[文章]：武汉白沙洲大桥主塔泻水桩基础施工

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武汉白沙洲大桥主塔泻水桩基础施工
任回兴    唐兴国
摘要：白沙洲大桥主塔由0#~5#墩组成。其中主塔由2#主墩和3#主墩组成。主墩（主塔）桩基础由40根直经为1．
的群桩构成。桩顶高程+7.20。桩底高程-75,桩长82.20,钻孔深度过102。施工水位+18,水深14,流速2米/秒。主塔基础位于长江主航道上,开工于仲春三月、其施工具有:深水、长桩、渡洪施工深护筒的施工四大特点,在对安全渡洪要求高。施工技术难度大等特定条件下进行的施工,对承前启后的同等条件下施工具有一定的现实意义。
关键词:  白沙洲大桥  主塔  深水桩基础施工
一、  施工方案概述:
主塔桩基施工根据其自然环境和条件,采用深水钻孔工作承台施工法施工,其平台尺寸为:36×24,由30根直经为1.0(L=34)的钢管桩分纵六横五分布于基础位置。以钢性剪刀撑花架作为桩间联系的纵横联,稳定平台整体。以六四军梁为平台承全桁架梁,以大型型钢作为平台顶,底分配梁,以f=5木板作为平台面板。依据河床覆盖层及其地质情况拟定钻孔桩采用深护筒,施工设计其刃脚着床于-10高程为+27。
钢管桩沉打采用组合式25吨浮吊和30吨浮吊分初沉和终沉桩两次完成;钻孔采用150型钻机以泵吸式反循环钻法施工;清孔采用刚性气举式吸泥管法施工;水下砼灌注采用刚性导管法(特别加厚壁导管f=10mm,ф=273mm,水压水密强度 =1.6M)施工;砼采用双向泵法(在墩位纵向两侧设置泵站各一个泵送砼)砼水陆运输罐车交替连续运行;砼拌和站采用两套JS-1500型拌和楼和以保障突发事故下砼的连续性。使灌注桩水下砼施工质量有可靠的保证。
二、  深水钻孔平台施工
深水钻孔工作平台作为桩基施工的水上基地,其安全、稳定性十分重要。作为施工动、静载的承力结构体系,钢管桩的沉打效果起着关键性的作用。在受设备能力制约的前提下达到此目的,给施工提出了综合性的复杂课题。对此特制定了灵活机动的互补措施来实现预期的目的。既采用水上导向沉桩替代常规的水下导向措施,将一次沉桩到位改为初沉(25吨组合浮吊)、终沉(30吨浮吊)两次完成沉桩的措施。解决了深水流急导向难,沉桩就位定位难,沉桩终打到位置慢,施工进度保证难的四大难题。
1.        1. 沉桩水上导向:
平台钢管支撑沉打桩的水下导向适用于一般流速小、水位的水上钻孔平台施工导向架为封闭套式提升架,每完成一根桩的导向作用,必须经历安装导向架和拆吊导向架两面三刀道工序,施工周期长。而在相对流速较大,钢管桩入水深度大的作业中,由于其受水流冲击面大,阻力强,无法实现其制导约束作用,因此采用水上导向。其结构形式为:导向架外侧开口、根部以ф80圆钢做抗弯销,顶部以I20型钢为旋转封闭杆与导向架栓接。受力状态为:导向架外侧根部抗弯拉,内侧顶部水平弦杆受弯压。导向架固接于25吨(组合)浮吊尾端支撑架上,以斜拉杆固接加劲于支承水平梁上。
25吨组合式浮吊由25吨履带吊和12只(6×3×2)浮箱组成。开口式水上导向架的功能:浮吊起吊钢管桩,巾近水面直接把桩体喂近导向架,关闭顶部旋转杆,插入根部抗弯销,构成封闭限位套,对接完成后沉桩制导,抽取抗弯销,打开封闭旋转杆,浮吊可直接退出成桩位置,移动就位下一个周期。
开口式导向架的优点:稳定性好、刚度大、抗冲击能力强、操作方便、进退灵活、定位快捷、制导控制效果好、精度高,可降低浮吊起吊6米。与水下导向比较除以上特点外并省去了每根桩制导的吊安和吊拆导向架两道貌岸然工序,有效地提高了工作效率。
