复杂地质条件下桥梁桩基施工工艺研究成果报告

郭建彭

0 概述

1）任务的来源及研究依据

江北高速公路第三标段位于湖北省荆州市江陵县起讫里程K39+373.55～K54+000，全长16.606Km。项目所在区域为江汉河湖冲洪积平原区，地势平坦，地面起伏较小，属长江以及阶地河湖冲洪积平原区地貌单元，经过河湖长期堆积形成的平缓开阔地形，植被发育，主要以水稻等农作物为主，鱼塘、灌溉水渠及沟渠较为发育。软土成因体可按河流、沟渠底部及其附近和长江一级阶地冲湖积平原两种类型。

软土分布广泛，冲湖积成因，岩性为淤泥及淤泥质土，软塑～流塑状态，均匀性差，局部夹粉土、粉砂及粘性土薄层，呈厚层状、多层或透镜体状分布，主要分布于鱼塘、沟渠底部及附近和长江一级阶地冲湖积平原及其附近区域。该地区桥梁桩基施工复杂，主要是因软土地基，对于桩基施工容易造成坍孔、缩径、偏孔等施工问题。因此，在复杂施工环境中如何保证桩基施工质量，提高施工进度，是值得重点研究的课题。

2）研究的目的及意义

我国长江中下游地区湖泊多，降雨较多，地下水丰富，水量较多。河湖冲积平原，表面覆盖较薄的土层，地下地质条件复杂。长江中下游地区多为重要的粮食产区，为了保护基本农田，今后在此种地区多以建设高架桥为主，节约土地资源。桩基础又是主要的基础形式，在遇到此类复杂地质段如何进行施工，降低质量问题，避免质量事故，以上各种技术的综合应用，在确保证施工质量的前提下，加快了施工进度，节约了施工成本，同时为今后类似工程施工提供了参考依据。

3）主要研究内容及方法

（1）主要研究内容

①选用合适的钻孔机械，采用反循环钻机施工。

反循环钻机施工，可以大大提高施工效率，减少清孔时间，缩小坍孔、偏压等不利因素影响。

②采用优质材料形成护壁，选用优质粘土或膨润土造浆。

泥浆选用优质粘土或膨润土造浆。泥浆指标采用：比重为1.1～1.30，粘度16～22s，PH值大于6.5，含砂率不大于4%，胶体率不小于95%，对不同的地质条件可适当调整泥浆比重。采用适合的泥浆能够更好保护钻孔，提高成孔和成桩质量。

③控制钻进速度，根据不同地层，不同的地质条件采用不同钻机速度，保证一次成孔。

④做好施工组织，工序施工紧密衔接。

（2）研究方法

①制定详细研究实施计划，收集国内外相关资料，实行项目责任制，加强协调，开展科学讨论，实行动态管理。

②以新口特大桥桩基道施工为背景，根据研究内容开展理论、试验和数据分析研究。

③资料查询、专题调研，制定本课题切实可行的工作计划。

④在掌握现有技术的基础上，不断进行改进，提高桩基施工成桩质量。

⑤以现有施工控制理论和控制技术为基础，进一步对施工现场的技术数据核查、数据分析整理、不断优化施工技术。

1 关键技术

1.1 工程状况与影响施工的因素

新口特大桥中心里程为K48+906.885，位于江陵县白马寺镇西河村，属于江陵东互通主线部分，起点桩号为K47+676.595，终点桩号K50+137.175，全长2460.58m。

下部结构桥台采用肋板式桥台，墩柱采用柱式墩，墩台采用桩基础。墩台桩径分别为Ф1.2m、Ф1.5m、Ф1.8m，

1）地形、地貌、地质构造

桥址区位于江陵县白马寺镇新渊村-新口村-双河村，属河湖冲击平原地貌，地形平坦。桥梁跨越脱马渠、立新渠等多条沟渠，桥位轴线地面高程一般25.00～28.50m。广种有农作物；桥址区有乡村路通行，交通较便利。桥址区隶属于扬子准地台两湖断拗江汉断陷三级构造单元的江陵凹陷（II21-3）四级构造单元，桥址区内地表无明显断裂构造迹象，地质构造发育简单，适宜桥梁建设。

