全砂层地质复合桩基旋挖钻施工工法
1前言
常言道“万丈高楼平地起、干里长桥始于桩”.随着我国基建行业的高速腾飞，带动了长大桥梁工程迅猛发展，钻孔灌注桩作为桥梁基础工程中必不可少的一项，也随之得以突破发展，根据地质条件的不同，各个桩基基础的创新设计应运而生.而钢管复合桩汲取了钢管桩及常规混凝土桩基的优点，具有承载力高、岩性好、可靠性、便于施工，风险可控的优点，已在国内苏通长江大桥、泉州湾大桥、鱼山大桥、秀山大桥、港珠澳大桥等多个跨江跨海大桥项目上得到成功应用，并取得较好的效果.但浅滩、陆上、不同航、全砂层等复杂条件，大型设备无法进驻的情况下，需对钢管复合桩施工工艺进一步的创新研究.
河南省黄河高速有限公司和中交第二公路工程局有限公司依托安罗高速原阳至郑州段黄河特大桥，深入研究钢管复合桩在没滩、陆上、不通航、全砂层等复杂条件下施工技术.项目主桥为双塔双索面半漂浮体系钢混组合梁斜拉桥，主桥跨径布置为110135520135110-1010m，副桥为跨径100m钢混组合梁桥，主桥辅助墩、过波墩及副桥基础均采用钢管复合桩结构，复合桩桩长为95m，桩径为2.7-2.2m（0-35m为2.7m桩径，35-95m为2.2m桩径），复合桩钢管长35m，内径2.7m，管内设置12道剪力环.
桥位处于黄河河道内，河道宽浅，水流散乱，冲淤变化迅速，地质条件基本为全砂层，摩擦系数大，存在较大的缩径、塌孔风险.经过项目前期调研对比分析，常规大直径超长桩基采用回旋钻或冲击钻施工工艺，但施工工期长、经济性差，而在临近项目上游的官波黄河大桥和试桩验证，采用旋挖钻施工工艺，钻孔深度可达120m，成孔成桩效果良好，满足各项设计规范要求.为此项目通过创新研究复合桩钢管组合振沉工艺、变径导向定位成孔工艺、变径钢筋笼制安工艺、抓斗法桩头处理工艺等成套施工技术，有效保证钢管复合桩基旋挖钻施工质量和进度，总结提炼全砂层地质钢管复合桩基旋挖钻施工成果，为后续类似工程提供借鉴和依据.
2工法特点
2.1采用了三层下沉式定位导向系统、护筒监测系统和组合式振沉法，解决了在不同航、全砂层条件下大直径超长复合桩钢管沉放和高精度安装问题，消除了旋挖钻在钢管内钻孔因垂直度超限而导致的钻头无法出管的问题.
2.2通过开展泥浆配比、变径导向定位装置、管顶加设临时钢护筒的试验研究，解决了钻孔水头压力和泥浆外溢问题，加强了泥浆护壁效果和倾斜度控制，消除了因水头压力不够、泥浆护壁不佳和钻头因反复提升引发的塌孔、缩径、垂直度超限等问题，提高一次成孔合格率.
2.3采用了钢筋笼骨架变径成形机手持式液压钳缠丝机两种组合加工工艺，实现了大直径超长变径钢筋笼机械化加工；创新设置了钢筋笼顶部四角定位板，消除钢筋笼顶部偏位超限问题.
2.4创新采用了抓斗桩头处理工艺，在混凝土灌注完成后，清理桩头泥沙和混凝土，解决了在复合桩钢管内桩头破除受空间影响施工困难和进度缓慢的问题，提高了施工工效.
3适用范围
本工法适用于旋挖钻施工工艺的桩基础，对于工程建筑、铁路、公路等类似工程也可以参考本工法.因复合桩钢管沉放击振因素影响，不适用临近房屋、铁路、公路、水坝等危及建筑安全性的工程.
4工艺原理
本工法工艺原理如下：
4.1在施工准备阶段，研究分析全砂层地质钻孔设备选型及泥浆配比试验，设计研究复合桩钢管精度安装的定向导向措施.
4.2试验研究全砂层地质对复合桩钢管沉放的影响，通过优化组合锤击方式和采取定位导向及监控量测的相关措施方法，来实现大直径超长复合桩钢管高精度安装.
4.2在复合桩钢管顶加设临时钢护筒至平台顶，来确保水头压力和防止泥浆外溢，同时兼顾钻头定位导向作用.
4.3钻孔阶段分为管内35m（直径2.7m）和管外60m（直径2.2m）两个阶段，管内采取直径2.45m钻头2.5m带钢刷钻头，兼顾钻孔和清理管内泥皮；管外钻进时，加设变径导向定位装置，以触碰法定位钻头，同时根据实际地质情况控制泥浆各项指标，以此加强成孔垂直度和护壁效果.
4.3借鉴滚焊机优势，改造升级钢筋笼骨架成型机，借助手持液压钳和固定盘回缩装置，自然弯曲形成变径，整套钢筋笼可在一个工位加工成型，简化了加工流程和工序，操作更加便利.在钢筋笼下放至顶节时，在笼周设置加设三角定位板，加强钢筋笼安装精度.
