橋梁鉆孔樁混凝土超灌量預警裝置工法探索與應用

周發(fā)貴

【摘 要】 鐵路客運專線或者是高速鐵路建設施工中，橋梁施工比例已是非常大，而鐵路橋梁基礎均為群樁基礎，鉆孔樁的施工規(guī)模較大，其樁頂質量控制、成本控制凸顯了項目管理活動中的重大意義。采用有別于傳統(tǒng)控制手段的工藝工法，利用直觀、方便、易于操作的鉆孔樁混凝土超灌量預警控制裝置，有效確保了鉆孔樁樁頂質量，最大限度地控制了成本流失，較好地創(chuàng)造經濟效益和社會效益。

【關鍵詞】 混凝土超灌量 ?架立固定掛鉤 ?限位套筒 ?活動預警主桿件 ?托盤

鉆孔灌注樁可穿越各種土質復雜或軟硬變化較大的土層，對地基進行加固處理。其施工環(huán)節(jié)較多，技術要求高，工藝較復雜，需在較短時間內快速完成水下灌注混凝土隱蔽工程的灌注，無法對質量進行直觀控制。因此其人為因素影響較大，稍有疏忽，很容易出現質量弊病，其中以常見的樁頂超灌通病現象尤為明顯，同時為了避免樁頂混凝土大量地超灌混凝土造成了成本的大量投入，效益的大量流失。我們通過長期的實踐施工總結，多次的實驗改進，成功地運用于現場，改變了傳統(tǒng)的控制手段，利用了直觀、方便、易于操作的鉆孔樁混凝土超灌量預警控制裝置，有效確保了鉆孔樁樁頂質量，最大限度地控制了成本流失，提高了功效，創(chuàng)造經濟效益和社會效益。具有較高實用價值和應用推廣意義。

本課題研究的樁基混凝土超澆預警裝置，利用木板加鋼管制作，施工時放入孔內，鋼管上設置掛鉤掛于鋼護筒上，當澆筑至設定高程，自動上浮，達到自動預警目的。以上內容，在國內文獻中未見相同報道。摘自中華人民共和國科學技術部河北省科學技術情報研究院《科技查新報告》 報告編號：201513b1500118a，查新完成日期：2015年3月2日。

1 項目背景

1.1 項目重要意義

石濟鐵路客運專線省際客運大通道是國家規(guī)劃“四縱四橫”快速鐵路網的重要組成部分，是國家重點建設項目。它的建成，還將使石家莊成為客運專線的“十字路口”。這條溝通京廣客運專線和京滬高速鐵路的客運大通道，將大大增強石家莊的鐵路樞紐地位，石家莊到北京、太原、鄭州、濟南等大城市的時間，都將控制在一小時左右，“一小時時空”離石家莊越來越近。

1.2 項目特點

石濟鐵路客運專線全線建設高速特大橋26座，全長302.5公里，普速特大橋兩座825米，框架結構橋11座，長7.67公里，涵洞75座長3160米，橋梁長度約占正線全長的80.9%，橋梁鉆孔樁施工規(guī)模很大。

2 工況簡介

新建石家莊至濟南鐵路客運專線工程SJZ-2標段線路位于河北省境內，起點位于晉州市，向東南方向延伸，至辛集市，設置辛集南站，標段起始里程為：DK51+213.36～DK79+555.99，正線長度共28342.63m其中路基長度2004.49m，橋梁26338.14m，橋梁施工占線路長度的93%，樁基礎施工7028根，規(guī)模較大。水下混凝土灌注樁的質量控制、成本控制既是重點又是難點，尤其是樁頂混凝土超灌量的控制是不可小視的關鍵環(huán)節(jié)之一。

