汾河特大橋大直徑超深旋挖鉆孔灌注樁施工技術(shù)

楊聯(lián)鋒， 彭志平， 孫智杰

(山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西 晉中 030620)

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的高速發(fā)展，公路、鐵路橋梁跨度不斷加大，大直徑超深鉆孔灌注樁工作量持續(xù)增長(zhǎng)，基于旋挖鉆機(jī)動(dòng)力扭矩大、機(jī)動(dòng)靈活、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，其在大型橋梁樁基施工中的應(yīng)用越來(lái)越多[1-2]，但是在松散砂層等特殊地層，大直徑超深樁基施工過(guò)程中遇到了不少困難[3]。本文分析了蒙華鐵路汾河特大橋樁基項(xiàng)目中遇到的難點(diǎn)重點(diǎn)、工藝流程、采取的措施及工程效果，并提出了一些建議。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

蒙華鐵路汾河特大橋是蒙華運(yùn)煤鐵路專線MHJ-11標(biāo)段的重點(diǎn)工程，該橋全長(zhǎng)7.9 km，位于山西省河津市西郊，設(shè)計(jì)墩臺(tái)194個(gè)，鉆孔灌注樁2943根，總延米157381 m，承載類型為摩擦承載樁，最大鉆孔直徑2 m，最深設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)91 m，場(chǎng)地地面標(biāo)高370～374 m。根據(jù)工程施工進(jìn)度要求，首先施工重點(diǎn)控制性區(qū)段(汾河北壩跨汾河向南方向)，此區(qū)段樁徑為2 m，共24個(gè)墩臺(tái)，平均孔深67 m，最長(zhǎng)設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)91 m，最深成孔深度超過(guò)97 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

工程地質(zhì)勘探深度內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)風(fēng)積層，土層為粉砂、細(xì)砂、中砂；第四系全新統(tǒng)沖積層，土層為新黃土、粘性土及粉土；上更新統(tǒng)沖積層，土層為新黃土、粘質(zhì)新黃土、粘性土、粉土、砂類土及碎石類土，局部為第四系全新統(tǒng)人工堆積層、素填土、填筑土。

1.3 水文地質(zhì)條件

橋址區(qū)地表水主要為汾河河水，橋址段汾河水面寬約35 m，水深4～6 m，常年流水，水量受季節(jié)影響變化較大。橋址區(qū)地下水主要為第四系孔隙潛水，主要受大氣降水及汾河水補(bǔ)給，其排泄方式主要為人工抽取。

1.4 不良地質(zhì)及特殊地質(zhì)

1.4.1 砂土液化

橋址區(qū)部分地段粉土及粉砂為地震可液化土，見(jiàn)表1。

表1 液化地層情況Table 1 Liquified stratum

1.4.2 崩塌

汾河三級(jí)階梯地段黃土陡坎邊緣，地形陡峭，高差約100 m，黃土垂直節(jié)理發(fā)育，局部發(fā)生小型黃土坍塌及錯(cuò)落，邊坡穩(wěn)定性較差。

1.4.3 濕陷性

橋址區(qū)砂質(zhì)及粘質(zhì)新黃土具濕陷性。

2 施工設(shè)備的選擇

根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告相關(guān)資料，考慮到本項(xiàng)目基樁數(shù)量多，口徑大、超深孔、樁位密集，工期緊的實(shí)際情況，綜合比較后，確定采用高效率的大扭矩旋挖鉆機(jī)成孔、導(dǎo)管水下灌注成樁的樁基施工工藝方案。選用的360型旋挖鉆機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)履帶底盤(pán)，接地壓力小，適合于各種施工工況，在施工場(chǎng)地內(nèi)行走自如，機(jī)動(dòng)靈活，對(duì)孔位方便、快捷。

(2)自動(dòng)化程度高、成孔質(zhì)量好、效率高。該鉆機(jī)為全液壓驅(qū)動(dòng)，電腦控制，精確定位鉆孔、自動(dòng)校正鉆孔垂直度和自動(dòng)測(cè)量鉆孔深度，最大限度地保證鉆孔質(zhì)量。

(3)采用靜態(tài)泥漿護(hù)壁的成孔工藝，減少泥漿污染。

(4)自帶動(dòng)力，緩解施工現(xiàn)場(chǎng)電力不足的矛盾。

3 施工技術(shù)要求

按照中國(guó)鐵路總公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路橋梁鉆孔樁施工技術(shù)規(guī)程》(Q/CR 9212-2015)[4]及總承包方下發(fā)的施工技術(shù)要求進(jìn)行施工，詳見(jiàn)表2。

