水下混凝土灌注樁斷樁問題及處理技術(shù)

盧俊杰

（廣州市泰和混凝土有限公司，廣東 廣州 510450）

1 工程概況

該文以某高速鐵路橋梁建設(shè)項(xiàng)目作為研究對(duì)象，著重對(duì)橋梁灌注樁基礎(chǔ)施工技術(shù)進(jìn)行研究。其中，5-P2號(hào)樁在進(jìn)行水下混凝土澆筑的過程中，由于施工人員的操作不當(dāng)，導(dǎo)致拔管的長(zhǎng)度偏長(zhǎng)，進(jìn)而出現(xiàn)斷樁現(xiàn)象。5-P2號(hào)樁樁頂?shù)脑O(shè)計(jì)標(biāo)高為2.5m，灌注樁樁底的標(biāo)高設(shè)計(jì)為-67.9m，樁孔的孔徑設(shè)計(jì)為1m，混凝土的強(qiáng)度標(biāo)號(hào)設(shè)計(jì)為C35。在成孔以后使用超聲波對(duì)成孔質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示，1-Pl0號(hào)樁局部存在離析現(xiàn)象，檢測(cè)結(jié)果不合格。后經(jīng)過取芯檢測(cè)得出，6.0m~6.3m部分存在泥石夾層，該層的黏結(jié)力不是很理想，存在嚴(yán)重的離析現(xiàn)象。

2 水下混凝土灌注樁斷樁原因

2.1 灌注樁5-P2夾泥斷樁原因分析

根據(jù)GB51004—2015《建筑地基基礎(chǔ)工程施工規(guī)范》可知，在灌注混凝土?xí)r，導(dǎo)管必須要埋設(shè)在混凝土內(nèi)部，埋設(shè)的深度控制在2m~6m比較合適。當(dāng)灌注樁利用導(dǎo)管完成混凝土澆筑時(shí)，導(dǎo)管埋入混凝土內(nèi)部的深度過大或過小都不合適，如果導(dǎo)管埋設(shè)深厚過大，就可能會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)管堵塞現(xiàn)象，但是導(dǎo)管埋深厚如果過小，就可能會(huì)出現(xiàn)翻漿現(xiàn)象。在澆筑5-P2樁基礎(chǔ)部位的混凝土?xí)r，由于現(xiàn)場(chǎng)施工人員的操作不當(dāng)，未有效地控制導(dǎo)管埋設(shè)深度，加之導(dǎo)管提升的速度比較快，促使導(dǎo)管埋設(shè)的深度比較小，大量的混凝土沖翻孔已經(jīng)澆筑的混凝土，進(jìn)而出現(xiàn)斷樁現(xiàn)象。

該項(xiàng)目?jī)?nèi)的橋梁樁基礎(chǔ)混凝土澆筑施工的導(dǎo)管是使用法蘭盤進(jìn)行連接，在導(dǎo)管運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)以后，現(xiàn)場(chǎng)管理人員嚴(yán)格按照現(xiàn)行規(guī)范對(duì)導(dǎo)管進(jìn)行水密性、承壓、試拼以及抗拉試驗(yàn)，在試驗(yàn)合格的情況下，在項(xiàng)目?jī)?nèi)使用導(dǎo)管。在澆筑5-P2樁基礎(chǔ)部位的混凝土前，導(dǎo)管已經(jīng)完成了15根灌注樁混凝土施工，在多次使用管道的過程中，由于頻繁作業(yè)，法蘭盤可能出現(xiàn)變形現(xiàn)象，使導(dǎo)管的嚴(yán)密性受到影響，同時(shí)在對(duì)5-P2樁基礎(chǔ)進(jìn)行施工前，施工人員更換了少部分的導(dǎo)管且并未對(duì)更換部位的導(dǎo)管進(jìn)行試驗(yàn)，所以在實(shí)際澆筑混凝土?xí)r，可能導(dǎo)管接口部位出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象，泥漿進(jìn)入混凝土中，導(dǎo)致斷樁現(xiàn)象出現(xiàn)。

