李進洲，王遠立

(中鐵第四勘察設計院有限公司，武漢 430063)

滬通長江大橋超長鉆孔樁優(yōu)質PHP泥漿施工技術研究

李進洲，王遠立

(中鐵第四勘察設計院有限公司，武漢 430063)

滬通鐵路滬通長江大橋為公鐵兩用橋，其3號墩和4號墩為140m+336m+140m三跨連續(xù)剛性梁柔性拱專用航道橋中的兩個主墩，鉆孔灌注樁樁徑2.50m，有效樁長115～120m，實際鉆孔深度130～140m。針對橋址區(qū)長江厚砂層河床區(qū)鉆孔施工易坍孔、成孔質量差的實際情況，對超長鉆孔樁泥漿施工技術展開研究，對淡水PHP泥漿的性能、配方、拌制工藝和使用工藝等幾方面進行重點論述。施工實踐表明，滬通長江大橋超長鉆孔樁淡水PHP泥漿性能優(yōu)越，護壁效果好，膠體率高，可以顯著提高鉆孔效率，保證成孔質量，具有高回收率、環(huán)境污染少和良好的經(jīng)濟效應。

滬通長江大橋；超長灌注樁；成孔；優(yōu)質PHP泥漿；施工

1 概況

1.1 工程概況

滬通長江大橋專用航道橋為剛性梁柔性拱組合三主桁結構，見圖1。設計跨徑布置為(140+336+140) m，鋼桁梁主桁均采用N形桁，節(jié)間距14 m，主跨橫向主桁間距為17.25 m(總桁寬34.5 m)，邊桁桁高15.7 m，中桁桁高15.997 m，柔性拱矢高60 m。鐵路采用正交異性鋼橋面板上設置道砟橋面，公路橋面系采用正交異性整體鋼橋面板，并與主桁的上弦桿焊接成整體。下部結構均為鉆孔樁基礎，矩形帶倒角承臺，圓端型空心墩[1-2]。

專用航道橋3號、4號主墩承臺頂高程分別為-5.0、-12.0 m，位于河床面以下；2個主墩均采用36φ2.5 m鉆孔摩擦樁基礎，行列式布置，樁長分別為120、115 m，樁底持力層均為硬塑黏土。承臺為矩形，平面尺寸(55×25×6.5) m(橫橋向×縱橋向×承臺厚度)。專用航道橋2、5號墩采用28φ2.5 m鉆孔摩擦樁基礎，行列式布置，樁長117 m，樁底持力層為密實砂層。承臺為矩形，平面尺寸(43×25×5.0) m(橫橋向×縱橋向×承臺厚度)[1-2]。

圖1 專用航道橋立面布置(單位：m)

1.2 工程地質特點

橋址位于長江三角洲平原區(qū)，海陸交互頻繁，地層成因復雜，區(qū)內第四系為一套河湖、濱海相松散沉積物，總厚度可達 240 m 以上，其厚度受基巖面高程變化及長江侵蝕深度控制。第四系土層的形成和結構與長江三角洲的發(fā)育、江海變遷、氣候、植被等自然變化有著密切的聯(lián)系，具有層序復雜、相變劇烈、厚度較大的特點。

1.3 鉆孔樁施工工藝

根據(jù)地質水文條件及墩位位置，專用航道橋3、4號墩樁基礎通過搭設輔助鋼平臺及鉆孔平臺進行鉆孔施工，輔助鋼平臺及鉆孔平臺高程與鋼棧橋一致。鉆孔平臺施工完成后依次進行鉆進成孔，鋼筋籠接長、下放，水下混凝土灌注施工。

根據(jù)試樁結果并通過對各種大型鉆具的對比，專用航道橋3號墩和4號墩選定了ZJD4000型全液壓鉆機。配置2種鉆頭，單環(huán)四翼刮刀鉆頭，適合于松散土層中鉆進；滾刀鉆頭，適合于土層中遇到零星大漂石或基巖中鉆進。

鉆機鉆進成孔共分為4個階段。

(1)第一階段，用φ2.5 m的常規(guī)鉆頭改成φ2.65 m的鉆頭，在護筒內采用清水鉆進的方式鉆至護筒底口2.0 m以上部分，采用刮刀鉆頭反循環(huán)加壓清水鉆進(圖2)，然后通過泥漿泵將混合泥漿經(jīng)泥漿凈化器處理后泥漿回流入護筒內，鉆渣經(jīng)泥沙分離后由運渣船運至指定位置處理。