2、钢管桩沉桩:
沉桩顺序由下游至上游逐排完成,便于沉桩定位和移动浮吊,减少锚缆的干扰。沉桩采用两次完成的根本原因是:25吨体积小,灵活性大,人工移动定位调控容易,速度快,好操作,卡旋转半经小,起吊能力小,但配合40吨小沉桩机沉桩十分相宣。35吨专业浮吊体积极大,稳定性好,旋转半经大,起吊能力强,但浮吊移动难,起吊速度慢,定位准确度差,人工控制难,施工周期长。因此采用25吨浮吊的灵活快捷等特点进行初沉桩加快施工进度,采用30吨浮吊的稳定性大,作用半经大,起吊能力强的特点,匹配135吨沉桩机终沉,各取所长的互补关俩解决了沉桩终沉进度的问题。
根据常规性施工的原则，沉桩均应一次性沉桩到位。以免桩周围土体磨阻力恢复，增大沉桩阻力，由于本桥的特殊原因，在沉桩过程中采取了初、终沉桩两次完成的方法。初沉使桩体达到自稳状态，终沉有少许反弹后均达到抗洪设计高程（桩底-10），钢管桩的沉打其自身的承载力，稳定性和抗洪能力都必须严格地实现设计意图。除应保证平面尺寸，桩顶高程，斜率外，还应重视桩底高程的一致性。尽可能减少群桩底部的高程差异，当群桩承受分布并不完全均衡的施工荷载时，若术桩高程差异较大，极可能产生部分桩体的不均匀沉陷，造成平台结构的抗洪能力下降，安全性和稳定性减弱的后果。
3、平台搭设：
钢管桩的纵、横向联结，关系到平台整体稳定性和安全渡洪施工的问题，长在施工中为常规性施工、没有多大施工难度、但在平台结构中起着重要作用，不可轻视。因此在安装、加工剪刀撑花架纵、横手联昌，其焊点均采用双面焊，使其牢固地将桩体连成框架格构体系，以保证在水流冲刷、冲击下整体共同承力的作用。平台的搭设按分配梁，承重梁（六四军梁桁架片），顶分配梁，面板及安全防护栏等顺序安装。承重梁间联系以水平上、下弦杆（型钢）贯通桁架片，用U型卡紧固。上、下弦杆间以【10型钢做剪撑加固，加强桁架间的稳定性。
三、护筒下沉
根据墩位地质情况，钻孔桩施工采用深护筒。刃脚着床于-10高程的粘土层中。因粘土有较好的隔水性能，对保持孔内水头高度，防止护筒刃脚渗漏以及对开钻泥浆造壁都有十分有益。在充分考虑洪水位影响下，保持孔内水头高度最小不小于江面水位于1．5的前提下,设定护顶高程为+27,护筒长37,分四节对接下沉.
护筒下沉导向采用双层井字架,层距7。井字架位置的确定，不是普通意义上的上、下层完全对称方式，而是根据施工水域的流速，流向和冲力。经过水流冲击偏斜实验参数进行修正确定，本桥偏听偏斜率参数0．9%~1．1%H，为此要严格控制共在1%H范围内，必须采取一定措施。因而采取了：上层井字架，轴线向下游偏离桩轴40，下层井字架与桩轴同轴的方法。因为钢护筒从下层井字架底面到河床顶面有15的垂直距离，在水流冲击作用下，刃脚嵌入河床5左右时已产生对桩体的约束限位作用，此时解除上层井字架约束，护筒回弹基本到设计位置。再重新限位下护筒沉桩。经完成护筒检测斜率均小于0．5%H。绝大多数在0．2%~0．3%H之间，有效地控制了护筒的偏斜。
在护筒下沉过程中，由于135吨沉桩机与钢护筒的连接，在张大的振动力作用下护筒会发生同频率的径向弹性变形，使护筒对接缝振裂、加劲板稀疏处钢板条脱焊等不良现象发生，经研究分析认为：焊缝处刚性大、弹性小、性脆，仅能采用单面焊，加劲板条分布不均匀，振动时间过长等是焊缝开裂的主要原因。在采取加在对接破口焊坡度，增加加劲板条为人块，等分圆周分布。每次振动下沉时间不超过5分钟的具体措施后，得到了有效地解决。