5-P2樁的樁徑比較大，這就意味著需要使用大量的水下混凝土，為確保5-P2樁基礎(chǔ)的質(zhì)量，水下混凝土灌注需要較長(zhǎng)的時(shí)間。結(jié)合項(xiàng)目施工的具體情況來(lái)看，5-P2樁基礎(chǔ)是在夜間10點(diǎn)時(shí)開始灌注水下混凝土，由于夜間施工缺少照明設(shè)備，加之施工人員連續(xù)作業(yè)，身心疲憊，使下水混凝土灌注的過程中，地表的泥塊混入混凝土中，從而出現(xiàn)斷樁現(xiàn)象出現(xiàn)。該文將斷樁原因的施工時(shí)間、控制難度以及發(fā)生概率的分值設(shè)置為1分、2分、3分。研究分析的結(jié)果可以參照表1中數(shù)據(jù)。

結(jié)合表1中信息來(lái)看，導(dǎo)致5-P2樁基礎(chǔ)出現(xiàn)斷樁的原因很可能是導(dǎo)管提升的速度過快，該原因發(fā)生的可能性為42.86%，其次是導(dǎo)管破損導(dǎo)致漏漿，該原因發(fā)生的可能性為33.33%，最后是導(dǎo)管內(nèi)混入泥塊，該原因發(fā)生的可能性為23.81%。由此可以得出，在灌注水下混凝土?xí)r，須先提前檢查導(dǎo)管是否存在破損或是連接頭不牢固的現(xiàn)象，在灌注的過程中，應(yīng)該嚴(yán)格控制導(dǎo)管提升的速度，最后避免泥塊進(jìn)入導(dǎo)管中。

表1 樁基礎(chǔ)5-P2斷樁原因可能性大小評(píng)分表

2.2 灌注樁1-P10砂漿夾層斷樁原因分析

1-Pl0樁基礎(chǔ)的樁徑設(shè)計(jì)為D1.2m，該樁基礎(chǔ)是小直徑樁，實(shí)際施工時(shí)，1-Pl0樁基礎(chǔ)的長(zhǎng)度為30.12m，由此可以計(jì)算出水下混凝土的用量大概為34m，水下混凝土灌注所需時(shí)間不會(huì)太長(zhǎng)。該樁基礎(chǔ)斷層中存在砂漿夾層且斷層的厚度比較大，最大厚度達(dá)到10cm，斷樁并未貫穿整根樁，屬于輕微型的斷樁事故。1）混凝土供應(yīng)不及時(shí)導(dǎo)致施工時(shí)間延長(zhǎng)。施工員在灌注水下混凝土之前，已經(jīng)對(duì)需要灌注的放量進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算后的混凝土方量報(bào)送給攪拌站?；炷翝仓仨氁淮纬尚?，這意味著需要多輛混凝土攪拌車完成運(yùn)輸。但是混凝土攪拌站內(nèi)的運(yùn)輸車輛有限，加之混凝土攪拌站距離施工現(xiàn)場(chǎng)比較遠(yuǎn)等很多原因，導(dǎo)致施工現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法施工水下混凝土連續(xù)灌注，因混凝土灌注間隔的時(shí)間過長(zhǎng)且已經(jīng)灌注部分的混凝土存在了離析現(xiàn)象，在這種情況下出現(xiàn)了斷樁事故。2）施工時(shí)正處于雨水時(shí)節(jié)，降雨量過大，雨水進(jìn)入混凝土中，使混凝土出現(xiàn)離析現(xiàn)象。結(jié)合實(shí)際情況來(lái)看，由于施工時(shí)剛好下起了大雨，為了保證混凝土灌注的連續(xù)性，施工班組并未暫停施工，導(dǎo)致雨水進(jìn)入混凝土內(nèi)部且并未采取任何遮雨措施，在這種情況下，混凝土內(nèi)的水含量增大，混凝土在導(dǎo)管中下落時(shí)出現(xiàn)離析現(xiàn)象，并出現(xiàn)砂漿斷層。

結(jié)合以上分析可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致1-Pl0樁基礎(chǔ)出現(xiàn)端樁事故的原因可能是混凝土供應(yīng)不及時(shí)，也可能是受自然降雨影響。

3 斷樁處理方法比選

3.1 樁基礎(chǔ)內(nèi)部置換法

這種方法是指使用機(jī)械設(shè)備或是人工鑿除的方式進(jìn)行施工，沿著灌注樁重心位置鑿除混凝土，但是需要預(yù)留樁基礎(chǔ)四周20cm~30cm厚的混凝土作為保護(hù)壁，確保樁基礎(chǔ)附近的泥土進(jìn)入灌注樁內(nèi)部。

