「工法」水下漂卵石层近等径钻头冲孔钢护筒下放施工工法

水下漂卵石层近等径钻头冲孔钢护筒下放施工工法

1、前言

在水下漂卵石地层或厚度较大第四系堆积层中采用冲击钻机进行桥梁桩基的冲孔施工时，由于水位深或地下水丰富、河床表层沉砂厚、漂卵石较多等诸多不利 因素的影响，易造成冲孔施工过程中钢护筒沉放深度达不到设计位置，发生塌孔、漏浆、护筒倾斜等重大质量安全事故，进而对施工进度及投资产生影响。对此，xx有限公司和xx有限公司在钟多快速通道工程花山3号大桥等工程的水下桩基成功施工的基础上，总结形成了水流急、水位深、漂卵石地层等特殊地质条件下近等径钻头冲孔钢护筒下放施工工法，有效解决了钢护筒沉放不到位的难题，加快了施工进度，保证了施工质量，节约了施工成本。

本工法关键技术 “急流漂石层钢平台桥墩施工技术”经查新在国内属首次使用，近等径冲孔下沉钢护筒桩基成孔施工方法处于国内先进水平。

2、工法特点

2.1有效解决水下漂卵石地层的成孔难题

本工法克服了制约成孔的瓶颈，解决了水下漂卵石地层钢护筒沉放的施工难题，加快了水下桩基的成孔速度，促进了桥梁水下桩基成孔及整体施工进度。

2.2设备简单，增加成本少

本工法采用的冲击钻机、钻头、泥浆泵、振动锤等施工设备与正常施工设备一致，不额外增加施工设备。

常规施工方法中沉放的锁口钢护筒直径比桩基设计直径大20~30cm，钻头与设计桩径一致；本工法中施工钻头直径大于设计桩径，接近并略小于钢护筒内径。

2.3施工速度快

采用本工法进行沉放钢护筒施工时，钢护筒下方土体在扩孔率的影响下随着钻头的下行被逐渐掏空，而钢护筒在自身重力的作用下，克服周围土体的摩阻力，自动下沉（当摩阻力大于其自重时，需在护筒顶采用振动锤施加外力促使钢护筒下沉到位）。钻深到位，护筒也基本到位，节约了振放钢护筒的时间。

2. 4 钢护筒沉放位置准确，竖向偏差小

常规施工方法中钢护筒在导向架内逐节沉放，需要直接施加外力使钢护筒下沉，容易造成钢护筒竖直度达不到设计要求。本工法护筒进入河床面时主要依靠护筒自重下沉，可以确保进入河床时钢护筒的竖直度。

3、适用范围

3.1本工法适用于地基为水下漂卵石、岩溶地层等钢护筒难以直接沉放的地质条件下的桩基施工；也适用于同样地质条件无水环境的桩基施工，以及相关行业如水电、码头、房建等同类型地质条件桩基工程的施工；

3.2本工法适用于桩径大于1.5m、孔深为40~50m、护筒深度为15~25m的桩基施工。

4、工艺原理

4.1本工法利用冲击钻孔存在一定扩孔率的原理，采用现场试验的方法确定最佳扩孔率，根据最佳扩孔率选取与钢护筒内径非常接近的冲击钻头；

4.2在护筒内冲击钻进时，受扩孔率的影响，钻头能够完全掏空护筒壁正下方的土体，使钢护筒失去下部土体的支撑，此时当摩阻力小于护筒自重（在水中的浮力可忽略），护筒随着冲孔施工会自动下沉；当摩阻力大于或等于护筒自重时，护筒不会下沉，可在护筒上施加竖直向下的外力使钢护筒下沉。

4.3钢护筒沉放至河床下的深度达到设计深度时，更换成设计直径的钻头，按照设计孔径进行钻孔施工直至设计孔深。具体钻孔时钢护筒受力情况如图4.3-1所示。

图4.3-1近等径钻头冲孔下沉钢护筒受力分析

5、工艺流程及操作要点

5.1工艺流程图

钢护筒的沉放施工首先需现场试验以确定最佳扩孔率、选择钻头直径。

图5.1-1 工艺流程图

5.2 操作要点

5.2.1钻机准确就位，并整平孔位处河床

首先在搭建好的施工平台上准确测放出孔位，放置并固定钻机，将孔位处的平台面板割除，形成一个方孔，方孔大小应由护筒及导向架的大小确定。然后从方孔处下放普通钻头，对孔位处河床进行盲冲整平。

