1 工程概况
1.1 工程简介
昆山中环南线青阳港大桥分南幅、北幅，主桥跨径为54 m+90 m+54 m，总长198 m，桥型为变截面的双箱预应力连续箱梁，其中水中墩号为FB13#、FB14#、FC11#、FC12#，每个墩桩基9 根，总计36 根。桩基φ1 500 mm，桩长分别为73.1 m、73.5 m、73.3 m、74.3 m、74.5 m。桩底标高最深为-79.5 m。
1.2 工程地质条件
根据地质资料钻探显示，本工程由一般黏性土、淤泥质土及粉（砂）性土组成，按土的成因、性质和特征从上到下分为如下7 个主要工程地质层：淤泥质粉质黏土、黏土、粉土夹粉砂、粉砂夹粉土、粉质黏土与粉土互层、粉砂、粉细砂。
施工范围内主要以砂土为主，在-7.00～-9.00 m就进入粉土夹粉砂层，在-18.00～-20.00 m进入粉砂夹粉土层，其下有一层粉质黏土与粉土互层，厚度约为24～30 m，在66～68 m以下均为砂层，地质情况比较差。
1.3 现状特点
青阳港现状5级航道，规划提升为3级航道。本工程南北辅道主墩都受到现有管线的制约，主要有北辅道桥φ400 mm天然气管拖拉管影响FB13#、FB14# 2 个墩，南辅道桥φ1 000 mm的上水顶管和220 kV高压线影响FC11#、FC12# 2 个墩。
水中钻孔桩质量控制要求十分重要，桩基一旦出现问题，将影响其他桩基、其他结构，甚至会影响整个工程施工质量和进度，造成巨大的经济损失和不良的社会影响。选择合理的施工工艺，制定切实可行的技术方案，施工过程中严把各个环节，加强质量管理控制是十分重要的。
2 施工工艺[1-3]
2.1 施工平台的比选
方案1：浮式钻孔平台方案。主要优点是钻孔平台施工简便、施工难度小、工程成本低。主要缺点是浮式平台稳定性受水流、水位、洪水的影响比较严重，安全性不高，且钻孔精度会受到影响。因此该方案不适合青阳港钻孔桩。
方案2：填土筑岛方案。根据钻孔桩要求在钻孔桩位置进行填土筑岛，再安装钻机进行施工。主要优点是材料简单、施工难度小、成本低、不需要打桩机等大型施工机械。主要缺点是会严重破坏河道的天然状态和生态环境，施工污染严重，不符合环保要求，而且，填土会压缩过水面积，影响通航，施工安全性不高。因此该方案也不适合青阳港钻孔桩。
方案3：固定钻孔平台方案。先在河中搭设用于钻孔桩施工的固定平台，然后再在上面安装钻机施工的一种方案。主要优点是钻孔不受水流冲刷、洪水侵袭等的影响，施工安全得到保障，施工精度也没什么影响。主要缺点就是施工成本较高，需用大型打桩设备。
由于水中施工安全保障是关键，方案3安全性较高，不受水文地质的影响，施工精度较高，所以是最佳方案。
2.2 施工平台设计
根据回旋钻钻孔桩施工需要，决定对位于青阳港河道内的FB13#、FB14#、FC11#、FC12#墩施工各投入1 套钢栈桥和平台，用于水中墩施工（图1）。
图1 栈桥与平台平面布置
栈桥施工采用从河边向河中的方向施工，分为栈桥通道和平台施工。栈桥桥面标准宽度为6 m，横向连接为9 m。桩基作业平台宽度为12 m×12 m，拟建便桥4 座，施工平台4 座（图2）。
2.2.1 栈桥通道
1）栈桥顶面高程：2.8 m；
2）基础：φ300 mm×15 mm钢管桩。纵向间距3 m，横向3 根，间距2.5 m，纵横向桩基础设10#槽钢剪刀撑；
