河漫灘區(qū)砂卵層大直徑深樁基施工控制分析

王 浩 李建勇 王少兵 解鑫鵬 謝文韜

(中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司 武漢 430040)

樁基位于近水區(qū)砂卵石地層時，易發(fā)生塌孔、縮徑等現(xiàn)象，影響成孔質(zhì)量。因此施工中常采用加長鋼護(hù)筒、加大泥漿密度等方法保證施工安全和施工質(zhì)量，但施工過程控制較難。李偉權(quán)[1]分析了超長鉆孔灌注樁氣舉反循環(huán)清孔工藝。趙春風(fēng)等[2]通過靜載試驗(yàn)分析了鉆孔灌注樁樁基承載特性及荷載傳遞機(jī)制；任毅等[3]介紹了沖擊鉆與旋挖鉆配合成孔的施工工藝。某跨河大橋工程在主墩樁基施工時發(fā)生小范圍塌孔，其中1號樁基在鉆進(jìn)至11 m時發(fā)生塌孔，鋼護(hù)筒總長6 m。本文從樁基施工工藝、施工措施入手，分析塌孔原因，提出應(yīng)對措施，分析河漫灘區(qū)砂卵層大直徑深樁基施工控制要點(diǎn)。

1 工程概況

某跨河大橋主墩基礎(chǔ)采用群樁，縱向3排，每排橫向3根，共9根直徑2.0 m鉆孔樁基礎(chǔ)，樁間距5.2 m，設(shè)計樁長72 m，所有樁均為摩擦樁，4座主墩共計36根樁基礎(chǔ)，主要基礎(chǔ)地層見表1。樁頂位于主程5.3 m處，樁底位于5-2地層中。

表1 工程地質(zhì)分層表

2 施工工藝

橋梁深樁基成孔工藝主要有旋挖鉆施工、沖擊鉆施工2種。

旋挖鉆施工是使用旋挖鉆機(jī)在樁孔中心垂直向下破碎開挖，通過鉆頭帶出破碎巖土至地面，并循環(huán)作業(yè)的樁基開挖方式，特點(diǎn)是工期較短、噪聲較低、泥漿用量較小，對周邊環(huán)境污染小，聲噪范圍可控。沖擊鉆機(jī)施工進(jìn)度慢、成本高、噪聲較大、對環(huán)境污染較大，但對地層的適應(yīng)性較強(qiáng)，沖擊摩擦過程對孔壁四周起到擠壓和密實(shí)作用，能有效防止塌孔、縮徑，對成孔質(zhì)量有積極影響。2種工藝工期及經(jīng)濟(jì)效益對比見表2。

表2 2種施工工藝工期、經(jīng)濟(jì)性對比

由表2可見，旋挖鉆施工工期短、工程費(fèi)用高，相比沖擊鉆更具優(yōu)勢。盡管旋挖鉆施工在砂卵石層發(fā)生塌孔概率較大，但可通過調(diào)整泥漿密度、加長鋼護(hù)筒、控制鉆進(jìn)速度等方式保證安全性，相比于沖擊鉆施工更適合于本工程施工，下文將對旋挖鉆施工控制措施進(jìn)行分析研究。

3 施工措施

3.1 成孔施工措施

1號樁臨近河漫灘區(qū)，砂卵石層滲水率極高，鉆孔施工時河流水極易滲透到孔內(nèi)，增加土層流動性，是誘發(fā)塌孔的間接原因；根據(jù)該樁位旋挖鉆鉆進(jìn)記錄，樁孔內(nèi)泥漿相對密度為1.11，馬氏漏斗黏度23 s，鉆進(jìn)速度20 m/h，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)可知旋挖鉆孔時泥漿相對密度過小、黏度過低，鉆進(jìn)速度過快，是誘發(fā)塌孔的直接原因。根據(jù)以上分析結(jié)果和環(huán)境特點(diǎn)，工程中采取以下措施來保證成孔階段施工安全和施工質(zhì)量。

