跨江大橋超長大直徑灌注樁施工控制技術(shù)

王 海 峻

(南京市公共工程建設(shè)中心，江蘇 南京 210019)

0 引言

隨著我國沿江城市的發(fā)展，跨江大橋成為了解決城市江南江北交通通行的不二選擇?？缃髽蛑魉A(chǔ)一般采用超長大直徑混凝土灌注樁，但由于其超長和大直徑成為了質(zhì)量控制的難點，施工進度往往影響主塔總體施工工期。因此，本文以跨江大橋主塔超長大直徑灌注樁施工為例，探討了施工控制，分析了影響因素，選擇了合理控制指標，希望能對類似的工程提供參考。

1 工程概況

某過江通道工程全長約13.17 km，主線橋梁長約11 810.5 m、隧道長約241 m、道路長約1 118.5 m?？缃髽蛑鳂虿捎弥骺? 760 m的單跨門型塔整體鋼箱梁懸索橋，主橋跨度布置采用580 m+1 760 m+580 m，矢跨比1/9。南、北塔基礎(chǔ)采用超長大直徑灌注樁，本文以北塔的樁基為例，北主塔基礎(chǔ)采用66根直徑2.8 m鉆孔灌注樁，按摩擦樁設(shè)計，樁長110 m，樁端進入中風化粉砂巖。樁頂標高-4.715 m，樁底標高-114.715 m。鋼筋籠主筋采用32 mm螺紋鋼，每2 m架設(shè)一道加勁箍筋，箍筋采用10 mm的圓鋼，混凝土為C30水下混凝土。

北塔墩位于漫灘上，地面高程2 m～7 m，覆蓋層上部為厚約10 m的松散～稍密層狀粉土粉砂夾少量淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，其下為厚約40 m的松散～密實狀細砂夾軟塑狀黏性土、粉土，底部為厚30 m左右的中粗砂、圓礫組成的混合土，基巖為粉砂巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。具體地質(zhì)特性見表1。

2 灌注樁施工難點分析

2.1 疫情影響大

2020年1月起，受新型冠狀病毒疫情影響，樁基、吊車等設(shè)備因交通管制無法正常運送到施工場地，部分材料無法采購、部分工人無法按時返回，原計劃2月初開始施工不得不推遲，正式開工時間為2020年3月18日。根據(jù)國家、省市疫情防控要求，鋼筋加工等密閉的場地，加工人員不能過于密集，降低了工作效率。

2.2 涉水作業(yè)，作業(yè)平臺要求高

表1 各工程地質(zhì)層承載力及樁基參數(shù)推薦值一覽表

本項目的主塔樁基在長江岸邊，水位受長江徑流與潮汐復(fù)合影響，主要受長江徑流控制，汛枯季分明，最高潮位發(fā)生在汛期，最低潮位發(fā)生在枯期。水位每日漲、落兩次，為非正規(guī)半日潮。漲潮歷時3個多小時。長江下游汛期為5月～10月，11月～次年4月為枯季，水位最高月份為7月、8月份，最小月份為1月、2月份，經(jīng)過統(tǒng)計分析，6月份水位75%概率在5 m以下，近10年的水位平均值為4.48 m，如表2所示。因此，地面平臺標高選定為+5.0 m，樁基須在6月底前全部施工完畢，考慮到機械設(shè)備、臨時用電、泥漿等處理和撤場工作時間，在平臺施工的根樁必須在6月中旬施工完成。根據(jù)現(xiàn)場場地和施工工效，將66根樁分為48+18兩批施工，遠離棧橋平臺的48根樁計劃在枯水期整平平臺上施工完成，剩余18根樁在鋼平臺上施工。

表2 主塔位置長江水位統(tǒng)計表 m

2.3 施工工期緊

如前所述受新冠疫情影響原定開工時間推遲，項目正式開工時間為2020年3月18日。需要在6月中旬施工完成，總的施工時間剩89 d，成樁的速度需要保證2 d一根樁，工期壓力非常大，一旦發(fā)生不可控的意外事情將直接影響總體的施工工期。

2.4 成孔難度大

該樁長110 m，整平過的平臺標高為+5.0 m，樁底標高為-114.715 m，實際成孔深度為119.715 m，樁端需要進入中風化粉砂巖，入巖深度約33 m，鉆進成孔難度加大、成孔時間加長，容易產(chǎn)生塌孔。

