唐山市曹妃甸工业区跨纳潮河2号大桥工程位于曹妃甸工业区中部, 是连接纳潮河南北两岸的重要交通通道, 也是工业区综合服务区南北向的主要生活性城市桥梁, 桥梁总长为1 015.30m。

曹妃甸工业区跨纳潮河2号大桥桥梁桩基采用钻孔灌注桩群桩基础, 共计291根, 均位于海水中。根据设计, 桩径有2.0m和1.2m 2种, 其中主桥桩长80m, 引桥桩长有50, 60和70m 3种形式。

场区地表水为海水, 高潮位高程为4.320m (所述高程为曹妃甸理论最低潮面高程基准, 下同) , 此时水深3.52~19.75m;低潮位高程为0.890m, 此时水深0.09~15.92m。场区地下水与海水相通, 水位变化主要受涨落潮控制, 幅度约在±2.000m, 同时围海造地也对地下水位的变化有所影响。

根据钻孔揭露, 该场地为中软土, 地层结构简单, 主要由第四系沉积物组成:场区水中的地层以粉土、粉质黏土及粉砂、淤泥为主。在勘察过程中于河床底部发现木头块, 据考证该木块为早年沉船遗骸。此外河床底部还有孤石、海上废弃物以及自来水管等障碍物, 给桩基施工带来较大困难。

本工程桩基础采用钻孔灌注桩, 共计291根。桥台处桩径120cm, 其余桩径200cm。主桥桩长100m, 桩端持力层为粉质黏土, 引桥桩长70m, 桩端持力层为粉砂土。

本工程中有多根桩基 (包括钢护筒) 遇到水下障碍物, 严重拖延施工进度。分析研究了各个遇阻桩基的问题, 并依据障碍物不同, 将桩基遇阻情况大致分为以下2种:①钢护筒埋设时遇阻;②钢护筒埋设完毕, 桩基在钻进过程中遇阻。

在海上钻孔灌注桩施工过程中, 常埋设钢护筒来稳定孔壁, 固定桩位。因此钢护筒埋设成功与否直接影响桩基施工的成败。图1所示为钢护筒在埋设过程中遇障碍物阻挡的2种情形。其中图1a是钢护筒埋设正面遇障碍物阻挡, 导致钢护筒无法埋设;图1b是钢护筒侧面遇障碍物阻挡, 导致钢护筒底口产生较大变形, 使得在后续钻桩过程中钻头无法通过, 不能顺利钻进。

这2种情形下的钢护筒底部尚未达到设计标高, 所以应割除外露在钢平台以上的钢护筒, 采用气举反循环工艺进行换浆清孔。清孔的目的在于降低护筒中浆液的密度, 同时增加护筒内的可见度, 便于潜水员水下工作。图2为清孔装置示意, 空气压缩机产生的压缩空气通过送风管与孔内泥浆混合, 使得出水管内的泥浆形成气液混合体, 其重度小于孔内泥浆的重度, 形成水管内外泥浆重度差。在重度差的作用下, 孔内泥浆经过出水管底口进入出水管, 沿着出水管上升流动, 并携带钻渣流出桩孔, 同时不断向钢护筒内补给含砂量少的泥浆或清水, 形成冲洗液的流动, 从而达到清孔的目的。

清孔完毕后, 潜水员顺钻杆向下潜至护筒底口处, 对周边障碍物进行打捞清理。如果钢护筒底口与障碍物碰撞后发生了较大的变形, 则潜水员应在水下将变形处的钢护筒割除, 再对周围障碍物进行清理, 最后由履带式起重机打捞障碍物及割除的钢护筒。

若障碍物无法人工清除, 则在探明障碍物情况后, 使用冲击钻冲孔。本工程将冲击成孔应用于破除障碍物。使用冲击钻前需向钻孔内回填8m厚的片石 (若护筒底口到河床面<8m, 则应回填至河床高度位置) , 以保证障碍物受到均匀冲击, 回填厚度通过测绳控制。

冲孔前应先在孔内灌注泥浆, 泥浆相对密度应控制在1.2~1.4。采用小冲程并随时用水平标尺检查钻锥的垂直度, 一旦发现有斜孔或钻头侧偏, 需及时移走冲击钻, 向侧偏方向添加适量片石至偏孔上方300~500mm后重新冲击, 以免冲击钻碰撞钢护筒。钻锥稳定后, 加快冲击速度, 将钻头提高到1.5~2.0m后转入正常冲击, 直至破除障碍物。破除后的障碍物采用捞渣筒钻清理。

本工程中桩基钢护筒打设26m后遇废弃的市政自来水管道。自来水管外径600mm, 其结构分为2层:外层是铸铁管, 壁厚10mm, 在其外表面涂有防腐沥青, 防腐沥青层厚度约为2~3mm;内层是PE管, 如图3所示。

