四女寺樞紐北進(jìn)洪閘除險(xiǎn)加固中鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)與施工

田曉旭，魏玉濤

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 泰安 271001；2.漳衛(wèi)南運(yùn)河管理局防汛機(jī)動(dòng)搶險(xiǎn)隊(duì)，山東 德州 253009）

1 工程概況

漳衛(wèi)南運(yùn)河四女寺樞紐北進(jìn)洪閘共12孔，本次除險(xiǎn)加固建設(shè)內(nèi)容為中間8孔閘室拆除重建、邊4孔閘室保留，上部結(jié)構(gòu)拆除重建，兩岸控制樓拆除后以原功能、原標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)。因控制樓基礎(chǔ)為地下連續(xù)空箱結(jié)構(gòu)，安全鑒定時(shí)無法進(jìn)行檢測(cè)，故初步設(shè)計(jì)方案不拆除控制樓基礎(chǔ)[1]。根據(jù)工程建設(shè)程序，施工階段對(duì)控制樓基礎(chǔ)混凝土進(jìn)行了檢測(cè)，控制樓基礎(chǔ)空箱為素混凝土結(jié)構(gòu)，拱頂局部塌陷、墻身存在貫通裂縫；對(duì)空箱混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算表明現(xiàn)有空箱不滿足地震工況下安全系數(shù)要求；按照地震動(dòng)峰值加速度分區(qū)值0.10 g復(fù)核，邊4孔閘室穩(wěn)定性不滿足要求，需要對(duì)控制樓基礎(chǔ)重新設(shè)計(jì)并拆除重建。

2 控制樓方案選定

控制樓基礎(chǔ)主要作用為承擔(dān)控制樓傳遞下來的荷載和減小邊墩側(cè)向土壓力。重新設(shè)計(jì)的控制樓基礎(chǔ)首先要滿足邊4孔閘室穩(wěn)定的要求，其次是承擔(dān)控制樓傳遞下來的荷載?？刂茦堑母吆桶苯佑绊戇吙组l室穩(wěn)定和基礎(chǔ)下地基承載力，所以在進(jìn)行控制樓基礎(chǔ)方案選定之前首先要選定高控制樓方案或是矮控制樓方案。

高控制樓方案采用4層建筑，建筑高度為16.39 m，比中間啟閉機(jī)房高5.44 m；矮控制樓方案為3層建筑，建筑高度為14.19 m，比中間啟閉機(jī)房高3.24 m。2個(gè)方案的相同點(diǎn)是首層至2層布置完全相同；不同之處在于高控制樓方案比矮控制樓方案高1層，高控制樓方案中第3層只是為了增加控制樓高度設(shè)置的1個(gè)夾層。

依據(jù)控制樓上部建筑物荷載、土荷載和自重荷載，分別對(duì)2個(gè)控制樓基礎(chǔ)方案進(jìn)行了有限元分析，其中上部建筑物荷載根據(jù)地震工況計(jì)算軸向力最大、彎矩最大和剪力最大3種情況。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，高控制樓方案彎矩、剪力最大工況下地基豎直方向最大應(yīng)力均小于地基承載力120 kPa的1.2倍；在軸力最大工況下，由圖1可知，地基壓應(yīng)力大于120 kPa部分出現(xiàn)在上游部位，面積約占總面積的1/5，地基豎向應(yīng)力大于120 kPa部位深度超過3 m，最大壓應(yīng)力218.4 kPa，超出地基承載力近1.2倍，不滿足建筑地基規(guī)范的要求。矮控制樓方案軸力、彎矩、剪力最大工況下地基豎直方向最大應(yīng)力均小于地基承載力120 kPa的1.2倍。

圖1 軸力最大工況下豎直方向應(yīng)力分布

從基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)承載力、投資及周邊建筑協(xié)調(diào)性綜合分析比較發(fā)現(xiàn)，四女寺北進(jìn)洪閘兩岸控制樓方案選擇矮控制樓方案。

3 控制樓基礎(chǔ)方案選定

根據(jù)選定的控制樓方案，結(jié)合邊孔閘室穩(wěn)定和邊墩應(yīng)力分析計(jì)算要求，擬定控制樓空箱基礎(chǔ)為2種方案，即筏板基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)+筏板基礎(chǔ)。

3.1 筏板基礎(chǔ)

