大直徑超長(zhǎng)灌注樁泥漿重復(fù)利用及分布式壓漿施工技術(shù)*

王 琦,賀江平,穆耀青

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司,湖北 武漢 430040;2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430040)

1 工程概況

黃河特大橋主橋?yàn)殡p塔雙索面組合梁斜拉橋(見圖1),橋跨布置為(110+135+520+135+100)m,采用半飄浮結(jié)構(gòu)體系,主梁為整幅雙邊鋼箱梁斷面,索塔采用鋼殼混凝土樽型塔,兩側(cè)各布置23對(duì)鋼絞線斜拉索,分離式承臺(tái),群樁基礎(chǔ);輔助墩、過(guò)渡墩均采用單樁基礎(chǔ)。索塔單個(gè)承臺(tái)下設(shè)置36根直徑2.7～2.2m鉆孔灌注樁,梅花形布置(見圖2),樁長(zhǎng)95m,采用臨時(shí)鋼管施工,樁基采用C35水下混凝土。

圖1 安羅高速黃河大橋Fig.1 Yellow River Bridge on Anluo Expressway

圖2 樁基布置Fig.2 Pile foundation layout

索塔基礎(chǔ)位于黃河濕地自然保護(hù)區(qū),環(huán)保要求高,地質(zhì)以粉砂、細(xì)砂為主,該河段河床寬淺,水流散亂,沖淤變化迅速,屬游蕩型河道。設(shè)計(jì)最高通航水位+88.140m,最低通航水位+79.780m(1985國(guó)家高程基準(zhǔn)),基本風(fēng)速26.9m/s。

2 樁基施工難點(diǎn)

安羅黃河特大橋地處河南鄭州黃河濕地自然保護(hù)區(qū),據(jù)調(diào)查,該區(qū)有陸生野生脊椎動(dòng)物216種,國(guó)家3級(jí)保護(hù)鳥類25種,樁基施工［1］產(chǎn)生的廢棄物會(huì)破壞周邊環(huán)境的土質(zhì)和地下水,對(duì)野生動(dòng)植物特別是對(duì)濕地鳥類的影響極大。為降低施工難度、風(fēng)險(xiǎn)以及工程造價(jià),設(shè)計(jì)單位提出采用樁端及樁側(cè)分布式后壓漿技術(shù),可將最大樁長(zhǎng)控制在100m以內(nèi),顯著提高樁基承載力,但施工難度大;傳統(tǒng)鋼護(hù)筒拔除采用履帶式起重機(jī)配合振動(dòng)錘,對(duì)棧橋承載力要求高,設(shè)備投入較大,施工經(jīng)濟(jì)性差。因此,在黃河濕地自然保護(hù)區(qū)樁基施工過(guò)程中,采取了泥漿自循環(huán)鉆進(jìn)、分布式壓漿以及鋼護(hù)筒氣頂法拔除等關(guān)鍵施工技術(shù)。

3 樁基施工關(guān)鍵技術(shù)

樁基施工總體采用泵吸反循環(huán)施工工藝,泵吸反循環(huán)原理是利用離心泵的抽吸力量,使鉆桿內(nèi)流體上升的一種鉆孔工藝。整體施工工藝如下：搭設(shè)水中棧橋和鉆孔平臺(tái),在造漿池內(nèi)制備泥漿,利用泥漿自循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)樁基泥漿零污染零排放,終孔后以第1次鉆機(jī)清孔,一清后使用超聲波檢測(cè)儀沿聲測(cè)管檢孔,分節(jié)下放鋼筋籠,采用空壓機(jī)氣舉二次清孔,澆筑混凝土至設(shè)計(jì)高程。待混凝土強(qiáng)度滿足要求后樁檢、采用樁基分布式后壓漿、壓漿完成后采用氣頂法拔除鋼護(hù)筒。

3.1 樁基泥漿自循環(huán)系統(tǒng)