四、泥浆循环系统安装：
在36×24的钻孔工作平台上，除去其它钻机，浇注砼等设施占有面积外，仅能合仅能合班安排六台钻机的反循环配套设备，但这不能懑足施工进度和汛前完成桩的要求，为此提出了泥浆循环系统由平面分布转向立体分布的构思，为增设钻机提供场地的需求。故采用了U型钢槽在40根钢护筒为沉淀、循环地。分区域采取插堵泥浆循环或开启使用。这一措施的实施，使钻机安置增加到十台。加快了施工进度，提高生产效率，为汛前完成根成桩制造了有利的条件。
五、钻孔与清孔施工
主塔深水桩基础钻孔施工，采有150型钻机以泵吸式反循环回转法成孔其中在孔深66米以下的砂质泥岩层开始采用两次成孔法施工。首先以￠80厘米刮刀钻成孔。二次以￠148厘米刮刀钻孔终孔。
钻机深度102米，在大桥桩基础施工中极为少见，钻孔深度愈大其复杂性愈强。给施工的技术保障和顺利进行将带来一定的难度，因此在钻孔施工中采取了一系列针对性地措施来完善施工。
1、钻孔泥浆的调配；
钻孔用泥浆的作用：依靠其静水压力作用，在钻机的旋转下泥浆在壁上形成一层泥皮，阻隔孔内水外渗，保持水头压力稳定，巩固孔壁安全使用，悬浮钻渣增强出渣能力。
在不用深度和地质层中分别采用不同的泥浆密度，针对性地解决不同条件下钻孔中存在的问题。钻孔泥浆根据地质情况其使用密度分别如下：
高程（m）        地质属性        泥浆密度（t/m3）        添加物（剂）
-10        粘土        1.10        黄土
-20.65        圆砾土        1.25        黄土
-35.66        软砂质泥岩        1.30        黄土
-39.16        砂质泥岩        1.30        黄土
-57.96        疏松泥质砂岩        1.40        黄土加d    纯碱
-74.86        砂岩        1.40         
-76        含砾砂岩        1.40         
在疏松泥质砂岩层以下采取添加剂:纯碱的目的是:为了改善泥浆性能,提高悬浮钻渣及其渣能力,增加泥浆酸碱度PH值. 加强泥浆造壁，护壁能力。纯碱的掺入量根据现PH值确定为0.4%。纯碱对泥浆的物理人作用是：分解泥浆中难分解的粘土颗粒。提高泥浆粘度，降低失水量，增加流动性，加强护壁能力，阻止粘土颗粒粘结在一起沉淀，加强泥浆的稳定性和胶体率。
泥浆在采用加碱法处理后，悬浮钻渣能力加强，减少了孔底沉淀，提高了出渣量，减小了钻头摩阻力，增强了钻进能力。
在粘土层中采用低密度泥浆的原因是：粘土本身可以造浆，粘土层中因为大存在胶结层。采用较大密度的泥浆会增加其粘钻，糊钻能力，不利于能力钻孔进尺，影响施工进度。在其他地质层中采用中密度泥浆主要考虑造壁，扩壁梵悬浮钻渣等因素。
2、钻孔施工
钻孔粘机的分布应隔孔安置，砺 孔与新浇筑砼桩邻孔不能立刻开钻。其因为邻孔立刻开钻会扰动成孔周边土岩体，危及孔壁的安全与稳定和危及新灌砼体的结构与质量，因此新灌砼桩砼桩必须完成终凝，并具有一定的强度时邻孔方能力动工。
常规的钻孔桩深度一般不超过70米，在钻进过程中除地质情况的影响外，一般钻机采取的施工方法都很好地解决施工问题。本桥主塔桩基钻孔深度102米，不可预见的影响因素，随时可能给施工常带来困难，因此在施工过程中对施工原始记录以及钻渣取样分析和地质层次属性对比都提出了严格的要求，使指导措施有根有据，有备无患地顺利进行。