3）纵梁：40#工字钢，纵向布置于横梁上；
4）面板：满铺30#槽钢。
2.2.2 钻机平台
1）栈桥顶面高程：2.8 m。
2） 基础：φ300 mm×15 mm钢管桩。纵向间距3.35 m+3.75 m+3.35 m，横向间距3.35 m+3.75 m+3.35 m。横向桩基础设10#槽钢剪刀撑。
3）横梁：采用40b#工字钢，间距为3.35 m+3.75 m+3.35 m。
4）纵梁：采用钻机主梁。
2.3 钻机的选型和工艺的选择
旋挖钻机：旋挖钻机在施工平台上进行水上作业时受到潮水涨落影响，孔壁不稳定，易发生漏浆，且施工平台已经确定，不适宜使用旋挖钻机。
回旋钻机：GPS-20回旋钻机最大钻孔φ2.0 m，最大钻孔深度80 m，主卷扬机起升能力30 kN，副卷扬机起升能力30 kN，钻机功率30 kW，有效高度8.6 m，主机质量10 t。本工程钻孔桩φ1 500 mm，最大深度79.5 m，GPS-20回旋机各项性能指标都满足本次水上钻孔桩的要求，而且回旋钻打软土地层砂层较快，适用于大桩径及超长钻孔桩。所以本次工程钻孔桩选择GPS-20回旋钻机。
本工程钻孔桩采用正循环成孔、正循环清孔。泥浆在黏土中采用自然浆，在砂土中根据实测数据采用人造浆和自然浆。
2.4 钢护筒埋设和桩机就位
选择φ1.7 m，长10 m的钢护筒。钢护筒运至施工现场后，采用船吊起吊钢护筒，下口插入栈桥导向架内，将护筒下放到河床。 测量人员首先用经纬仪检测钢护筒的平面位置是否正确，对于平面偏差大于50 mm的重新定位钢护筒和导向架的位置。用悬挂150 kW振动锤进行试振，导向架受钢护筒挤压严重，说明钢护筒有偏位，进行校正护筒垂直度，然后继续下沉钢护筒直至设计标高。水中桩护筒埋深3.0～4.0 m，护筒顶高出水面2.8 m。到位后检查在护筒内抽下去1.5 m是否漏水。护筒的振埋施工应选在余流阶段进行，减少水流对护筒埋设的垂直度的影响。
在护筒埋置完毕后，选用250 kN汽车吊架设钻机，将GPS-20钻孔桩机正确吊至桩基位置后，钻孔按正常钻孔程序进行。
2.5 泥浆中砂的清除过滤技术及工艺
根据地质报告可知，本次钻孔桩地质条件较差，大部分位于砂性土层中，含砂率较高，为解决除砂问题，采用黑旋风ZX-200除砂设备。由护筒中泥浆进入三级沉淀池沉淀之后，再使用黑旋风除砂装置进行除砂、进入循环池循环。循环池内泥浆通过使用含砂率测定器进行测定，含砂率≤4%视为合格。
2.6 高砂性土层中泥浆配置
砂性土中泥浆不能满足护壁效果，根据实测数据决定在砂土中采用人造浆和自然浆。
2.6.1 造浆材料的选择
根据本工程地层特点及相关工程经验，选用优质钠基膨润土泥浆护壁。
钠基膨润土是一种带有电荷的亲水胶体，通过颗粒静电斥力保持稳定的悬浮状态，具有相对密度低、黏度低、含砂量少、失水量少、泥皮薄、稳定性强、固壁能力高、钻具回旋阻力小、钻进率高、选浆能力大等优点。
如果浆液失水率超标、护壁能力降低则需加入纯碱（碳酸钠）及聚阳离子纤维素（PAC）再次造浆，进行成孔作业。
2.6.2 泥浆护壁时注意事项
1）施工期间护筒内的泥浆面应基本与水位持平；
2）在清孔捞渣过程中，应注意钻斗避免碰撞孔壁，钻斗提至孔口时，不要停留控浆，应迅速将沉渣甩出；