2）水文气象

本项目建设区域地处中纬度区，属北亚热带季风湿润气候区，具有四季分明，热量丰富，光照适宜，雨水充沛，雨热同季，无霜期长等特点。春季天气易变，雨量增多，冷暖空气交替往复，形成阴雨连绵的气象；夏季气候闷热，为我国南方高温中心之一，且雨量集中，易发洪涝，盛夏多伏旱；秋季气温下降较快，晴多雨少；冬季寒冷少雨，时有冻害，偶有大风雪。全年日照时数1827～1897 小时，全年均降水量992.9～1331.1 毫米。年平均风速2.1～3.0m/s，最大风速22 m/s。

（1）地表水

沿线河网密布，沟渠纵横，地表水体主要有脱马渠、立新渠等多条沟渠，彼此相通或相连，相互间均与长江具有较密切的水力联系，主要接受大气降水及长江水的补给，水位随季节动态变化明显。

（2）地下水

根据项目区含水层介质及地下水类型赋存条件不同，路线区域地下水类型主要分为上层滞水、第四系堆积层孔隙潜水、第四系堆积层孔隙承压水为主。

3）地层岩性

桥址区地基土层主要为第四系人工填土、第四系全新统冲～淤积成因的（淤泥质）粘性土（Qal+1）、粉土（Q4al）及粉砂（Q4al）。

1.2 工程的难点和重点

在冲积平原进行桥梁桩基施工，由于地层较软，土颗粒较小，地下水位高，地层稳定性差，施工难度较大。

该桥采用反循环回旋钻机成孔，泥浆护壁，换浆法清孔，吊车下放钢筋笼，导管法灌注水下混凝土。

因此，搭设钻机平台、钻进成孔和水下混凝土灌注是施工中的重点和难点。

1.3 施工方案

根据本标段的地质情况，钻孔灌注桩主要采用反循环回旋钻机成孔，泥浆护壁，换浆法清孔，吊车下放钢筋笼，导管法灌注水下混凝土。

施工工艺见图1。

1）施工准备

施工前，先熟悉设计图纸，复核桩位、标高等。修筑施工便道，平整场地，挖设临时排水沟等。

2）测量放样

施工准备工作完成后采用全站仪，放出施工桩位，采用木桩做好标示，经监理工程师确认后进入下一道施工。

3）护筒埋设

钢护筒采用δ=8mm的钢板制作，护筒直径大于孔径0.4m。护筒顶宜高出施工水位或地下水2.0m，并高出施工地面0.3～0.5m，钢护筒四周用粘土夯实。

4）钻机安装

旱地桩时平整、加固处理地面，在钻架下部支点处垫设方木或钢板，以扩散对地面应力。水中桩时钻机直接安放于平台上。钻机就位时保持底盘平稳、钻架直立、钻头中心对准桩位中心，并将钻架可靠固定。确保在钻进过程中不发生倾斜和位移。

5）泥浆制备

泥浆选用优质粘土或膨润土造浆。本工程泥浆指标采用：比重为1.1～1.30，粘度16～22s，pH值大于6.5，含砂率不大于4%，胶体率不小于95%。对不同的地质条件可适当调整泥浆比重。

6）钻进成孔

钻机就位前，对主要机具及配套设备进行检查、维修，底架应垫平，保持稳定，不得产生位移和沉陷。钻机钻杆，应在同一垂直线上，钻杆中心与护筒中心偏差不得大于5cm，保持钻孔垂直。

钻孔前，按设计所提供的地质、水文资料绘制地质剖面图，挂在钻台上。针对不同地质层选用不同的钻头、钻进压力、钻进速度及适当的泥浆比重。

开钻前，应在护筒内存进适量泥浆，开钻时宜低档慢速钻进，钻至护筒下1米后再正常速度钻进。在砂土等土层钻孔时，宜采用低速、轻压钻进，同时提高孔内水头和加大泥浆比重。

钻进过程中及时滤渣，同时经常注意地层的变化，在地层的变化处捞取渣样，判断地质类型，记入记录表中，并与设计提供的地质剖面图相对照，钻渣样编号保存，以便分析备查。

钻孔作业保持连续进行，不中断。

当钻孔深度达到设计要求时，对孔深、孔径、孔位和孔形等进行检查，确认满足设计要求后，立即填写终孔检查证，并经驻地监理工程师认可，方可进行孔底清理和灌注水下混凝土的准备工作。