3 鉆孔樁頂超灌量控制

鉆孔樁樁頂質量和樁頂混凝土超灌量的控制與混凝土超灌量的成因、成孔工藝和灌注工藝的選用和出露樁頭混合物的形成，三大方面密閉可分有著直接的關系。為了保證樁基頂部混凝土質量，規(guī)范要求水下混凝土灌注需超灌0.5-1m，該部分混凝土需在承臺施工前鑿除至樁頂設計標高。傳統(tǒng)的施工方法，是利用測繩測量混凝土灌注頂面的高度，然后推算出混凝土灌注標高。由于混凝土頂面以上存在較厚的泥漿和混凝土浮漿，所以準確測量的難度比較大。為了能保證樁頂質量，一般都選擇超灌。樁基數量較多時，超灌過多就會造成極大的浪費。所以為了確保鉆孔樁樁頂質量、有效節(jié)約成本，準確有效地控制混凝土超灌高度，就顯得尤為重要。

4 鉆孔樁混凝土超灌量預警裝置工法的探索與應用

鉆孔樁混凝土超灌量預警裝置總裝示意圖如圖1所示。

4.1 鉆孔樁混凝土超灌量預警裝置的工作原理

預警裝置是由架立固定桿件部分和活動預警桿件兩大部分組成。超灌量預警裝置是采用架立固定桿件裝置部分把整個裝置固定在護筒上，架立穩(wěn)定在孔內;利用活動預警桿件部分在混凝土的向上頂托力作用下底托盤牽引著其連接的活動預警桿件在限位套筒內向上移動，從而判斷混凝土到達了預控超灌標高位置。

4.2 超灌預警裝置的制作與組裝

鉆孔樁水下混凝土灌注樁頭混凝土超灌量預警裝置由架立固定掛鉤、架立限位套筒、活動預警桿件、底托盤和頂托盤五部分組成。預警裝置架立固定桿件部分各部尺寸、材料選擇為，架立固定掛鉤由鋼板和20cm長φ16鋼筋焊接而成;架立限位套筒為直徑20mm的鋼管，長度50cm，頂托盤材料采用木質圓形1.0cm后，直徑3cm制作。

架立固定掛鉤與架立限位套筒焊接連接;架立限位套筒與活動預警桿件采用活動套接，桿件穿過套筒，利用桿件上端托盤使其架立在限位套筒內，利用頂端托盤的調節(jié)螺帽鎖定桿件長度;活動預警桿件與底托盤之間的連接通過螺母連接固定。活動預警桿件的自由調節(jié)長度通過頂托盤調節(jié)螺帽鎖定固定實現，以便適應不同設計樁頂標高的樁基。

4.3 超灌預警裝置的設計原理

4.3.1 超灌預警裝置總重量的確定

超灌預警裝置的工作狀態(tài)在樁基灌注過程中主要受介質比重和灌注混凝土上泛沖擊力的影響。設計超灌預警裝置確定活動預警桿件裝置部分的總重量及各部材料選擇是關鍵之一。

鉆孔樁樁頂泥漿、初灌混凝土等混合物的比重ɑ=（1.1泥漿比重+混凝土比重θ值）÷2=1.8g/cm3;活動預警裝置單位面積比重β=（預警主桿件重量+底托盤重量+上下托盤鎖定固定螺帽重量）÷底托盤體積。通過互聯網絡詢查，φ16鋼筋的密度為7.85g/cm3，木板平均密度為0.54g/cm3，水下混凝土灌注時的泥漿密度不大于1.1g/cm3，混凝土比重θ值為2.5g/cm3，π值取3.14，M10螺帽11.6g/個。

β值設計驗證計算：⑴活動預警桿件重量（0.5）2*π*200* 7.85=1232.45g;⑵下端托盤重量（15）2*π*1*0.54=381.51g;（3）上下托盤鎖定固定螺帽總量11.6*2=23.2g;⑷活動預警主桿件裝置總重量⑴+⑵+⑶=1637.16g;⑸活動預警裝置β=⑷÷（15）2*π*1=2.32/cm3。

