摘要：湖北香溪长江公路大桥工程跨香溪河大桥主桥采用（48+48+78+470+78+48+48）m双塔双索面钢混组合梁斜拉桥，设两个主塔墩，塔墩基础为18根φ3.0m钻孔灌注桩基础，桩长83m。桥址处三峡库区，根据三峡水库蓄水调度运行方案，整个钻孔灌注桩施工期间施工区域水位有30m落差，对钻孔排渣效率有很大影响。主塔桩基地质主要构造形迹为软硬交错断层、裂隙及层间剪切带及不规则溶洞分布，施工过程中极易出现塌孔、埋钻、斜孔。钻孔灌注桩施工过程中，通过采取桩周注浆加固、优质泥浆护壁、护筒跟进等技术措施，顺利完成了4号、5号主塔墩36根钻孔灌注桩施工。
关键词：桥梁基础；三峡库区；深水；大直径钻孔桩；桥梁施工
Construction Technology of large diameter Deep Water bored pile under complex Geological and Hydrological conditions in the three Gorges Reservoir area
Abstract：The main bridge of Xiangxi Yangtze River Highway Bridge across Xiangxi River in Hubei Province is a steel-concrete composite beam cable-stayed bridge with double pylons and double cable planes (48+48+78+470+78+48+48) m long.It is 1079.6m long and consists of two main pylon piers.The foundation of the pylon pier is 18 bored piles with a length of 83m.The bridge is situated in the Three Gorges Reservoir area.According to the operation plan of the Three Gorges Reservoir，the water level of the whole construction area during the construction of bored piles has a 30 m drop，which has a great impact on the efficiency of drilling slag discharge.The main structural features of the pile foundation of the main tower are soft-hard interlaced faults，fissures，interlayer shear zones and irregular karst caves.During construction，collapse，buried drilling and inclined holes are very easy to occur.During the construction of bored piles，36 bored piles of No.4 and No.5 main tower piers were successfully completed by adopting some technical measures such as grouting around the piles，high quality mud wall protection and tube protection follow-up.
Keywords：bridge foundation；Three Gorges Reservoir area；deepwater
1 工程概况
1.1 桥梁结构
香溪河大桥是湖北香溪长江公路大桥工程中跨香溪河的控制工程，位于宜昌市秭归县，距下游三峡大坝水利枢纽35Km。香溪河大桥桥跨布置为：20m(混凝土箱梁)+(48+48+78)m+470m+(78+48+48)m（组合混合梁双塔双索面斜拉桥）+(3×35+6×20)m（预应力混凝土连续T梁）(西侧左幅引桥)，桥长1079.5m（见图1）。
图1 香溪河大桥桥型布置图
1.2 主墩基础