傳統(tǒng)樁基施工中泥漿都會(huì)大量溢出,對(duì)自然條件影響很大,研發(fā)一套樁基泥漿零排放自循環(huán)系統(tǒng),最大限度保護(hù)自然環(huán)境。鉆機(jī)鉆進(jìn)利用離心泵形成負(fù)壓將帶鉆渣泥漿經(jīng)鉆桿排放至沉淀池內(nèi),沉淀后的優(yōu)質(zhì)泥漿以自流的方式沿串聯(lián)管繼續(xù)返回護(hù)筒內(nèi)循環(huán)使用,樁基臨時(shí)護(hù)筒全部采用800mm串聯(lián)管連通,混凝土澆筑過(guò)程中溢出的泥漿通過(guò)泥漿泵抽到儲(chǔ)漿池中臨時(shí)儲(chǔ)存,樁基全部施工完成以后其余泥漿通過(guò)壓濾機(jī)壓成泥餅外運(yùn)處理,過(guò)程中需時(shí)刻關(guān)注泥漿各項(xiàng)性能指標(biāo)及黃河水位情況,確保泥漿指標(biāo)符合規(guī)范要求并始終維持孔內(nèi)泥漿液面高于護(hù)筒外水位2m以上,最終實(shí)現(xiàn)泥漿零污染零排放的環(huán)保目標(biāo)。泥漿管路布置如圖3所示。

圖3 泥漿管路布置Fig.3 Mud pipeline layout

3.2 樁基分布式后壓漿

分布式壓漿有別于傳統(tǒng)的直管+環(huán)管組合壓漿,優(yōu)勢(shì)明顯：①分布式壓漿質(zhì)量?jī)?yōu)于傳統(tǒng)環(huán)管壓漿,可實(shí)現(xiàn)壓漿點(diǎn)位離散性分布,實(shí)現(xiàn)小間距多點(diǎn)位分布?jí)簼{,相較于傳統(tǒng)環(huán)管壓漿具有壓漿效果更可控、漿液分布更均勻等優(yōu)點(diǎn);②分布式壓漿可依據(jù)地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn),在同一壓漿管內(nèi)使用不同的壓漿加固材質(zhì)和不同的壓漿參數(shù)進(jìn)行壓漿加固;③分布式壓漿止?jié){塞可在壓漿管內(nèi)隨意移動(dòng),可依據(jù)需要在壓漿加固區(qū)域內(nèi)不斷壓漿加固;④分布式壓漿可利用基樁內(nèi)原聲測(cè)管,通過(guò)串聯(lián)壓漿器實(shí)現(xiàn)樁端樁側(cè)組合壓漿,減少鋼筋籠連接時(shí)接頭數(shù)量,能有效提高施工工效［2-5］。

壓漿管分為3個(gè)分布式壓漿管加1個(gè)樁端壓漿管(見圖4),鋼筋籠下放同步預(yù)埋綁扎壓漿管,成樁12～24h后清水開塞、樁檢,2～3d后進(jìn)行樁基后壓漿,壓漿漿液配制采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥,水灰比控制為0.5。分布式壓漿系統(tǒng)由預(yù)埋壓漿器、壓漿芯管、提升設(shè)備、智能壓漿設(shè)備組成,預(yù)埋壓漿器通過(guò)螺紋與聲測(cè)管串聯(lián),壓漿芯管由膨脹式止?jié){塞與出漿口組成,壓漿時(shí)通過(guò)提升設(shè)備將壓漿芯管沿聲測(cè)管長(zhǎng)度方向向下放入聲測(cè)管內(nèi)部,通過(guò)提升設(shè)備提升至預(yù)埋壓漿器位置,通過(guò)控制壓漿器上下止?jié){塞膨脹固定壓漿芯管于注漿位置,通過(guò)智能壓漿設(shè)備完成壓漿,樁端漿液2.5t,樁側(cè)共布置10層,每層1.25t。運(yùn)用智能化壓漿系統(tǒng)對(duì)壓漿過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制(見圖5),根據(jù)流量、壓力等傳感器數(shù)據(jù),及時(shí)調(diào)整漿液的配合比和壓漿泵的轉(zhuǎn)速,并把壓漿過(guò)程的數(shù)據(jù)和視頻上傳至云平臺(tái)供項(xiàng)目管理方查看。