圖2 泥漿循環(huán)示意

(2)第二階段，提鉆恢復成φ2.5 m鉆頭，正循環(huán)改為反循環(huán)，啟動反循環(huán)泥漿循環(huán)系統(tǒng)，調整孔內泥漿，當孔內泥漿指標符合要求后，優(yōu)質泥漿護壁反循環(huán)減壓鉆進，在護筒底口附近慢速鉆進，形成穩(wěn)定孔壁。鉆頭出護筒5 m后恢復正常鉆進，根據(jù)不同土層的特點，在鉆孔過程中及時調整護壁泥漿指標和鉆進速度，每小時進尺不得超過5 m，孔內補充優(yōu)質泥漿。

(3)第三階段，第一次清孔階段。當鉆深達到設計高程以上0.5～1 m位置時，泥漿指標按終孔的泥漿指標控制，從而盡量縮短終孔后清孔的時間。當鉆深達到設計高程后，將鉆頭提離孔底30～50 cm連續(xù)清孔2～3 h，緩慢旋轉鉆具，補充優(yōu)質泥漿，進行反循環(huán)清孔保證泥漿質量，使樁底沉渣厚度不大于10 cm。

(4)第四階段，為了使樁身混凝土與護筒直接接觸并保證樁身的有效直徑，使護筒與樁身混凝土結合為整體，需對護筒內壁的泥皮以及淤泥進行清理，當?shù)谝浑A段(護筒內)鉆進結束，檢查完鉆桿，更換鉆頭后，在始終處在護筒內(距鉆頭約60 m)的鉆桿上安裝兩護筒內壁清掃器(間距20～30 m，終孔時下層清掃器離護筒底口約1.0 m)，邊鉆孔(邊拆鉆桿)邊清除附著在護筒上的泥砂和泥皮。

護壁泥漿在鉆孔中非常重要，尤其是對本工程大直徑深孔，鉆孔所遇地層主要為黏土層和砂層，造漿性能較差，泥漿控制顯得尤為重要。要制配優(yōu)質泥漿護壁，此外還要研究一套泥漿凈化和現(xiàn)場調度調整的方法，減少泥漿對周圍環(huán)境的污染。

2 PHP泥漿的調配技術

2.1 造漿方法

專用航道橋3號墩和4號墩在開鉆前，按照第一批次待鉆鉆孔樁數(shù)量及結構，計算耗用泥漿方量，然后嚴格按泥漿配合比在其他鋼護筒內投放造漿材料并制造優(yōu)質泥漿。

專用航道橋3號墩處泥面高程約為-5.0 m，4號墩處泥面高程約為-10.0 m，長江天生港專用航道橋常水位高程約為0.00 m。以3號墩為例，未鉆空置護筒架空高度約10.30 m，可存儲63.70 m3泥漿，單樁成孔泥漿需求量563.50 m3，在第一批次鉆孔樁開鉆前，先選用9個未施工過的樁位空護筒，計算好鋼護筒內淡水方量(不足可以補充)，然后按照配合比例加入造漿原料，最后將已準備好的鍍鋅鐵質風管分節(jié)安裝通入孔底以上0.5 m處，連接供氣管道，開啟空壓機供氣，使造漿材料充分融合溶解，待充分攪拌水解后(需要24 h以上)，利用泥漿泵將優(yōu)質泥漿排至所需孔內。由于首批鉆孔樁考慮進場設備開鉆存在先后性，而且成孔速度快，必須先制備足夠泥漿，確保第一根鉆孔樁泥漿需求，才允許開鉆，后續(xù)鉆孔樁開鉆后，均按照上述方式采用邊鉆進邊造漿原則，時刻保證所有正在鉆進的孔有泥漿可用，同時從節(jié)約成本和及時供應出發(fā)，在鉆孔樁澆筑前，提前將空置護筒內淡水抽掉，待混凝土澆筑時，用泥漿泵抽取澆筑時排放的泥漿到空護筒內存放，以備其他鉆孔樁鉆進時需要。

在存放空間方面，澆筑成樁后的基樁架空高度能存儲約104 m3泥漿，隨著后續(xù)基樁不斷成樁，泥漿存放空間隨之增大，所以隨著成孔數(shù)量增加，造漿成本和泥漿供應壓力會越來越小。不過，為了防止發(fā)生意外漏漿或其他突發(fā)情況，造成孔內泥漿性能無法滿足3號墩和4號墩鉆進成孔質量要求，特在3號墩和4號墩鉆孔平臺上分別設置專門存放區(qū)，提前配置500 t鈉基膨潤土、5 t聚丙烯酰胺(PAM)和2 t純堿等人工造漿材料，以備應急之需。