3）浇筑混凝土前，孔底 500 mm以内的泥浆相对密度应小于 1.10，含砂率不得大于2%，黏度不得小于17 s；
4）在容易产生泥浆渗漏的土层中应采取维持孔壁稳定的措施；
5）废弃的浆、渣应进行处理，不得污染环境。
2.7 清孔技术及工艺
一次清孔：钻进终了，将钻具反复提动，低速回转，全泵量冲孔，充分研磨孔底大颗粒土块，以实现一次清孔为主、二次清孔为辅的清孔排渣原则。在泥浆相对密度≤1.1，含砂率≤2%，孔底沉淤≤0.2D后视为合格。
二次清孔：清至孔内返出之泥浆相对密度1.03～1.10、黏度18～22 s、含砂率＜2%、胶体率＞98%、孔底沉渣厚度≤0.2D时视清孔符合要求。二次清孔目的是清除在安放钢筋笼及混凝土导管时产生的沉渣。二次清孔时间不宜少于30 min。
2.8 钻进成孔控制
进浆相对密度：黏土层相对密度≤1.08、黏度18～22 s、含砂率≤2%；砂层相对密度≤1.3、黏度18～22 s、含砂率≤4%。
一清泥浆指标：相对密度≤1.2、黏度18～22 s、含砂率≤3%。二清泥浆指标：相对密度≤1.12、黏度18～22 s、含砂率≤2%，沉渣≤30 cm。
钻速：黏土层使用Ⅱ挡（70 r/min），适当减小钻压，加快钻进速度；在砂性土层，使用Ⅰ挡（40 r/ min），适当增加钻压，减慢钻进速度。孔深大于设计深度30 cm。
2.9 水下混凝土浇筑
水下混凝土浇筑（图3）是桩基施工的关键工序，必须做到连续浇筑，从而保证浇筑成桩质量。 大直径超深钻孔桩由于方量比较大，浇筑时间较长，对水下混凝土性能的要求较高。混凝土应保持足够的流动性，坍落度必须满足水下混凝土的浇筑要求，本工程现场坍落度值控制在18～22 cm（宜取大值）。在每根桩混凝土浇筑时，对混凝土初灌量特别进行了控制，确保首斗混凝土浇筑时，混凝土能达到规范要求的导管埋设深度。浇筑时及时测量孔内混凝土面高度，正确掌握导管的提升与拆除，浇筑导管的埋深控制在2～6 m范围内。当浇筑遇阻时，应上下轻轻活动。除底管外，每次拔管不多于2 根。
图2 钻孔桩施工平台
图3 水下混凝土浇筑
3 试成孔
试成孔是钻孔浇筑桩施工之前的一项重要工作，是对钻孔浇筑桩施工技术参数的检验，确保钻孔浇筑桩施工方案的可行性。试成孔的选择要具有代表性，本次试成孔选用回旋钻机正循环成孔清孔工艺。
3.1 试成孔时间控制指标
1）成孔时间（过程泥浆指标）：40 h，孔深84 m；
2）一清时间（泥浆指标检测、深度）：2 h；
3）拆卸钻杆：2 h；
4）下放钢筋笼：4.5 h，3 名电焊工；
5）下放导管：1.5 h；
6）二清（泥浆指标检测）：2 h；
7）混凝土浇筑：5.5 h。
共计成孔结束后需17.5 h ，不可预计原因控制在5 h内，所以本次试成孔控制孔壁稳定的目标时间为22.5 h。
3.2 试成孔位置
本工程将试成孔位置设置于青阳港南辅道桥FC18#、FC19#墩之间的位置，为了更具有代表性、更具指导意义，本次试成孔桩径按目前条件取最大，根据青阳港大桥辅道桥主桥墩桩底标高-79 m，原地面标高2.46 m，本次试成孔孔深取定为84 m。
3.3 试成孔总结