7）终孔

终孔检查项目：地质确认，孔径、孔形、垂直度检查，用笼式检孔器；孔深和孔底沉碴厚度检查，用测绳配测锤；桩位检查，用全站仪测放桩位中心。

8）清孔

钻孔至设计高程后进行清孔。清孔采用泥浆置换法清孔。采用优质泥浆正、反循环换浆，直到达到规范规定的清孔质量标准。孔径、孔深不小于设计值；孔位中心偏差不大于50mm；倾斜度不大于1%；灌注混凝土前孔底沉碴厚度满足规范要求。

9）钢筋笼的制作与安装

（1）制作

钢筋笼在钢筋场集中分节制作。每节最大长度控制在9m以内，接头错开，用箍筋成型法成型。

（2）安装

吊装入孔位采用吊车进行，见图3。在孔口机械连接接长，钢筋骨架上端焊接钩和横撑，固定在钻机座上，保证骨架上下位置及水下混凝土施工时不上浮和下落。钢筋笼采用箍筋成形法集中分节制作，接头相互错开，外观必须顺直，不得扭曲变形，焊接、绑扎必须牢固。钢筋笼所用钢材有产品合格证和现场抽检复查资料，满足有关规范要求。制作安装时主筋接头按规范规定错开。采用机械连接接头时，在施工时现场取样做接头试验。钢筋笼加工确保主筋位置准确。钢筋保护层可在钢筋笼外侧设置耳环筋。按设计要求设置声测管。采用吊车下放钢筋笼，在孔口机械连接接长。钢筋骨架上端焊拉钩和横撑固定于孔口，当桩身混凝土初凝后，解除固结设施。

10）水下混凝土灌注

水下混凝土灌注是保证钻孔桩质量最重要、最关键的工序。灌注导管采用Φ300mm的快速卡口垂直提升导管。导管使用前组装编号，并进行接头抗拉试验和水密性试验，保证接头牢固、严密、不漏水。

下放导管时小心操作，避免挂碰钢筋笼。导管安装的长度建立复核和检验制度，避免因误装造成断桩。

水下混凝土灌注前，再次检查沉碴厚度，如不合格，进行二次清孔，合格后立即开始灌注混凝土。

混凝土选定适当的混凝土配合比，粗骨料选用碎石，粒径为5～25mm，砂为级配良好的中砂，采用普通硅酸盐水泥，含砂率为40%～45%。坍落度为18～22cm，掺加适量的缓凝剂，延长混凝土的初凝时间。

混凝土在混凝土集中拌和站生产供应，由混凝土罐车运输至桩位处，汽车起重机配合灌注。

首批混凝土灌注量必须保证导管埋深不小于1m，导管距孔底的高度控制在30cm以内。

混凝土灌注过程中，注意观察管内混凝土面下降和孔内水位升降情况，及时测量孔内混凝土面高度。导管埋置深度要适当，埋置深度控制在2～6m的范围内。

水下混凝土灌注要快速、连续不间断地进行，灌注标高比设计桩顶超灌0.5～1.0m，以便凿除桩头浮浆，确保桩身混凝土质量。

11）检测

（1）终孔、清孔后检查均应符合规范要求。成孔检查项目：孔形检查用检孔器；孔深和孔底沉渣检查，用测锤检测。桩位、墩台中心、纵横向中线用坐标法检测。成孔质量必须小于允许偏差。