2.2 優(yōu)質PHP淡水泥漿

(1)優(yōu)質PHP淡水泥漿配合比

PHP泥漿，自20世紀60年代鉆孔灌注樁在我國出現(xiàn)以來，因其觸變性好、比重輕、低固相、黏度高、成孔后泥皮薄、失水量小、不分散、經(jīng)濟而無污染，得到了廣泛應用[3-7]。

3號墩和4號墩超長鉆孔灌注樁施工中PHP泥漿的主要構成原料包括了淡水、鈉質膨潤土、聚丙烯酰胺(PAM)、純堿和羧甲基纖維素(CMC)等，其配合比如表1所示。

表1 PHP泥漿配合比

3號墩和4號墩超長鉆孔灌注樁施工中PHP泥漿中的鈉質膨潤土，為浙江省湖州安吉膨潤土廠生產(chǎn)，包裝規(guī)格為1 t/袋，其成份組合是高嶺土、純堿、聚丙烯酰胺、纖維素等，該土為廠家按照比例拌和，一般不需要重新添加純堿等輔助原料，若針對特殊地層，特別是易坍塌型地層，為進一步提高泥漿質量，需要根據(jù)反復試驗確定添加輔助原料。理論上1 t鈉基膨潤土按照上面的性能要求可造漿15 m3，但是3號墩和4號墩現(xiàn)場條件有限，1 t土可造漿10 m3左右。3號墩和4號墩鉆孔樁施工中泥漿鈉質膨潤土具有相對密度低，黏度好、含沙量和失水率小、泥皮薄、穩(wěn)定性強、固壁能力高、鉆具回轉阻力小、鉆進率高、造漿能力大等優(yōu)點。

PHP泥漿中的純堿主要是使黏土顆粒進行分散，使泥漿pH值增大到10左右，從而增加水膜厚度，提高泥漿的膠體率和穩(wěn)定性，降低失水量。同時，提供鈉離子(Na+)，對鈣質土進行改性處理。

PHP泥漿中的聚丙烯酰胺主要是使泥漿具有良好的觸變性，保持不分散、低固相、高黏度的優(yōu)質性能。

(2)原料檢測與泥漿配制

在3號墩和4號墩鉆孔樁施工中泥漿進場鈉質膨潤土主要按照如下步驟進行。

①使用取土管，對單規(guī)格土按上、中、下原則取樣，取3份，用天平取500 g，燒杯量取5 000 mL淡水。

②在塑料瓶中進行溶解配制(用塑料瓶配制相比手動攪拌溶解更全面)。

③將配置好的泥漿靜止24 h。

④使用泥漿3套件、pH試紙、量筒對泥漿性能進行檢測，檢測指標主要是比重、含砂量、黏度、pH值、膠體率等五大項目。

按照上面步驟配制的新漿性能控制指標如表2所示。

表2 新漿性能控制指標

(3)基漿制作

基漿的拌制必須經(jīng)過強勁的攪動才能形成膠體。滬通長江大橋專用航道橋3號墩和4號墩超長鉆孔灌注樁施工中根據(jù)現(xiàn)場實際情況，制漿選用在未施工過的樁位空護筒內配置。首先計算好鋼護筒內淡水方量(不足可及時補充)，然后按照配合比例加入造漿原料，最后將二清使用的鐵質風管分節(jié)安裝通入孔底0.5 m處，連接供氣管道，開啟空壓機供氣，使造漿材料充分融合溶解，待充分攪拌水解膨化后(一般需要24 h以上)，利用泥漿泵將優(yōu)質泥漿排至所需孔位內。

專用航道橋3號墩和4號墩超長鉆孔灌注樁施工中新制備的PHP泥漿性能指標見表3。

表3 新制備的PHP泥漿性能指標

(4)PHP優(yōu)質泥漿系統(tǒng)施工工藝

①清除護筒內的淤泥質黏土層。

3號墩和4號墩超長鉆孔灌注樁施工中首先采用小比重泥漿鉆進，鉆進至護筒底口停止鉆進，鉆進過程中利用原土進行造漿，但是必須對泥漿性能進行監(jiān)測，并適時補充已配置好的優(yōu)質泥漿進行調整。

