻前预控措施为：（１）钻机就位，固定钻机，防止钻 机作业时位移或不均匀沉降；严格控制转盘中心、钻头 与桩中心重合；（２）采用大直径大刚度钻杆，钻杆直径 ３２５ ｍｍ，壁厚２５ ｍｍ，可克服因钻杆刚度不足而造成的 钻头摆幅过大、钻进效率低、钻杆易折断等现象；（３）钻 杆使用前检查杆体和法兰，变形的钻杆须进行修复或 淘汰。 钻进中控制措施为：（１）采用大配重减压钻进，始 终采取重锤导向减压钻进（钻压小于钻具重量的８０％， 即吊钻）、中低速钻进，严禁大钻压高速钻进，以减小钻 具的自由变形长度，使钻具在重力作用下始终保持垂 直自由状态；（２）以精密水准仪控制钻盘水平，钻进时 间超过６ ｈ或怀疑钻机歪斜时均应重新对底座进行检 测调平；（３）按地质资料对钻进参数进行分层控制，不 同地层采用不同的钻速、钻压和泵量 ，以保证成孔垂 直。 采取上述措施后，钻孔桩桩中心偏差值 ＝一８５．８ ｍｍ，ａｙ＝一３６．７ｍｍ，桩身最大垂直度偏差仅为１／４９７，远 小于设计及规范要求。 ３．５．２ 卡钻 卡钻原因为：（１）坍孔、落石或工具掉进孔内，卡住 下放太猛发生卡钻；（４）护筒底部出现卷口变形，钻头 卡在护筒内或护筒底部。 处理措施为：（１）对坍孔产生卡钻，可用压缩空气 管或高压水管下入孔内，对卡钻处适当冲射一段时间， 然后缓慢旋转钻机，待卡点松动后再提出；对落石或工 具，先探明障碍物位置，优先使用打捞钩进行打捞，若 不能捞出可用小钻头冲击障碍物，将其打碎或压进孔 壁；（２）对因钻头穿过岩层突变处导致的卡钻，优先采 用水下爆破的方法进行处理［５／；（３）将钻头缓慢旋转再 上提，若钻头卡死可借助卷扬机或大型浮吊上提：（４） 拆除１～２节钻杆，临时固定剩余钻杆，放倒钻架，利用浮 吊将钻杆上下左右移动。直至钻头松动。 ３．５．３掉钻 掉钻原因为钻杆与钻杆或钻杆与钻头间的连接承 受不了扭矩或自重，使接头脱落、断裂或钻杆断裂。 预防及处理措施为：（１）加强接头连接和钻杆质量 检查，对焊接部位进行超声波检测，每使用一次全面检 查一次，避免使用有裂纹或质量不过关的钻具，采用中 低压中低速钻进，严禁大钻压高速钻进，以减小扭矩； （２）根据以往经验，如果钻杆较长（５ ｍ以上，钻具倾 斜），采用偏心钩打捞的速度快，成功率高；如果钻杆较 短，采用特制的三翼滑块打捞器打捞，效率较高，成功 率高。 ４结语 经检测，本工程钢护筒平面偏位、钻孔桩平面偏 位、孔深、孔径及二次清孔沉渣厚度均达到专项质量检 验评定标准规定，桩身检测全部合格，均达到了Ｉ类桩 标准。由于采用先进的施工机具设备和施工方案，并对 施工中出现的常见质量事故加以预防。保证了施工质 量、进度和安全，经济社会效益明显。 参考文献 ［１】孟凡超，周山水，等．南京长江第四跨江大桥施工图设计（第二分册 主塔及过渡墩）【Ｍ】．北京：中交公路规划设计院有限公司，２００８． ［２】李友龙．南京长江第四大桥施工图设计阶段工程地质勘察报告（南 主墩）【Ｍ］．南京：江苏省水文地质工程地质勘察院，２００８． ［３】ＪＴＪ ０４１－－２０００，公路桥涵施工技术规范【Ｓ］． 【４１张志华．大直径灌注钻孔桩的水上施工技术饥．建筑技术，２００９，４０ （３）：２１２－２１４． ［５】张秋陵．钻孔灌注柱施工常见问题及处理方法【Ｊｌ＿公路交通技术， ２００７．６：７７—７９．