2.5 泥漿指標要求高

成孔完成后，下方鋼筋籠需要約8 h，安裝導管需要約4 h，要在這么長的時間內(nèi)保持孔壁質(zhì)量、不發(fā)生塌孔，對泥漿質(zhì)量要求很高，泥漿的各項控制指標需要精準控制到位。

2.6 混凝土灌注時間長、方量大

根據(jù)計算單根鉆孔樁混凝土設(shè)計方量677.4 m3，為超長大直徑灌注樁，根據(jù)以往澆筑經(jīng)驗，混凝土澆筑需要約10 h，混凝土澆筑時間長，對混凝土連續(xù)供應(yīng)、連續(xù)澆筑質(zhì)量控制要求高，澆筑質(zhì)量直接關(guān)系到樁的實體質(zhì)量。

3 施工控制技術(shù)

3.1 作業(yè)平臺選擇

為了提高地基承載能力和降低長江水位影響，需要對原地面進行處理，根據(jù)以往類似工程平臺處理經(jīng)驗，原地面通過碎石進行填筑，平整后澆筑30 cm厚C25混凝土形成作業(yè)平臺，供樁基和起吊設(shè)備行走使用，平臺頂標高+5.0 m。為了防止突發(fā)洪水對平臺的影響以及環(huán)保要求，在平臺四周筑造高1.5 m，寬2 m的臨時圍堰，提高平臺的安全性。

3.2 樁基施工工藝和鉆機選擇

根據(jù)本工程的地層特點、現(xiàn)場成樁速度、泥漿處理等方面綜合考慮，選用旋挖鉆樁基施工。

為了滿足流水作業(yè)2 d施工完成一根樁的施工速度，結(jié)合地層特點，投入4臺XR550D旋挖鉆機和1臺SR405R旋挖鉆，根據(jù)兩種鉆機的施工特性，原地面80 m范圍內(nèi)采用SR405R旋挖鉆機成孔，80 m以下部分采用XR550D旋挖鉆機接力成孔。成孔時間控制在48 h。

3.3 泥漿制備質(zhì)量控制

泥漿選用優(yōu)質(zhì)膨潤土、堿、聚丙烯酰胺等原料制成PHP泥漿進行護壁，采用ZJ1000泥漿攪拌機攪拌制漿，造漿配合比見表3。

表3 1 m3膨潤土泥漿配合比

泥漿造漿后檢驗?zāi)酀{比重、粘度、含砂率、膠體率、pH值等指標，鉆孔過程中隨時檢驗?zāi)酀{比重和含砂率，根據(jù)地質(zhì)情況的變化隨時調(diào)整泥漿的性能指標，保證泥漿的各項指標符合規(guī)范要求。本工程樁基上部穿過粉砂及粉細砂地層，該地層均屬于極易坍孔地層，在鉆進過程中，有大量的粉細砂溶于孔內(nèi)泥漿，造成了泥漿含砂率高，根據(jù)現(xiàn)場實際情況泥漿性能指標不同地層的控制指標符合表4要求。

3.4 成孔質(zhì)量控制

3.4.1鉆機的垂直度和速度控制

鉆機就位后應(yīng)定期檢查穩(wěn)定性，不得產(chǎn)生位移和沉陷。鉆機就位時與平面最大傾角不超過4°，鉆頭中心與樁位中心的偏差值不得大于2 cm，鉆桿傾斜度不大于0.5%。

表4 不同地層泥漿指標控制值

初始鉆進采用低速鉆進，在鉆進護筒底部時，要低速減壓鉆進，反復(fù)掃孔，直至形成一定的泥皮后才正常鉆進。在粘性土層中，鉆機的進尺速度可適當加快；在砂土層中，鉆機的進尺速度要減慢，以防坍孔。鉆進過程中對鉆桿的提升速度應(yīng)加以控制，嚴禁過快提升，防止鉆頭下方出現(xiàn)負壓區(qū)，出現(xiàn)塌孔。

3.4.2水頭壓力控制

由于施工時間段內(nèi)，長江岸邊的河水漲幅變化大，為了鉆進工作的正常開展，需要觀察長江邊水位情況，及時調(diào)整護筒內(nèi)的泥漿高度，確保護筒內(nèi)水頭高出長江水位最高值2 m以上。

