淺析水下混凝土澆筑工法原理及質(zhì)量控制

馬 林（晨越建設(shè)項(xiàng)目管理集團(tuán)股份有限公司， 四川 成都 610042）

水下混凝土澆筑工法，具有工藝成熟、操作簡單、場地適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在保證工程質(zhì)量與安全的同時能兼顧工期與時效，因而被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)階段各類工業(yè)與民用建筑工程的基礎(chǔ)施工中。尤其對于地下水豐富或無法實(shí)施干作業(yè)澆筑的水下混凝土基礎(chǔ)工程，無疑是一種最成熟且經(jīng)濟(jì)有效的施工方法。

從事工程施工技術(shù)與管理的各級工程技術(shù)人員大多不會對水下混凝土澆筑工法的使用存有疑慮，但部分業(yè)內(nèi)外人士在工程管理實(shí)踐中對水下混凝土澆筑工法的基本原理不甚了解，存在“只知其然而不知其所以然”的尷尬狀況。另外，在各級學(xué)校開設(shè)的土木工程類專業(yè)中，相關(guān)教科書在涉及“地基與基礎(chǔ)”章節(jié)時雖對水下混凝土澆筑工法作了介紹，也從施工的操作工藝和注意事項(xiàng)上闡明了工法的合理性，卻很少從深層次上加以剖析、釋疑。為此，筆者以工程中常用的樁基水下混凝土澆筑為例，試從泥漿或渾水與混凝土的相互作用關(guān)系闡述水下混凝土澆筑的工法原理，對水下混凝土澆筑的常見問題展開討論，并提出事前預(yù)控措施，供相關(guān)人士參考。

1 水下混凝土澆筑的工法原理

1.1 材料的密度差

從材料屬性上看，水下混凝土澆筑工法主要是巧妙運(yùn)用泥漿或渾水與混凝土各自材料的固有特性，使由質(zhì)量帶來的不利影響因素降到最小，從而在施工操作中規(guī)避泥漿或渾水對混凝土水下澆筑的影響。清水或渾水的密度在 1.0 t/m3～1.1 t/m3之間，泥漿的密度在 1.4 t/m3～1.8 t/m3之間，普通混凝土密度約為 2.5 t/m3。在通常情況下，樁基在機(jī)械成孔時會充分利用泥漿固有的黏稠性在樁孔內(nèi)壁形成泥膜，同時平衡孔內(nèi)外水壓力，以達(dá)到防止樁壁塌孔、實(shí)現(xiàn)護(hù)壁的目的?；炷猎谒鹿嘧r，通過鋼導(dǎo)筒引流，在重力作用下注入樁孔內(nèi)。由于其密度遠(yuǎn)大于泥漿或渾水，混凝土必將位于泥漿或渾水下方，并占據(jù)泥漿或渾水體積，在連續(xù)灌注下，泥漿或渾水最后被排擠出樁孔外，完成混凝土的澆筑。

1.2 混凝土的固有特性

混凝土屬于膠凝材料，水泥漿會在表層與內(nèi)層之間形成膠漿膜，客觀上能阻止泥漿或渾水浸滲穿越膠膜層（除非在澆筑時發(fā)生劇烈擾動），起到類似防水層的作用，從而杜絕兩者的滲透融合。一般工程所用的混凝土由水泥、水、砂子、碎（卵）石、外加劑、摻和料等組成，其基本結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理：粗骨料形成的空隙由細(xì)骨料填充，細(xì)骨料形成的間隙由水泥漿填充。因水下澆筑所用的混凝土，和易性好、流動性大（坍落度在 180 mm～220 mm 之間）, 隨著灌入量的增加，混凝土將在自身重力和施工中導(dǎo)管來回抽動的作用下，實(shí)現(xiàn)自塌密實(shí)（避免打振動棒）。

