城市核心區(qū)域鉆孔灌注樁樁頭套管整體靜態(tài)破除研究

周志強(qiáng)，李 智，黃 仁，朱訓(xùn)超，鄒廣庚

（中建五局土木工程有限公司，湖南 長沙 410004）

0 引言

在建筑工程、橋梁工程、城市軌道交通等工程項(xiàng)目建設(shè)中，鉆孔灌注樁技術(shù)應(yīng)用廣泛，鉆孔灌注樁成孔護(hù)壁通常采用泥漿護(hù)壁，樁頭破除采用傳統(tǒng)的人工破除方法、小型機(jī)械破除法、環(huán)刀法、環(huán)鑿法等，施工過程中易產(chǎn)生環(huán)境污染，破除時(shí)產(chǎn)生的粉塵對作業(yè)人員健康影響較大，樁頭鋼筋易彎曲甚至折斷，質(zhì)量得不到保證，聲測管、監(jiān)測管等不易保護(hù)且容易造成堵塞。

為解決樁頭破除時(shí)粉塵對作業(yè)工人健康的影響及樁頭鋼筋易彎曲折斷等情況，在柳州市城市公共交通配套工程一期土建施工03標(biāo)、南寧地鐵4號(hào)線和玉溪市玉江大道提升改造工程等項(xiàng)目中進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)、工藝創(chuàng)新和現(xiàn)場實(shí)施，并完成施工技術(shù)總結(jié)和工法提煉工作，總結(jié)形成“城市核心區(qū)域鉆孔灌注樁樁頭套管整體靜態(tài)破除施工工法”，以達(dá)到減少破樁頭時(shí)粉塵對作業(yè)工人健康的危害，以及樁頭鋼筋易彎曲折斷等情況的目的。

1 工藝原理

1.1 靜力爆破工藝原理

人工造孔后，在靜力爆破劑的作用下使巖石脹裂、產(chǎn)生裂縫，再用鎬頭機(jī)解小、破除達(dá)到開挖目的。因此，靜爆產(chǎn)品直接影響爆破開挖效果。

無聲破碎劑是通過與水反應(yīng)形成固相體積增大的結(jié)晶，結(jié)晶生長力對孔壁施加壓縮應(yīng)力，當(dāng)與壓縮應(yīng)力成垂直方向的張拉應(yīng)力超過脆性物體極限強(qiáng)度時(shí)，物體發(fā)生龜裂，隨著無聲破碎劑的膨脹壓力不斷增長，被破碎物體的裂縫不斷擴(kuò)大，直到破碎。常規(guī)施工方法是將無聲破碎劑用水拌成漿體，填充在巖石鉆孔中，在常溫下可產(chǎn)生30MPa以上的膨脹壓力，經(jīng)6～24h將混凝土構(gòu)筑物或巖石破碎。因無聲破碎劑在施工時(shí)無震動(dòng)、噪聲和有毒氣體，不屬于危險(xiǎn)品，所以便于運(yùn)輸、保管、使用，安全方便。

1.2 靜力爆破劑的破碎機(jī)理

1）靜力爆破劑進(jìn)行破碎的機(jī)理與炸藥破碎機(jī)理不同，其主要依靠破碎劑在被破碎體內(nèi)發(fā)生緩慢的化學(xué)反應(yīng)和物理變化使晶粒變形、溫度升高、體積膨脹，逐漸增大對孔壁的靜膨脹壓力作用，使介質(zhì)產(chǎn)生龜裂而解體，靜力膨脹破碎法也稱靜力迫裂和靜力破碎技術(shù)。

2）巖石或混凝土等脆性介質(zhì)的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，巖石的抗拉強(qiáng)度為5～10MPa，混凝土的抗拉強(qiáng)度為20～60MPa。通常無聲破碎劑的膨脹壓力可達(dá)30～50MPa，當(dāng)炮孔中的靜力爆破劑發(fā)揮作用時(shí)，炮孔周圍介質(zhì)產(chǎn)生周向拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力值超過介質(zhì)抗拉強(qiáng)度時(shí)，炮孔之間便產(chǎn)生裂隙，隨著膨脹壓力的增加，裂隙逐步擴(kuò)展成裂縫，繼而導(dǎo)致介質(zhì)破壞。

