公路橋梁鉆孔灌注樁施工質(zhì)量控制研究

張躍平，楊 楠，張乃源

(1.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710075；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展，鉆孔灌注樁憑借對(duì)周圍土體擾動(dòng)小、承載力高等優(yōu)點(diǎn)已成為橋梁下部基礎(chǔ)工程中大量采用的結(jié)構(gòu)形式，被廣泛應(yīng)用于公路和水利建設(shè)領(lǐng)域[1-2]。近年來(lái)，鉆孔灌注樁的施工朝著大直徑、高孔深的方向發(fā)展，對(duì)工程質(zhì)量有著更高的要求[3-4]。然而樁基礎(chǔ)施工時(shí)具有一定隱蔽性，施工過(guò)程容易受到地形地質(zhì)條件、地下水位、施工人員經(jīng)驗(yàn)等多種因素的影響，呈現(xiàn)出較大的復(fù)雜性[5-8]。

專家學(xué)者們提出鉆孔灌注樁在施工時(shí)會(huì)出現(xiàn)卡鉆、孔壁塌陷、樁身傾斜、包砂夾泥等一系列質(zhì)量問(wèn)題，但目前對(duì)于施工工序過(guò)程中具體的控制措施研究仍然較少[9-12]。為預(yù)防這些問(wèn)題的發(fā)生，作者認(rèn)為需要在施工全過(guò)程中控制、完善并細(xì)化施工方案設(shè)計(jì)，確保樁基的施工質(zhì)量，這樣才能使工程建設(shè)取得更好的預(yù)期效果。

鉆孔灌注樁的施工質(zhì)量直接影響整個(gè)橋梁或公路的質(zhì)量與安全，深入開(kāi)展關(guān)于鉆孔灌注樁施工質(zhì)量控制的研究，對(duì)于保證公路橋梁施工質(zhì)量安全具有重要意義[13-14]。鑒于此，本文結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，對(duì)公路橋梁工程鉆孔灌注樁的施工過(guò)程進(jìn)行研究，分析主要施工工序流程，以期通過(guò)細(xì)化控制施工過(guò)程的主要工序，提高施工主體質(zhì)量。

1 工程概況

柞山高速是連接滬陜高速、福銀高速和包茂高速公路的重要交通線，是終南山隧道應(yīng)急保障的大通道，西起柞水縣，東至山陽(yáng)縣，全長(zhǎng)79.092km。依據(jù)雙向四車道的高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，設(shè)計(jì)的行車速度為80km/h，橋梁荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)，路基寬度為24.5m。柞山高速公路LJ-6施工段工程位于陜西省柞水縣，起點(diǎn)樁號(hào)為K25+600，終點(diǎn)樁號(hào)為K34+740，線路全長(zhǎng)共9.14km。涵蓋以下施工內(nèi)容：主線路基共5.436km、填方共102.4萬(wàn)m3、路基土石方挖方共36.6萬(wàn)m3、防護(hù)與排水共10.27萬(wàn)m3；主線橋梁共13座合計(jì)3676m，其中嚴(yán)坪村特大橋(全長(zhǎng)1440m)是本項(xiàng)目重要的節(jié)點(diǎn)性工程。

由于本工程項(xiàng)目樁基多處于河道，河道內(nèi)樁基施工是橋梁下部工程施工的關(guān)鍵，橋梁的上部結(jié)構(gòu)采用后張法預(yù)應(yīng)力小箱梁。橋梁主線橫跨金錢河，樁基直徑1.0～2.4m，共計(jì)160根樁，最長(zhǎng)樁和最短樁長(zhǎng)度分別為38、18m。橋梁樁基嵌入中風(fēng)化花崗巖，樁基礎(chǔ)施工時(shí)全部采用鉆孔灌注樁技術(shù)。本橋梁工程所在地理位置環(huán)境復(fù)雜，施工難度較大，從鉆孔到成孔和樁基灌注，受氣候、施工人員經(jīng)驗(yàn)、機(jī)械設(shè)備性能等多種因素影響。若缺少現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管控措施，則容易導(dǎo)致嚴(yán)重的質(zhì)量和安全隱患。因此，如何有效把握鉆孔灌注樁的施工操作要點(diǎn)，加強(qiáng)施工過(guò)程的質(zhì)量控制，成為本項(xiàng)目研究的重點(diǎn)。