3.2 扁擔(dān)樁法

這種施工方法是指在樁基礎(chǔ)兩側(cè)重新灌注2根樁，將新灌注的2根樁與承臺(tái)進(jìn)行連接，保證三者形成一個(gè)整體，均勻受力。這種施工方法的效果比較顯著。但是施工成本比較高且施工持續(xù)的時(shí)間比較長(zhǎng)。

3.3 高壓注漿法

這種處理方法是結(jié)合樁基礎(chǔ)的直徑以及斷層的具體部位，使用鉆機(jī)在斷層鉆孔，然后向孔內(nèi)注漿，鉆孔的深度至少深入斷層以下1m，向鉆孔內(nèi)埋設(shè)注漿管，將高壓水注入注漿管內(nèi)，將斷層部位的泥漿清理干凈，注入水泥砂漿。

3.4 豎井置換法

這種處理方法是指在樁基礎(chǔ)兩側(cè)設(shè)置鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒的中心點(diǎn)與樁基礎(chǔ)的中心點(diǎn)應(yīng)該在同一個(gè)垂線上，將扁擔(dān)梁架設(shè)在鋼護(hù)筒上，然后利用扁擔(dān)梁將斷層上側(cè)的混凝土，在斷層方向開挖豎向井，豎向井應(yīng)該深入至端側(cè)表面，人工將斷層處的泥漿清理干凈，再按照要求安裝模板，澆筑混凝土，當(dāng)混凝土的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求以后，才能夠拆除模板，并將前期設(shè)置的豎向井作回填處理，最后將扁擔(dān)梁拆除。

3.5 原位復(fù)樁法

這種處理方法是指利用沖擊設(shè)備將出現(xiàn)斷樁事故的樁基礎(chǔ)整根清除，然后沿著原樁的位置重新灌注混凝土。

與其他處理方法相比，原位復(fù)樁法處理最徹底且處理的效果最好，但是這種處理方法比較復(fù)雜，處理的成本相對(duì)較高，通常情況下，只有在以上四種方法都不適用時(shí)，才會(huì)選擇使用原位復(fù)樁法。

綜上所述，在建設(shè)橋梁工程時(shí)，為了確保工程主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，確保施工項(xiàng)目順利如期竣工，降低建設(shè)成本，經(jīng)過全面研究以后，施工單位決定使用高壓注漿法對(duì)5-P2、1-P10灌注樁進(jìn)行處理。

4 斷樁處理措施

4.1 高壓注漿法處理流程

高壓注漿法的施工流程：鉆孔作業(yè)→清理斷層部位的泥漿→拌制水泥砂漿→注漿→處理效果檢測(cè)。

4.2 鉆孔并確定斷層深度、范圍及厚度

高壓注漿法使用鉆機(jī)完成鉆孔作業(yè)，鉆進(jìn)由樁頂向下開鉆，鉆至斷層以下1m位置即可，當(dāng)鉆進(jìn)至指定部位以后，將斷層表面的雜物清理干凈。施工單位在使用高壓注漿法對(duì)斷樁進(jìn)行處理時(shí)，必須要保證斷層部位清理干凈。

結(jié)合前期取芯檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，夾泥最嚴(yán)重的取芯樣品時(shí)基準(zhǔn)孔，鉆孔的角度為60°，鉆孔沿著灌注樁按照梅花狀進(jìn)行布設(shè)，孔徑設(shè)計(jì)為80mm。鉆孔過程中應(yīng)該避開鋼筋籠的位置，確保鋼筋籠的質(zhì)量不會(huì)受到影響。

該建設(shè)項(xiàng)目中出現(xiàn)的2根斷樁的鉆孔中心距技術(shù)參數(shù)：①5-P2斷樁的鉆孔中心距確定為600mm；②1-P10斷樁的樁徑的鉆孔中心距確定為300mm。

鉆孔中心距的確定是參照以下標(biāo)準(zhǔn)：①借鑒其他類似工程項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)。②當(dāng)鉆孔的數(shù)量越多時(shí)，樁身的整體性就越強(qiáng)，相應(yīng)的其對(duì)灌注樁的質(zhì)量影響也就越大，所以應(yīng)減少鉆孔的數(shù)量。③確認(rèn)沖洗設(shè)備規(guī)格選擇，事先檢測(cè)沖洗設(shè)備清晰的有效半徑，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，沖洗設(shè)備選擇的原則以清洗有效半徑相互重疊作為依據(jù)。