3.5 出渣處理

本項目單根樁的出渣量大，工程施工臨近江邊，場地有限，常規(guī)的出渣處理不能滿足現(xiàn)場施工要求，如何快速處理出渣關(guān)系到成樁速度。為了提高出渣效率，本項目出渣先通過篩分設(shè)備快速瀝干、晾曬后通過土方車外運出場地。

3.6 鋼筋籠加工及吊裝

鋼筋籠基本節(jié)段長度為12.0 m，頂部、底部設(shè)配節(jié)長度，接頭采用機械連接，接頭面積百分率為50%，分節(jié)吊裝到施工現(xiàn)場，進行安裝。本工程的鋼筋籠共分10節(jié)，長度分別為8 776 mm+12 000 mm×8+6 174 mm。

鋼筋籠采用2臺200 t和1臺100 t履帶吊機作為吊運設(shè)備，采用2點起吊，其中200 t履帶吊機作為主吊，100 t履帶吊機作為翻身用輔吊，吊機配合使鋼筋籠逐步豎立、對位入孔。

3.7 清孔質(zhì)量控制

采用兩次清孔，鉆孔深度達到設(shè)計要求，對孔深、孔徑、孔的垂直度等進行檢查，符合要求后進行第一次清孔；鋼筋籠、導管安放完畢，混凝土澆筑之前，進行第二次清孔。第一次清孔、第二次清孔均采用氣舉反循環(huán)方法清孔，利用泥漿分離器過濾泥漿。

本工程樁基上部穿過粉砂及粉細砂地層，該地層均屬于極易坍孔地層，參考JTG—TF50—2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范中易坍地層泥漿控制指標要求以及本項目的實際施工情況，本項目鉆孔樁二清完成后泥漿指標為：泥漿比重1.08～1.1，粘度19 Pa·s～28 Pa·s，含砂率8%～4%，沉渣厚度不大于15 cm。

二次清孔達到要求后，立即拆除清孔頭帽和高壓風管，進行水下混凝土灌注作業(yè)。

3.8 混凝土澆筑質(zhì)量控制

3.8.1配合比控制

本灌注樁混凝土設(shè)計等級強度為C30，正式施工前，對混凝土的配合比進行設(shè)計和驗證，驗證合格要求后，正式進行開盤。混凝土坍落度為18 cm～22 cm，初凝時間不少于15 h，本項目的配合比見表5。

表5 C30混凝土配合比 kg/m3

3.8.2原材料控制

為了確保混凝土質(zhì)量，在項目施工附近建立專門的混凝土拌合站，拌樓和料倉全封閉，由項目部管理人員親自對拌合站進行管理，派專人采購混凝土的粗、細集料，實現(xiàn)從料源到料倉的點對點管理，進場前對原材料按照規(guī)范頻率進行抽檢，合格后方可進入堆場。

3.8.3灌注控制

1)導管安裝。

采用內(nèi)徑33 cm的壁厚1 cm快速卡口垂直提升式導管進行混凝土灌注，導管安裝前進行水密承壓和接頭抗拉試驗。試驗壓力為孔底凈水壓力的1.5倍，取4.2 MPa。導管加壓至試驗壓力后檢查有無滲漏情況，在無滲漏的條件下持荷時間不少于15 min，不滲漏即為合格。本工程選用的導管底節(jié)為4.3 m，標準節(jié)為3 m，共38節(jié)，頂節(jié)長度1.5 m，對每節(jié)導管進行編號，澆筑混凝土時按照編號順序進行安裝。

2)首次混凝土量。

根據(jù)JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范8.2.11公式可以計算出首次混凝土灌入量為15 m3，其中H1取0.3 m，H2取1 m，Hw取120 m，γw取10.5 kN/m3，γc取24 kN/m3。

混凝土澆筑過程中要嚴格控制導管埋深，控制在2 m～6 m。

3)現(xiàn)場混凝土澆筑設(shè)備配置。

根據(jù)混凝土生產(chǎn)方量、運輸時間、汽車泵送速度以及其他不利因素綜合考慮，計算得出現(xiàn)場需要配置15 m3大料斗和3.6 m3拔球料斗、2臺汽車泵、6臺混凝土攪拌車、2條拌樓生產(chǎn)線。