2 鉆孔灌注樁施工工藝

針對(duì)本項(xiàng)目的施工難點(diǎn)，科學(xué)合理地應(yīng)用灌注樁的技術(shù)措施，能夠大幅提高橋梁工程的施工效率和質(zhì)量，對(duì)同類工程的施工有一定的參考價(jià)值。本項(xiàng)目采用CK2500型號(hào)沖擊鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔過(guò)程施工，鉆孔時(shí)采用十字型鉆頭，如圖1所示。

圖1 十字型沖擊鉆頭

鉆孔灌注樁的施工過(guò)程可以分為鉆孔過(guò)程、清孔過(guò)程、制作安裝鋼筋籠以及灌注混凝土等工序。具體施工流程如圖2所示。

圖2 鉆孔灌注樁施工流程

2.1 施工場(chǎng)地準(zhǔn)備

在工程開(kāi)工建設(shè)之前需要對(duì)控制性樁點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)交樁，結(jié)合圖紙規(guī)范和地形地質(zhì)及水文資料對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行詳細(xì)勘探。根據(jù)橋墩的設(shè)計(jì)坐標(biāo)和基線控制網(wǎng)絡(luò)，使用全站儀和GPS-RTK實(shí)現(xiàn)樁基位置的精確定位，并在每個(gè)樁位加設(shè)4根護(hù)樁。由于本項(xiàng)目樁基在河道內(nèi)施工，鉆孔場(chǎng)地位于淺水地區(qū)，因此采用筑島法施工。筑島地面高程應(yīng)比施工水位線高出0.75～1m，筑島面積應(yīng)由鉆孔設(shè)備平臺(tái)、泥漿池、沉淀池及施工便道的位置來(lái)確定。鉆機(jī)就位前，需要進(jìn)行場(chǎng)地清表并夯填密實(shí)，鉆機(jī)設(shè)備應(yīng)安裝牢固防止傾覆，鉆機(jī)不能放置在松軟地層上，以防止因?yàn)椴痪鶆虺料輰?dǎo)致孔位偏移。在施工場(chǎng)地應(yīng)布設(shè)泥漿循環(huán)環(huán)保系統(tǒng)，池面泥漿高度應(yīng)低于護(hù)筒頂部0.5～1m，泥漿系統(tǒng)容量由各個(gè)樁孔的孔深和排渣量確定。

2.2 護(hù)筒埋設(shè)

護(hù)筒埋設(shè)起到了保護(hù)孔壁和樁位固定的雙重作用，施工時(shí)要使得孔內(nèi)泥漿高于地下水位，形成一定的靜水壓力和泥皮厚度，以確保孔壁的穩(wěn)定。本項(xiàng)目使用GPS-RTK測(cè)設(shè)樁位坐標(biāo)、地面及護(hù)筒高程，從而確定理論鉆孔深度。為了保證護(hù)筒具有足夠的剛度，使用一定厚度的鋼板卷制而成，內(nèi)徑應(yīng)在樁基直徑上增加200mm；護(hù)筒中心與孔中心的水平偏差應(yīng)在50mm范圍內(nèi)，垂直線與樁中心的傾斜率應(yīng)小于1%。通過(guò)挖坑埋置的方法對(duì)護(hù)筒進(jìn)行實(shí)測(cè)定位，并在護(hù)筒底面及側(cè)壁用黏土夯實(shí)填密，通常護(hù)筒需要高出地面0.3m。若位于旱地或筑島處，護(hù)筒的埋置深度應(yīng)為2～4m，在高水位下施工應(yīng)加深護(hù)筒，以保證鉆孔過(guò)程的孔壁穩(wěn)定和灌注過(guò)程的順利開(kāi)展。在受河流沖刷影響的河道施工時(shí)，埋置護(hù)筒位置應(yīng)低于局部常水位沖刷線以下1.0～1.5m。此外對(duì)于護(hù)筒連接處應(yīng)保證其耐拉壓的性質(zhì)和不漏水特性。對(duì)于潮水區(qū)域施工的情況，護(hù)筒埋設(shè)應(yīng)在最高水位之上1.5～2.0m，同時(shí)采取措施以保證護(hù)筒內(nèi)水頭高度的穩(wěn)定。

