鋼護(hù)筒護(hù)壁在旋挖鉆孔鋼筋混凝土灌注樁中的應(yīng)用

引言

我國(guó)大力發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，旋挖鉆機(jī)憑借高效、環(huán)保、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。然而，復(fù)雜地層條件下旋挖成孔易發(fā)生孔壁坍塌，影響成樁質(zhì)量。鋼護(hù)筒護(hù)壁技術(shù)可有效保證孔壁穩(wěn)定性，但其設(shè)計(jì)及施工要點(diǎn)尚需進(jìn)一步研究。

一、鋼護(hù)筒護(hù)壁旋挖鉆孔鋼筋混凝土灌注樁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與適用條件

（一）結(jié)構(gòu)形式與受力特點(diǎn)

鋼護(hù)筒護(hù)壁旋挖鉆孔鋼筋混凝土灌注樁由外層鋼護(hù)筒、內(nèi)層鋼筋混凝土護(hù)壁及中心樁身混凝土三部分組成。鋼護(hù)筒起臨時(shí)支護(hù)作用，護(hù)壁與樁身混凝土共同承擔(dān)永久荷載。該結(jié)構(gòu)在垂直荷載作用下，樁身混凝土通過(guò)側(cè)摩阻力與護(hù)壁混凝土相互作用，二者共同承擔(dān)壓縮應(yīng)力；在水平荷載作用下，護(hù)壁環(huán)向受拉，縱向受剪，樁身混凝土亦參與受力。獨(dú)特的內(nèi)外雙層筒壁結(jié)構(gòu)提高了樁體剛度，有效抵抗外荷載，顯著提升樁基的承載能力及穩(wěn)定性。

(二)與旋挖鉆孔灌注樁配合方式

鋼護(hù)筒護(hù)壁旋挖鉆孔灌注樁施工采用雙重保護(hù)措施，首先利用旋挖鉆機(jī)成孔，然后在孔內(nèi)安放預(yù)制鋼護(hù)筒，再在護(hù)筒內(nèi)下放鋼筋籠并澆筑護(hù)壁混凝土，拆除鋼護(hù)筒后澆筑樁身混凝土。施工過(guò)程中，旋挖鉆機(jī)開挖土體，鋼護(hù)筒支撐孔壁防止坍塌，護(hù)壁混凝土封閉地下水滲流通道；同時(shí)還作為永久結(jié)構(gòu)與樁身混凝土共同工作，顯著區(qū)別于一般旋挖樁的單一施工保護(hù)。該工藝集成了旋挖鉆機(jī)的高效性與鋼護(hù)筒的可靠性，實(shí)現(xiàn)了樁基施工的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

（三）優(yōu)缺點(diǎn)分析與適用場(chǎng)景

鋼護(hù)筒護(hù)壁旋挖樁具有施工效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、樁身質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。護(hù)壁厚度小、混凝土標(biāo)號(hào)低，鋼護(hù)筒可周轉(zhuǎn)使用，材料成本較為經(jīng)濟(jì)。但鋼護(hù)筒加工及吊裝費(fèi)用較高，施工工序相對(duì)復(fù)雜，對(duì)機(jī)械設(shè)備及操作人員素質(zhì)要求高。該類樁型適用于以下場(chǎng)景：一是地層復(fù)雜、孔壁不穩(wěn)定地區(qū)。二是對(duì)樁身質(zhì)量要求高的大型橋梁、高層建筑等重要工程。三是樁徑較大（如 1.5m 以上）樁長(zhǎng)較深( 40m 以上)的工程。四是施工場(chǎng)地狹窄、環(huán)保要求高的城市建設(shè)工程