圖4 分布式壓漿Fig.4 Distributed grouting

圖5 智能化壓漿系統(tǒng)Fig.5 Automatic grouting equipment

因大橋樁基孔深較長(zhǎng)、孔內(nèi)水壓較大、聲測(cè)管接頭數(shù)量較多,導(dǎo)致孔內(nèi)泥漿滲入聲測(cè)管造成堵塞,難以進(jìn)行樁檢,根據(jù)智能化壓漿設(shè)備創(chuàng)新研制出一種自動(dòng)化沖洗裝置。本沖洗裝置由卷線盤、電機(jī)、變頻控制器、高壓水管、高壓水泵和導(dǎo)向定滑輪組成(見圖6)。在聲測(cè)管頂端固定導(dǎo)向定滑輪,控制高壓水管通過(guò)滑輪沿聲測(cè)管下放;啟動(dòng)卷線盤電機(jī)控制高壓水管下放,并可通過(guò)變頻控制器調(diào)節(jié)下放速度;當(dāng)聲測(cè)管堵塞無(wú)法繼續(xù)下放時(shí),暫停下放,調(diào)節(jié)高壓水泵增大水壓進(jìn)行沖刷;待聲測(cè)管疏通后,繼續(xù)下放水管,直至聲測(cè)管疏通完成,沖洗完畢后改變電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向提收水管。

圖6 沖洗裝置構(gòu)造Fig.6 Structure of flushing device

3.3 氣頂法鋼護(hù)筒拔除

待壓漿完成后進(jìn)行鋼護(hù)筒拔除,對(duì)拔除方案進(jìn)行比選：方案1為150t履帶式起重機(jī)+DZ150型振動(dòng)錘拔除;方案2為利用空壓機(jī)頂升至剩余2m,80t履帶式起重機(jī)拔除。方案比選如表1所示,分析認(rèn)為：采用方案2,可降低施工成本、綠色環(huán)保且施工效率高。

表1 鋼護(hù)筒拔除方案對(duì)比Table 1 Comparison of steel casing removal schemes

利用蓋板焊接鋼護(hù)筒內(nèi)進(jìn)行封堵形成密閉空間,鋼板周圍與護(hù)筒之間整體焊接,預(yù)留通氣孔道;當(dāng)空壓機(jī)開始工作時(shí),氣流在密閉的護(hù)筒內(nèi)部形成正壓,鋼護(hù)筒在內(nèi)外壓差的作用下上升;通過(guò)調(diào)節(jié)空壓機(jī)的壓力大小控制護(hù)筒被氣頂?shù)乃俣?在護(hù)筒提升至埋深1m時(shí),空壓機(jī)減壓至護(hù)筒內(nèi)壓力與大氣壓相等,利用履帶式起重機(jī)將護(hù)筒拔出地層,轉(zhuǎn)運(yùn)護(hù)筒至材料放置區(qū),重復(fù)利用于副橋樁基［6-7］。

4 結(jié)語(yǔ)

安羅黃河高速大橋樁基施工采用泥漿自循環(huán)系統(tǒng),充分利用泥漿循環(huán)管路,促進(jìn)泥漿重復(fù)利用,實(shí)現(xiàn)泥漿零污染零排放,避免污染生態(tài)環(huán)境。優(yōu)化后壓漿方案采用分布式壓漿技術(shù),聲測(cè)管、壓漿管雙管合一,節(jié)約接口數(shù)量;調(diào)整樁端壓漿器間隔為6m,壓漿分布更均勻,顯著提高樁基承載力,降低基礎(chǔ)規(guī)模;并運(yùn)用智能化建造技術(shù)對(duì)壓漿過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制,壓漿量、壓漿壓力自動(dòng)采集并實(shí)時(shí)上傳,以保證工程質(zhì)量。采用空壓機(jī)+80t履帶式起重機(jī)拔除鋼護(hù)筒工藝,操作簡(jiǎn)單、環(huán)保且經(jīng)濟(jì)。最終完成主橋72根樁基施工,所有樁基均為I類樁,為同類型尤其是黃河濕地自然保護(hù)區(qū)樁基施工提供借鑒和參考。