4.5打破常规破桩头方法，采用抓斗桩头处理法清理桩头超灌混凝土，减少人工破桩时效，提高桩头破除效率.
5施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
图5.1-1施工流程图
5.2操作要点
5.2.1施工准备
（1）全砂层地质条件分析研究
根据设计勘察地质图，桥区场地地质构造相对稳定，桥区内除地震液化和软弱土外未见其他明显不良地质现象，施工区域内地层以粉砂、细砂为主.（详见表5.2.1-1）.同时根据设计文件资料，复合桩钢管底和桩底高程分别为47.5m、-14m，所处砂层地质状态皆密实.而砂层地质砂土的内聚力为0，靠内摩阻力维持稳定，在地下水位以下，砂土含水量和湿化程度增高，内摩阻力和抗剪强度降低.由于钻孔的形成，应力向孔内释放，最初表现为孔径总体变小，砂层中的粉质粘土夹层部位明显缩径，最终表现为砂层孔壁的坍塌.为此在设备选型中，应考虑二个方面，一是复合桩钢管沉放设备选择大于所处地层内摩阻力；二是钻孔设备钻孔应选择成孔速度快的设备，同时应加大钻头和加强泥浆护壁.
表5.2.1-1地质岩性
地基承载序号 时代 土层名称 层底高程 状态密度 层厚 桩侧土的 摩阻力标 力特征值成因 （m） （m） 准值（qik） kPa （kPa) （fao)1 粉砂 76.55 松散 4.5 30 902 细砂 72.75 稍密 3.8 35 1203 粉质黏土 68.95 中密 3.8 40 1304 Q 粉土 65.65 中密 3.3 45 1505 细砂 细砂 60.75 57.65 中密 密实 4.9 3.1 50 55 160 1806 7 细砂 53.95 密实 3.7 55 1808 细砂 51.05 密实 2.9 55 2009 细砂 41.05 密实 密实 10.0 60 25010 11 Q; 细砂 细砂 31.05 20.65 密实 10.0 10.4 65 70 280 0012 粉土 12.45 密实 8.2 75 26013 细砂 2.05 密实 10.4 75 30014 细砂 -5.15 密实 7.2 75 30015 16 Q:a 粉砂 细砂 -21.15 -7.05 密实 密实 14.1 1.9 80 80 200 30017 粉质黏土 -26.15 密实 5.0 90 32018 细砂 -28.75 密实 2.6 85 350
（2）钢管沉放设备选型
根据计算和以往项目类似工程经验，结合施工平台承载能力，选择以下三种设备进行比选（详见图5.2.1-1），最终选择YZ-400B双联动液压振动锤YC-35液压冲击锤作为钢管复合桩沉放设备.
设备名称 工作源理 换格参数 效果面 施工皮用图马达高速转动，其带动偏心块高速 由液压动力站提供动力，通过运转产生出能使桩也高速服动的激 力， 该振力能使椎登用围的士 总重 1164 （含夹具） 力691由障编发电机提供电力，通过电力驱动耐脑电机 带动信心块转动 纳调节活动编心块 上下期动的游据力. 让据动产生 电机高速转动 达别免共据效 （通过连压 B260KI 大 力麦士体达列 72t 最大服 e量 （含夹具）： 3-4沉护院至标高. 护筒自重大于端部阻力， 自重下 且设备和由液压动力系统提供动力，锤芯，当速压虹提升锤芯到一定高 复区 中击能量： S25KN钟芯产生打击作用，完成打桩过程， 塞的上部与下部处手相间压力，此 75t 总重量（含桩帽）： 35t
图5.2.1-1钢管沉放设备调研
（3）钻机选型
根据地勘报告、设计图纸及试桩结果反应，桩基设计桩长95m，施工平台高度6m，钻孔设备最小钻杆长度需101m，而试桩时采用旋挖钻工艺，钻孔深度可达120m，成孔成桩效果良好.通过对旋挖钻机、气举反循环钻机、泵吸反循环钻机进行综合比选（详见表5.2.1-2），拟采用旋挖钻施工工艺.
表5.2.1-2拟采用的钻机比选
项目 旋挖钻 泵吸反循环 气举反循环钻机 (ZJD3500)粘土、粉土、砂土、淤泥质土、适用 地质 人工回填土及含有部分卵石、 黏土层、含少量砾石、卵土层、淤泥层、砂层、卵石 石层、软岩 层、软岩等.碎石的地层4-6倍. （1）成孔速度快，是一般钻机（2）适应性强，可配置不同钻（1）成本较低：优点 头，可用于不同地层. （2）设备进场块，转场 好： （1）泥浆护壁效果相对较(3）相对其他钻机对周边环境便捷： （3）整机自重较小. （2）钻杆扭矩大，动力足.污染少，易于环保. （4）是当代科技结品，集中体现人性化、智能化、高效率.