3.9 其他保證措施

3.9.1備用樁基

為了提高樁基工作效率，減少機器故障維修時間，樁基發(fā)生故障后，故障部位的配件只換不修，配件從新的備用樁基中拆除，然后再維修故障配件，最大程度減少停機維修時間，提高工作效率。

3.9.2鉆頭防脫落保障措施

旋挖鉆鉆頭在超深成孔中掉落是成孔過程中一項難題，為了解決這一問題，在每根樁成孔前對鉆頭鋼絲繩進行仔細檢查，檢查合格后方可開鉆，一旦發(fā)現(xiàn)鋼絲繩存在斷絲、繩芯損壞等問題一律予以報廢。每施工完成5根樁，無論鋼絲繩質(zhì)量如何，一律采取報廢處理，并將鋼絲繩剪斷，防止工人再次使用，降低鉆頭掉落風險。

4 關(guān)鍵控制措施

灌注樁在首根樁施工完成后，進行了認真的分析，對泥漿指標、鉆進速度、混凝土灌注等影響施工質(zhì)量和效率的因素進行了優(yōu)化，保質(zhì)保量的完成了施工任務(wù)。

4.1 泥漿指標

JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范對于大直徑、超長樁的泥漿性能指標不作硬性規(guī)定。因此，本項目剛開始方案中泥漿控制指標泥漿比重應(yīng)控制在1.05～1.2之間，粘度一般地層控制在16 Pa·s～22 Pa·s，松散易塌陷地層控制在19 s～28 s，含砂率新制泥漿不大于2%，膠體率不小于95%，pH值大于6.5。但是根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整了一清撈渣方式和二清指標。

4.1.1一次清孔控制措施

本工程首根樁終孔后泥漿靜置24 h，泥漿砂率較終孔幾乎沒有變化，分析原因為項目砂層較厚，為了控制塌孔風險，鉆進成孔過程中，孔內(nèi)泥漿相對密度、粘度、含砂率等指標相對偏大，泥漿較為粘稠。鉆孔過程中，大量的粉細砂溶于泥漿內(nèi)，由于粒徑太小，始終處于懸浮狀態(tài)，無法沉淀。因此，針對本項目的泥漿配置及砂子粒徑特點，在后續(xù)施工過程中直接采用撈渣斗將孔底的松散物直接打撈干凈，完成一清工作，大大縮減單樁成樁周期，減小孔壁長時間浸泡而導致的坍孔風險。

4.1.2二次清孔控制措施

首根樁二次清孔的泥漿經(jīng)過泥漿分離器分離后，泥漿的砂率高達15%，但是粘度降幅較大，為了降低泥漿砂率，將濾砂器的篩目由25目(0.6 mm)更換成40目(0.425 mm)，含砂率得到有效降低，二次清孔后泥漿指標為比重1.03～1.1，含砂率8%～4%，粘度18 Pa·s～30 Pa·s。

4.2 鉆進速度

本項目有33 m的巖層，旋挖樁司機為了保險起見，往往對該地層鉆進速度偏慢，經(jīng)過首根樁試驗和對司機的重新交底后，在巖層的進尺速度控制在1 m/h～3 m/h，其他各層的速度見表6。

表6 鉆孔樁鉆進速度

4.3 首封混凝土灌注

首封混凝土灌注是質(zhì)量控制的關(guān)鍵，設(shè)備根據(jù)3.8.3第(3)條要求配置，為了確保連續(xù)供應(yīng)，聯(lián)系了相鄰標段的拌合站，作為備用站。

5 結(jié)語

1)認真分析了疫情對工程影響，通過選擇合理施工工藝，優(yōu)化施工過程控制指標，在確保質(zhì)量的前提下提高施工工效，在汛期來臨前順利完成了既定的任務(wù)目標。

2)針對不同地層對司機進行交底，提高不同地質(zhì)條件下的鉆進速度，提高了鉆孔效率。

3)通過分析地層特性優(yōu)化成孔后一清控制措施和二清控制標準，提高了出渣效率，確保了成孔質(zhì)量。

4)通過分析現(xiàn)場實際條件，考慮不利影響，配置了符合要求的大小料斗、汽車泵、混凝土攪拌車、導管等。

5)為了減少樁基施工過程中停機維修時間和鉆頭掉落風險，制定了備件更換和硬性處理鋼絲繩措施，提高了樁基工作效率。