表2 施工技術(shù)要求Table 2 Technical requirements on construction

4 施工初期發(fā)現(xiàn)的鉆孔質(zhì)量問(wèn)題及原因分析

4.1 施工過(guò)程及質(zhì)量問(wèn)題

在開(kāi)工初期的177號(hào)墩臺(tái),里程DK528+168.3,地層分布從上至下為：粉土、粉砂、粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂、中砂、粉砂、粉土。松散砂層共35 m，孔深8～20 m為地震可液化土，樁孔施工時(shí)(直徑2 m、設(shè)計(jì)孔深78.5 m)，采用直徑2.3 m護(hù)筒，護(hù)筒長(zhǎng)度5 m，鉆頭直徑2.0 m。入孔泥漿性能指標(biāo)：密度1.12 g/cm3，粘度25 s，含砂率2%。該樁孔施工結(jié)果：成孔時(shí)間19 h，安放鋼筋籠11 h，安放導(dǎo)管2.42 h，安放導(dǎo)管后量測(cè)孔底沉渣厚度42 cm，超標(biāo)嚴(yán)重，經(jīng)反復(fù)換漿清孔耗時(shí)約15 h，沉渣厚度才達(dá)18 cm，符合規(guī)范要求[4-5]?；炷凉嘧r(shí)間較長(zhǎng)，充盈系數(shù)大，后經(jīng)驗(yàn)樁儀器檢查，存在質(zhì)量問(wèn)題： (1)32.5 m左右處有縮徑現(xiàn)象(見(jiàn)圖1)。(2)部分樁在破除樁頭后發(fā)現(xiàn)有鋼筋籠位移現(xiàn)象，最多位移7 cm(見(jiàn)圖2)。

圖132.5m處縮徑波形
Fig.1Borehole shrinkage wave at32.5m

圖2 鋼筋籠位移Fig.2 Dislocation of rebar cage

4.2 原因分析

針對(duì)孔底沉渣過(guò)多、充盈系數(shù)超標(biāo)、縮徑、鋼筋籠位移等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)施工過(guò)程和泥漿液的反復(fù)實(shí)驗(yàn)、測(cè)試和研究對(duì)比分析，找到了原因。

4.2.1 縮徑問(wèn)題

地層主要以粉砂、細(xì)砂為主，地下水系豐富，潛水層運(yùn)動(dòng)形式為紊流形態(tài)，孔壁很不穩(wěn)定,在潛水層下部有近1 m透水性較差的粉質(zhì)粘土層，這層粘土具弱膨脹性，分析發(fā)現(xiàn)，粉質(zhì)粘土地層縮徑與時(shí)間關(guān)系密切，孔壁的土層被水浸泡后，體積膨脹，鉆孔孔壁一定厚度內(nèi)的土的含水量近似達(dá)到其膨脹含水量后，停止膨脹[6]，會(huì)造成鉆孔縮徑，但不垮塌。

4.2.2 泥漿問(wèn)題

泥漿性能不能滿足單孔施工周期和地層要求，致使松散地層的護(hù)壁效果降低，孔底沉渣超標(biāo)，部分層位有擴(kuò)徑現(xiàn)象。

4.2.3 鋼筋籠位移

由于在鋼筋籠安放過(guò)程中兩個(gè)吊環(huán)焊接的不對(duì)稱和基臺(tái)木安放不平穩(wěn)，造成鋼筋籠位移，影響了保護(hù)層厚度及均勻性。

5 旋挖鉆機(jī)施工工藝的改進(jìn)

根據(jù)上述對(duì)施工中遇到的問(wèn)題的分析，我們著重從泥漿的固相主材、泥漿用水、鉆進(jìn)工藝、現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程管理等方面進(jìn)行改進(jìn)[7-8]。

5.1 泥漿技術(shù)改進(jìn)[9]

首先解決泥漿主材膨潤(rùn)土，聯(lián)系了浙江安吉、河南鶴壁、河北張家口、陜西洋縣不同產(chǎn)地的膨潤(rùn)土廠家，各自發(fā)送200目的優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤(rùn)土樣品，使用桶裝礦泉水，按照1∶14的配比進(jìn)行泥漿配制，靜置48 h后，發(fā)現(xiàn)除安吉的泥漿樣品外，其余3種泥漿樣品性能明顯下降，尤其是膠體率性能對(duì)比差別較大。