5.2.2 加工并安装导向架

导向架是一个上下多层的型钢钢架结构，主要起为钢护筒下行提供导向，保证钢护筒平面位置和竖直度的作用。将制作好的导向架用吊车吊放至桩位处，按照确定的桩位中心线调整好位置，将型钢与平台四周焊接，导向架安装必须牢固可靠。导向架加工如图5.2.2-1所示。

图5.2.2-1 钢护筒导向架结构图

注：图中钢护筒数据仅为示例

5.2.3 加工厂加工钢护筒并分节段运至现场

钢护筒采用δ=12mm厚的Q235A钢板按照设计尺寸在加工厂定型制作，以确保其加工质量；钢护筒运输至现场后，应采取保护措施防止其变形、影响下沉施工质量；钢护筒必须检查合格方可使用。

加工钢护筒所使用钢板的厚度及强度应与进入河床的深度、护筒所承受的竖向、环向应力相匹配，按照《钢结构稳定设计指南》中竖向非弹性屈曲临界应力和环向非弹性屈曲临界应力公式进行安全变形验算：

竖向非弹性屈曲临界应力公式：

（式5.2.3-1）

环向非弹性屈曲临界应力公式：

（式5.2.3-2）

式中：d---钢护筒直径，取260cm；

t---钢护筒壁厚，取1.2cm；

E---弹性模量，取206000mpa；

fy---屈服强度，取235mpa。

将以上参数带入公式可求得竖向临界应力和环向临界应力分别为：σx.cp=178.03mpa, σψ.cp=94.68mpa。

本工法以花山3号大桥水下桩基为例，钢护筒设计进入河床深度为6m，加上河床以上至水面的高度17m，钢护筒最深处为水面以下23m，钢护筒直径2.8m，其竖向受力主要为振动锤的激振力和钢护筒本身的重力（摩阻力方向相反，计算时应该扣减，但在此仅考虑最不利条件，因此不宜减小竖向荷载），经计算合计为79.085t，则作用在护筒底截面上轴向应力为75mpa，远小于临界竖向应力178.03mpa；而环向应力主要为水压力（由于进入河床深度仅为6m，深度较浅，可不考虑土压力），按照水压力计算公式p=ρgh=1000×10×23=230000（pa）=0.23mpa，也远小于环向临界应力94.68mpa，因此我们选择的钢护筒厚度及强度均能确保钢护筒不变形的要求。

当水深较大、需打入河床的深度也较大时，应按照钢护筒所承受的竖向及环向荷载（需要计算护筒壁土压力时，应按被动土压力公式计算）作为临界应力反算钢护筒的壁厚，取较大值作为护筒钢板厚度。

5.2.4 逐节下放并初次振打钢护筒，使钢护筒嵌入地层一定深度

将运至现场的钢护筒用吊车分节段沿安装好的导向架下放至河床表面，节段间采用全缝焊接，不得渗漏水。钢护筒沉放至河床表面后，根据设计钢护筒直径大小，选择合适的振动锤与履带吊配合下振钢护筒，至钢护筒贯入度为零，护筒不再下沉为止（此时不得继续振打，以防止钢护筒上、下口翻卷或其它损伤）。钢护筒下沉嵌入河床应有一定的深度，在钻孔过程中护筒底端不得出现平面位移，确保护筒的竖直度偏差。

注意：将钢护筒沉放至河床表面后，应首先检查护筒的竖直度，如果由于河床表面不平整使钢护筒的竖直度达不到设计要求，就应提起钢护筒，采用冲锤重新整平河床，必要时可适当抛填片石找平。再次检测孔位处平整度，满足要求后，方可重新下放钢护筒。

5.2.5 通过现场扩孔率试验,确定最佳扩孔率及近等径钻头直径

现场扩孔率试验，可以在搭建平台之初就开始进行此项工作，其目的是在达到一定扩孔率的情况下，选择合适的钻头直径，能够使钻出的孔径略大于钢护筒直径，使钢护筒依靠自重或外力顺利下沉到位。

