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浅谈水中桩基础施工控制的几个要点
秦见光
摘要：位于沟塘、河、湖等地的水中桩基础，当水较深不能采用筑岛工艺施工时，一般采用搭设钻机平台的作业方法，特别是桥位处地质情况复杂，主要为砂层时，水中桩施工难度更大。下面以205国道沭河大桥为例分析水中桩基础施工控制应注意的几个问题。
关键词：水中桩基础；控制要点
一、工程概述
该桥位于新沂市东北跨越沭河，全桥长303.9米，全桥组成（30+30+25）+（5*25）+（3*30）米，桩基为φ1.5米，桥位处常水位26.3m，施工时实测水位27.096m（水位变化较大），主要地质构造层为粗砂层，河床已被严重开采，河床表面无稳定构造层，且高低不平，桩位处平均水深达10m以上。
二、施工过程和技术控制
1、钻机平台
水中桩钻机平台采用钢管桩排架方案，钢管桩直径21cm，入土深度1.5m左右。钢管桩采用打桩船打入，套箱前后各设两排钢管桩，每排4根桩，内侧两排钢管桩间距4m，距离套箱外壁约50cm。每排相邻两根钢管桩焊剪刀撑加固，桩位前后两排桩顶部用30#工字钢横向联结，再用30#工字钢纵向联结。完成钢管桩联结加固后，在工字钢上用原木铺设工作面，原木用扒钉连成整体。并验算排架的承载能力满足施工要求。
2、护筒制作安装
护筒采用6mm钢板卷制，沿护筒周长方向均布4道70#角钢加强护筒，沿护筒纵向每隔3米布置一道80#槽钢箍圈加强护筒。
护筒就位前，根据测量放样所得桩位坐标点，在水面上方设置护筒平面位置定位框架。护筒用浮吊船吊运就位，通过定位框，缓缓放入，护筒下放过程中注意控制护筒中心位置和竖直度，尤其在护筒底口入土的过程中，严格控制，确保护筒入土不发生偏斜。护筒底口自由入土稳定后，用1吨振动打桩锤间断轻打，当护筒底口进入较硬土层后连续振动，直至底口埋深达到2.0m以上，并尽可能深入（打入到振动锤所能打入的最大深度）。
护筒打入后，检验采用垂球法护筒竖直度，检查护筒壁对称四个点处的竖直情况，若不满足规范要求（不大于1％），重新提起打入，直至符合要求。
3、钻机就位
用浮吊船吊运钻机就位，钻机方向与墩位线垂直，在钻机下垫30#工字钢确保钻机前后左右移动时稳定。吊运钻机时注意轻吊慢放，并尽量一次将钻机方向放正，以便于钻机就位。
4、护筒水密性检验
桩位、钻机位复测合格后准备进行钻孔作业，在正常钻进前先进行护筒水密性检验。护筒水密性检验分为护筒身水密性检验和护筒底口处水密性检验两步。
护筒身水密性检验方法：除在护筒出场前进行检查外，当护筒安装就位后，注水使水位高于河面一米左右，静置12小时以上。根据护筒内水位变化确定水密性。
护筒底口处水密性检验方法：在护筒内造浆，造浆完成后，开始钻进，当钻进到护筒口底口以下1.5米左右时，停钻，静置泥浆2小时，观察泥浆变化情况，进而确定能否正常钻进。
5、造浆
由于本桥地质情况复杂，中粗砂层较厚，泥浆质量的控制尤为重要。采用优质粘土进行造浆，造浆在护筒内，利用钻头的回旋进行；粘土入孔前，清除土中的杂物和砂砾，各项指标达到标准。在钻进过程中，泥浆粘度及相对密度指标取规范高值，泥浆粘度控制在19～28Pa.s范围，泥浆相对密度控制在1.30～1.45之间。
造浆时，在临近护筒内和泥浆船内备满泥浆，以备二清时调用。
6、钻进