2.3 鉆孔過(guò)程與泥漿護(hù)壁

本項(xiàng)目采用沖擊鉆機(jī)成孔的方式，為保證鉆孔質(zhì)量，應(yīng)控制鉆進(jìn)速度，以較小的沖程開(kāi)始沖孔，待鉆進(jìn)深度大于鉆頭高度后，再加大沖程沖孔，同時(shí)根據(jù)不同的地層地質(zhì)條件改變鉆進(jìn)時(shí)的鉆進(jìn)速度。鉆進(jìn)時(shí)根據(jù)鉆進(jìn)速度快慢填補(bǔ)孔內(nèi)漿液，維持泥漿面的高程不變，以免發(fā)生塌孔現(xiàn)象。當(dāng)鉆孔深度達(dá)到設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高位置，利用清孔鉆頭進(jìn)行第一次清孔處理，鉆孔泥漿由膨潤(rùn)土、水和添加劑按比例調(diào)配，應(yīng)滿足泥漿主控性能參數(shù)指標(biāo),見(jiàn)表1。泥漿護(hù)壁能夠?qū)@孔內(nèi)部的孔隙填充密實(shí)在表面形成泥皮厚度，以確?？妆诘姆€(wěn)定性。因此，在成孔鉆進(jìn)的過(guò)程中需要對(duì)泥漿溶液的含砂率和相對(duì)密度進(jìn)行控制，在鉆孔時(shí)應(yīng)隨時(shí)查看是否漏漿，同時(shí)填補(bǔ)泥漿液，以保證孔內(nèi)的水位。鉆孔附近設(shè)置臨邊防護(hù)措施，以防止人員掉入。鉆機(jī)施工初期，為了避免產(chǎn)生“吸鉆”現(xiàn)象導(dǎo)致孔壁縮頸，在泥漿容易滲漏的砂石地層中可提高泥漿比重和泥漿黏度，以維持孔壁的穩(wěn)定。

表1 泥漿性能參數(shù)指標(biāo)

2.4 清孔

當(dāng)鉆孔位置達(dá)到了設(shè)計(jì)樁底高程，應(yīng)檢測(cè)孔深、孔徑和傾斜率是否合格，在灌注前完成清孔工序，以清除泥漿中的沉渣，防止對(duì)混凝土的質(zhì)量造成影響。第一次清孔后應(yīng)對(duì)沉淀厚度和泥漿主控指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，清孔后灌注前的泥漿比重范圍為1.03～1.10，黏度應(yīng)為18～22s，含砂率應(yīng)小于2%，沉淀厚度應(yīng)小于15cm，待檢驗(yàn)合格后再安裝鋼筋籠。當(dāng)鋼筋籠安裝完成之后，將泥漿泵插入導(dǎo)管中進(jìn)行第二次清孔以循環(huán)孔內(nèi)泥漿。清孔過(guò)程應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充孔內(nèi)漿液，以保持孔內(nèi)水頭高度不變，防止造成塌孔現(xiàn)象。不得通過(guò)增加鉆孔深度的方式來(lái)代替清孔過(guò)程，同時(shí)應(yīng)使水流通過(guò)泥漿循環(huán)減速后再流入孔內(nèi)，以避免產(chǎn)生孔壁沖刷。

2.5 鋼筋籠制作與安裝

樁基礎(chǔ)鋼筋籠的制作采用數(shù)控化機(jī)械設(shè)備，由專用鋼筋加工車間加工成型，其形狀尺寸符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求如圖3所示，主筋的接頭錯(cuò)開(kāi)布置。由板車將鋼筋籠運(yùn)送至孔位現(xiàn)場(chǎng)，在運(yùn)輸和吊裝時(shí)為了防止鋼筋骨架產(chǎn)生變形，應(yīng)在加強(qiáng)箍筋的內(nèi)部焊接三角形加勁筋，以增加其橫向剛度。對(duì)于較長(zhǎng)的樁基，鋼筋籠應(yīng)分成2節(jié)進(jìn)行加工和制作，在施工現(xiàn)場(chǎng)采用雙面焊接的方式安裝連接，并保證焊縫長(zhǎng)度不小于主筋直徑的5倍。