在沿河浅滩寻找一处与河床地质非常接近的区域埋设1.5~3m长的钢护筒（直径与设计要求一致），安置钻机钻孔（悬吊钻头的钢丝绳必须与护筒中心重合），钻至护筒下2m深后，提出钻头，将护筒内泥浆全部抽出，检测护筒下成孔的直径，并做好记录。然后回填洞渣至护筒顶面，采用焊机在钻头边缘加焊耐磨块以改变钻头直径大小，再次钻进，测护筒下的孔径，如此反复多次，对所测得的钻孔直径和钻头之间的关系进行分析，并按照下式计算出各种直径钻头钻孔时的扩孔率，分析确定应采取的最佳钻头直径。

i=（D孔-D钻）/D钻×100% （5.2.5-1）

式中：i---扩孔率；

D孔---钻孔直径；

D钻---钻头直径。

图5.2.5-1 扩孔示意图

采用实测数据并对扩孔率进行计算，绘出扩孔率与钻头直径之间关系如图5.2.5-2。由图可知，钻头直径较小时（始终保持钻头直径在设计范围内），扩孔率较大，但在外包钢护筒的限制作用下，随着钻头直径的增大，扩孔率逐渐减小，最后趋于定值，根据实际情况，我们应该选取孔径刚好大于钢护筒外径时的扩孔率为最佳扩孔率，则对应于最佳扩孔率时的钻头直径即为最佳直径。

图5.2.5-2 钻头直径-扩孔率关系曲线

5.2.6 采用选择好的近等径钻头钻至设计护筒埋置深度

在设计桩位处，向已安装好的护筒内加入泥浆，采用加焊好的近等直径钻头进行正常冲击钻进，直至钢护筒设计埋置深度位置。施工时考虑到孔底沉渣、局部坍塌等影响，可在设计深度的基础上加深50~100cm左右，以确保钢护筒能够沉放到位。

5.2.7 采用振动锤再次下振钢护筒直至护筒设计埋置深度

一般情况下，完全依靠钢护筒自重不足以克服护筒与孔壁之间的摩阻力，需要采用振动锤在护筒顶增加振动外力，钢护筒才能继续下沉直至设计埋置深度。

5.2.8 更换钻头正常钻进

钢护筒下放到位后，标志着整个钢护筒下沉施工工序均已完成，将近等直径钻头更换为设计钻头，正常进行设计孔径的冲孔施工。

6、劳动力组织及材料设备

本工法在施工过程中采用“三八”制作业，一台钻机每班所需人员为4人。如果桩位较多，同时平台空间足够的情况下，可以考虑多台钻机平行作业。值得注意的是：同一类地层结构，现场扩孔率试验只需做一次。

表6.1-1 所需主要材料表

序号	材料名称	规 格	主要技术指标	备注
1	钢板	Q235，δ=12mm	A3钢，94.2kg/m2	钢护筒制作
2	工字钢	I36b、I40b、I45a等	A3钢	施工平台、导向架
3	槽钢	[20a	22.637kg/m	导向架
4	耐磨块	Fe-05	含耐磨金属成分	加焊钻头
5	焊条	D502		施焊
6	钢丝绳	Φ32	321.8kg/100m	悬吊钻头、泥浆泵等
7	黄粘土			钻孔护壁

表6.2-2 所需主要仪器设备表

序号	设备名称	型号	性能及能耗	数量	备注
1	振动锤	VM2-4500	135KW，激振力50~60T	1	打或拔护筒
2	履带吊	QUY-50T	50T	1	起吊构件、钻头、振动锤
3	汽车吊	XZJ5290JQZ-25T	25T	1	起吊构件
4	装载机	ZL50D		1	转运材料
5	焊机	BX1-400		5	施焊
6	冲击钻机		75KW	4	钻孔
7	冲击钻头		8T	4	钻孔
8	泥浆泵		37KW	4	泥浆循环
9	水泵		3.6KW	4	抽水
10	卷板机	W11-16-2000	11KW	1	钢护筒制作
11	全站仪	拓普康GPT-102R	无棱镜	1	测量
12	卷尺	5m		4	测量、质量、技术
13	测锤	自制		4	测量孔深
14	水流测速仪	LS25-3C型	0.04~10m/s	1	测量水流速度