（2）按规定制作混凝土试件，检查桩混凝土强度。

（3）按规定对桩进行无破损检测，必要时钻芯进行检查。

12）桩基特殊地质处理

（1）概述

根据地质资料报告，桩基所处地层存在有粉砂、细砂、中砂等地层，下部土层也少量存在软塑土层，工程性质较差；同时地下水较丰富，易形成流砂、流泥、涌水而引起坍孔。

（2）对于埋深较浅则采用在钻孔过程中护筒跟进的方法。

13）常见问题处理措施

在钻机钻进过程中的常见问题及处理措施有以下几个方面。

（1）钻不进，钻进速度缓慢

原因：粘钻现象；与坚硬岩石；钻头磨损严重。

措施：首先提升钻头空转一段时间，再下落钻进，如果仍不能符合进尺要求，提出钻头，检查其磨损情况，清除粘泥，适当放慢钻速，如果遇到较硬岩石进尺缓慢，说明原钻头已不适合，需要更换钻头或对钻头加以改造。

（2）塌孔

现象：在钻进过程中如果发现井孔护筒内水（泥浆）位忽然上升溢出护筒，随即下降并伴有气泡冒出，出渣量明显增加而没进尺，钻机负荷显著增加，应怀疑是塌孔现象。

原因：泥浆性能不符合要求；护筒底脚周围漏水；孔内水位降低；施工操作不当；在松软沙层中钻进，进尺太快。

措施：首先应查明原因，采取措施以防继续塌孔。对少量塌孔不再继续坍孔的，可恢复正常钻进。坍孔不严重，可回填土到塌孔位以上，并采取改善泥浆性能、加高水头、埋深护筒等措施，继续钻进；坍孔严重时，立即将钻孔全部用砂土或砾石土回填，无这些土类，采用粘土并掺入5%-8%的水泥砂浆，等待数日，等回填土沉实后，重新钻孔。坍孔部位不深时，可采用埋深护筒法。

（3）卡钻，掉钻头

原因：钻锥磨损严重为及时焊补；遇到探头石或孔内掉入物件。

措施：采用小锥冲击或者用冲、吸的方法将钻锥周围的钻渣松动后再提出，切记不可强提。掉落钻物应迅速用打捞叉、钩、绳套等工具打捞。如果落体已被泥沙掩埋，要先清泥沙，使打捞工具能接触落体后打捞。钻锥断入孔内时，首先采用正循环，加大泥浆浓度巩固护壁，然后打捞，打捞无效时，尽快找有经验的打捞队伍，不能耽搁太长，以免塌孔。

（4）砂层局部坍孔埋钻

现象：本标段所处地质基本情况是上部粘土下部以粉砂石层为主。标段内桩基往下钻进穿过粉砂层，在扫孔过程中，常常会出现孔壁局部坍孔，致使钻头被埋。

措施：将导管做成空气吸泥机后，插入孔内，先投入一定量的锯末，然后投入膨润土，循环泥浆，泥浆粘度调到25s，泥浆面比水面高出1m左右，待孔内泥浆面稳定了以后，下插导管抽出塌下的乱石，由于乱石直立性差，导管只在一个点便将大部分乱石抽出，使钻盘恢复转动，钻头能够提升。

（5）孔底沉淀超标

原因：清孔或钢筋笼下完后，由于换浆的时间及浓度掌握不好，或受安装钢筋笼的影响，可能会出现过量的沉淀。

措施：当沉淀量超标过大时，要重新清孔。当沉淀量超标较小时，可用空压机风管对孔底进行扰动，是使孔底残留沉渣处于悬浮状态，并立即进行混凝土浇注。必须注意将风管放入孔底后再开机进行扰动，且扰动时间不宜过长。

（6）灌注水下混凝土时，导管出现问题

在灌注水下混凝土时，导管可能会出现进水、塞管、埋管等问题。

导管进水：

导管进水分初灌导管进水和中期导管进水。

初期导管进水原因：由于首批混凝土储量不足或导管底口距孔底的间距过大，混凝土下落后不能埋没导管，造成泥水从底口进入。

处理措施：立即将导管提出，并将散落在孔底的混凝土拌合物用反循环钻机的钻杆通过泥浆泵吸出，或者用吸泥机及抓斗清出，不得已时需要将钢筋笼提出采取复钻清除；然后重新下放骨架，导管并投入足够量的首批混凝土或改正操作工艺，重新灌注。

