深水超長鉆孔樁成孔工藝及水下混凝土施工技術(shù)

張 巖

摘要:以濱州黃河公鐵兩用大橋施工為例,根據(jù)本工程的特點,重點介紹了施工便橋及水中工作平臺的搭設(shè),黃河水文地質(zhì)情況下的鋼護筒埋設(shè),鉆孔,混凝土澆注以及相應(yīng)的質(zhì)量控制。

關(guān)鍵詞:超長鉆孔樁;水下混凝土;成孔工藝

中圖分類號:U443.154文獻標(biāo)識碼:B文章編號:1009-8631(2009)12-0062-02

1、工程概況

濱州依河傍海,是京津唐和山東半島兩大經(jīng)濟區(qū)的接合部,又是環(huán)渤海經(jīng)濟圈與黃河經(jīng)濟帶的交會點,在區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展上,具備“洼地效應(yīng)”的明顯優(yōu)勢,但奔騰的黃河加上交通單一性共同制約了這一優(yōu)勢的發(fā)揮。黃河公鐵兩用大橋建設(shè),鐵路的北延,改變了這一局面,加快了黃河三角洲開發(fā),區(qū)域和諧發(fā)展以及增強勝利油田儲運能力,都具有十分重要的意義和作用。

濱州黃河公鐵兩用大橋是濱港鐵路的重要組成部分和控制性工程,是中國黃河上第一座公鐵兩用大橋,也是山東省第一個采用BOT方式由企業(yè)投資建設(shè)的公鐵路橋工程項目。大橋由鐵路橋和公路橋兩部分組成,其中,鐵路橋長6980米,公路橋長3470米?？缭近S河的主橋長約2700米,其中跨越黃河主河槽的鋼桁梁段長781米,大橋主跨采用120+3×180+120五跨一聯(lián)的平弦連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu),鋼桁梁使用特種鋼12000余噸。大橋采用上下層布置,上層公路,下層鐵路。主橋公路橋面寬19米,雙向四車道,距目前黃河灘地高度約30米。主橋單跨180米。公路連接線南岸與國道205線相連,北岸與濱州市南外環(huán)公路相接,雙向四車道,一級公路標(biāo)準(zhǔn),連接線長約3.5公里。黃河公鐵路兩用大橋主跨鋼桁梁180米的跨度,據(jù)現(xiàn)有資料考證,它刷新了世界同類型中“第一跨”的世界紀(jì)錄?？缍?80米的公鐵兩用大跨度鋼桁梁,采用臨時墩懸臂架設(shè)法架設(shè)。臨時墩支點反力大,1200噸/桁。臨時墩的建造和撤除是鋼梁架設(shè)的難點之一。水中臨時墩為便于拆卸采用鋼架式結(jié)構(gòu)形式。鋼梁采用溫差法縱移成功,大大降低了鋼梁縱移難度。鋼梁大噸位支座就位安裝,在設(shè)計中沒有考慮臨時支點、業(yè)主提供的千斤頂沒有保險箍的情況下,成功完成了全橋12個支座的安裝就位。項目成果填補了國內(nèi)鐵路領(lǐng)域特大橋施工,特別是鋼桁梁特大橋施工的空白。

黃河公鐵兩用大橋上部結(jié)構(gòu)采用大跨度鋼桁梁結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)采用大直徑超長鉆空樁基礎(chǔ),施工時受到黃河洪水、凌汛影響大。該項目具有技術(shù)含量高、施工復(fù)雜、枯水期段、工程緊等特點。水中2號墩是工程的重中之重,能否在枯水期內(nèi)完成是關(guān)系到大橋能否如期完工的關(guān)鍵。工程建設(shè)者創(chuàng)造性地采用鋼板樁圍堰和封底施工技術(shù)。同時因地制宜,水上工程采用陸地施工方法,搭建了棧橋和起吊平臺,經(jīng)受住了洪峰和特大冰凌的考驗。2006年4月,2號橋墩安全出水,勝利完成關(guān)鍵工程。