②在砂層鉆進時，泥漿消耗量大，應及時補充PHP泥漿。

③鉆孔過程中，對泥漿指標監(jiān)測，單班不少于4～5次；若發(fā)現(xiàn)因地層原因造成泥漿指標損失，則加入新漿進行調整。

④循環(huán)凈化。滬通長江大橋專用航道橋3號墩和4號墩超長鉆孔灌注樁施工中因鉆孔平臺施工空間有限未設置泥漿沉淀池，每臺鉆機配置1臺泥漿凈化器，對泥漿進行處理。

3號墩和4號墩入孔泥漿指標及鉆進過程中遇不同地層泥漿指標參見表4和表5的相關要求。

表4 入孔泥漿指標

表5 不同地層泥漿指標性能參數(shù)

3 氣舉反循環(huán)和平臺泥漿循環(huán)凈化系統(tǒng)

3.1 PHP泥漿的循環(huán)結構

滬通長江大橋專用航道橋3號墩和4號墩樁徑大，樁長長、地質條件差，成孔難度大。綜合考慮墩位處地質條件、施工進度計劃安排以及成孔工藝的適宜性，各選用4臺ZDJ-4000回旋鉆機，采用氣舉反循環(huán)鉆進成孔施工工藝。對于3號墩和4號墩成孔技術是否能夠取得完美，關鍵在于泥漿的質量。滬通長江大橋專用航道橋3號墩和4號墩泥漿循環(huán)系統(tǒng)主要由循環(huán)池、存漿池、泥漿凈化器及沉渣池(或運渣船)組成。單臺鉆機現(xiàn)場配備1個泥漿箱作為循環(huán)池，存漿池根據(jù)需要設置或考慮利用附近的鋼護筒代替。泥漿經(jīng)泥漿凈化器(其技術參數(shù)見表6)處理后，使直徑在0.074 mm以上的土顆粒篩分離出來，處理后的泥漿通過泥漿管泵流入鉆孔樁鋼護筒內進行循環(huán)，詳見圖3。

表6 泥漿凈化設備主要性能

圖3 專用航道橋3號墩和4號墩樁基泥漿循環(huán)系統(tǒng)示意

在PHP泥漿的循環(huán)結構工作的過程中，其主要考慮的是，將已經(jīng)使用過的含粗顆粒較多的泥漿在經(jīng)過了凈化、絮凝、循環(huán)和得到稀釋之后，使其含有的較大顆粒得到沉淀，之后將含有較高含量的PHP泥漿灌注到原有的泥漿中，使泥漿的黏度得到加強，以此來降低水分流失，調節(jié)性能參數(shù)，使原有的泥漿能夠真正的滿足鉆進過程中所需泥漿的要求。

孔內由混凝土置換出來的泥漿經(jīng)泥漿泵泵入，其他待鉆鋼護筒回收利用，對于混凝土澆至樁頂以上部分含有水泥漿的廢漿不能回收再利用。鉆渣和廢漿采用運渣(車)船運至指定地進行處理。

3.2 PHP泥漿在鉆孔灌注樁的施工

開孔鉆進時要采用輕壓慢轉參數(shù)；正常鉆進施工時，在黏土層中鉆進時要控制進尺，每鉆進一個回次時要及時掃孔，保證鉆孔直徑要求，正常鉆進施工中要控制泥漿性能滿足要求[3-7]。鉆進及鉆桿提升拆除的整個過程中要及時補充漿液量，以維持護筒內外的水頭差不小于2.0 m，從而保持孔壁穩(wěn)定。加接鉆桿時，先停止鉆進，將鉆具提離孔底20 cm，維持泥漿循環(huán)5 min以上，以消除孔底沉渣并將管道內的鉆渣攜出排凈。鉆孔過程中采用反循環(huán)方式排渣，鉆進過程中應每個班次測量泥漿性能指標2～3次，及時調整泥漿循環(huán)系統(tǒng)的泥漿指標。當鉆進至設計高程時，應將鉆具提離孔底5 cm，繼續(xù)轉動鉆具，維持泥漿循環(huán)。終孔后，進行最后一次清孔。清孔和檢孔完成后，在孔底注入5 cm高度的新漿，插入2根注漿管，一根為進漿管，另一根為出漿管，通過泥漿循環(huán)系統(tǒng)不斷循環(huán)流動孔內泥漿，以保證孔底沉渣和孔壁泥皮厚度滿足要求。

4 泥漿現(xiàn)場管理

(1)對現(xiàn)場泥漿的測試數(shù)據(jù)進行綜合分析，有針對性地進行調整處理。

失水量是影響孔壁穩(wěn)定的重要因素，失水量超標，應迅速調整；若因受砂、黏土侵害，使泥漿的黏度和失水量過大，應在泥漿循環(huán)中強化除砂除泥，達到降黏降失水的目的[3-7]。