隨著混凝土澆筑量的增多，下層埋深逐漸增大，其自塌密實(shí)性對水的阻隔效果將越來越好；再由于水泥膠膜的阻水作用，混凝土頂面的游離水或泥漿對混凝土內(nèi)部的滲入影響極為有限。值得注意的是，在混凝土灌注時因機(jī)械操作而不可避免地發(fā)生擾動或振動，在澆筑過程中也可能因機(jī)械操作而使部分孔壁剝落，造成泥漿或渾水滲入樁內(nèi)頂面混凝土中。為保證樁身混凝土質(zhì)量完好，施工中均采用超灌混凝土的辦法，樁身的混凝土最終完成面將比設(shè)計(jì)樁長頂面多預(yù)澆筑 500 mm～1 000 mm，最后剩余段用人工或機(jī)械剔除，俗稱“破樁頭”。

2 水下混凝土澆筑工法簡介

2.1 水下混凝土澆筑工法的工藝流程和方法

（1）主要工藝流程。作業(yè)準(zhǔn)備（人、機(jī)、料調(diào)度）→導(dǎo)管水密性檢查安裝→二次清孔→鋼筋籠安裝固定→裝放混凝土至大料斗內(nèi)→首灌混凝土澆注→根據(jù)澆筑狀況控制導(dǎo)管的插拔→澆筑完成。

（2）主要澆筑方法。二次清孔結(jié)束后，應(yīng)立即進(jìn)行混凝土的澆筑，如圖 1 所示。首先計(jì)算好初灌混凝土量，并裝入大料斗中準(zhǔn)備就緒；然后上提拉繩拔出堵頭，使混凝土從大料斗中瞬時下泄，產(chǎn)生一定的沖擊能量，沖開導(dǎo)管底部的單向閥門，擠出導(dǎo)管下的沉渣，并保證導(dǎo)管下口埋入混凝土中深度不少于 1 m。整個澆筑過程須連續(xù)進(jìn)行，隨澆隨拔管；導(dǎo)管在混凝土中的埋深宜控制在 1.5 m～4 m，利用導(dǎo)管內(nèi)外混凝土的壓力差，使?jié)仓嬷饾u上升，直至高于設(shè)計(jì)標(biāo)高 0.5 m～1 m 后拔管，完成澆筑。

圖 1 水下混凝土澆筑示意圖

2.2 施工準(zhǔn)備重點(diǎn)檢查內(nèi)容

（1）檢查作業(yè)人員組織、備料和商品混凝土調(diào)度情況。

（2）“四孔”復(fù)查： 孔形、孔徑、孔深和孔位。

（3）“三度”檢查：泥漿相對密度、樁孔傾斜度和孔底沉渣厚度。

（4）“二高程”復(fù)查：孔口護(hù)筒高程和鋼筋籠安裝高程（平面位置）。

2.3 施工操作控制要點(diǎn)

2.3.1 鋼導(dǎo)管的配置

導(dǎo)管內(nèi)徑一般為 20 cm～35 cm，每節(jié) 2 m～3 m，應(yīng)配 1 m～1.5 m 的短管 1～2 節(jié)。導(dǎo)管下端至孔底距離宜為約 30 cm。首次灌注時導(dǎo)管埋入混凝土中的深度不應(yīng)小于1 m。必須連續(xù)灌注，并把握好提升速度。使用前需檢查導(dǎo)管是否漏氣、漏水或變形，接頭連接要牢固可靠，要定期進(jìn)行水密性試驗(yàn)。

2.3.2 水下混凝土的拌制與運(yùn)輸

導(dǎo)入管內(nèi)的混凝土坍落度宜為 18 cm～22 cm。樁徑小、樁身短的應(yīng)取低值；反之，則取高值。首批灌注的混凝土初凝時間，不得早于灌注樁全部灌注完成時間。灌注需要持續(xù)較長時間的，應(yīng)添加緩凝劑以延長初凝時間。應(yīng)盡量縮短運(yùn)輸時間和距離。灌注前混凝土的坍落度損失不應(yīng)超過 2 cm。