2、施工工藝

樁基采用反循環(huán)泥漿護壁回旋鉆進成孔,孔深100m,鋼筋籠長度60m,分節(jié)制作鋼筋籠,鋼筋籠的連接設(shè)計為焊接,為了縮短鋼筋籠的連接時間,經(jīng)試驗及征得設(shè)計同意,采用鋼套筒連接、吊裝入孔、導(dǎo)管法灌筑混凝土成樁的施工方法。整個工藝分為成孔和成樁2部分。成孔部分包括回轉(zhuǎn)鉆進成孔,泥漿護壁及一次清孔。成樁部分包括鋼筋籠制作、吊裝、導(dǎo)管安放,二次清孔,混凝土灌筑。由于本工程的鉆孔深度達100m,直徑為1.8m,且底部砂層較厚,在鉆進過程中要保證孔壁穩(wěn)定與及時排渣。因此適宜采用反循環(huán)鉆孔方式,采用氣舉反循環(huán)鉆進對穩(wěn)固孔壁、及時排渣非常有利,因為孔壁不會受潮流沖刷,而孔內(nèi)泥漿的靜水頭壓力,具有支撐孔壁的作用。同時利用鉆頭底部的吸渣口,可高效率排出底渣,排渣徹底。

3、施工技術(shù)

3.1施工準(zhǔn)備

(1)棧橋、鉆孔平臺搭設(shè)

由于此橋橫跨黃河,2號墩樁基位于主河道上,為了便于施工,決定搭設(shè)臨時棧橋,并采用構(gòu)架式搭設(shè)的方法。在緊貼橋位的上游,棧橋共計搭設(shè)480m。鉆孔平臺采用φ73鋼管,樁間距根據(jù)樁基布設(shè)情況而設(shè),縱向6排,間距4.1m,橫向7排,3.6m?？v橫梁采用25工字鋼,面板采用30槽鋼。棧橋及鉆孔工作平臺高程,按往年達到的最大高程加1m控制。為增加施工平臺穩(wěn)定性或整體剛度,各鋼管樁之間用角鋼縱平連接。棧橋兩側(cè)及工作平臺四周用φ40mm鋼管制作防護欄桿,高度1.0m。(見下圖)

(2)鋼護筒制作與埋設(shè)

護筒采用10mm的鋼板制作,外徑200cm,為防止鋼護筒底部卷口毛病,底部采用雙層壁厚鋼護筒,高約30cm。根據(jù)浮吊性能和工作平臺高度等,將護筒分為2節(jié),下節(jié)12m,上節(jié)6m,共18m,打入河床深度8m左右,護筒對接處切割成30°±2.5°的斜口,兩個護筒對接在一起,破口為60°±5°,焊縫必須光滑,等級不低于Ⅱ級。

鋼護筒安裝在施工平臺完成后進行,用全站儀先粗略測放出樁孔中心位置后,在作業(yè)平臺上安裝鋼護筒導(dǎo)向框架,鋼護筒在導(dǎo)向框上分3層定位,導(dǎo)向框架上部在平臺頂面高4m安裝定位架,下部伸入平臺下4m安裝定位架,中部定位框固定在平臺上,并確保護筒入土深度和垂直度。

3.2施工機械設(shè)備的選擇

根據(jù)本橋的地質(zhì)情況,地層中以黏土、沙土為主,選用QZJ—220型鉆機。

3.3泥漿循環(huán)系統(tǒng)與排渣

泥漿采用孔內(nèi)造漿技術(shù),用泥漿管道連接,鉆孔時利用泥漿船和輸漿管道進行泥漿循環(huán)。

3.4成孔工藝

3.4.1鉆孔

鉆機就位前,應(yīng)對鉆孔前的各項準(zhǔn)備工作進行檢查,包括主要機具設(shè)備的檢查和維修,鉆機安裝就位必須做到天車中心、轉(zhuǎn)盤中心、鉆孔中心在一垂直線上。

3.4.2鉆進施工要點

(1)鉆具下入孔內(nèi),鉆頭應(yīng)距孔底鉆渣面20-50cm,并開動泥漿泵,使穩(wěn)定液循環(huán)2-3min,然后開動鉆機,慢慢將鉆頭放至孔底,輕壓慢轉(zhuǎn)數(shù)分鐘后,逐漸增加轉(zhuǎn)速和增大鉆壓,并適當(dāng)控制鉆速。根據(jù)地質(zhì)情況采用正反循環(huán)鉆進。

(2)水中樁的施工,開孔階段,砂層鉆進泥漿比重要大。鉆進時隨時控制孔內(nèi)水頭,確保有足夠的水頭壓力。

(3)當(dāng)鉆進至接近鋼護筒底口位置1-2m左右時,須采用低鉆壓、低鉆速鉆進,并控制進尺,以確保護筒底部地層的穩(wěn)定,當(dāng)鉆頭鉆出護筒底口2-3m后,再恢復(fù)正常鉆進狀態(tài)。