泥皮質量是泥漿黏度、含砂量及失水性能的綜合反應，也是在鉆進過程中，砂和黏土對泥漿破壞程度的集中反應，含砂土過大，勢必造成泥漿性能的全面衰退和護壁能力下降[7-12]。

有時泥漿的失水量雖然不大，但由于泥漿含砂、土量高，密度高、黏度大，使其在孔壁形成的泥皮厚而疏松，且容易脫落，有時會使鉆具產(chǎn)生泥包，對孔壁產(chǎn)生抽吸，破壞孔壁穩(wěn)定，此時應廢棄部分劣質泥漿，補充優(yōu)質泥漿到孔內，通過全孔泥漿循環(huán)，恢復泥漿的護壁性能。

(2)采用大循環(huán)路線，從儲備不同性能的泥漿庫中泵送泥漿至需要的樁孔，對劣化泥漿進行調整處理，使之達到性能要求。

滬通長江大橋3號墩和4號墩在鉆孔過程中各階段泥漿性能指標按基漿、新漿、鉆進漿、回流漿、清孔漿、棄用漿進行控制(表7)，取得了較好的技術、經(jīng)濟和環(huán)保效益。

表7 成孔過程中泥漿性能指標

5 結語

滬通長江大橋專用航道橋3號墩和4號墩鉆孔樁為大口徑超長鉆孔樁，施工區(qū)揭露地層基本為第四系覆蓋層，主要是黏土、亞黏土及粉砂層，其因沉積時間段不同，主要分為兩種，一種是以黏土為主夾細砂或粗細砂，一種是以中、細砂、粗砂為主，夾亞黏土層，整體以砂層所占比例居多，屬易坍塌型鉆孔樁。3號墩和4號墩鉆孔樁施工中采用PAM淡水造漿，既能造出優(yōu)質泥漿，又能充分利用現(xiàn)有資源，確保成孔質量且減少資源浪費、維護了施工區(qū)域環(huán)境。

滬通長江大橋專用航道橋3號墩和4號墩鉆孔成樁實踐表明：

(1)PHP淡水泥漿性能優(yōu)越，護壁效果好，膠體率高，可以顯著提高鉆孔效率，保證成孔質量；

(2) PHP淡水優(yōu)質泥漿是一個涉及造漿供應、凈化排渣、回漿處理的循環(huán)系統(tǒng)，具有高回收率和良好的經(jīng)濟效應；

(3)PHP淡水優(yōu)質泥漿中的棄用漿，環(huán)境污染小，有利于排放。

[1] 滬通長江大橋建設指揮部.滬通長江大橋指導性施工組織設計[Z].南通：滬通長江大橋建設指揮部，2014．

[2] 滬通長江大橋建設指揮部. 滬通長江大橋試樁工藝總結[Z].南通：滬通長江大橋建設指揮部，2014．

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Research on Construction Technology of High Quality PHP Mud in Super Long Bored Piles of Hu-Tong Yangtze River Bridge

LI Jin-zhou， WANG Yuan-li

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063, China)

Hu-Tong Yangtze River Bridge on Hu-tong Railway is a combined highway and railway bridge. The P3 and P4 main piers of special channel bridge of three span (140 m+336 m+140 m) continuous rigid beam with flexible arch are a typical representative of super-long bored piles in the thick sand layer of the Yangtze River with 2.50m designed pile diameter， 115～120 m effective length and 130～140 m drilling depth. In view of the fact that the thick sand layer may lead to borehole collapse and low quality pile drilling， a study is conducted on the construction technology of mud in super long bored piles of Hu-Tong Yangtze River Bridge， and the property， formula， mixing process and use of freshwater PHP (partially hydrolyzed polyacrylamide) mud are addressed. The construction practices show that the freshwater PHP mud has superior performance， good effect of breast wall and may greatly improve the drilling efficiency and ensure the hole-drilling quality. And it proves to be of high recovery rate， less environmental pollution and good economic effect．

Hu-Tong Yangtze River Bridge; Super long bored piles; Bore-forming; High quality PHP mud; Construction

2015-03-10；

2015-03-20

李進洲(1975—)，男，工程師，2013年畢業(yè)于中南大學土木工程學院，工學博士，E-mail：Li_jinzhou0910@126.com。

1004-2954(2015)10-0081-05

U443.15

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.019