邊墩外側(cè)的控制樓基礎(chǔ)沿邊墩側(cè)壁布置整體空箱結(jié)構(gòu)，空箱底板高程為19.06 m，比原設(shè)計(jì)底板高程低2.80 m?？障涞装彘L(zhǎng)22.0 m，寬7.3 m，厚0.60 m。樁號(hào)閘0+000.00—0+003.25段空箱頂高程為26.36 m，墻頂采用現(xiàn)澆混凝土板，板厚0.40 m。樁號(hào)閘0+003.25—0+012.75為豎井結(jié)構(gòu)，上游側(cè)井內(nèi)尺寸為4.45 m×4.50 m，下游側(cè)井內(nèi)尺寸為3.25 m×4.50 m，井頂高程為27.75 m。樁號(hào)閘0+012.75—0+022.00段空箱頂高程為26.86 m，墻頂為現(xiàn)澆混凝土板，板厚0.40 m。

3.2 樁基礎(chǔ)+筏板基礎(chǔ)

樁基礎(chǔ)分為預(yù)制樁和灌注樁。若采用預(yù)制混凝土樁，需要采用靜力壓樁機(jī)施工，壓樁機(jī)設(shè)備尺寸約為6.0 m×9.0 m，但北進(jìn)洪閘北側(cè)施工場(chǎng)地狹小，施工組織困難。同時(shí)，四女寺北進(jìn)洪閘控制樓距離邊墩很近，且靜力壓樁機(jī)設(shè)備本身重量大，施工過程中預(yù)制樁對(duì)邊墩產(chǎn)生的震動(dòng)偏大。因此，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，經(jīng)綜合比較，樁基礎(chǔ)采用混凝土灌注樁。

為節(jié)省投資，邊墩外側(cè)的控制樓基礎(chǔ)從上游至下游分塊布置，上游側(cè)控制樓基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，下游側(cè)空箱采用筏板基礎(chǔ)。樁號(hào)閘0+000.00—0+003.25段為矮擋墻，邊墻厚0.60 m、高3.60 m，墻頂采用現(xiàn)澆混凝土板，板厚0.30 m。樁號(hào)閘0+003.25—0+013.15為豎井結(jié)構(gòu)，上游側(cè)井內(nèi)尺寸為4.45 m×4.50 m，下游側(cè)井內(nèi)尺寸為3.25 m×4.50 m，豎井基礎(chǔ)底板頂高程為22.46 m，井頂高程為27.75 m。樁號(hào)閘0+000.00—0+013.25基礎(chǔ)采用混凝土灌注樁，樁長(zhǎng)23.0 m，垂直水流向3排，上下游方向布置5排，共15根灌注樁。樁號(hào)閘0+013.15—0+022.00擋墻為空箱結(jié)構(gòu)，底板厚0.50 m，順?biāo)鏖L(zhǎng)8.85 m、寬7.0 m。

3.3 控制樓基礎(chǔ)方案對(duì)比分析

2個(gè)方案中筏板基礎(chǔ)投資大于樁基礎(chǔ)，采用樁基礎(chǔ)邊孔抗滑穩(wěn)定的安全余度大于筏板基礎(chǔ)。經(jīng)過分析論證，為了提高邊孔閘室的抗滑穩(wěn)定，兩岸控制樓基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)方案。兩岸控制樓基礎(chǔ)方案對(duì)比，詳見表1。

表1 兩岸控制樓基礎(chǔ)方案對(duì)比

4 灌注樁設(shè)計(jì)

兩岸控制樓基礎(chǔ)分成兩部分，上游側(cè)為控制樓基礎(chǔ)，下游側(cè)為減載空箱?？刂茦腔A(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，共設(shè)置15根灌注樁，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35抗硫酸鹽混凝土，上部荷載全部由樁承擔(dān)，只進(jìn)行樁基計(jì)算，不進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。

按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行了樁基計(jì)算，全部荷載由樁承擔(dān)，大直徑單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk[2]計(jì)算公式為：

式中：Quk為單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；Qsk為單樁總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；Qpk為單樁總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；u為樁身周長(zhǎng)（m）；?si為大直徑樁側(cè)阻尺寸效應(yīng)系數(shù)；?p為大直徑樁端阻尺寸效應(yīng)系數(shù)；qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；qpk為樁的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；lsi為樁穿越第i層土的厚度（m）；Ap為樁身橫截面面積（m2）。

單樁水平承載力允許值Rha計(jì)算公式為：

式中：Rha為單樁水平承載力允許值（kN）；EI為樁身抗彎剛度（kN·m2）；χoa為樁頂允許水平位移（mm）；νx為樁頂水平位移系數(shù)；α為樁的水平變形系數(shù)（1/m）。