(4)保持井內(nèi)水位并經(jīng)常檢查泥漿比重。反循環(huán)鉆進時,孔內(nèi)水位下降較快,應(yīng)及時補水,在鉆進過程中,始終保持孔內(nèi)水位與護筒頂基本平齊,同時還應(yīng)控制泥漿比重。當(dāng)孔深大于50m時,可啟動空壓機,進行氣舉反循環(huán)鉆進,以提高鉆進效率;當(dāng)孔深大于80m時,必須采取氣舉反循環(huán)方式鉆進。鉆進加鉆桿時,要在鉆桿連接處,增加密封圈,確保鉆進時不出現(xiàn)漏水、漏氣現(xiàn)象。

3.4.3清孔

鉆進至設(shè)計高程后,可先檢查鉆桿長度,對所鉆孔深度進行復(fù)核,然后在不起鉆的情況下,將鉆具提高孔底50cm左右,放入測繩對鉆孔實際深度進行驗證,確認已達到設(shè)計要求的孔深后,再停止鉆進,保持鉆頭不接觸孔底,慢速回轉(zhuǎn)鉆具,開始清孔,提鉆后,對鉆孔的孔徑、垂直度進行測量,驗孔器為一節(jié)10m長的鋼筋籠,直徑與鉆孔樁的直徑相同,上下口稍小。清孔采用反循環(huán)換漿法進行,泥漿比重控制在1.05左右,清孔時間,視孔徑、孔深和鉆渣含量而定。輕壓慢轉(zhuǎn)大泵量進行清孔30min以上,直至達到要求為止。

3.5鋼筋籠加工及安裝

(1)在成孔過程中,鋼筋籠同時制作,因本橋樁基深100m,鋼筋籠長60m,主筋采用φ28螺紋綱,為保證鋼筋籠的質(zhì)量及整體剛度,主筋采用對焊,為了節(jié)省連接時間,每節(jié)鋼筋籠之間采用鋼套管連接,箍筋采用電焊連接。鋼筋籠分節(jié)制作,每節(jié)長度為9m,以防止在吊裝過程中變形。

(2)鋼筋籠的加工采用卡板成型法分段制作,10-20mm厚的鋼板制成兩塊弧形卡板,其孤面直徑為鋼筋籠主筋中心直徑。每隔2m左右預(yù)置一塊卡板,按主筋位置在卡板上做出支托主筋的半圓形槽。卡板位置用測量儀器布設(shè)。

3.6灌筑水下混凝土的施工技術(shù)

(1)導(dǎo)管、漏斗安裝完畢,由于孔深及下鋼筋籠的時間較長,必須進行二次清孔,達到要求后,及時灌筑水下混凝土。灌筑首批混凝土,使混凝土壓出管內(nèi)之水并將導(dǎo)管埋入混凝土的深度不小于1.0m。

(2)水下混凝土灌筑開始后,應(yīng)連續(xù)地進行,嚴(yán)禁中途停工,以免形式坍孔和斷樁。嚴(yán)格控制導(dǎo)管埋深2-6m。

(3)當(dāng)導(dǎo)管提升時,要保持位置居中。根據(jù)導(dǎo)管埋置深度確定提升高度,認真謹慎操作防止掉管事故發(fā)生。

(4)在灌筑過程中,當(dāng)導(dǎo)管內(nèi)混凝土不滿,含有空氣時,后續(xù)混凝土要徐徐灌入,不可整個地灌入漏斗和導(dǎo)管,以免導(dǎo)管內(nèi)形成高壓。

(5)樁頂灌筑高程應(yīng)比設(shè)計高程超灌0.5-1.0m,多余部分應(yīng)在承臺施工前予以鑿除,樁頭應(yīng)無松散層,以保證整個樁身混凝土達到設(shè)計要求的質(zhì)量。

4、結(jié)束語

由于樁基較深,鋼筋籠安裝過程中,采用鋼套銅連接方法施工,經(jīng)檢驗,接頭性能符合規(guī)范要求,施工速度提高5倍以上,加快了施工進度,確保了樁基質(zhì)量。采用超聲波檢測鉆孔樁混凝土質(zhì)量合格率達100%。工作平臺安裝方便,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,便于施工。采用泥漿船循環(huán)系統(tǒng),泥漿質(zhì)量高,保護了生態(tài)環(huán)境。在類似的工程施工中,具有很好的借鑒作用。

參考文獻:

[1]中華人民共和國鐵道部,鐵建設(shè)[2005]160號,鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收補充標(biāo)準(zhǔn)[S],北京:中國鐵道出版社,2005.

[2]張譽,混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概論[M],上海:上?？茖W(xué)出版社,2003.

作者簡介:張巖(1976-),男,山東濟南人,現(xiàn)任濱州地方鐵路局,工程師。