1) 加長鋼護(hù)筒。建議鋼護(hù)筒長度取值采用比較法，分別計算鋼護(hù)筒深入河床底2 m及深入砂卵石地層頂2 m所需長度，兩者比較取較大值。首先，地下水高流動性易造成護(hù)筒偏移，進(jìn)而造成樁基偏位，故應(yīng)將鋼護(hù)筒底部深入河床底，保證鋼護(hù)筒穩(wěn)定；其次，工程上部軟弱土承載力較低，應(yīng)保證鋼護(hù)筒底部深入卵石層，保證鋼護(hù)筒護(hù)壁效果。經(jīng)計算，本工程鋼護(hù)筒長度取值為9 m。其中有3.7 m為永久鋼護(hù)筒，后期不拔出。鋼護(hù)筒內(nèi)徑2.3 m、外徑2.332 m、壁厚16 mm。

2) 鋼護(hù)筒快速對中。實(shí)施方法：采用空間3點(diǎn)定圓計算方法，計算方法示意見圖1。

圖1 空間三點(diǎn)定圓法示意圖

根據(jù)現(xiàn)場所測鋼護(hù)筒頂面圓周任意3點(diǎn)坐標(biāo)，利用已編制好的通用計算軟件實(shí)時轉(zhuǎn)換為圓心坐標(biāo)，即準(zhǔn)確的護(hù)筒中心坐標(biāo)。根據(jù)所得數(shù)據(jù)與設(shè)計偏差調(diào)整鋼護(hù)筒定位，并在施工過程中實(shí)時監(jiān)控測量鋼護(hù)筒垂直度，從而達(dá)到提高樁基定位控制精度及垂直度的目的，且后續(xù)復(fù)核時無需在護(hù)筒上方操作，減少作業(yè)危險源。

3) 鋼護(hù)筒快拆及重復(fù)利用。基于研發(fā)的上部護(hù)筒裝置可達(dá)到快速拆除、重復(fù)使用、綠色環(huán)保等目的，為工程節(jié)省材料費(fèi)用及工期。該裝置施工工藝為：鉆孔前，采用跟進(jìn)法打設(shè)底層及頂層鋼護(hù)筒，其中底層鋼護(hù)筒頂面略高于浮漿頂面，插打過程中嚴(yán)禁向上拔起。各構(gòu)件位置見圖2。

圖2 鋼護(hù)筒快拆及重復(fù)利用裝置

樁身混凝土強(qiáng)度滿足要求后，上部可部分或全部回填，做好標(biāo)記、安全警示后拔除頂層帶卡槽鋼護(hù)筒，移至其他樁基重復(fù)利用。承臺施工前，沿切割面環(huán)切底層鋼護(hù)筒，依次取出切割線以上的鋼護(hù)筒、泡沫板及內(nèi)側(cè)鋼片，移至加工廠重復(fù)利用，最后環(huán)切破除樁頂浮漿。

本方法可避免樁頭部分鋼護(hù)筒豎向切割施工，施工效率高；重復(fù)利用樁頭及以上部分的全部鋼護(hù)筒，節(jié)約資源，降低施工成本。

4) 調(diào)整泥漿性能。泥漿材料根據(jù)施工現(xiàn)場地層粒徑選擇[4]，制作泥漿時，嚴(yán)格控制泥漿材料的粒徑、含砂率、密度及馬氏漏斗黏度。在松散易塌孔地層泥漿密度宜取1.2～1.3 g/cm3，馬氏漏斗黏度宜取28 s左右，可保證樁孔孔壁迅速形成泥皮，避免漏漿。通過添加劑調(diào)節(jié)泥漿性能指標(biāo)，摻入量宜經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)確定，本工程密度為1.1 g/cm3的泥漿可通過每30 m3摻入50 kg膨潤土調(diào)節(jié)至密度為1.25 g/cm3，碳酸鈉摻入量控制為孔內(nèi)泥漿土量的0.1%～0.4%。泥漿初次注入時應(yīng)垂直向樁孔中間注漿，避免泥漿沿護(hù)筒沖刷孔壁引起底部松散坍塌。