主塔4号墩、主塔5号墩相同，均采用18根φ3.0×83m桩基，按摩擦桩设计，4号墩持力层为灰岩，5号墩持力层为微风化黏土岩，桩基承台采用圆形承台，桩间距6m，采用水上平台钻孔施工（见图2）。
图2 桩基布置图
1.3 地质情况
5#墩桩位地质情况从新至老依次分布为第四系覆盖层（Qdl），厚度0m～3.6m，多为碎石土，结构松散～稍密状；下伏基岩为侏罗系下统香溪组（J1x）的粉砂质粘土岩夹细砂岩及含碳质粉砂质粘土岩等，岩层倾角26°～32°，煤层与裂隙极其发育。东岸4#墩处主要分布F9、F10、F12三个断层带，F9断层断层带宽约1m，角砾岩充填，钙质、泥钙质胶结紧密，性状较好。F10断层宽约2.2～2.8m，构造岩为灰岩角砾，钙泥质胶结，胶结一般。F12断层断层带宽约3.5m，构造岩为角砾状灰岩，钙泥质胶结，胶结一般～较差，该断层东端与顺层发育的溶洞相交并尖灭。
1.4 水文情况
根据三峡水库蓄水调度运行方案，正常蓄水期，坝前水位按175-145-155m（吴淞水位）运行方式调度，每年5月末至6月初，三峡水库坝前水位降至防洪限制水位145m，6～9月整个汛期水库维持低水位运行。水库每年9月下旬开始预蓄水，10月份坝前水位逐步升高至175m运行。11月份至次年4月底，水库维持较高水位，电站按电网调峰要求运行，当入库流量低于电站保证出力时，动用调节库容，但4月末以前坝前水位不低于155m（见图3）。
图3 桥址区水文曲线图
2 桩基施工方案
在桥梁前期桩基施工过程中，对于5#墩桩基施工未进行预注浆加固，采用设计单位建议的清水旋转钻成孔工艺施工，当钻进至强风化层或裂隙较为发育的煤层时有三根桩出现了不同程度的塌孔，其中一根出现埋钻现象，部分桩基灌注还存在超方状况；时值库区泄洪，水位急剧下降，对钻孔排渣及孔壁稳定有较大影响。经过对5#主墩地质情况进行分析，为防止反复软硬交错、裂隙发育的大倾角斜向岩层在外力干扰下剥落掉入孔内，经过对岩层进行分析，决定对地质情况较差的桩基采用桩周注浆加固处理后采用优质泥浆护壁钻进，钻进过程中针对不同的地层调整钻压、钻速、泥浆比重，以确保顺利成孔。
3 桩基施工关键技术
3.1 桩周岩层注浆
3.1.1施工准备
为将桩基范围内的裂隙与溶洞充填，提高香溪河大桥墩位桩基有效侧摩阻，确保主体结构安全和成孔质量，增加结构富余度，最终优化后的香溪河大桥桩位进行裂隙、破碎岩层、溶洞注浆稳固方案。
由于本项目注浆加固深度入岩较深，钻进时必须进行钢套管跟进，若仍采用传统的岩芯工程地质钻引孔，则工效太低，无法满足工期要求。为提高工作效率，加快工程进度，采用工效为岩芯钻机几倍的克莱姆805型履带式跟管钻机钻孔。该设备自重20t，设备宽2.3m，长约5.0m。直径3m的桩基，钻孔按4m直径进行布置，钻孔水平间距0.8m。该设备每天可完成3～5个钻孔，钻孔清碴则采用17/21型螺杆式高风压空气压缩机。
浆液采用流动性好的纯水泥浆。为防止钻孔时因钻头搅动，导致孔周的大型块石塌落。要求浆液固结后有一定的抗剪强度。因此，浆液采用PO42.5水泥配制，一般采用水灰比0.8～1.0。备用水玻璃双液浆用于封闭注浆量过大的裂隙。
注浆压力根据经验公式=Po+mD计算([Pe]为容许注浆压力；Po为表面段容许注浆压力，查询《地基处理手册》取值0.04MPa；m为注浆段每增加1m容许增加的压力，取值0.03MPa；D为注浆深度，取60m。)，经估算，注浆压力[Pe]取=1.84MPa，为确保注浆效果，注浆压力采用2.0MPa。
3.1.2施工方法及工艺流程
由于施工作业在水上进行，为减少注浆对库区水质的影响，并有效控制浆液流向，确保加固效果，该桥采用袖阀花管注浆施工。主要工艺流程为：放线定桩位→复测后钻机就位调平→套管下放、着床→空压机吹出管内积水→安装钻杆钻进→提钻→安装注浆外管→灌套壳料→拔出钢套管→安装注浆内管→自下而上注浆→拔出注浆管→补浆封孔。
3.1.3注浆效果
在对墩位注浆后的几根钻孔桩成孔检测报告分析，注浆明显对墩位处发育的裂隙进行的较好的填充，对及其不稳定的岩层有较强的稳固作用。
在钻孔过程中，从工地钻孔记录表中可以看出净钻孔时间提升至70%，在整个钻进过程中很少出现塌孔、卡钻现象，钻孔过程比较顺利；从成孔检测报告上可看出桩孔倾斜度减小，扩孔率也大大减小，对+60～+80范围内的裂隙带有很好的充填，另外在沉渣厚度也有所减小，两次检测均在20cm左右，桩孔质量明显提高，保证了后续桩身混凝土的施工质量，灌注超方大大减少。
3.2 钻机选型与钻进参数
5#墩持力层为粉砂质粘土岩，饱和抗压强度12Mpa，线压强度40Kg/cm。