2.3.3 首批封底混凝土量的控制

計(jì)算和控制首批封底混凝土數(shù)量，確保下落時有一定的沖擊能量，能把泥漿或渾水從導(dǎo)管中向周邊排出，而保證導(dǎo)管下口埋入混凝土內(nèi)深度不小于 1 m 是關(guān)鍵。足夠的沖擊能量能盡量將孔底沉渣沖排開。此項(xiàng)工作是控制樁底沉渣厚度、減少后期樁基（建構(gòu)筑物）沉降過大的重要環(huán)節(jié)（沉渣厚度：端承樁 ≤100 mm，摩擦樁 ≤300 mm）。

2.3.4 混凝土的澆筑

樁基混凝土采用罐車運(yùn)輸配合導(dǎo)管灌注的方式。灌注開始后應(yīng)緊湊連續(xù)進(jìn)行，嚴(yán)禁中途停工待料。如間歇時間過長，易造成導(dǎo)管拔不出的情況，會發(fā)生質(zhì)量不可逆的斷樁或夾渣事故。

2.3.5 灌注過程的觀測

要重視觀察樁內(nèi)混凝土的上升、孔內(nèi)泥漿或渾水上升或排出的情況，及時測量孔內(nèi)混凝土面高度，正確指揮導(dǎo)管的提升和拆除。導(dǎo)管埋入混凝土內(nèi)深度應(yīng)控制在 2 m～ 6 m 之間，同時應(yīng)經(jīng)常探測孔內(nèi)混凝土面離澆筑面的高度。當(dāng)用測繩錘進(jìn)行探測時，為防止誤測和即時調(diào)整導(dǎo)管埋深，最好是 2 人用 2 個測錘探測。若探測不準(zhǔn)，則深淺難料。埋深過淺，會發(fā)生導(dǎo)管提漏；埋管過深，會造成拔管不出。探測的目的就是要嚴(yán)格控制好混凝土面高度、埋管深度和樁頂高度。

在任何情況下，導(dǎo)管埋入混凝土中不得小于 1 m 或大于 6 m。若小于 1 m，提拆導(dǎo)管時極易發(fā)生拔漏事故（即管口拔出混凝土面），繼而引起夾渣或斷樁質(zhì)量事故；若大于6 m，則埋管難以拔出。由于管檢停留影響混凝土的持續(xù)灌注，造成處理拔管停歇時間過長，也會引起斷樁質(zhì)量事故。

2.3.6 拔管的正確方法

在澆筑過程中，隨著混凝土灌入量的不斷增加，必須根據(jù)澆筑上升程度間斷性地拔出拆除鋼導(dǎo)管。特別是在提管的過程中，要注意掌握提管的長度，通常采用邊提邊上下抽插的操作方法，可使下部深層混凝土受到擾（振）動，利用其自身重力再進(jìn)一步塌落密實(shí)。

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，由于水下澆筑所用的混凝土，因坍落度大、和易性好，導(dǎo)管在拔除前，在混凝土中作小幅度來回提升穿插運(yùn)動，相當(dāng)于使用了“振動棒”對混凝土施加振搗作用，從而使混凝土的密實(shí)質(zhì)量更能得到保證。

2.3.7 提高作業(yè)人員素質(zhì)

水下混凝土灌筑是一項(xiàng)非常重要的工作，操作技工必須經(jīng)過專業(yè)技能培訓(xùn)，深刻明晰水下混凝土灌筑原理，熟練掌握水下混凝土灌筑技術(shù)，并且具有高度責(zé)任心；否則，極易發(fā)生不可逆的質(zhì)量事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