由于地质构造层主要为中粗砂层，进尺太快不利于泥浆护壁，钻进过程中采用低速慢档，进尺速度控制在70cm/h左右。当钻到护筒下口上、下各2m范围及地层变化处时，进尺速度控制在0.5m/h左右，防止出现坍孔。
为提高清砂效率，在泥浆船上加设震动除砂器，泥浆循环由两个泥浆泵完成，循环路径：泥浆船→护筒（从出浆孔流出）→相邻护筒（泥浆泵抽出）→泥浆船（泥浆流入船舱前经除砂器滤砂）。力争在钻进过程中降低砂率。
当钻进达到设计孔深时，将钻头提起10～20cm，持钻慢搅，充分将孔底泥砂带出。第一次清孔后泥浆相对密度1.2～1.3；第一次清孔后含砂率<4%。
7、验孔合格后安放钢筋笼
由于在水中施工浮吊船不稳，用其下钢筋笼容易碰撞孔壁造成坍孔。钢筋笼安装全部采用钻机吊装，分节长度根据钻机架高度确定，D180钻机（机架高11.5m，有效吊装高度10m）施工时，对应钢筋笼分五节制作，每节9.00m，D150钻机（机架高8m，有效吊装高度7m）施工时，对应钢筋笼分七节制作，一节9.5m（最下面一节，本节采用浮吊船吊入孔内），六节6m，钢筋笼接头搭接长度均为25cm。
钢筋笼保护层采用预制混凝土垫块，垫块为扁圆柱，直径为2倍保护层厚度，本桥桩基保护层6cm，垫块直径12cm，垫块垂直2米分布一处，一处水平分布4个，下钢筋笼过程中，将穿好钢筋的垫块焊在钢筋笼主筋上。在两节钢筋笼对接时，注意对准声测管位置，防止两节钢筋笼范围内的声测管发生扭曲现象，在进行声测管接长之前，在下面一节声测管中预先灌水，以减小内外压差，避免或减轻声测管的局部渗水缺陷造成孔内泥浆大量渗入声测管内造成堵管。水中桩护筒内径较设计桩径大40cm，护筒段钢筋笼定位采用在钢筋笼顶部固定方法，在下完最后一节钢筋笼后，钢筋笼顶部焊四个吊点，吊点采用等长φ22钢筋，吊点钢筋长度根据钢筋笼顶部设计高度与钻机平台工作面高差确定，吊点焊接完成后，调整好平面位置，在吊点钢筋内穿10×16的槽钢2根，担放在钻机平台工作面上。
9、下导管及二次清孔
钢筋笼安放完成后，尽快下放导管进行二次清孔。下导管时，将导管下至孔底，再回提到20～40cm。
为保证导管安放垂直居中，注意检查钻机导向架垂直度，钻机就位时导向架已调整与钻孔轴线一致。
二清时，泥浆比重较小（1.2左右），且泥浆中主要含带细沙及粉砂，通过调整振动筛筛网已不能有效降低含砂率，施工中增加锥形除砂器除去泥浆中细砂、粉砂，效果明显，能够在2小时左右将含砂率降低到2%以下，大大减少二清时间。二清后泥浆比重减小，粘度降低，恐影响泥浆护壁效果，必要时掺入适量水泥增加泥浆比重及粘度，增强护壁效果。经试桩总结泥浆比重为1.15～1.20，砂率≤2%，泥浆稠度保持在20～22S时适宜灌注混凝土。
10、混凝土拌和、运输
混凝土拌合前，试验室对集料做含水量试验，确定施工配合比，拌和过程中，严格控制混凝土的配合比和坍落度，混凝土拌和时间控制在2.5min以上，混凝土坍落度控制在180～220mm范围。
11、灌注
首批混凝土数量应满足初始埋置深度（≥1.0 m）和填充导管底部间隙的需要。
首批混凝土的灌注量计算公式为：
V≥[л（d2h1+D2hc）]/4
式中：V为初存量或漏斗和储料斗容量之和（m3）
h1孔内混凝土面高度达到hc时，导管内混凝土柱与导管外水压平衡所需高度（m）
h1= hwrw/rc
式中：hc为钻孔初始灌注需要的混凝土面至孔底的高度，即导管初次埋深加间距，导管初次埋深计算值取1.0m，导管下口至孔底间距为0.2m～0.4m，计算值取0.2m，钻尖部分锥体高0.6m。