水是泥漿的重要組成部分，水質(zhì)對(duì)泥漿的性能有很大的影響。水中影響泥漿性能的主要因素是可溶鹽的種類和含量，水中含有高價(jià)陽(yáng)離子或過(guò)多低價(jià)陽(yáng)離子都會(huì)使粘土水化減弱，泥漿穩(wěn)定性下降[10]。衡量水質(zhì)的重要指標(biāo)就是總礦化度和硬度，隨后我們將工地用水取樣，進(jìn)行水質(zhì)分析化驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)幾項(xiàng)指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)，嚴(yán)重影響著膨潤(rùn)土的造漿率和體系的穩(wěn)定性。從水質(zhì)分析報(bào)告中可以看出鈣為114.38 mg/L，鎂鹽為56.99 mg/L，銨鹽為0.28 mg/L，碳酸氫根600.89 mg/L，pH值為7.5，游離子二氧化碳為12.67 mg/L，這些地下水的離子分子含量對(duì)于泥漿的性能會(huì)產(chǎn)生極大的影響，因?yàn)殂@孔過(guò)程中，泥漿不斷的與地下水接觸，會(huì)導(dǎo)致泥漿中HO-含量降低，打破泥漿中原有的H+、OH-的平衡狀態(tài)，pH值下降，膨潤(rùn)土的水化效果弱化。同時(shí)，地下水中的鎂離子、碳酸氫根離子、銨鹽離子均會(huì)與現(xiàn)場(chǎng)配置好的泥漿中的OH-發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而增加了泥漿中的固相含量，產(chǎn)生氣孔，影響泥漿的護(hù)壁性能，致使松散地層垮塌、掉落，造成孔底沉渣厚度超標(biāo)、混凝土超耗。施工水源無(wú)法選擇，只有通過(guò)改良現(xiàn)場(chǎng)施工用水，之后我們聯(lián)系了膨潤(rùn)土廠家共同研究?jī)r(jià)格適中、操作簡(jiǎn)便、性能穩(wěn)定的泥漿處理劑，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，解決了當(dāng)?shù)厮|(zhì)對(duì)泥漿的影響，泥漿的性能穩(wěn)定可靠，長(zhǎng)時(shí)間不分解，增加了懸浮能力。

5.2 樁徑保持

鉆孔成孔后，停待3 h，采用同級(jí)鉆頭進(jìn)行掃孔，用鉆頭將膨脹入鉆孔內(nèi)的粘土部分削去，鉆孔的孔徑就能保持規(guī)則形態(tài)。為了防止由于震動(dòng)造成鉆頭底門打開(kāi)，在掃孔前把底門與筒體之間用電焊焊牢，防止孔內(nèi)事故的發(fā)生。通過(guò)掃孔保證了樁徑指標(biāo)，提高了樁身質(zhì)量。

5.3 泥漿日常管理

改善泥漿過(guò)程管理工作，經(jīng)常保持泥漿的優(yōu)質(zhì)、均勻，以滿足成孔、成樁質(zhì)量。泥漿配置完成后要靜置24 h，不可現(xiàn)用現(xiàn)配，正確使用旋流除砂器除砂，合理調(diào)節(jié)底流口尺寸，避免堵塞，力求底流口呈“傘狀”流體。在泥漿池與孔口間設(shè)置沉淀池，一孔一清理。

5.4 鋼筋籠保護(hù)層

為有效控制樁身保護(hù)層厚度，保證鋼筋籠的居中位置，在安放上籠前，使用了4根2.5 in(?63.5 mm)無(wú)縫鋼管平均分布安放于孔內(nèi)四周，鋼管上部掛鉤固定于護(hù)筒上，混凝土灌注完成后，將鋼管拔出。此措施避免了因人為操作疏忽，致使鋼筋籠移位的質(zhì)量通病。

5.5 施工現(xiàn)場(chǎng)管理

5.5.1 依靠制度管理

首先要求所有施工管理人員要不折不扣地執(zhí)行各項(xiàng)管理規(guī)章制度，項(xiàng)目主要管理人員更要以身作則。在此基礎(chǔ)上，項(xiàng)目部又針對(duì)勞動(dòng)紀(jì)律、安全、質(zhì)量等方面制定了現(xiàn)場(chǎng)的管理制度，明確了崗位職責(zé)，制定了獎(jiǎng)罰措施。制定了班前生產(chǎn)例會(huì)制度，科學(xué)合理的組織施工工作。