7、质量控制

7.1 质量标准（详见表7.1-1）

表7.1-1 施工标准及规范

序号	规范及标准编号	规范及标准名称	备注
1	GB50205-2001	《钢结构工程施工质量验收规范》
2	GB 50017-2003	《钢结构设计规范》
3	JTJ041--2000	《公路桥涵施工技术规范》
4	JTGF80/1-2004	《公路工程质量检验评定标准》

注：表中所列内容仅为施工时间所采用的标准及规范。

7.2质量控制要求

7.2.1钢护筒加工

钢护筒采用12mm厚Q235钢板卷制而成，加工精度：内径偏差<±15mm；椭圆度（两垂直方向内径差）<±10mm：长度偏差≤±15mm，采用卷尺检查。成型后进行焊接质量检验及水压试验，焊缝高度不少于4mm，并要求满足《钢结构工程施工质量验收规范》中的二级标准。

7.2.2 钢护筒沉放

钢护筒中心竖直线应与桩位中心线重合，平面允许误差≤50mm，竖直线倾斜度≯1%；护筒埋置深度在6.0m以上，护筒顶面应高出施工常水位1~2.0m以上。钢护筒连接顺直，筒内无突出物，并应耐拉、压，不漏水。

7.2.3 泥浆制备

在本工法中，采用固定泥浆制作站制作泥浆，成品泥浆采用运输罐车运至孔位处循环使用。对于孔内泥浆的质量应随时检测，其性能指标，其满足下表7.2.3-1的要求：

表7.2.3-1 泥浆性能指标

相对密度	粘度（%）	含砂率（％）	胶体率（％）	失水量 （ml／30min）	泥皮厚（mm／min）	静切力（Pa）	酸碱度pH
1.2～1.4	22～30	≤4	≥95	≤20	≤3	3～5	8～11

7.3质量保证措施

7.3.1桩位中心线及高程采用双人复核测量，确保线位准确。特别是在安装导向架时，其中心线必须与桩位中心线保持一致，且导向限位装置必须焊接牢固，防止在下沉钢护筒时脱落。

7.3.2钢护筒由加工厂专业化生产加工，以提高钢护筒制作质量。吊运过程中，在吊孔处增焊加劲板，并采取十字撑筋两端加固，防止变形或损坏。

7.3.3钢护筒的分段加工长度根据吊装设备的起吊能力、运输能力及施工平台与河床之间的深度尽可能加长，可以减少水上焊接作业量，更好地保证钢护筒的垂直度。

7.3.4钢护筒在采用振动锤加振或其他外力作用时，必须保证外力作用线的竖直，同时应沿护筒四周均布，不可单侧受力。一旦贯入度为零时，不得过振，防止钢护筒上下口翻卷损伤。

8、安全控制

8.1吊车司机、起重工、电工、电焊工等特殊工种必须持证上岗，禁止无证操作。

8.2工作平台必须稳定牢固，四周设栏杆并挂密目安全网，桩位孔洞四周挂全封闭安全网，防止人员及材料坠落水中。施工人员作业时必须配戴安全帽、系安全带、穿防滑鞋、手套、救生衣等必须的劳动防护用品。

8.3施工平台为全钢结构，应高度重视安全用电工作，必须严格按照施工临时用电措施采用三相五线制供电，实行三级供电管理制度和一机一闸一保护制度。

8.4钢护筒施工时必须安排专人指挥吊车。所有吊点必须经过专职起重工检查，不符合要求的禁止起吊。在吊装作业前，司机必须详细检查吊车动力、制动等系统的完好，同时还要检查起吊钢丝绳是否存在断丝、磨损等情况，发现问题必须先行处理。

8.5河道水流较急时，应加强观察水面漂流的树木、杂物等对施工平台及护筒的撞击，应采取措施尽量避免。当水流流速超过1m/s时，应暂停钢护筒及钢管桩施工，当水流流速超过3.5m/s时，应撤出深水区平台上的所有施工人员及设备，暂停平台上的所有施工工作。