钻孔施工采用的次成孔方法，主要基于孔较深，钻杆随深度不断增大其刚试和扭矩受到折减，钻杆摆幅相应增大，极易造成偏卡钻等问题。采用Ф80刮刀钻小钻头首次成孔可减小钻头阻力，增大钻进力度。二次成孔采用Ф148刮刀钻头，可借助首次成孔作为钻进导向，减小钻头阻力，减少偏孔、卡钻机率，有助于成孔的质量保证。
在钻孔过程中对存在的问题分别采取了相应的处理措施如下：
在粘土层胶体中存在粘钻、糊钻问题，对比采取了降低泥浆浓度和改用冲击钻头的措施穿越胶结层；在出现的偏孔问题上采用了常规的回填冲击纠偏方法；在卡钻问题上采取了钻头悬空刮削与冲击相结合的办法处理等都取得了较好的效果。
3、清孔施工
本桥清孔要求沉淀层厚度不大于0•2d，（d为设计桩径即d=1·50m），要求远大于规范要求，要达到这一标准，仅依靠1550反循环回转法钻机的泵吸能力换浆是难以实现的。因此采用先以钻机本身的泵吸能力用低浓度泥浆换取高浓度泥浆，再用气举式吸泥管终清孔。
气举式刚性吸泥管是借助20立方控压机制压。通过高压管将气压输送到吸泥管下口，当气压的能量在孔底积聚到一定程度时，其能量释放通过吸泥将孔内泥将及悬浮的钻渣一起排泄到外。
气举式刚性吸泥管清孔在松散层，强风化层和土层中不宣时间太长，其强大的气压冲击翻泥浆洗涤孔壁极易造成孔壁的损伤，甚至垮孔。在较为坚实的岩层中虽然垮孔的可能性极小，若水头高度补水跟不上时，水头压力降低也易造成其它部位的垮孔，所以在采用气举式吸泥管时应特别注意水头损失的补水问题。
沉淀层有时沉淀的比较紧密或含有胶质粘土颗粒。往往吸泥管清孔时会形成孔中孔，造成已清除沉淀层的假象，因此解决这个问题的通常作法是：一是经常采用换位吸泥。二是在吸泥管下口焊约15长的挂泥齿。它随吸泥管摆挂拉沉淀层面，破坏其紧密结构，使气压能够冲散沉淀，以达到清孔的目的。
4、钢筋笼制作及吊装
钢筋笼分六节制作（总长101。3），其中五节为桩体钢筋笼。桩体钢筋笼长82。5，考虑到钢筋笼的较大长度，对其间隔2米的分布的加劲箍和十字撑进行加强，即由原来的单根加劲箍和十字撑加强到双根并联，增强其径向抗变形能力。对钢筋笼的保护层采用弧形筋焊固于加劲箍上支撑孔壁，对钢筋笼进行限位。主筋笼对焊机进行闪光对接焊。声测管共3根按120º三等分钢筋圆周焊接，接头采用钢套筒焊固。
钢筋笼吊装平移时，采用圆杉木贯穿于钢筋笼上，以抵抗其变形，钢筋笼由平躺吊至垂直时，仍用圆杉木贯穿，根部吊点由吊机付钩吊挂。顶部由两根等长千斤绳由主钩吊钩，当钢筋笼离形式地面（船弦平面）时，提升主钩，得放付钩，当钢筋笼提升仰筒80º左右时解除圆杉木。提长升主钩使钢筋笼达到铅垂，直接吊入孔中安装。
钢筋笼吊装顶部千斤头必须等长，绳间夹角根据起吊高度能力应使夹角尽量的小，因为起吊钢筋笼夹角越大，水平分力越大，造成钢筋笼径向变形的可能性越大。因此除应在钢筋笼内增加加劲十字撑外，必须着重考虑选择起吊钢绳的最小夹角。
钢筋笼节段间连接，一般采用10d搭接，但搭接的方工应采用主筋在同一圆曲线平面内使搭接完成的钢筋笼在线形和外观上保持径向同轴，外形同曲面平整顺直铅垂，对于伸长孔起连接质量直影响钢筋笼的安装。能否顺利到位问题，否则将形成钢筋笼下放、安装不能到位，声测管变形，成桩超声波检测不能实施的问题。
六、灌注桩水下砼施工
水下砼施工采用钢性导管法。因本木桥基础的深长特性，使普通刚性导管安全性能难以保证。为此订购特别加厚壁刚性导管。其技术参数为：水压水密强度1·6Mpa，ф=273mm，f=10mm，在施工中导管最不利承压理论值为1·25Mpa，砼最大顶升压强1·32Mpa。
