荆岳长江公路大桥主桥桩基础成孔施工工艺

荆岳长江公路大桥主桥桩基础成孔施工工艺
郭泽平1，颜江平 2
（1.荆岳长江公路大桥建设指挥部，430014；2.湖大建设监理，410082）
摘要：荆岳长江公路大桥为主跨816m双塔不对称混合梁斜拉桥，桥位处地质情况复杂，主塔基础工程规模大。

本文介绍了有关该桥主塔基础工程的基本情况和复杂水文地质条件下大直径超长桩基成孔的关键技术，重点对不同地质条件下的桩基施工及超大直径钢围堰施工技术进行了叙述。

关键词：钻孔灌注桩；不良地质；钢围堰；水中平台；同步作业
1、概述
1.1工程背景
荆岳长江公路大桥是省“六纵五横一环”骨架公路网中随州至高速公路跨越长江的控制性工程，是综合建桥技术具有国际先进水平的特大型长江大桥。

其主体工程由主跨816m双塔不对称混合梁斜拉桥和一联七跨970m变截面连续箱梁桥（长江滩桥）组成，主桥跨度组合为滩桥＋主桥＝（100+5×154+100）m +（100＋298＋816＋80＋75＋75）m。

1.2主桥桩基础概况及面临的问题
全桥基础设计均为承台下设置钻孔灌注桩。

主桥共计14个墩位，其中28#墩、29#墩为南北主塔。

北塔基础为两个圆形分离式承台，承台厚8m，直径为30m。

承台横桥向总宽为72.8m，两承台间净距为12.8m。

每承台下设置13根φ3.0m的钻孔灌注桩，桩长45m，按嵌岩桩设计。

南塔基础为两个矩形分离式承台，每个承台平面尺寸均为29.5×23.3m，厚8m，每承台下设置20根直径2.2m的钻孔灌注桩，桩长75m，按摩擦桩设计。

图1为大桥桥址处的地质剖面，由北向南地质情况变化较大、特征明显：
(1) 长江滩桥段至北塔墩位处覆盖砂层厚11～13m，下覆基岩不良地质集中发育，主要包括岩溶、断层、碎裂岩、揉皱破碎带等；
(2) 南塔位处岩性主要为粉砂质泥岩，层间错动强烈，导致大量层间剪切、软岩等破碎带的存在，形成了破碎与完整岩体相间分布、岩体倾斜陡立的复杂地质构造，岩体倾斜方向与水平面的夹角达到了70~80°，剪切带岩体破碎和风化加强，呈现结构松散、性状软弱的特点；
(3) 本工程桥位所在的城陵矶-螺山河段是长江中游防洪最敏感区域，受长江上游、荆江和洞庭湖来水来砂影响，横断面冲淤变化较大，通航要求高、限制条件多且十分复杂。

图1 大桥桥址区由北向南地质剖面
大直径深桩基础施工本来难度较大，加之岩溶、陡立等不利地质条件，使得荆岳长江公路大桥主桥桩基成孔时极易出现斜孔、塌孔等问题，桩基的顺利成孔是保证基础施工成败和质量质量控制的关键工序之一，因此必须提出具体有效的施工工
艺及成孔的关键技术，保证其顺利施工。

2、施工方案
2.1 北塔基础
基于工程进度考虑，为保证钢围堰安全度洪和洪期承台的连续施工，北塔基础采用了桩基施工与钢围堰拼装下沉同步作业的施工方案。

北塔采用的大直径分离式双壁钢围堰在国桥梁深水基础施工中是尚属首次，而且墩位处水文、地质条件复杂，施工水深达10m以上，流速2m/s，覆盖层厚度12～13m，透水性强且含大量腐木，上、下围堰不能同步下沉，先下围堰对水流、河床的改变直接影响到后续围堰的施沉难度，这些条件都将给围堰的施工带来困难。

通过比选和论证，选用基桩施工与钢围堰下沉同步作业的施工方案。

其具体施工顺序为：搭设钻孔施工水中平台－周边基桩施工－平台改造－钢围堰拼装、下沉－浇筑封底砼－完成后续基桩施工－抽水进行承台施工。

该施工方案充分利用钻孔平台作为钢围堰拼装、下沉的工作平台，周边桩基及钢护筒作为下沉时的定位、导向装置保证钢围堰的准确就位，同时其锚固效果也为钢围堰的安全度洪提供保证，该方案的选用将钢围堰的施工对桩基施工工期影响降至最低。

2.2 南塔基础
利用2007年枯水期及其他有利条件，南塔基础采取河滩明挖深基坑的施工方案。

南塔位于长江滩，承台处地面标高为+29.00m，承台底标高为+20.40m，施工期为07年10月至08年2月，施工水位最高为+24.00m。

原钢板桩和水平支撑的基坑施工方案相对施工风险较大、成本高，且已不能满足施工进度需要。

通过分析计算，改用大放坡明挖方案，利用开挖的土方在临江侧构筑土体围堰，该部分土又可作为
回填之用，坡面采用浅层锚固和砂浆抹面进行综合防护，坡脚四周设置集水沟、集水井，同时采用沙袋反压护脚。

具体如图2所示。

图2 南塔承台河滩明挖深基坑施工
3、成孔的关键技术研究
针对南北两岸迥异的不良地质条件，形成了一套针对性很强的大直径深桩基础钻孔施工工艺及桩基施工方案，其主要技术包括护筒二次跟进；片石、黄泥回填冲挤；冲击钻与回旋钻联合使用；自导向钻头钻进以、优质泥浆护壁及钻孔状态的实时监测等工艺，有效保证了荆岳长江公路大桥大直径深桩基础的顺利成孔。

