海上深水长大直径桩基施工防塌孔技术研究

蔡

杰，王增贤，林柏章，张建忠

福州

350001)

(福建省交通基本建设工程质量监督检测站，福建

摘

要：文章结合平潭大桥实体工程，系统总结了现有防塌孔技术并分析了其局限性，在对平潭大桥深水长大直

径桩防塌孔技术研究的基础上，进行实体工程孔壁防塌孔技术的效果评价，研究成果为今后同类工程桩基防塌孔技术的提出提供了参考依据。

关键词：桥梁工程；长大直径桩；防塌孔技术；工程效果评价中图分类号：U443.15

文献标识码：B

钻孔灌注桩孔壁稳定是确保成桩的前提条件和基础，如果孔壁稳定性得不到保证，将直接影响工程的顺利施工，甚至危及工程技术人员与施工人员的生命安全。受地层土压力、地下水位及成孔工艺等多种因素影响，钻孔灌注桩施工过程中孔壁常不稳定，随时会出现坍塌、缩颈等工程事故。平潭大桥海域常受台风影响，风大、急流、浪高、潮差大，海洋水文条件较复杂，增加了桩基成孔的难度。为此，在综合分析影响桩基成孔过程中孔壁稳定性各因素的基础上，对防塌孔技术进行分析总结，提出适于海上深水长大直径桩基成孔过程中相应的防塌孔技术，确保桩基孔壁在成孔过程中的稳定性。

内渗流时产生的渗透力Fw、孔内水向孔壁渗流时产生的渗透力Fm、孔口地面超载产生的侧压力Pq。此外，施工中对孔壁产生的一些附加作用力，如钻头破土时对孔壁产生的激振力；因操作不当产生的孔内液体压力激动而造成的抽吸力。这些作用力可以通过改进施工工艺或采取相应的技术措施，消去或减小对孔壁稳定性的影响。要使孔壁稳定，必须满足下列条件：

Ps+Pm≥Pa+Pw+Pq

Fm≥Fw

由土力学圆孔稳定原理知，要使孔壁稳定所需的支护应力为：

P0＝Pa－Ps＝0.5γdm0

式中，d为钻孔直径；P0为阻止孔壁坍塌所需的支护应力。

计算得静水压力：

Pm－Pw≥P0＋Pq

当这个压力大于所需的支护应力与地面荷载侧压力之和，孔壁就稳定；否则，孔壁就会失稳。

由此可见，孔内泥浆液面必须高出地下水位1.5～2.5m，方能保证孔壁稳定。因此，孔口需埋设一定深度(视地质条件而定)的护筒，这样既可以抬高泥浆液面，保持水头压力，又可增大圆拱支撑力，减少部分主动土压力。

1工程特征

平潭海峡大桥总长3510m，桥面宽均为17m，引桥包括西引桥和东引桥两个区段。西引桥区段范围为0#墩～42#墩，全长2100m，为50m跨连续箱梁，桥跨布置8×(4×50)m+2×(5×50)m；东引桥区段范围为46#墩～63#墩，全长840m，桥跨布置5×50m+2×(4×50)m+(3×50+40)m的箱梁，东、西引桥均为等截面预应力混凝土连续箱梁结构，下部结构为现浇墩身、带圆端的矩形承台与钻孔灌注桩基础。西引桥1#～41#墩178根钻孔灌注桩，主桥42#～46#墩96根钻孔灌注桩，东引桥47#～62#墩70根灌注桩，全桥总共344根钻孔灌注桩。

3防塌孔技术及其局限性

防止钻孔灌注桩施工塌孔的技术和方法有：泥浆护壁法、加长护筒法、钻孔压灌超流态混凝土桩施工及桩周注浆强化桩周土体强度特性等。3.1

泥浆护壁技术及其局限性

2钻孔孔壁稳定的条件

在钻孔过程中，钻孔孔壁径向受力除了主动土压力Pa和圆拱支撑力Ps外，还受以下几种力的作用：孔内水压力(或泥浆压力)Pm、地层水压力Pw、地下水向孔

作者简介：蔡杰（1970-），福建寿宁人，高级工程师，主要从事高速公路的建设与管理工作。

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桥隧工程

泥浆的主要功能是防止桥基成孔过程中的孔壁坍塌，以及悬浮钻渣和挟渣的功能。

根据组成泥浆原材料的不同，公路桥梁桩基础主要采用膨润土泥浆、聚合物泥浆、CMC泥浆和粘土泥浆。这些泥浆应用主要根据工程地质情况、工程规模、施工技术条件等因素选择。对于海上长大直径桩而言，淡水泥浆在使用中会受到海水的污染而影响其功能。另外，泥浆主要是粘土或膨润土与水拌和的混合物，并根据需要掺入少量的其他物质，如纯碱、CMC(羧甲基纤维素)等，以改善泥浆的性状，使其具有良好的性质，大大改善护壁性能。但是，钻孔灌注桩泥浆护壁可能造成的桩体侧摩擦阻力降低。桩侧摩擦阻力不能充分发挥是导致整个承载力显著降低的重要原因，而泥浆的成分、性状及操作工艺的好坏又直接影响泥皮的质量和厚度，影响桩侧摩擦阻力的发挥。3.2护筒防塌孔技术