9、环保措施

9.1 总体方案

严格按照国家环保、水保的要求编制专项环保措施，防止污染河流，影响正常的水环境。在钻渣、废浆、废水的处理上，项目制定了专门的排放措施，原则上做到不达标就不准排放。

9.2 钻渣及废浆处理

9.2.1固体废渣直接装自卸汽车运至渣场存放。冲击钻机钻取的废渣经泥浆携带抽出孔外后，通过震动除砂机、旋流器进行钻渣过滤，过滤出的钻渣用自卸汽车运走，泥浆可继续排回孔内使用。

9.2.2对制浆用的粘土和外加剂进行严格的挑选，禁止使用有害化学物质的添加剂。

9.2.3采用先进的泥浆净化装置及设备，对泥浆进行多次净化利用，尽可能减少泥浆的排放量。

9.3废水处理

9.3.1生产废水通过管道排放到废浆池进行沉淀处理、上部清水用泵抽走排放，剩余沉渣用人工或反铲捞取后用自卸汽车拉到指定的渣场存放。

9.3.2洗刷机械的废油水禁止进入排水系统，单独搜集进行处理。

9.4节能

大型用电设备必须错时施工，防止用电负荷过大，烧毁部分供电设施。

10、效益分析

10.1 从技术可行性上，本工法彻底解决了在水下漂卵石地层中钢护筒沉放不到位的难题，具有推广应用价值。详见表10.1-1。

表10.1-1 技术可行性对比

序号	方案名称	方案简述	技术可行性
1	无护筒盲冲方案	首先安排潜水工下水对桩位处进行摸排整平，对于整平存在困难或表面有大型漂卵石的桩位，应先将钻机在平台上安装完成并在桩位处进行盲冲。盲冲时的钻头直径应大于设计桩径20cm以上，盲冲时采用高压风接钢管下伸到桩底冲渣。盲冲至设计深度后，下钢护筒至设计深度，然后在护筒外侧围绕护筒下放黄土袋或砼袋，防止漏浆。	可行性差。流水中潜水工下水清理河床安全威胁大；渣体抽出后随着水流新的渣体又进入孔内，反复循环，冲渣效率低；外护黄土袋或砼袋投放无法准确定位，防护效果不好。
2	双护筒方案	首先采用钻头盲打深度达到2m，提出钻头，开始下外护筒,外护筒直径超出桩径0.6ｍ,长度为3m，通过导向架将护筒下沉至河床,在其内浇筑水下砼,然后冲击钻孔（钻头尺寸略大于内护筒的直径）,直至达到设计深度为止。由于外护筒内部分石渣被水流冲走,但部分石碴将会沉淀在孔底,无法采用取碴筒清除。此时,可采用反吸法吸出石碴。经检测，孔底深度满足要求后开始下内护筒,在内外护筒的筒壁间填筑粘土并捣实,内护筒中填筑粘土和片石,然后采用正常尺寸的钻头反复冲击成孔。为了保证内护筒与河床紧密接触,防止泥浆泄露,并使内护筒的泥浆面保持高于河水面1.5ｍ,在造孔至内护筒刃脚下20cm左右,采用“填二进一”的方法施工,即保证填片石和粘土的厚度是进尺的2倍,如此反复直到护筒周围无翻浆且泥浆面保持稳定为止。然后才能正常钻进。	可行性一般。需沉放双层护筒，经历两次下护筒—冲孔—浇筑水下砼的过程，工序复杂，施工难度大，成本极高
3	近等直径冲孔方案	按照设计外包护筒直径加工好护筒后，分节段下放至河床，采用振动锤振动下沉护筒，一旦护筒下沉停止而未达到护筒设计深度时，立即停止振动锤击，然后采用略小于护筒内径的钻头进行冲击钻孔，依靠护筒自重或在护筒顶施加外力使之下沉至设计深度，然后更换设计直径钻头进行桩基钻孔直达设计孔深位置，完成造孔工序。在采用近等直径钻头钻进时，若河床表面平整，可直接钻进并下放护筒；若河床表面不平整时，可在护筒内采用片石填平，然后采用钻机进行冲击钻孔并下放护筒。	可行性好，下放单层钢护筒，且仅需更换钻头即可完成下沉护筒和钻孔施工，施工简单易行，施工成本最低，而且能够保证施工进度