取Q4alⅢ層粉砂土作為鉆孔灌注樁樁端持力層，單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值Quk=2 479.40 kN，單樁豎向承載力特征值Ra=1 239.70 kN，單樁水平承載力特征值Rha=127.30 kN。根據(jù)單樁計(jì)算成果，混凝土灌注樁長(zhǎng)23.20 m，樁徑0.8 m，樁底高程-1.39 m。樁身混凝土強(qiáng)度C35，單樁豎向抗壓承載力極限值為2 460 kN，設(shè)計(jì)單樁水平承載力極限值為175 kN（樁頂水平位移≤10 mm）。灌注樁共設(shè)置15根，垂直水流向3排，上下游方向布置5排，由上至下間距分別為2.50、2.80、2.80、3.25 m。正常工況單樁承載力最大值為1 330 kN，小于1 487.64 kN；地震工況單樁承載力最大值為1 404 kN，小于1 859.55 kN。左岸1#和6#、右岸6#和12#為試驗(yàn)樁。

5 鉆孔灌注樁施工

5.1 混凝土拆除

臨近邊墩側(cè)的預(yù)制混凝土拱圈、立墻和混凝土底板采用人工拆除，離邊墩1.0 m以外的混凝土拆除采用液壓振動(dòng)錘。拆除后的混凝土運(yùn)至德州市建筑垃圾處理中心。土方回填采用一般常規(guī)方法施工。

5.2 基坑支護(hù)

南側(cè)在邊墩外側(cè)有兄弟干渠箱涵，混凝土灌注樁施工前對(duì)其進(jìn)行拆除封堵。拆除過程中采用拉森鋼板樁支護(hù)，鋼板樁支護(hù)范圍沿兄弟干渠走向布設(shè)，上游側(cè)寬4.0 m，順?biāo)飨蜷L(zhǎng)14.0 m，下游側(cè)寬4.0 m。本工程選用拉森鋼板樁，單根長(zhǎng)度12 m，入土深7.50 m，外露4.50 m，有效寬度0.40 m。

5.3 灌注樁施工

灌注樁鉆孔采用循環(huán)回轉(zhuǎn)法施工，因樁間距小于4倍樁徑，以隔樁成孔，成孔設(shè)備最小作業(yè)面不小于1.5 m，施工自進(jìn)口遠(yuǎn)端自內(nèi)向外進(jìn)行。

（1）施工準(zhǔn)備。施工前組織參建各方進(jìn)行圖紙會(huì)審并形成會(huì)審記錄，根據(jù)樁型、鉆孔深度、土層情況、泥漿排放及處理等要素確定鉆孔機(jī)具及工藝，制定作業(yè)計(jì)劃和勞動(dòng)力組織計(jì)劃，落實(shí)機(jī)械設(shè)備、工具、材料供應(yīng)，根據(jù)施工圖紙對(duì)樁進(jìn)行編號(hào)、定位放線，明確施工順序。

（2）鋼筋籠制作、安裝。鋼筋籠的主筋采用機(jī)械連接，不設(shè)彎鉤，主筋與箍筋焊成鋼筋籠骨架，鋼筋籠分段制作采用機(jī)械式接頭。鋼筋籠安放時(shí)對(duì)準(zhǔn)孔位，入孔全過程保持垂直，防止產(chǎn)生彎曲變形，并設(shè)保護(hù)層墊塊，遇阻時(shí)不得強(qiáng)行下放，避免碰撞孔壁和自由下落，就位后立即固定。

（3）泥漿制備。選擇膨潤(rùn)土制備泥漿，清孔過程中不斷置換泥漿，直到灌注混凝土。灌注混凝土前，孔底500 mm以內(nèi)的泥漿相對(duì)密度小于1.25，含砂率不大于8%，黏度不大于28 s。

（4）鉆孔。樁長(zhǎng)23.2 m，同時(shí)滿足樁端進(jìn)入持力層（粉砂層）不小于1.6 m。本工程采用反循環(huán)工藝成孔、清孔，孔口護(hù)筒中心與樁中心的偏差不得大于50 mm，護(hù)筒內(nèi)徑大于鉆頭直徑100 mm，上部開設(shè)1個(gè)溢漿孔，護(hù)筒埋深不小于1.0 m，下端外側(cè)用黏土填實(shí)。鉆孔灌注樁施工前選擇2孔進(jìn)行試成孔，成孔質(zhì)量良好，地質(zhì)資料與工程地質(zhì)報(bào)告資料相符，鉆孔設(shè)備滿足要求，工藝流程合理。施工時(shí)應(yīng)認(rèn)真做好土層對(duì)比工作，確保樁端進(jìn)入持力層深度滿足設(shè)計(jì)要求，成孔后加設(shè)套管，防止樁孔塌方或施工過程中對(duì)邊墩產(chǎn)生不利影響。樁徑允許偏差為±50 mm、垂直度允許偏差為1%，邊樁樁位允許偏差不大于100 mm，中間樁樁位允許偏差不大于150 mm。