在钻孔灌注桩的桩孔上部预先埋设护筒，对于海上深水桥梁桩基础的施工所采用护筒，考虑到钢护筒坚固耐用，钢护筒在深水、复杂地质及大孔径等条件下，一般需用厚度为12～14mm左右的钢板卷制，并焊接成整体型式。对于沉入土中的部分，为减少护筒与土层间的摩阻力，护筒壁一般不设加劲肋。这类厚壁护筒，由于需要振动式沉拔桩锤沉埋，所以对于钢护筒的结构尺寸及各部构造，应按实际受力的情况与沉拔机的作业需要而确定。

焊接整体式钢护筒具有强度高、刚度大、结构简单、施工方便、适应性强、有利于实现机械化作业，加快施工进度等优点。但在海上深水情况下的灌注桩施工时，一旦护筒的埋深出现失误，将导致出现重大工程质量事故和经济损失，因此，护筒埋置深度应高度重视。

护筒防塌孔技术在桩基施工中应用较广，工程效果好，质量可靠，一次成孔率高，但是钢护筒造价比较高，增加了施工成本，特别是在较坚硬的土层施振钢护筒技术难度较大，往往使钢护筒产生弯曲、变形等，影响桩基成孔的质量，进而影响到桩基的总体施工进度。3.3钻孔压灌超流态混凝土桩施工

钻孔压灌超流态混凝土成桩工艺是利用长螺旋钻机钻孔至设计标高，停钻后抽出内套管，在提钻的同时通过设在内管钻头上的混凝土孔，压灌水泥浆或超流态混凝土，压灌至设计桩顶标高后，移开钻杆将钢筋笼压入桩体。

在成孔的过程中，利用钻机自身的钻杆达到护壁的效果，避免其他类型的护壁措施如泥浆护壁导致桩侧摩阻力的降低。在成桩过程中，提钻的同时压灌超流态混

4.3稳定性评价

经计算，44＃主墩钻孔的主动土压力与静水压力见表2。

由上表可以看出，当钻孔深度为6m时，孔内静水压力大于土的主动土压力，若钻孔深度继续增加，则主动土压力大于孔内静水压力，此时，土体在其合力的作用下，向孔内移动，从而造成孔壁不稳。另外，由于淤泥处于流塑状态，钻孔时若不采取措施进行支护，则会产生塌孔。由此看出，当钻孔深度过深时，必须采取一定的措施防止其孔壁破坏，进而保证钻孔施工的顺利进行。

作为土体主动土压力的计算公式，当主动土压力大于静水压力时，孔壁稳定性将遭到破坏，产生塌孔。4.2

计算参数

对平潭海峡大桥的孔壁稳定性进行分析计算时，选取具有代表性的44＃主墩钻孔为例。44＃主墩桩基的孔口高程是-28.51m，孔底标高是-75.0m，考虑到地质条件的复杂，为了便于计算，将地层简化为四层，各层土体的参数见表1。对于砂土来说，由于没有粘聚力，所以其总是处于不稳定的状态，在计算中未考虑，而风化岩层总体来说是稳定的，所以也不进行计算。

表144＃主墩土体的参数

凝土，压力灌浆还能使超流态混凝土向桩体周围渗透和挤密，桩体与孔壁土结合紧密，提高了桩体侧壁的摩擦阻力。

钻孔压灌超流态混凝土桩施工工艺弥补了普通长螺旋钻孔灌注桩的缺点，扩大了使用范围。在黄土状粉土、砂土地基中使用效果较好，在粉质粘土、密实粘土地基中，其侧摩阻力也有一定的提高。但在淤泥质地基中使用时，应注意混凝土桩体长细比不能过大，否则成桩和压入钢筋笼很困难。

4平潭大桥桩孔稳定性理论计算与评价

4.1计算方案

经过对上述理论的对比分析，结合平潭海峡大桥44＃主墩的具体地质条件，采用下式

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表2计算成果表

的成孔检测成果可知，平潭大桥采用的防塌孔技术是行之有效的，有良好的工程适用性。

6结语

泥浆护壁及钢护筒两种措施的采用均可确保桩基孔壁的稳定性，研究在总结现有防塌孔技术的基础上，提出平潭海峡大桥桩基防塌孔技术。桩基成孔检测成果表明，泥浆护壁与钢护筒的综合使用能够有效的保证孔壁稳定，防止塌孔的产生。钢护筒造价较高，因此其长度能够满足抗倾覆条件即可，同时结合泥浆护壁来保证孔壁稳定，可以保证桩基成孔的质量，实践证明其有良好的工程适用性，将产生一定的经济效益与社会效益。

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5平潭大桥深水长大直径桩防塌孔技术

对海上深水长大直径桩而言，防止桩基孔壁施工中的塌孔技术，从技术与经济方面考虑，综合采用下放钢护筒与泥浆护壁这两种措施是科学、合理的。泥浆在一定程度上影响桩侧摩擦阻力的发挥，且钢护筒造价较高，因此，一般情况下钢护筒深入孔内的距离只要能满足抗倾覆要求即可，同时结合泥浆护壁保证孔壁的稳定性。

平潭大桥全桥总共344根钻孔灌注桩，采用下放钢护筒与泥浆护壁相结合的措施可以有效地防止桩基的塌孔，完全满足平潭海峡大桥钻孔灌注桩的护壁要求，在确保施工质量与进度的条件下，节省了钢材，降低了工程造价，为下一道工序的顺利进行奠定了基础。从桩基

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