此外，由于該斷樁的樁徑比較小，如果使用大孔距，就意味著鉆孔的數(shù)量減少，當(dāng)鉆孔數(shù)量減少時(shí)，那么施工人員就無(wú)法精準(zhǔn)地掌握斷層的具體范圍。

對(duì)鉆孔取出的芯樣進(jìn)行檢測(cè)，如果芯樣含有泥土或是砂漿，那么應(yīng)該繼續(xù)鉆孔；如果芯樣完好，那么可以終止鉆孔。

當(dāng)鉆孔作業(yè)完成以后，對(duì)所有的芯樣進(jìn)行全面分析，由此可以掌握斷層具體情況，從而全面掌握斷層的深度與覆蓋范圍，并在此基礎(chǔ)上將其作為后期處理斷樁的依據(jù)，以確保斷樁處理的效果，如圖1所示。

結(jié)合上文中所提到的布孔原則來(lái)看，5-P2總計(jì)需要設(shè)置11個(gè)鉆孔，鉆孔的具體情況可以參照?qǐng)D1中信息所示。結(jié)合鉆孔取出來(lái)的芯樣分析得出，5-P2斷樁的斷層是以斜向分布的，斷層并未貫穿整根樁，斷樁部位位于灌注樁的中間部位，斷層的厚度不是很大，主要是分布于深度9.94m~10.18m處。

圖1 斷樁5-P2鉆孔情況示意圖（單位：mm）

結(jié)合斷樁1-P10的芯樣檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，斷層是以斜向分布的，斷層并未貫穿整根樁，斷層有可能出現(xiàn)在灌注樁的邊緣部位，斷層的厚度比較小，大致分布在深度7.05m~7.58m處。

4.3 氣舉法清孔

通過高壓水泵向鉆孔中注入清水，將斷層內(nèi)的泥塊或砂漿等雜物沖碎，然后再注入壓縮空氣，在孔內(nèi)制造負(fù)壓，提高清孔效率，將沖碎的泥塊或砂漿等雜物完全清理干凈，使后續(xù)注入的水泥漿液與斷層上下樁身表面能完全結(jié)合，保證注漿的飽滿度，確保處理效果。該橋梁工程斷樁處理氣舉法清孔工序具體操作如下:1）鉆機(jī)的鉆頭部位裝置高壓噴頭，將鉆桿逐一連接以后，插入斷層的中間部位，鉆桿連接點(diǎn)應(yīng)該纏繞麻絮，以保證鉆桿連接密實(shí)，不會(huì)出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象。2）噴頭插入至基準(zhǔn)孔內(nèi)，結(jié)合鉆孔芯樣的結(jié)果確定斷層的深度以后，則可以暫停鉆孔。而后將空壓機(jī)管深入至孔底。3）將鉆桿頂部與高壓水泵進(jìn)行連接，連接點(diǎn)必須足夠牢固。4）開啟地質(zhì)鉆機(jī)，鉆機(jī)會(huì)帶動(dòng)鉆管運(yùn)行，鉆桿運(yùn)行的速度保持在8r/min~10r/min，然后啟動(dòng)水泵、空壓機(jī)，開始向鉆桿內(nèi)部注入清水與空氣，以保證鉆桿內(nèi)部的水壓控制在24MPa~30MPa，從而確保噴頭就可以實(shí)現(xiàn)高壓噴射流，高強(qiáng)度的壓力斷層內(nèi)的雜物清理干凈；同時(shí)，高壓空氣會(huì)將擊碎的碎塊沖出鉆孔外部。5）施工人員嚴(yán)格的控制鉆機(jī)，緩慢將鉆桿下放至孔內(nèi)，鉆桿移動(dòng)的速度控制在8cm/min~10cm/min，移動(dòng)的極限范圍控制在斷層上下0.5m以內(nèi)，在特殊情況下可以適當(dāng)擴(kuò)大鉆桿移動(dòng)的范圍。6）現(xiàn)場(chǎng)管理人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆孔部位的出水情況，并做好詳細(xì)的監(jiān)測(cè)記錄，將流水的鉆孔進(jìn)行標(biāo)記。7）當(dāng)所有的鉆孔流出水的達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)以后，繼續(xù)沖洗2h，以確保斷層部位的雜物沖洗干凈。8）在斷層清理干凈以后，鉆機(jī)設(shè)備移動(dòng)至下一個(gè)鉆孔進(jìn)行清孔作業(yè)。