（5）混凝土灌注。灌注混凝土前應(yīng)進(jìn)行2次清孔，清孔后的平均沉淤厚度≤50 mm，在測(cè)得孔位、孔徑、垂直度、孔深、回淤厚度和泥漿密度符合規(guī)定后立即灌注混凝土并同步做好每一項(xiàng)工序的原始檢查記錄。開始灌注混凝土?xí)r，導(dǎo)管底部至孔底的距離為300～500 mm，隨著混凝土面上升，控制提拔導(dǎo)管速度，導(dǎo)管埋入混凝土的深度控制在2～6 m，嚴(yán)禁將導(dǎo)管提出混凝土灌注面。灌注混凝土必須連續(xù)施工，每根樁的灌注時(shí)間按初盤混凝土的初凝時(shí)間控制。澆筑混凝土高度在樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高以上大于樁身長(zhǎng)度的5%且不應(yīng)小于1 m，確保樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高處的混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。鉆孔灌注樁施工時(shí)的充盈系數(shù)不得小于1.0，也不得大于1.3。

5.4 注意事項(xiàng)

（1）鋼板樁施工采用振動(dòng)樁錘打設(shè)鋼板樁，距離邊墩1.0 m內(nèi)不要打鋼板樁。

（2）由于邊墩外側(cè)控制樓基礎(chǔ)是減少邊墩土壓力的措施，大型施工機(jī)械不要直接靠近邊墩，施工過程中要密切關(guān)注邊墩的變化。

（3）每根樁施工過程應(yīng)有完整記錄，安排專人測(cè)量導(dǎo)管埋深及管外混凝土灌注面的高差，填寫混凝土灌注記錄。

（4）灌注樁施工現(xiàn)場(chǎng)所有設(shè)備、設(shè)施、安全裝置、工具配件及個(gè)人勞保用品必須經(jīng)常檢查，確保完好和使用安全。

（5）檢查成孔質(zhì)量合格后盡快灌注混凝土。鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中發(fā)生斜孔、塌孔和護(hù)筒周圍冒漿、失穩(wěn)等現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)立即停鉆，待采取相應(yīng)措施后再進(jìn)行鉆進(jìn)。

6 質(zhì)量檢查

灌注樁混凝土齡期達(dá)到28 d后對(duì)試驗(yàn)樁進(jìn)行了高應(yīng)變檢測(cè)和單樁水平靜載試驗(yàn)，對(duì)全部灌注樁進(jìn)行了低應(yīng)變檢測(cè)[3]。

（1）單樁水平靜載試驗(yàn)。左岸1#和6#、右岸6#和12#試驗(yàn)樁的單樁水平承載力175 kN時(shí)，力作用點(diǎn)位移分別為9.89、8.25、8.65、9.12 mm，由此判定此次所測(cè)4根水平試驗(yàn)樁單樁水平承載力極限值均滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）低應(yīng)變檢測(cè)。通過低應(yīng)變檢測(cè)，判定該工程所檢測(cè)的30根樁中，Ⅰ類樁（樁身完整）29根，Ⅱ類樁（樁身有輕微缺陷、不會(huì)影響樁身結(jié)構(gòu)承載力的正常發(fā)揮）1根，表明樁身完整性滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）高應(yīng)變檢測(cè)。左岸1#和6#、右岸6#和12#試驗(yàn)樁的單樁豎向抗壓承載力極限值分別為2 499、2 570、2 508、2 561 kN，表明該工程所測(cè)承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)語

四女寺樞紐北進(jìn)洪閘兩岸控制樓基礎(chǔ)為地下連續(xù)空箱擋墻結(jié)構(gòu)，安全鑒定時(shí)無法進(jìn)行檢測(cè)；施工階段對(duì)其檢測(cè)并進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有控制樓基礎(chǔ)不滿足建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)規(guī)范要求，故對(duì)控制樓基礎(chǔ)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)并拆除重建。通過方案比選，選擇采用灌注樁基礎(chǔ)，兩岸控制樓基礎(chǔ)拆除重建保證了控制樓及邊4孔閘室穩(wěn)定和邊墩的結(jié)構(gòu)安全。