圖3 樁基礎(chǔ)鋼筋籠配筋

為了確保鋼筋保護(hù)層的厚度符合要求，綁扎帶有中心圓孔的混凝土墊塊，采用梅花型布置，沿鋼筋籠的縱向每隔2m布設(shè)一道，每道布置4塊。在鋼筋籠的下放過(guò)程中，應(yīng)采取有效的定位措施，用原設(shè)計(jì)樁頂高程減去測(cè)定的孔口高程和超灌高度確定定位鋼筋的長(zhǎng)度，定位鋼筋與鋼筋籠骨架主筋的安裝使用雙面焊接的連接方式。安裝過(guò)程中為了減小鋼筋籠骨架中心與孔位中心的偏差以滿足混凝土保護(hù)層的規(guī)范要求，在灌注混凝土之前對(duì)鋼筋籠中心進(jìn)行對(duì)中，并將定位筋固定在護(hù)筒頂部，如圖4所示。

圖4 樁基礎(chǔ)鋼筋籠安裝

2.6 混凝土灌注與導(dǎo)管埋深

本項(xiàng)目采用導(dǎo)管法進(jìn)行樁基礎(chǔ)灌注，混凝土采用水下自密的振搗方式，具體灌注過(guò)程如圖5所示。安裝導(dǎo)管由多節(jié)直徑為200～350mm的鋼管拼接而成，采用螺紋連接，內(nèi)置橡膠墊密封防水。為了提高連接的密實(shí)性，在外部加錐形活套。在灌注前需要進(jìn)行導(dǎo)管接頭的抗拉試驗(yàn)和水密承壓試驗(yàn)，對(duì)各節(jié)導(dǎo)管進(jìn)行編號(hào)并標(biāo)示尺度。

圖5 導(dǎo)管法灌注過(guò)程

灌注要求導(dǎo)管底部距孔底30～40cm的距離，需要計(jì)算并控制首批封底混凝土方量以保證導(dǎo)管下口的埋深為1～3m。灌注時(shí)同步測(cè)量砼面高度位置和孔內(nèi)漿位的升降變化，及時(shí)提升導(dǎo)管并分段拆除，以保證導(dǎo)管的埋深滿足2～6m的施工要求，如圖5所示。灌注過(guò)程中需要逐步拆除導(dǎo)管，拆管的間隔應(yīng)控制在20min內(nèi)，對(duì)于已拆下的管節(jié)應(yīng)清理干凈后整齊放置。當(dāng)砼灌高度接近設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土的灌注速度，以保證樁頭的施工質(zhì)量，并在樁頂標(biāo)高以上再加灌60～100cm，同時(shí)在灌注結(jié)束后使用環(huán)刀法切除樁頭。當(dāng)?shù)刭|(zhì)環(huán)境較差、樁基直徑較大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加樁頭的灌注高度，并保證清除后的樁頭完整密實(shí)且無(wú)松散層。此外，施工技術(shù)人員必須做好灌注砼的配合比及坍落度的測(cè)試。拌和好的混凝土應(yīng)呈現(xiàn)出良好的流動(dòng)性與和易性，以滿足灌注要求，坍落度保證在180～220mm范圍內(nèi)，同時(shí)充分考慮氣溫條件、運(yùn)輸條件及施工必要時(shí)間所引起的塌落度損失。為有效增加混凝土的初凝時(shí)間，可加入少量的緩凝劑。