中期导管进水原因：在混凝土灌注过程中，由于导管接头不严，接头间橡皮垫被导管高压气囊挤开，或焊缝开裂，水从接头或焊缝中流入；导管提升过猛，或测深出错，导管底口超出原混凝土面，发生中期导管进水。

处理措施：拔换原管重新下管。在操作中必须用潜水泵将管内的水抽干，才可继续灌注混凝土。同时为防止抽水后导管外的泥水穿透原灌注混凝土从导管底口翻入，导管插入混凝土内应有足够的深度，一般宜大于200cm。由于潜水泵不可能全部抽干，续灌的混凝土配合比应增加水泥量，提高稠度后灌入导管内，灌入前将导管进行小幅度抖动或挂振捣器予以振动片刻，使原混凝土损失的流动性得以弥补。以后灌注的混凝土可恢复正常的配合比。

若混凝土面在水面以下不很深，且未初凝时，可将导管拔出，用吸泥机或潜水泥浆泵将原混凝土拌合物表面的沉淀土全部吸出，将装有底塞的导管压重插入原混凝土拌合物表面下2.5m深处，然后在无水导管中继续灌注。灌注时，将导管快速提升0.5m，继续灌注的拌合物即可冲开导管底塞流出。

（7）塞管

塞管分初灌导管堵塞和中期导管堵塞。

初灌塞管原因：初灌塞管多因隔水栓卡管，有时也可能由于混凝土本身的原因，如坍落度过小、流动性差、夹有大卵石、拌合不均匀，以及运输途中产生离析、导管接缝处漏水、雨天运输混凝土未加遮盖等，使混凝土中的水泥浆被冲走，粗集料集中而造成导管堵塞。

处理措施：可用长杆冲捣管内混凝土，用吊绳抖动导管，或提升导管迅速下落振冲，或用钻杆加配重冲击导管内混凝土，或在导管上安装附着式振捣器。如仍不能下落时，则须将导管连同其内的混凝土提出钻孔，进行清理整修（注意切勿将导管内的混凝土落入井孔），然后重新吊装导管，重新灌注。一旦有混凝土拌合物落入井孔，需将散落在孔底的拌合物粒料等予以清除。

中期导管堵塞原因：多因灌注时间过长，表层混凝土已经初凝产生；或因某种故障，混凝土在导管内停留过久而发生堵塞。

处理措施：将导管连同堵塞物一齐拔出，若原混凝土表层尚未初凝，可用新导管插入原灌拌合物内2m深，用潜水泵下入导管底部，将底部水泵出，再用圆杆接长的小掏渣桶下入管底，升降多次将残余渣土掏除干净，然后在新导管内继续灌，但灌注结束后，此桩应作为断桩予以补强。

当灌注时间已久，孔内首批混凝土已初凝，导管内又堵塞有混凝土，此时应将导管拔出，重新安设钻机，利用较小钻头将钢筋笼以内的混凝土钻挖吸出，用冲抓锥将钢筋骨架逐一拔出。然后以黏土添砂砾填塞井孔，待沉实后重新钻孔成桩。

（8）埋管

原因：导管埋入混凝土过深，或导管内外混凝土已初凝使导管与混凝土间摩擦力过大，或因提管过猛拉断。

处理措施：若埋管事故已经发生，初凝时可用链滑车、千斤顶试拔，如仍拔不出，凡属并非混凝土初凝流动性损失过大的情况，可插入一直径稍小的护筒至已灌混凝土中，用吸泥机吸出混凝土表面泥渣，派遣水工下至混凝土表面，在水下将导管齐混凝土表面切断，拔出小护筒，重新下导管灌注。此桩灌注完成后，上下断层间应予以补强。若桩径较小，潜水工无法下去工作时，可在吸出混凝土表面泥渣后，采用输送管直径100-150mm且水下连接一段钢管的混凝土泵，泵送余下的混凝土桩身。

（9）灌注水下混凝土时钢筋笼上浮

原因：钢筋笼上浮主要原因是由于混凝土表面接近钢筋笼底口，导管底口在钢筋笼底口以上2m时，混凝土浇筑的速度过快，使混凝土下落冲出导管底口向上反冲，其顶托力大于钢筋笼的重力所引起的。