经过设备必选及资源配置情况，选用ZJD4000型钻机。整机重45t，最大提升力220t，动力头转速度及扭矩分别为0～7r/min→35t•m和0～17r/min→16t•m。
针对地质情况结合施工经验，各岩层的钻进参数如表1所示。
表1 钻进过程钻压、钻速参数
在护筒底口岩层和裂隙较为发育的砂岩层中钻进时，采取减压慢进尺钻进。
3.3 泥浆配制
钻孔平台上设置了泥浆箱，泥浆配比如表2所示。由于在三峡库区，采用泥浆分离器将浆碴分离，使净浆循环利用，钻碴外运处理。
表2 泥浆配合比
钻进过程中，针对5#墩不同岩层泥浆性能、水头高度控制要求如表3所示。
4 桩基施工难点及应对措施
由于桩基所处地层地质较为复杂，在5#墩钻孔桩施工过程中遇到了一系列问题，主要有坍孔、卡钻、漏浆、钻进效率低、灌注超方等问题。主要问题及应对措施如下。
表3 不同岩层泥浆性能、水头高度控制要求
4.1 坍孔、卡钻及应对措施
在反复软硬交错、裂隙发育的大倾角斜向岩层钻进时，极易发生坍孔或局部卡钻的现象。
应对措施为：①对裂隙发育岩层进行注浆固结。②采用优质泥浆护壁、高水头钻进。③在护筒底口岩层和裂隙较为发育的砂岩层中钻进时，适当加大泥浆比重和粘度，降低钻头转动速度，减少对软硬交错的裂隙带岩层的扰动，避免发生连续坍塌现象。
注浆前5#墩施工的4根桩中都有不同程度的塌孔，注浆后基本解决了塌孔问题。如根据5-14#桩钻孔记录，5-14#孔钻进至高程+76m处时，钻进进尺缓慢，但出渣量明显增大，判断为孔内出现塌孔，在之后起钻检查时钻头带出来大块煤矸石，最大尺寸1.4m×0.5m×0.4m。通过后续预先灌注水下砼充填然后再钻进，同时加大泥浆比重（1.3g/cm³、25s），有效控制了坍孔。
4.2 护筒底口漏浆及应对措施
5#主塔墩钻孔桩在低水位高水头钻进时，由于护筒底口直接插打在河床淤泥质黏土岩上，护筒底口容易出现漏浆的问题。
应对措施为：为保证护筒稳定，防止护筒底口漏浆，采取护筒插打着床后，先用3m冲击钻开孔钻进入岩后，再对护筒进行二次复打跟进，保证护筒有效入岩深度，确保护筒底口密闭性良好。
4.3 钻进效率低的应对措施
（1）低水位时气举反循环排碴效率低，钻碴重复磨碎影响进尺，钻渣悬浮于泥浆中造成泥浆比重、粘度过高，加之孔外水位急剧下降，循环额外扬程增加，排渣困难。通过提高钻杆风管的密闭性。增配大功率空压机提高排渣效率，同时在护筒上开孔，引出排渣管，降低护筒内外超高水头差，保持在5～6m，有效提高了钻进速度。
（2）在较浅地层的粉砂岩或黏土岩钻进时，由于地层较软，不需较大钻压，在保证钻机平稳的前提下，提高钻头转速，增加单位时间内钻头刀头对岩层的碾压次数，提高钻进速度；在50m以下的弱、微风化的岩层且裂隙发育区域，为保证钻头能对岩层进行有效破碎，务必在减压钻进的前提下，尽可能采用大钻压进尺。由于岩层软硬交错、裂隙较发育，钻头在钻进过程中转动不平稳，可在钻杆靠近钻头部位加装环形稳定器，在此条件下，尽量提高钻头转速，以提高破岩效率。
4.4 灌注超方的应对措施
在5-6#桩基浇注时，在正在钻进的5-15#桩（以接近成孔）排出的钻渣中发现有混凝土材料，针对此情况，采取了暂停5-15#桩的钻孔施工，并对5-15#桩孔深进行测量，发现孔深并无明显变化，在减缓5-6#桩灌注速度后，孔内砼面开始逐步增长，在加大导管埋深，使桩周裂隙充分充填后，继续完成该桩灌注。此种状况导致超方较多，施工风险较大。
通过对裂隙发育岩层进行注浆固结，提前将裂隙发育的连通破碎带进行封闭，同时通过调整泥浆性能，有效保证了桩孔质量，由于局部塌孔导致的扩孔大大减少，后续的桩基混凝土灌注方量得到了控制，达到了预期的效果。
5 结语
湖北香溪长江公路大桥工程香溪河大桥5#墩桥址处，桩基中部标高处岩层软硬交错、裂隙发育，裂隙倾角以30°为主，地质构造复杂，水文条件对施工要求较为严苛。实践表明，该桥通过采取桩周注浆，在施工过程中采用了优质泥浆护壁、护筒二次跟进、气举反循环旋转钻机、牙轮滚刀钻成孔有效解决了在裂隙发育、反复软硬交错、夹煤与含炭粉质泥岩被裂隙分割成块状，岩层极其破碎的岩层中，钻进过程中塌孔严重，且裂隙发育无法保证孔内水位差的情况下的顺利的完成了主塔墩36根钻孔桩施工，桩检均为I类桩。
论文作者:李根
论文发表刊物:《基层建设》2019年第21期
论文发表时间:2019/10/14
标签：裂隙论文; 钻孔论文; 岩层论文; 桩基论文; 泥浆论文; 注浆论文; 水位论文; 《基层建设》2019年第21期论文;