此时钢护筒下放并未达到设计标高, 需破除自来水管, 继续打设钢护筒。由于自来水管内部套有橡胶软管, 外部有沥青涂层, 使用冲击钻清理障碍物时无法有效将水管打断, 且派遣潜水员水下切割困难。

为此, 在处理自来水管时使用筒钻将铸铁管和橡胶管磨穿。筒钻钻头由2cm厚钢板卷制成, 长1.2m, 直径2.15m, 上端使用钢板封头, 下端镶嵌金刚石作为切割片, 呈锯齿状。封头端与钻杆焊接, 并将筒钻安装在回旋钻机上。当钻头接触到水管后逐步提高转速, 利用齿块切割水管直至水管断裂。

切断自来水管后提钻30cm左右, 逐渐降低钻速直至停止回转, 而后泵吸适当的时间, 将钻孔底部的钻渣吸出, 以免钻渣沉淀将钻头掩埋。缓慢提出钻头, 避免碰撞钢护筒。在采用气举反循环工艺进行换浆清孔后派潜水员下潜, 对断裂水管进行水下钻吊孔, 并绑钢丝绳上用以吊装。

当障碍物被清理后根据已割除钢护筒的长度接长钢护筒, 接长钢护筒上端对称焊接2个临时吊耳, 其上留有销孔, 用履带式起重机吊起钢护筒, 使接长钢护筒垂直对接在已有钢护筒顶口上, 进行焊接并在焊缝处四周均匀满焊4块15cm×40cm的加劲板, 如图4所示。

钢护筒接长后于顶端安装振动锤, 启动振动锤将其逐步打入河床。在此过程中管理人员通过全站仪和锤球观测护筒的垂直度, 并通过指挥履带式起重机摆动以调整钢护筒位置, 使护筒中心与桩中心的平面位置偏差≤50mm, 且护筒在竖直方向的倾斜度≤1%, 钢护筒的质量控制参数如表1所示。

钢护筒埋设完毕后, 在上其端划“十”字线定出桩位中心, 调整安置回旋钻机, 并且找平稳固, 使桩位中心、钻头中心和钻头起吊滑轮缘在同一垂线上, 确保桩位中心与设计偏差≤5cm。

回旋钻机就位后采用反循环施工工艺正常钻孔。如图5所示, 开启钻机转盘, 循环液和钻渣在砂石泵的泵吸作用下, 进入钻头底部的吸渣口, 沿着钻杆上升, 通过出水管进入砂石泵并沿泵出水口排入泥浆池。由于本工程的桩基地质软弱, 为防止施工过程中桩底的孔壁坍塌, 需将经沉淀后泥浆池中上部的浆液作为护壁泥浆继续注入孔内。

在钻进过程中遇障碍物, 应及时将回旋钻机提钻移走, 以免孔壁坍塌时钻头被埋在孔内。从图6中可以看出, 此种情况下的障碍物埋藏较深, 且护筒底口下部为粉砂层地层, 易出现孔壁坍塌, 潜水员水下施工不易。

此时宜直接采用冲击钻钻进。在冲击成孔时, 应小冲程开孔, 并应使初成孔的孔壁结实竖直、圆顺, 能起到导向作用。在冲击钻钻孔前应先在孔内灌注泥浆, 控制泥浆相对密度在1.2~1.4 (具体相对密度可根据现场地质情况进行调整) , 并向孔内回填片石。待钻头到达粉砂层冲破障碍物后移走冲击钻, 重新安置回旋钻机就位, 采用泵吸反循环施工工艺继续正常钻进。

在钻进过程中如需接钻杆时, 应将钻头稍提升约30cm, 停止回转, 继续泵吸适当的时间, 将钻孔底部的钻渣吸出, 然后放下钻头, 进行拆装钻杆工作, 以免钻渣沉淀而将钻头掩埋。

当钻孔深度达到设计标高后, 进行孔底标高的确定, 然后吊检孔器入钻孔内检测孔径、孔形和垂直度, 孔径应不小于设计桩径。桩身垂直度允许最大偏差≤1/150, 其他成孔质量参数如表2所示。

深水钻孔灌注桩应用广泛, 但相应的桩基遇阻处理工艺却缺乏系统的研究。本文对唐山纳潮河2号大桥桩基工程中遇阻情况进行归纳总结, 提出相应的处理方案, 得出如下结论。

1) 深水桩基遇阻依遇阻障碍物标高分为2种情况, 钢护筒埋设遇阻和桩基钻进遇阻。

2) 钢护筒埋设遇阻的处理工艺:清孔后派遣潜水员进行水下施工, 如不易人工清除, 则需依据障碍物的具体情况, 针对性地使用冲击钻或筒钻来破除障碍物。

3) 桩基钻进遇阻的处理工艺:使用冲击钻破除障碍物。在使用冲击钻前需要用片石埋孔, 避免障碍物受力不均, 无法完全清除。