处理措施：将钢筋骨架顶端焊固在护筒上，或适当减少钢筋笼下端的箍筋（指下端两米范围内），或将钢筋骨架中的4根主筋伸长至桩孔底，或在孔底设置直径不小于主筋的1-2道加强环形筋，并以适当数量的牵引筋牢固的焊接于钢筋笼的底部。

当钢筋笼出现上浮时，立即停止灌注混凝土，利用护筒、钻机等设施对其进行控制。当上浮高度较小时，控制住后，放慢速度继续浇注，浇注完成后，会同设计单位对该桩进行验算，对不符合要求的桩按设计要求增加相应的补强措施；当上浮高度较大时，桩的要求远不能满足设计要求，就要将钢筋笼拔出，清孔，重新进行灌注。

（10）短桩

原因：灌注将近结束时，浆渣过稠，用测探锤难以判断浆渣或混凝土面，或由于测探锤太轻，沉不到混凝土表面，发生误测，以致过早拔出导管终止灌注而造成短桩头事故。还有些是灌注混凝土时发生孔壁坍方而未发觉，测探锤或测探仪探头达不到混凝土表面，这种情况最危险，有时会缩短数米。

处理措施：在灌注过程中必须注意是否有发生坍孔的征兆，如有应提前做好防治措施。在桩身测量过程中数据必须准确。灌注将近结束时，加清水稀释泥浆并掏出部分沉淀土。

（11）断桩

原因：

灌注时间长，表层混凝土失去流动性，形成硬盖，二继续灌注的混凝土顶破硬层上升，将混有泥浆砂砾的表层覆盖包裹。

对孔深及导管的埋置深度测量不准，使导管提出混凝土面。

处理堵管事，将导管提升到最小埋置深度，猛提猛插导管，在此情况下有可能使导管内混凝土连续下落与表层的浮浆、泥土相结合，形成加泥缩孔。

当混凝土堵管或严重漏水或埋管拔出导管处理事故后，未能将已灌注的混凝土彻底清除干净。

混凝土灌注过程中出现坍孔，无法进行清理或使用吸泥机清理不彻底，形成灌注中断或混凝土中夹有泥石。

导管发生埋管或导管挂在钢筋骨架上，采取强制提升而造成导管脱节。

施工中没有备用设备，由于机械故障而导致混凝土灌注无法进行。

混凝土灌注中，发生了人力不可抗拒的自然灾害，迫使灌注停止。

处理措施：

浇注时间不长时，混凝土数量不大时，将孔中混凝土及泥浆全部清除干净，重新灌注。

在距地面深度较浅时（小于15m），可用完整钢（钢筋混凝土）护筒的办法，抽干泥浆，凿出新混凝土面，再按无水混凝土浇注至设计标高。对于钢护筒可边浇注边拔护筒。若地质条件许可，在保证安全的情况下，可不加长护筒，清除泥浆及浮渣后直接进行浇注混凝土，新旧混凝土面要进行凿毛处理。

在距地面较深时，应分析原因，采取相应的措施，对于计划重做的桩，要立即拔出钢筋笼，提出导管，重新钻孔，按新孔进行混凝土浇注。

对浇注完成才发现的断桩，要采取补桩的方案。方案要通过计算，并上报有关部门，一般采用扁担桩、压浆补强等方法来处理。

2 结论及建议

随着高速公路的建设，特别是桥梁施工中，桩基础已经成为一种较好的基础形式。桩基础适用于各种地形、地貌，各种地质条件，应用性较强。桩基础由于位于底层中，施工过程中质量检测较为困难，只能在施工完成后一次性检测，质量风险较大。

本项目在桩基础施工时，加强过程控制，注重施工细节，从制浆到灌注，层层把关，提高成孔、成桩质量，除自然灾害的影响未发生桩基质量问题。降低项目施工成本、加快了施工进度，提高了质量保障，取得了显著的经济效益和社会效益。

[责任编辑：杨玉洁]