砼采用双向泵送砼：即在顺桥向两侧各设置砼送站各一个，由三艘汽驳和六辆砼运输罐车将砼交替连续地运到泵站泵送。砼供应由两台JS—1500型拌和楼生产。
水下砼的泵送要求：砼要和易性好，秘水率低，可泵性强，缓凝早强，品质稳定。水泥采用425矿渣水泥，砼标号为C30，外加刘采用FDN-5A，掺入量为0。5%，坍落度18-20cm，缓凝时间20小时以最不利因素考虑，灌注桩砼平均方量210m3/根。
水下砼灌注其他设施：储料斗8m3，导管提升架 为门式架，提升动力为5吨卷扬机，拆拔导管以30吨浮吊铺助。
灌注首批水下封底砼十分关键，它直接影响灌注桩的成败。为水下砼施工事故多发地段。因此要精确地计量导管底口皮孔底的距离，储备充足的砼，，保证首批砼的导管埋置深度。首批水下砼的工作原理：砼依靠从漏斗底口至孔底的高差形成的势能和压力、冲压出导管内的泥将。在压力作用下快速占据孔底泥浆位置，并将泥浆逐步顶升，使导管下端处于封闭状态，隔离泥浆，形成纯净砼与泥浆间的隔离层，使后续的砼连续顶升首批砼上升，以此连续性保持桩体砼的纯净和内在质量。
首批封底砼形成的隔离层其顶部约1·0m厚为砼，泥浆混和层。因此在首批砼灌注前，应充分地计算砼的埋管深度和足够的砼方量，一般常规孔首批埋置导管深度2m以上（含混合层）即可确保水下砼的质量。但本桥为超常规的深长孔，以埋置导管深度不小于3米（含混合层）的要求控制施工，对封底砼的质量保证则更为妥当。
导管埋深的有效控制和砼的连续性施工是保证水下砼施工的主要环节。由于深长桩砼方量大，灌注时间长，管底砼顶升首批砼距离大，泥浆混合层翻裹频率高因此在拆拢导管后的导管埋置深度不应小于4米，这是由于在水下灌注朝晖 程中始终存在随时提升导管的情况，例如：砼下落不畅时，管内砼阻滞时，轻度堵管时等，肜提升导管紧急下落刹车的办法降低导管内阻力，如不预留宽余的安全提升高长，对砼的质量保证是不利的。
在水下灌注过程中，拆拔导各处室的合理埋置深度应控制在10-15米 ，这时砼的流动性较好，正压力值大，处于良性循环状态，不易产生其他不利因素。若导管埋置深度较深度较深，砼逐渐秘水变的干稠。增大对导管的摩阻力使导管拆拢困难。由孔口散落到孔内的砼部分离木析，部分在砼顶面可能会块结沉淀。此时导管口砼产生的顶升力因埋管较深即减弱，对砼表面沉淀层较小，使其处于相对稳定状态，由其沉淀块结或板结对钢筋  生的握裹力造成钢筋笼上浮。导管埋置过深，会降低其对砼的顶升力，甚至产生管内砼阻泄，导致堵管发生。
导管拆拔要求：导管不能埋置过深，测孔要准确要勤，拔管要及时，拆管林快要稳，节段要清，计算要准。
水下砼施工控制要求砼品质要稳定，砼泵送和连续性要强，灌注砼流量控制要均匀。待泵时间不宣过长，卧泵料应储备适量砼，在砼连续性出现问题时，间隔10分钟泵送几个行程保持管内砼始终处于可砼送状态，以降低水下砼施工不利因素的发生机率。
七、结束语：
水下砼施工是一个唇齿相依，联系紧密。影响因素较多的连续反应体系，任一环节的失控都会给施工带来不利。因此对其施工的控制是一个全方位的过程控制，不仅是对从料场，砼拌和、运输、泵送砼和灌注砼及笔灌注及拆拢导管的控制，而且对施工人员的素质，团队精神方面也有着重要的关系，施工各工序的熟练，衔接和隐患及时处理把关，对施工的顺利进行起着显著的积极作用。将隐患消除在紧后工序之前是提高施工质量和进度的关键，所以紧密配合，通力协作认真把关的敬业精神是确保工程质量的法宝。