3）靜力爆破劑是以特殊硅酸鹽、氧化鈣為主要原料，配合其他有機(jī)、無機(jī)添加劑而制成的粉狀物質(zhì)。當(dāng)氧化鈣變成氫氧化鈣時(shí)，其晶體由立方晶體轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)三方偏三角面體，這種晶體的轉(zhuǎn)化會(huì)引起晶體體積膨脹。根據(jù)測定，在自由膨脹前提下，反應(yīng)后的體積可增長3～4倍，其表面積也增大近100倍，同時(shí)釋放出6.5×104J/mol的熱量。如果將其注入炮孔內(nèi)，這種膨脹受到孔壁約束，壓力可上升到50MPa，在這種壓力作用下介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生徑向壓縮應(yīng)力和切向拉伸應(yīng)力。

2 施工特點(diǎn)

1）利用水平預(yù)埋PVC管解決樁頭破除過程需人工配合打孔及機(jī)械設(shè)備投入多的問題。

2）本工法施工過程中不需要危險(xiǎn)性較大的機(jī)械設(shè)備，大大減少了機(jī)械對作業(yè)工人的傷害。

3）提供一種綠色環(huán)保高效的樁頭破除方法，以解決鉆孔灌注樁樁頭破除過程中對空氣污染、人員健康影響、樁頭鋼筋質(zhì)量影響大及樁頭破除效率低的技術(shù)問題。

4）本工法無噪聲與揚(yáng)塵污染。

5）本工法不需要使用切割機(jī)械、打孔機(jī)械及液壓劈裂機(jī)等設(shè)備，成本低。

3 施工工藝流程

套管整體靜態(tài)破除施工工藝流程如圖1所示。

4 施工操作要點(diǎn)

4.1 鋼筋籠加工

鋼筋籠加工需滿足設(shè)計(jì)要求，間隔2m設(shè)置1道加強(qiáng)筋，與主筋焊接牢固組成骨架。在鋼筋籠四周主筋上每隔2m設(shè)置1個(gè)φ14mm耳環(huán)用作定位墊塊，使保護(hù)層保持70mm厚，鋼筋籠外形尺寸要嚴(yán)格控制，按圖施工。樁身主筋接頭宜采用機(jī)械連接，螺旋箍筋與主筋采用點(diǎn)焊；在35d區(qū)段范圍內(nèi)鋼筋接頭百分率不應(yīng)大于50%。

圖1 套管整體靜態(tài)破除法流程

4.2 鋼筋籠樁頭鋼筋套入PVC管

鉆孔灌注樁鋼筋籠加工完成后，將事先加工好的直徑50mmPVC塑料管直接套入鋼筋籠外露的主筋、聲測管和監(jiān)測管上，并通過膠布將其位置固定，保證PVC管不發(fā)生串動(dòng)（見圖2），PVC塑料管使樁頭混凝土與主筋、聲測管和監(jiān)測管不發(fā)生握裹，在樁頭破除時(shí)保護(hù)主筋、聲測管和監(jiān)測管不被破壞。

圖2 預(yù)埋PVC套管

4.3 預(yù)埋破碎裝置（水平及豎向PVC管）

鉆孔灌注樁樁頭破碎裝置用于通過水平膨脹力將樁頭混凝土與樁身混凝土分離的破碎裝置，破碎裝置包括水平及豎向PVC管，如圖3所示。

1）水平PVC管布設(shè)在樁頭混凝土與樁身混凝土交界位置，通過產(chǎn)生水平膨脹力迫使樁頭混凝土與樁身混凝土分離。

2）豎向PVC管伸出至樁頭混凝土外并連通至水平破碎組件內(nèi)腔，作為向水平破碎組件內(nèi)腔注入破碎劑的連通管路。

3）預(yù)埋破碎裝置（水平和豎向PVC管） 在樁頂標(biāo)高往上10cm位置預(yù)先埋設(shè)水平破碎組件即連通的多邊形φ50mmPVC管，且沿主筋方向引出2條連通管路（PVC管）至地面以上20cm；水平破碎組件（水平PVC管）通過鋼筋進(jìn)行加固，連通管路（豎向PVC管）與主筋固定在一起，伸出樁頭的PVC管采用封口蓋及膠布進(jìn)行密封，防止泥漿及混凝土進(jìn)入PVC管內(nèi)（見圖4）。