3 鉆孔灌注樁施工質(zhì)量隱患與控制措施

3.1 成孔質(zhì)量隱患與控制

鉆孔過(guò)程中由于地質(zhì)水文環(huán)境的復(fù)雜性以及施工過(guò)程中人為不可控因素導(dǎo)致的質(zhì)量隱患主要有鉆孔漏漿、塌孔縮頸和鉆孔偏斜等。主要原因有：①護(hù)筒埋設(shè)深度不夠，護(hù)筒周圍沒(méi)有封填夯實(shí)，導(dǎo)致漏水或鉆孔漏漿現(xiàn)象。②泥漿比重等主控性能指標(biāo)不符合規(guī)范要求，難以形成足夠的泥皮厚度導(dǎo)致泥漿護(hù)壁的作用沒(méi)有得到充分發(fā)揮；孔內(nèi)泥漿流速度過(guò)大或水頭高度不足，導(dǎo)致孔壁的靜水壓力過(guò)小引起塌孔現(xiàn)象。③鉆頭過(guò)度磨損未得到及時(shí)修復(fù)或更換，鉆頭提升過(guò)程不平穩(wěn)等，導(dǎo)致鉆孔偏斜。

鑒于此，主要控制措施如下：①為防止塌孔縮徑，對(duì)于河道內(nèi)樁基施工有必要增加護(hù)筒埋設(shè)深度，護(hù)筒周圍填筑黏土并夯實(shí)。在鉆孔過(guò)程中及時(shí)修復(fù)和更換鉆頭，避免因?yàn)殂@頭磨損引起孔徑縮頸現(xiàn)象。②為避免鉆孔漏漿，改進(jìn)泥漿配合比設(shè)計(jì)，按照鉆孔速度及時(shí)補(bǔ)充新的泥漿。③為避免出現(xiàn)鉆孔傾斜，施工場(chǎng)地要平整壓實(shí)并確保鉆進(jìn)時(shí)地層穩(wěn)固，保證鉆孔速度穩(wěn)定。鉆進(jìn)過(guò)程中反復(fù)掃孔，合理調(diào)整鉆頭轉(zhuǎn)向裝置，保證鉆頭提升過(guò)程平穩(wěn)。④當(dāng)孔壁坍陷時(shí)，則需要回填塊石至塌孔高度2m以上，碾壓并夯實(shí)后再進(jìn)行重新鉆進(jìn)。

3.2 灌注質(zhì)量隱患與控制

灌注過(guò)程中常見(jiàn)的質(zhì)量隱患有鋼筋籠上浮、斷樁、灌注高度不足等。為了保證灌注樁成樁質(zhì)量，主要措施如下。

(1)灌注混凝土前對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行2次清理，并測(cè)定是否滿足沉淀層厚度和泥漿性能指標(biāo)，再進(jìn)行后序灌注作業(yè)。

(2)首次灌砼的方量應(yīng)保證滿足導(dǎo)管具有1m以上的埋深，在灌注時(shí)保持2～6m的導(dǎo)管埋深，拆除導(dǎo)管須滿足導(dǎo)管下口埋深在2m以上。

(3)針對(duì)不同的地層超灌高度控制在0.5～1.0m，對(duì)于地質(zhì)環(huán)境較差的情況下，應(yīng)適當(dāng)增加超灌高度保證樁頭質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)本文依托柞山高速公路嚴(yán)坪村特大橋工程，系統(tǒng)的分析了橋梁鉆孔灌注樁施工工藝流程，在作業(yè)全過(guò)程細(xì)化各個(gè)工序的施工要點(diǎn)，可有效保證施工質(zhì)量，為同類工程的施工提供理論參考。

(2)在鉆孔時(shí)嚴(yán)格控制沉淀層厚度和泥漿性能指標(biāo)，灌注時(shí)保證合理的導(dǎo)管埋深，可有效預(yù)防鋼筋籠上浮、斷樁、灌注高度不足等質(zhì)量隱患，保證灌注樁的成樁質(zhì)量。

(3)灌注樁施工技術(shù)由于受地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜性和施工工藝隱蔽性的雙重影響，因此控制施工質(zhì)量在施工過(guò)程中顯得尤為重要，實(shí)踐證明，通過(guò)細(xì)化成孔和成樁質(zhì)量控制措施可以有效提高樁基礎(chǔ)的施工質(zhì)量。