根据现场钻进情况与地质资料对比，基本吻合。开钻前10 m基本为回填土和黏土，测定泥浆相对密度为1.24，含砂率为0.5%，黏度24 s，钻速控制在Ⅱ挡慢速钻进（68 r/min）。开钻至20 m时，测定泥浆相对密度为1.25，含砂率为4%，已明显进入粉砂层，黏度降低（22 s），钻速控制在Ⅰ挡慢速钻进（40 r/min）。至终孔结束，钻进基本正常，泥浆相对密度、黏度、含砂率基本稳定，成孔无异常，终孔时泥浆相对密度为1.22、黏度为22 s、含砂率为3%。
根据成孔检测7 次结果来看，孔壁稳定性效果较好，在间隔时间段内未出现明显颈缩，最后3 次有孔径缩小和沉渣增大趋势，但总体孔壁稳定，垂直度也满足要求。
采用自然土造浆和人工造浆相结合的泥浆相对密度、黏度和含砂率基本符合规范要求，在粉砂层可适当提高泥浆相对密度和黏度。
根据本次试成孔施工，从施工工艺、现场成孔检测指标结果来看，此次试成孔施工机械、钻孔工艺基本符合设计和规范要求。
4 施工过程中产生的问题和处理措施
4.1 钢护筒埋置倾斜
本工程在施工FB14#墩6#桩的时候，钢筋笼下放到一半下不去，根据以往施工经验，钢筋笼下不去时将钢筋笼提上来重新上下反复几次就能下去，但还是不行，最后只能将钢筋笼拔出，钢筋笼在护筒底部位置出现了变形，确定是护筒倾斜或者变形所致。
事后经过分析，出现这种情况的可能性有2 种，第一，钢护筒埋置时已经出现倾斜或者在潮水的冲击下导致倾斜。第二，拆卸钻杆时，钻头碰到护筒底部致使护筒底部变形，可能由于超深钻孔桩施工周期长，施工振动导致钻机平台在施工后期实际已倾斜或钻机平移导致。针对这2 种情况，项目部在后续施工中采取了措施。首先，在护筒埋置时，校正护筒平面位置和垂直度，继续下沉钢护筒直至设计标高后，护筒水面以上部分纵横向使用20#槽钢与钻机施工平台钢管桩焊接连接成整体，保证护筒不会倾斜。其次，控制钻机平面位置，安放时要稳固，在钻进过程中经常检验钻机平台水平情况和钻机是否移位，若有移位则及时进行修正。
4.2 护筒底部漏浆
本工程在施工FC11#墩9#桩的时候，护筒内部出现漏浆现象。在开钻不久后，钢护筒内泥浆越来越少，虽然加大泥浆循环，但护筒内泥浆面低于水面以下2 m左右，出现了严重的漏浆现象。出现漏浆情况的原因可能是护筒埋深不够，由于这个位置正是φ1 000 mm上水顶管搬迁的位置，上水管搬迁使得护筒周围泥土松动不密实，护筒底部产生漏浆的现象。出现漏浆现象之后，马上停止钻进，提升钻头，在护筒内外两侧填入大量黏土（围堰拉森钢板桩搭设完成），保证护筒底部土层密实不漏浆。
5 结语
通过对青阳港高砂性土层条件下大直径超长钻孔灌注桩的施工，从平台、钻机、工艺的选择克服了高砂性、大直径、超长桩等难题，为工程节点的顺利实现提供了有力保障。
固定施工平台能保证桩基施工安全和施工精度，GPS回旋钻机能克服水中钻孔桩大直径超深的难题。在砂性、粉砂质土层中成孔，为防止地层液化、颈缩、孔壁坍塌，采用人工造浆可有效地防止地层液化，对护壁及保持孔壁的稳定性有较好的效果。
通过实际施工中出现的问题有针对性的采取预防控制措施，虽然在该工程中获得成功的运用，但仍有明显不足，仍有待于进一步深入研究、分析，以期促进高砂性土大直径超深钻孔桩施工技术的不断完善和提高。
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