圖3 破碎裝置預(yù)埋

4.4 鋼筋籠吊裝及混凝土灌注

1）鋼筋籠驗(yàn)收合格之后進(jìn)行吊裝 起吊前做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，指揮25t履帶式起重機(jī)轉(zhuǎn)移到起吊位置，在鋼筋籠上安裝鋼絲繩和卡環(huán)，掛上25t履帶式起重機(jī)主吊鉤及副吊鉤。指揮吊機(jī)吊籠入孔、定位，吊機(jī)旋轉(zhuǎn)應(yīng)平穩(wěn)，在鋼筋籠上拉牽引繩。下放時(shí)若遇到鋼筋籠卡孔情況，要吊出檢查孔位情況后再吊放，不得強(qiáng)行入孔。

圖4 水平及豎向PVC管安裝

2）監(jiān)理驗(yàn)收合格后進(jìn)行混凝土灌注工作 灌注采用導(dǎo)管法，導(dǎo)管下放至距孔底30cm處，導(dǎo)管直徑25cm，導(dǎo)管接頭連接處須加密封圈并上緊絲扣。灌注混凝土接近頂標(biāo)高時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制最后一次灌注量，混凝土灌注高度應(yīng)保證混凝土浮漿清除后符合設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高，一般是實(shí)際樁頂標(biāo)高比設(shè)計(jì)標(biāo)高高出0.5～1.0m。

4.5 樁頭開挖及注入破碎劑

樁基施工完成達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，采用挖掘機(jī)挖除樁基四周泥土，露出樁頭，然后按靜態(tài)破碎劑產(chǎn)品說明書要求比例，將破碎劑加水拌成流質(zhì)狀后，通過連通管路（豎向PVC管）注入破碎劑，直到破碎劑從觀察管路溢出為止。

4.6 樁頭破除及吊離

1）等待破碎劑靜置反應(yīng) 破碎劑注入完成后，待破碎劑充分反應(yīng)后，通過破碎劑反應(yīng)后產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力沿預(yù)埋在樁頂標(biāo)高位置的PVC管作用，將樁頭混凝土與樁身混凝土分離，達(dá)到樁頭快速破除的效果。

2）樁頭混凝土吊離 樁頭混凝土與樁身混凝土分離后，采用汽車式起重機(jī)將樁頭混凝土塊整體吊離，完成樁頭破除，進(jìn)行下一道工序施工。

5 施工注意事項(xiàng)

1）根據(jù)鉆孔灌注樁樁頭破除原理，為避免鋼筋籠樁頭鋼筋與混凝土黏結(jié)在一起，降低后期樁頭破除難度，同時(shí)保證鋼筋在破除過程中不被損壞，鋼筋籠制作成型后對樁頭部分鋼筋套入PVC套管，并對兩端進(jìn)行密封，防止混凝土灌注過程中混凝土進(jìn)行PVC套管內(nèi)。

2）根據(jù)靜態(tài)爆破原理，提前在樁頂標(biāo)高往上10cm處預(yù)埋水平矩形PVC套管，且通過2根豎向PVC套管連接引出樁頭，為成樁后樁頭破除提供破碎劑注入通道。

3）鋼筋籠樁頭部位的鋼筋通過上述步驟處理后，將鋼筋籠吊入孔中，灌注混凝土，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，開挖樁邊土方露出樁頭及豎向PVC管，將調(diào)配好的靜態(tài)破碎劑從PVC管一端注入，直到另一端冒漿后停止，并對端頭進(jìn)行封閉。

4）PVC套管內(nèi)注入靜態(tài)破碎劑后，放置24h待破碎劑充分反應(yīng)，通過破碎劑的膨脹作用將樁頭混凝土與樁身混凝土分離。

5）樁頭混凝土與樁身混凝土分離后采用汽車式起重機(jī)將樁頭混凝土塊吊出完成樁頭工作，進(jìn)入下一道施工工序。

6 結(jié)語

隨著綠色施工及安全文明施工愈發(fā)引起人們的重視，城市施工中揚(yáng)塵和噪聲治理愈發(fā)重要，本文所介紹的一種“城市核心區(qū)域鉆孔灌注樁樁頭套管整體靜態(tài)破除工法”，在傳統(tǒng)風(fēng)鎬破除的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，很好地規(guī)避了這些風(fēng)險(xiǎn)。