10.2 经济效益对比（详见表10.2-1）

表10.2-1 工程量及经济指标对比

序号	方案名称	工程量	经济指标	备注
1	无护筒盲冲方案	1、单桩盲冲进入河床6m，孔位处将形成凹形坑，孔底实际尺寸大于钻头直径，其冲孔量约是同样深度钻孔设计方量的2倍； 2、护筒下放到位后，为防止漏浆，护筒外与河床形成空隙需采用黄土或砼袋进行回填，回填数量为设计钻孔方量的2倍。	1、增加钻孔及回填量：3.14×1.252×2×6=59m3； 2、单桩钻孔价格2000元/m，桩径2.5m桩基截面面积为4.9m2，折算价格为：2000/4.9=408元/m3； 3、C30砼按照350元/m3计算； 4、单桩施工需花费人工40个（100元/日），管理人员10名（200元/日）； 单桩合计增加费用： 59×（408+350）+100×40+200×10=50722元。	表中数据以2.5m桩基为例计算
2	双护筒方案	1、单桩盲冲进入河床2m，其冲孔量为同样深度钻孔设计方量的2倍； 2、增加12mm厚外护筒，长3m（直径3.1m，按桩径加0.6m），增加外护筒内水下砼浇筑高度5m。	1、增加钻孔及回填量：3.14×1.552×2×2=30.2m3，增加盲冲费用：30.2×（408+350）=22892元； 2、外钢护筒长3m、直径3.1m，重2.73t，材料价按4600元/t计算：2.73×4600=12558元； 3、增加砼量：3.14×1.552×5=37.7m3，增加砼费用：37.7×350=13195元； 4、再次盲冲9m（河床上外护筒内3m，河床下6m）、孔径2.6m，盲冲方量：3.14×1.32×9=47.8m3，费用：47.8×408=19502元； 5、在内护筒刃脚需要反复回填和冲击，预计单桩花费约2万元； 6、单桩施工需花费人工80个，管理人员人工20名，合计人工费80×100+20×200=12000元， 单桩增加费用： 22892+12558+13195+19502+20000+12000=100147元。
3	近等直径冲孔方案	近等直径钻头冲孔（在施工护筒内）6m。	1、增加钻孔量：3.14×1.252×6=29m3，增加冲孔费用：29×408=11780元； 2、增加耐磨块等零星材料费1500元； 3、增加人工费用：4×3×100+1×3×200=1800元， 单桩增加费用：11780+1500+1800=15080元。

10.3施工设备并未增加，质量安全均能够满足设计要求。详见表10.3-1。

表10.3-1 安全、质量及工期对比

序号	方案名称	安全性	质量	工期	备注
1	无护筒盲冲方案	安全性一般。流水中潜水员下水清理河床安全威胁大，尽可能直接采用冲锤整平河床。	1、流水中投放土袋或砼袋，难以准确到位，围护效果不好，易漏浆； 2、下放护筒受盲冲效果影响较大，护筒易倾斜，下放护筒的成孔准确率仅能达到70%左右。	单桩影响时间10天，进度较慢。
2	双护筒方案	安全性较好。下外护筒前，采用冲锤整平河床，所下护筒可以部分克服水流冲力。	1、外护筒下放的竖直度受盲冲效果的影响大，易倾斜，但只要倾斜的程度不影响到内护筒就行。 2、内护筒是在外护筒范围内下放，一般情况下，内护筒成孔准确率可以达到85%以上。	单桩影响时间20天，进度慢。
3	近等直径冲孔方案	安全性好。所下护筒可以克服水流冲击力，只要冲孔深度到位，可以保证整个冲桩施工过程的安全。	护筒下放依靠导向架和自重的作用，竖直度能够得到充分保证，护筒成孔准确率达到95%以上。	单桩影响时间3天，进度快。

10.4社会效益方面，在花山3号大桥水下桩基整个施工过程中，多次获得了建设业主方的表扬，并且将该桥确定为整条线路的亮点工程之一，接受了中央电视台科技频道高清节目制作组的多次摄制和采访，为企业树立了良好的社会形象。