hw为孔内水位至初次灌注需要的混凝土面距离。
D为钻孔实际直径（m），可取1.05倍设计桩径。
d为导管内径。
rw为泥浆重度，取12KN/m3。
rc为混凝土拌和物重度，24KN/m3。
经计算该桥不小于2.86m3。灌注混凝土之前，先用砂浆润滑泵管，灌注混凝土时，保证泵管内砂浆全部排出后，再将泵管接入料斗。
灌注过程中，根据砼的灌入量，计算混凝土理论上升高度，并量测混凝土面到基准面距离，与理论上升高度校核，并确定拆除导管长度，灌注过程确保导管埋深控制在2～6m，浇注桩身下部时，埋深控制在2～4m，浇注桩身上部时，埋深控制在3～6m。浇注过程中，注意钢筋笼底口位置，保证导管底口不在钢筋笼底口位置，同时控制导管埋深，避免钢筋笼上浮。
灌注桩顶的灌注高程，超过设计高程不小于1m，以确保桩头的砼质量，
三、结论和建议
1.钻机平台直接关系到施工安全和质量，其牢固性应符合《公路工程安全施工技术规程》的规定。钢管桩的入土深度和竖直度及剪刀撑和扒钉应根据地质情况和钻机的类型设置。
2.护筒的下口在地质条件具备的情况下，尽量沉入粘土层内，确保下口不坍孔；护筒出浆口高于水面1.5m.护筒底水密性检测时将钻头下至孔底上方约30cm处造浆，造浆完成后开始钻进，待钻进进尺达到护筒底口下方1.5m处，提钻静置2小时。若泥浆无明显变化，则说明护筒底口处水密性良好，无穿孔现象，可以进行正常钻进；若泥浆有明显回落，则说明护筒底口处水密性不良或发生穿孔，应移开钻机，采用振动锤二次振打护筒。如仍然不能满足要求，则采用双护筒方案，外护筒打入后，在两护筒之间填土，同时，孔内回填粘土后重新钻进，直至能够满足护筒水密性要求，再进行正常钻孔作业。
3.若桥位处地质主要为易坍的粗砂层，采用优质粘土造浆。钻孔过程中泥浆比重控制在1.30～1.45之间，第一次清孔结束控制在1.2～1.3，含砂率<4%，第二次清孔结束控制在1.15～1.20之间，含砂率<2%。
4.钻进速度控制在0.7m/h左右，当钻到护筒下口上、下各2m范围及底层变化处时，进尺速度控制在0.5m/h左右；进尺过程中由于含砂率较大，实测泥浆(含砂)比重通常在1.5～1.6范围。进尺过程中新添加粘土块径较大，振动筛网眼不宜太密，仅能把粗砂清除，不能有效降低含砂率，当含砂率≥40%时，暂停进尺，将粘土搅碎后，换用细筛网，降低含砂率到20～30%，恢复进尺。钻孔过程中如果遇到不利情况对孔壁造成扰动，采取回填粘土二次钻孔的方法加强护壁。试验人员经常对钻孔泥浆进行检测，不符合要求时，随时调整。检测频率：1次/小时。
5.钢筋笼焊接时，保证每个钢筋笼接头焊接时间不超过1.5小时，下钢筋笼时浮吊船配合钻机施工；为避免钢筋笼触碰孔壁，采用钢管焊制一边长1.5m正方形导向架，固定在钻机平台上。
6.灌注过程中导管的埋置深度控制在2～6m之间，任何时候埋深不得少于2m，也尽量不要多于6m。根据灌入混凝土量实测混凝土上升高度并与理论上升高度相比较。
7.下钢筋笼和灌注过程中注意观察泥浆的液面变化，如果突然上升后又回落则为塌孔，应停止及时处理。
参考文献:
1.《公路桥涵施工技术规范》JTJ041-2000 路桥集团第一公路工程局主编人民交通出版社
2.《公路施工手册：桥涵》交通部第一公路工程公司主编人民交通出版社2000年3月第一版