3.1护筒二次跟进
针对河床基岩面起伏较大，倾斜的状况，采用护筒二次跟进工艺，防止发生孔口坍塌和涌砂现象。

钢护筒插打到位后，采用直径2.8m或3.0m的冲击钻钻孔至距护筒刃脚2-3m 处，然后接高钢护筒，再采用DZ200震动锤二次下沉钢护筒，确保钢护筒进入岩面0.5—1.0m；在震动下沉过程中，护筒刃脚可能存在局部变形，此时，采取片石回
填复冲2-3次，直到钻头穿过钢护筒轻松自如，即可继续冲进。

荆岳桥水中52根钢护筒，除最先开孔的4根桩外，其余48根钢护筒均采用此工艺，每根钢护筒二次沉打均能下沉，最多下沉达7m，最少下沉1.0m。

在后续钻孔过程中，虽然钢护筒漏浆现象仍较普遍，但未发生涌砂现象。

实践证明，二次跟进钢护筒工艺应用效果良好。

3.2片石、黄泥回填冲挤
为顺利穿越岩溶发育、揉皱破碎及岩层陡立等不良地层，选用冲击钻机，回填冲挤钻孔是防止钻孔过程中塌孔和偏孔的有效方式。

当钻孔过程中发现有塌孔和偏孔趋势时，移开钻机，向孔回填片石和粘土等至塌孔或偏孔部位以上的必要位置。

然后再利用冲击钻低冲程反复冲挤，将回填物冲密挤紧至塌孔或偏孔部位。

此后，再重新进行钻孔，即可有效防止塌孔或偏孔的发生。

3.3冲击钻与回旋钻联合使用
南塔桩基长达75m，粘土覆盖层厚达30m，其下依次为不同风化程度的泥岩。

大功率回旋钻机的优势在于进行深层、岩层强度较大土层的钻孔，但在浅层粘性土及较强风化泥岩部分，极易出现糊钻和粘钻现象，钻孔效率很低，资源使用耗费量大。

冲击钻机适应面较广，但对深层高强度泥岩的钻进则较为困难。

为此，在首先开钻的24＃、35＃桩之后施工的基桩，采用冲击钻与旋转钻接力的方式钻孔。

首先利用冲击钻开孔，当钻至其较为经济的钻孔深度（40～60m）后，改用回旋钻机继续钻孔。

通过合理布置和调配，后续成孔效率得以大幅提高。

3.4 采用自导向钻头技术
南塔基础岩层陡立，且软硬相间，极易出现塌孔、偏孔。

为防止钻头摆动、跳动、偏位造成钻孔偏斜。

一般在钻杆上不同高度位置安装具有导向装置的钻杆，通
过导向装置对钻孔偏斜情况进行控制。

导向装置可以防偏孔，但也容易对孔壁产生碰撞、破坏作用。

破碎带是不稳定土层，在导向装置的干扰破坏下，易发生垮塌。

基于此，在南塔基桩钻孔过程中，保留了钻头顶部上方的导向装置，而取消了其他导向装置，为弥补其他导向装置被取消后导向能力被削弱的不足，适当增加了柱筒导向装置的长度，钻头上方的导向装置采用柱筒形式。

同时，引入了“自导向钻头”的概念，自行设计加工了旋转钻机使用的自导向牙轮钻头。

其特征是：在常规牙轮钻头主体上焊接超前裙板，在超前裙板前端焊接钻齿，钻孔施工时，裙板钻齿先接触岩体，在岩体上切割一道环形导向槽，钻头的其它钻齿沿导向槽跟进破岩钻进成孔，实现钻头的自导向定位功能。

通过具体应用，“自导向钻头”能过很好地保证成孔的垂直度，防止塌孔和偏孔的发生。

3.5 采用优质泥浆护壁
根据不同的地质条件，在钻进过程中，泥浆主要以反循环方式循环。

泥浆选用不分散、低固相、低失水、适当粘度的PHP泥浆。

泥浆由水、膨润土、纯碱、聚丙烯酰胺或增粘剂等物质组成。

通过试验和实际应用，确定的适合各地层的泥浆性能指标如表1所示：
表1 泥浆性能指标控制表
随着桩孔体积、地层土质等情况的变化，泥浆性能也随之发生变化，塌孔事故
往往是由于泥浆水头和泥浆性能指标达不到要求所致。

为满足上表中泥浆性能指标要求，必须加强现场检测和控制。

3.6 钻孔状态的实时监测
成孔过程中采用钻孔超声检测技术对钻孔状态实时监控，发现塌孔、倾斜和偏位及时采取措施予以解决，做到了信息化施工，保证了钻孔的顺利进行。

成孔过程中及成孔后的钻孔状态检测的典型结果如图3所示。

图3 成孔超声检测
综合采用以上成孔质量控制的关键技术，有效地保证了荆岳桥主桥桩基础的成孔质量，为荆岳桥大直径深桩基础的优质、按时顺利完成提供了有效支撑。

4、结语
荆岳大桥基础施工工期紧、地质条件极其复杂。

针对本桥承台和桩基的施工特
点，创新地实施了基桩施工与钢围堰下沉同步作业、河滩大放坡明挖深基坑等施工方案；同时研究采用护筒二次跟进，自行研制了自导向和定位钻头等六项成孔关键技术，保证了成孔质量，可为类似桥梁施工提供有益借鉴。

参考文献：
【1】游庆仲.通大桥工程与关键技术研究［M］.：中国科技，2004.
【2】振勇等.天津富民桥主桥施工技术综述.桥梁建设，2008（5）.
【3】鸿，先鹏.特大型桥梁深水高桩承台基础施工技术［M］.：中国建设工业，2005.
【4】路桥建设集团，第二公路工程局，路桥建设集团公司.荆岳长江公路大桥2008专家顾问组暨关键技术咨询论证会材料，2008.。