5.5.2 編制針對(duì)性的施工方案

為了能夠有計(jì)劃地進(jìn)行項(xiàng)目管理，我們?cè)陂_(kāi)工前的準(zhǔn)備期間編制了施工方案，由項(xiàng)目主要管理人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況、施工圖紙、施工經(jīng)驗(yàn)等進(jìn)行編寫(xiě)。內(nèi)容包括編制依據(jù)、工程概況、工程地質(zhì)條件、承包內(nèi)容、施工方法、施工組織、技術(shù)質(zhì)量、工程安全措施、文明施工、施工預(yù)案等10個(gè)方面。

由于施工是動(dòng)態(tài)運(yùn)行的，所以在施工中會(huì)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整驗(yàn)證。通過(guò)幾個(gè)項(xiàng)目的情況比較，凡是有計(jì)劃的施工方案的項(xiàng)目，施工效果都比較好，正所謂凡事預(yù)則立，不預(yù)則廢。一個(gè)項(xiàng)目完成的好壞，關(guān)鍵取決于準(zhǔn)備工作充分與否，再差的計(jì)劃也比沒(méi)計(jì)劃好，沒(méi)有預(yù)控則會(huì)打亂仗。

5.5.3 把控環(huán)節(jié)、嚴(yán)格質(zhì)量控制

項(xiàng)目生產(chǎn)的成敗在質(zhì)量，評(píng)價(jià)項(xiàng)目最重要的砝碼就是工程質(zhì)量，在生產(chǎn)中，質(zhì)量決定了進(jìn)度、成本、效益。通過(guò)十幾年的樁基施工，我們總結(jié)出了樁基工程經(jīng)常出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題及質(zhì)量通病：孔壁坍塌、護(hù)筒底部坍塌、鋼筋籠上浮、鋼筋籠變形、沉渣過(guò)厚、聲測(cè)管不通、混凝土超方短方、堵管等。

為了杜絕此類質(zhì)量事故的發(fā)生，從施工源頭、施工過(guò)程入手，進(jìn)行嚴(yán)格把控。根據(jù)施工流程的幾個(gè)工序，進(jìn)行細(xì)化分解，把原有的9項(xiàng)步驟分解成50個(gè)小節(jié)，每一項(xiàng)小節(jié)都有操作標(biāo)準(zhǔn)、檢驗(yàn)準(zhǔn)則、復(fù)檢程序，并且把責(zé)任劃分到班組或個(gè)人。在這50個(gè)小節(jié)中，一般的程序需自檢，重要的流程節(jié)點(diǎn)需值班員進(jìn)行檢查。對(duì)于能夠認(rèn)真履行職責(zé)的個(gè)人或班組進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，對(duì)于屢次有誤差的個(gè)人或班組要進(jìn)行處罰，值班員監(jiān)管不力的也要進(jìn)行責(zé)罰。

6 改進(jìn)后的成果

改進(jìn)后的泥漿質(zhì)量穩(wěn)定、可靠，在成孔后20 h量測(cè)，孔底沉渣在5 cm以內(nèi)，混凝土超耗得到有效控制，聲測(cè)管未發(fā)現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，破除樁頭后鋼筋籠居中，未發(fā)現(xiàn)有移位現(xiàn)象，保證了成孔成樁質(zhì)量，縮短成樁周期，提高了施工進(jìn)度。

7 結(jié)語(yǔ)

在大口徑超深孔旋挖灌注樁施工中，由于單孔施工周期較長(zhǎng)，常規(guī)配置的泥漿性能不能滿足成樁質(zhì)量要求，尤其在鉆進(jìn)施工松散砂層地層時(shí)，會(huì)發(fā)生孔壁坍塌、沉渣厚度超標(biāo)等事故，給施工質(zhì)量、安全、進(jìn)度造成十分重大的影響。通過(guò)全面分析地質(zhì)、水文情況及現(xiàn)場(chǎng)管理等方面的原因，配置出高粘、膠體率好的泥漿，很大程度上可以解決旋挖灌注施工中經(jīng)常出現(xiàn)的質(zhì)量通病。通過(guò)制定落實(shí)相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)管理制度避免了重復(fù)作業(yè)、孔內(nèi)事故的發(fā)生，給整個(gè)項(xiàng)目施工帶來(lái)了較好的經(jīng)濟(jì)效益。