通過以上設計計算驗證θ>β>>ɑ！活動預警桿件裝置β值遠遠大于孔內樁頂混合物ɑ值，能沉陷于混合物中并且不會受灌注沖擊上泛作用力而上浮。同時，活動預警桿件裝置β值略小于混凝土的θ值，說明預警裝置在水下混凝土灌注過程中不會沉陷于混凝土中并且受混凝土上泛沖擊力作用下完全能夠上浮。

4.3.2 超灌預警裝置底盤面積的確定

超灌預警裝置的工作狀態(tài)在樁基灌注過程中還受底托盤形狀和面積大小影響。設計超澆預警裝置底托盤的面積大小和一定形式的形狀是關鍵之二。超灌預警裝置安放在孔內時，為確保裝置順利上浮，必須防止裝置與鋼筋籠、導管相互之間的粘著鉤掛現象的出現，導致預警失效。圓形設計不僅能滿足受力還能滿足其在孔內與導管和鋼筋籠的最小接觸面，有效防止粘著鉤掛現象產生。底托盤面積確定與孔內介質比重、混凝土比重、活動預警桿件重量有密切關系。

綜上設計計算驗證活動預警裝置桿件部分各部材料、尺寸確定為：活動預警桿件為φ10鋼筋2m長制作;底托盤采用木質圓形材料直徑30cm，厚度1.0cm制作;上下固定鎖定螺帽型號M10。

4.4 超灌預警裝置的施工應用

根據設計樁頂標高和混凝土超灌標高與護筒頂部的標高來活動預警桿件需要自護筒頂伸入孔內的長度。準確定位底托盤在孔內位于混凝土超灌量上頂面的位置，利用活動預警桿件上部托盤螺帽調節(jié)鎖定固定活動預警桿件的長度。在樁基混凝土澆筑后期把超灌預警裝置安放至導管與鋼筋籠之間;利用裝置上的架立固定掛鉤將超灌預警裝置固定在護筒上;利用限位套筒架立穩(wěn)定放入孔內的超灌活動預警桿件裝置;觀察超灌預警裝置的活動預警桿件明顯上升時，即表示混凝土已經灌注至預控標高，立即停止灌注。

5 經濟效益

橋梁鉆孔樁施工中，為了保證鉆孔樁質量，在樁頂必須有一定的混凝土超灌量，鉆孔樁施工規(guī)模越大，就此造成的效益流失越大。我們探索應用的橋梁鉆孔樁混凝土超灌量預警控制裝置在實際使用過程中很好地體現出了直觀、簡單、準確和方便易行的良好優(yōu)越性。既很好的保證了工程產品的質量又避免了浪費，提高了功效，節(jié)約了成本，創(chuàng)造了效益。石濟鐵路客運專線SJZ-2標橋梁鉆孔樁7028根，每根按照節(jié)約樁頭超灌混凝土0.7立方米計算，節(jié)約混凝土4919.6立方米，每方混凝土按照330元/方，節(jié)約直接成本費用162.3萬元。開源節(jié)流的成本控制、效益創(chuàng)造取得較為明顯的成果。

6 社會效益

橋梁鉆孔樁混凝土超灌量預警控制裝置，在加工制作上的簡單快捷、可循環(huán)利用性;在現場使用上的直觀、準確、易于掌握和操作;在質量控制上的方便可控;在成本和效益上的優(yōu)越性等等方面都表現出了極大的實用價值，同時伴隨著鉆孔樁施工規(guī)模的越大，它的應用價值越為明顯突出，具有較高推廣應用價值。橋梁鉆孔樁混凝土超灌量預警控制裝置的推廣和應用對于同行業(yè)內鉆孔樁的施工質量控制和成本管理上都具有重要意義和深遠影響。

參考文獻：

[1]新建鐵路石家莊至濟南鐵路客運專線，第六篇，施工圖，編寫：李戰(zhàn)勝.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，2013（10）.

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[4]靳宏博.中華人民共和國科學技術部河北省科學技術情報研究院《科技查新報告》報告編號：201513b1500118a，查新完成日期：2015年3月2日.