4.4 高壓注漿

高壓注漿是將配置的水泥漿注入斷層及鉆孔中，使水泥漿充滿整個(gè)斷層及鉆孔，置換斷層內(nèi)的泥塊或砂漿等雜物，確保處理后的樁身承載力。1）將清孔作業(yè)過程中的連通的鉆孔排列在同一個(gè)處理組中，在連通口部位裝置φ80mm的三通管頭，三通管的管頭插入連通孔內(nèi)部40cm，管壁與孔壁之間產(chǎn)生縫隙使用麻絮進(jìn)行封堵。3）將鉆桿作為注漿管，鉆桿插入注漿孔以內(nèi)，灌注的過程中不斷加設(shè)延長(zhǎng)部位的管節(jié)。4）將鉆桿頂部的接頭與注漿泵連接。為提高注漿作業(yè)的效率，施工單位選擇使用BW250/10型高壓注漿泵，儲(chǔ)漿罐中裝置攪拌器，避免泥漿出現(xiàn)固結(jié)。5）注漿。啟動(dòng)注漿泵，將1.6的水泥漿注入灌注孔內(nèi)，將斷層內(nèi)的積水排除，確保水泥漿滲透至斷層中的細(xì)小縫隙中。為保證水泥漿注入孔內(nèi)以后充分?jǐn)U散，施工人員應(yīng)該協(xié)調(diào)操作，持續(xù)壓一段時(shí)間，然后適當(dāng)暫停作業(yè)，避免水泥漿擴(kuò)散不充分。當(dāng)注漿孔開始向外溢出水泥漿時(shí)且水泥漿比重檢測(cè)達(dá)到1.6時(shí)，則可以換用2.0水泥漿。當(dāng)向外溢出水泥漿比重檢測(cè)達(dá)到2.0時(shí)，則可以停止灌注水泥漿。6）使用螺旋蓋帽將三通管頭部的管口作密封處理，并關(guān)閉所有的出漿口部位的控制閥。7）悶漿。將注漿孔部位的三通管口與注漿泵進(jìn)行連接，打開控制閥門，啟動(dòng)注漿泵，并向泵水注入2.0比重的水泥漿，增加注漿泵的注漿壓力，當(dāng)壓力提升至1.2MPa時(shí)，則可以暫停注漿，當(dāng)注漿壓力降低以后，在此將注漿壓力提升至1.2MPa，多次反復(fù)操作至無(wú)法壓漿，當(dāng)穩(wěn)定5min以后，壓力保持在0.8MPa時(shí)，則可以停止注漿，并將注漿孔的控制閥門關(guān)閉。8）注漿完成后，移動(dòng)注漿設(shè)備，開始對(duì)下一個(gè)鉆孔進(jìn)行注漿作業(yè)。對(duì)兩個(gè)或是多個(gè)孔相連接的鉆孔都可以使用以上操作進(jìn)行處理。對(duì)單一性鉆孔來(lái)說(shuō)，注漿孔與出漿孔使用一個(gè)，具體的處理方法如上文所述。

4.5 復(fù)檢，驗(yàn)證處理效果

當(dāng)注漿處理完成以后，為了檢測(cè)斷樁處理的效果，應(yīng)該在斷層范圍以內(nèi)進(jìn)行取芯，觀察取出來(lái)的芯樣的具體情況。結(jié)合水泥漿與原樁混凝土之間的黏接狀況，并對(duì)斷層部位處理以后的注漿體進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，以判斷該部位是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，斷樁現(xiàn)象是灌注樁施工過程中最常見的質(zhì)量問題之一，同時(shí)斷樁現(xiàn)象也是一種比較嚴(yán)重的施工質(zhì)量缺陷，斷樁處理的成效對(duì)整個(gè)項(xiàng)目有重大的影響。在處理大直徑灌注樁的斷樁事故時(shí)，應(yīng)該結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況確定施工方案，基于此，編制科學(xué)合理的施工方案，以此來(lái)保證斷樁事故處理的效果。