3 水下混凝土澆筑常見問題與事前預(yù)控措施

（1）首次灌注混凝土的數(shù)量應(yīng)滿足導(dǎo)管首次埋深和充填導(dǎo)管底部的要求。首批混凝土灌注后應(yīng)保持連續(xù)灌注。

（2）加強(qiáng)運(yùn)至灌注點(diǎn)混凝土的坍落度、和易性檢查。若不符合要求，不得使用，應(yīng)進(jìn)行二次攪拌供料。

（3）在灌注過程中，應(yīng)注意保持孔內(nèi)水頭。導(dǎo)管的埋置深度應(yīng)確保在 2 m～6 m 之間。當(dāng)管內(nèi)混凝土不滿時，應(yīng)迅速灌滿，以防導(dǎo)管內(nèi)形成高壓氣囊。

（4）在灌注過程中，應(yīng)經(jīng)常探測孔內(nèi)混凝土面的位置，及時調(diào)整導(dǎo)管埋深。導(dǎo)管拆除要迅速，一般不宜超過15 min。

（5）為防止鋼筋籠上浮，當(dāng)灌注混凝土頂面距鋼筋骨架底部 1 m 時，應(yīng)降低灌注速度。若混凝土上升到鋼筋骨架底口 4 m 以上，在提升導(dǎo)管時，其底口必須高于鋼筋骨架底部 2 m 以上，才可恢復(fù)灌注速度。

（6）灌注的樁頂高程應(yīng)比設(shè)計(jì)高程高出 0.5 m～1.0 m，以保證有效樁長混凝土質(zhì)量強(qiáng)度及樁身完整性。

（7）導(dǎo)管連接時，接頭必須清洗干凈、涂上黃油，并加上密封圈。對于破損的密封圈，要及時進(jìn)行調(diào)換；對于接頭的螺紋，要旋轉(zhuǎn)到位以防漏水。每次混凝土澆注拆管后應(yīng)及時清洗導(dǎo)管，以免水泥砂漿附著凝固后，在下次澆注時造成堵管。

（8）灌注過程中，若發(fā)生意外暫停，應(yīng)不時地上下緩慢提升導(dǎo)管，以免因?qū)Ч苈裰锰疃嵘粍踊虬l(fā)生混凝土初凝，從而出現(xiàn)堵管或拔不出導(dǎo)管情況。

（9）聲測管在灌注過程中，采用內(nèi)插套管的方法檢查是否有漏漿現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)不通苗頭，即刻疏通，混凝土灌注結(jié)束后再進(jìn)行檢查，合格后灌滿水，并用木塞封好。

（10）要高度重視對泥漿和污水的處理與排放，防止環(huán)境污染，引發(fā)不良事件。

（11）高度重視對成樁后孔口的安全防護(hù)，防止發(fā)生安全傷亡事故。

4 綜述評估

綜上所述，水下混凝土澆筑工法是一種高效的施工方法。在施工操作中，只要掌握基本原理，嚴(yán)格按照既有工藝規(guī)程操作，就能保證所有樁基達(dá)到 I 類樁（完好）的質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，即使出現(xiàn) II 類樁（樁經(jīng)微缺陷，不影響使用）的情況也是極個別的。特別是在基礎(chǔ)工程施工中，采用水下混凝土澆筑工法，能很好地規(guī)避因地下水位高、地質(zhì)復(fù)雜、施工環(huán)境惡劣，以及采用傳統(tǒng)人工挖孔樁施工而帶來的安全傷害風(fēng)險(xiǎn)，使得施工操作變得簡易可行，場地適應(yīng)能力大為增強(qiáng)，并且能達(dá)到節(jié)省工期的目標(biāo)。

作為建設(shè)管理單位，對諸如此類的重要隱蔽分部工程，要強(qiáng)化督促總承包單位，促使其領(lǐng)導(dǎo)及管理層高度重視，在施工前做好作業(yè)人員的鑒別與篩選，強(qiáng)化質(zhì)量技術(shù)交底培訓(xùn)和作業(yè)過程管控，施工中要發(fā)揚(yáng)工匠精神，克服“唯進(jìn)度效率論”的麻痹思想，實(shí)行精細(xì)化操作，從而有效避免水下混凝土澆筑中常見的質(zhì)量事故（如夾渣、斷樁、塌孔等），實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與社會效益的高度統(tǒng)一。