5) 控制鉆進(jìn)方式。在不同地層中鉆進(jìn)時，旋挖鉆選擇不同的鉆進(jìn)速度、加壓形式、控制方法[5]，鉆進(jìn)方法見表3。

表3 旋挖鉆鉆進(jìn)控制

鉆進(jìn)過程中通過控制室實(shí)時監(jiān)控樁孔垂直度，組裝鉆機(jī)時進(jìn)行校準(zhǔn)，每次提、下鉆時進(jìn)行監(jiān)測，及時糾偏，確保鉆頭垂直、鉆頭對準(zhǔn)孔位。

3.2 成樁施工措施

河漫灘區(qū)土質(zhì)松軟、地下水豐富，加之大直徑樁孔壁土壓力較大，孔內(nèi)空孔情況下易發(fā)生塌孔，特別是二次清孔后孔壁泥漿稀少，難以承受土的側(cè)壓力，極易發(fā)生砂卵石流動，進(jìn)而引起塌孔、縮徑?；诖?，在以下四階段采取措施控制空孔時間。

1) 清孔。提前進(jìn)行清孔準(zhǔn)備工作，嚴(yán)格控制等待時間，成孔結(jié)束后立即開始一次清孔，鋼筋籠下放到位后立即開始二次清孔；清孔時選用2臺BW-320大功率泥漿泵同時工作，控制一次清孔時間2 h以內(nèi)，二次清孔時間3～6 h，且保證沉渣厚度0.1 m以內(nèi)；清孔中實(shí)時監(jiān)測泥漿性能，保證泥漿相對密度1.15以上，黏度17～22 Pa·s，膠體率大于96%。

2) 鋼筋籠安裝。鋼筋籠宜采用效率較高的機(jī)械連接；提前對鋼筋籠進(jìn)行預(yù)接長，以加快鋼筋籠下放速度，下籠速度控制在9～12 m/h，避免泥漿擾動，引起砂卵石層局部坍塌，下籠時控制垂直度偏差小于0.5%，減少鋼筋籠摩擦孔壁所引起的局部坍塌風(fēng)險。

3) 導(dǎo)管安裝。導(dǎo)管水密性試驗(yàn)和接頭抗拉試驗(yàn)在二次清孔前完成，以縮短清孔后放置時間，控制清孔后放置時間小于2 h，以免孔內(nèi)泥漿壓力不足、地下水流動導(dǎo)致側(cè)壁塌孔。

4) 混凝土灌注。首灌完畢后立即更換小料斗進(jìn)行連續(xù)灌注，在灌注過程中采取導(dǎo)管提降配合操作，即先將導(dǎo)管向上提升1 m，再向下插入50 cm，防止下部混凝土與導(dǎo)管黏結(jié)在一起，灌注速度控制在25～30 m3/h；若遇到堵管情況，宜迅速拆除導(dǎo)管，檢查密封圈并及時更換，并保證導(dǎo)管安全埋置深度，處理時間控制在15 min以內(nèi)。

3.3 樁基承載力分析

由于鋼護(hù)筒長度較長，打入地下后難以拔出，而鋼護(hù)筒與地層間摩擦力小于混凝土與地層間摩擦力，故造成摩擦型樁基承載力損失。

根據(jù)《建筑施工計算手冊》(第4版)，大直徑(d≥800 mm)單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk可按式(1)計算。

Quk=Qsk+Qpk=

U∑ψsiLsiqsik+ψpqpkAp

(1)

式中：Qsk為樁體側(cè)阻力合力標(biāo)準(zhǔn)值;Qpk為樁體端阻力合力標(biāo)準(zhǔn)值；qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；qpk為樁徑800 mm下的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；ψsi、ψp為大直徑樁側(cè)阻、端阻尺寸效應(yīng)系數(shù)；U為樁身周長；Lsi為樁穿越第i層土的厚度；Ap為樁端面積。

鋼護(hù)筒與土體間摩阻力較小，故計算時將鋼護(hù)筒段摩阻力取為0，鋼護(hù)筒埋置深度為地表以下9 m，其中鋼護(hù)筒永久段為3.7 m(含深入承臺10 cm)。計算參數(shù)見表4。

表4 計算參數(shù)

根據(jù)式(3)及參數(shù)計算得到，不考慮護(hù)筒時Quk0=28 467 kN，考慮護(hù)筒時Quk1=26 177 kN，承載力損失值為2 290 kN，承載力損失率為8%。

設(shè)計樁基承載力20 280 kN，安全系數(shù)Quk1/V=26 177/20 280=1.29，滿足承載力要求，故認(rèn)為加長鋼護(hù)筒措施可行。

4 應(yīng)用效果

1) 除1號樁未采取上述措施發(fā)生塌孔外，后續(xù)35根樁基均未發(fā)生塌孔、縮徑。同時，在河道水質(zhì)較為清澈的前提下，通過肉眼觀察未發(fā)現(xiàn)河道內(nèi)有泥漿滲出，可知未發(fā)生漏漿。

2) 取36根已完成的樁基進(jìn)行成孔質(zhì)量檢測分析，采用超聲波成孔測試儀檢測。樁孔二清前沉淀厚度統(tǒng)計結(jié)果見圖3。

圖3 成孔質(zhì)量檢測結(jié)果(二清前沉淀厚度)

由圖3可見，樁孔二清前沉淀厚度基本維持在0.1 m以下，僅1根樁基沉淀厚度達(dá)到0.44 m，由此判斷該樁基二清前孔內(nèi)發(fā)生小范圍塌孔。另由檢測結(jié)果，成孔直徑合格率達(dá)100%，樁孔垂直度0.36%～0.48%，樁位偏差20～40 mm，所測36根樁孔均滿足施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范要求。

3) 使用鋼護(hù)筒快拆及重復(fù)利用裝置，單根樁基節(jié)省材料費(fèi)用2 914元，共計10.5萬元；單根樁基節(jié)省工期10 h，共計節(jié)省工期15 d。

綜上所述，采取以上方法可有效避免塌孔、縮徑、漏漿，保證鉆孔灌注樁施工安全和質(zhì)量，節(jié)省工程費(fèi)用，縮短工程建設(shè)周期。

5 結(jié)論

1) 針對河漫灘區(qū)砂卵層大直徑深樁基施工過程中易塌孔、縮徑及漏漿等不利條件，通過對施工工藝要點(diǎn)進(jìn)行控制，可采用旋挖鉆代替?zhèn)鹘y(tǒng)沖擊鉆施工，達(dá)到節(jié)約工期與施工成本、降低施工風(fēng)險的目的。

2) 在河漫灘區(qū)砂卵層采用旋挖鉆施工時，可采取以下措施：控制泥漿密度為1.2～1.3 g/cm3；鋼護(hù)筒宜深入河床底及卵石層2 m，且一定長度永久鋼護(hù)筒仍能滿足樁基承載力要求；通過鋼護(hù)筒三角點(diǎn)快速對中法提高控制精度、減少危險源；研發(fā)的上部護(hù)筒新裝置可達(dá)到快速拆除、重復(fù)使用、綠色環(huán)保等目的；不同地層中選擇不同的鉆進(jìn)方式。

3) 河漫灘區(qū)砂卵層大直徑樁基成孔后，可采取以下措施：應(yīng)控制一次清孔在2 h以內(nèi)，二次清孔3～6 h；鋼筋籠下籠速度可控制在9～12 m/h，鋼筋籠垂直度偏差應(yīng)小于0.5%，二次清孔完成應(yīng)立即灌注混凝土，減少因泥漿擾動和孔壁摩擦所引起的砂卵石層局部坍塌風(fēng)險。