二、鋼護(hù)筒護(hù)壁旋挖鉆孔鋼筋混凝土灌注樁設(shè)計(jì)計(jì)算

（一）設(shè)計(jì)計(jì)算原理與假定

鋼護(hù)筒護(hù)壁旋挖灌注樁設(shè)計(jì)遵循極限狀態(tài)法的基本原理，綜合考慮永久荷載、可變荷載及偶然荷載等因素，采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)試算確定樁基承載力特征值，并引入綜合安全系數(shù)，保證樁基的承載能力滿足要求。計(jì)算中忽略樁身混凝土硬化過(guò)程對(duì)護(hù)壁的影響，假定護(hù)壁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值后樁身混凝土才開始工作；忽略鋼護(hù)筒對(duì)樁基承載力的貢獻(xiàn)，將其僅視為施工過(guò)程中的臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)；假定樁土之間的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合彈性地基梁理論。通過(guò)一系列科學(xué)合理的簡(jiǎn)化，為鋼護(hù)筒護(hù)壁旋挖灌注樁的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了理論基礎(chǔ)。

(二)荷載作用分析與組合

鋼護(hù)筒護(hù)壁旋挖灌注樁主要承受兩類荷載：一是樁頂傳遞的永久荷載(上部結(jié)構(gòu)自重)和可變荷載（使用荷載、風(fēng)荷載、地震荷載等），二是樁身所受的水平土壓力。在進(jìn)行荷載組合時(shí)，充分考慮荷載在空間和時(shí)間上的可能分布情況，將永久荷載和可變荷載按不同的組合系數(shù)疊加。當(dāng)以承載能力極限狀態(tài)為設(shè)計(jì)控制條件時(shí)，采用基本組合；當(dāng)以正常使用極限狀態(tài)為設(shè)計(jì)控制條件時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)組合。在確定樁身所受水平土壓力時(shí)，根據(jù)土層分布特點(diǎn)選取適宜的王壓力計(jì)算模型，如朗肯土壓力、庫(kù)倫土壓力等。

(三)鋼筋混凝土護(hù)壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼筋混凝土護(hù)壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需綜合考慮樁徑、樁長(zhǎng)、施工工藝及外荷載等因素。護(hù)壁厚度通常取樁徑的 1/20～1/15 ，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不低于C30，應(yīng)滿足耐久性和承載力要求。護(hù)壁鋼筋包括縱向鋼筋和箍筋?？v向鋼筋根據(jù)護(hù)壁受力特點(diǎn)沿內(nèi)外表面對(duì)稱布置，內(nèi)表面鋼筋用量可根據(jù)樁身混凝土強(qiáng)度適當(dāng)調(diào)整。箍筋形式可選用螺旋或環(huán)形箍筋，間距和直徑根據(jù)護(hù)壁厚度和樁徑確定，主要考慮施工過(guò)程中的體積穩(wěn)定性和內(nèi)外表面溫差效應(yīng)。護(hù)壁配筋率一般控制在0.6%～1.0% 之間。合理的鋼筋混凝土護(hù)壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是確保鋼護(hù)筒護(hù)壁旋挖灌注樁安全可靠的重要環(huán)節(jié)。

（四)鋼護(hù)筒壁厚設(shè)計(jì)

鋼護(hù)筒作為臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，其壁厚設(shè)計(jì)主要考慮施工過(guò)程中的荷載效應(yīng)。一方面，鋼護(hù)筒需承受旋挖鉆機(jī)開挖時(shí)的扭矩作用；另一方面，鋼護(hù)筒需抵抗泥漿護(hù)壁產(chǎn)生的泥槳壓力。此外，復(fù)雜地層條件下的水土側(cè)壓力、吊裝及安放過(guò)程中的沖擊力等也是鋼護(hù)筒壁厚設(shè)計(jì)需要考慮的因素。根據(jù)上述荷載效應(yīng)，利用受彎構(gòu)件的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法對(duì)鋼護(hù)筒壁厚進(jìn)行校核。同時(shí)，充分利用有限元分析等數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)鋼護(hù)筒的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行精細(xì)化分析，進(jìn)一步優(yōu)化壁厚設(shè)計(jì)。在滿足施工安全的前提下，應(yīng)盡可能減小鋼護(hù)筒壁厚，降低工程造價(jià)。

三、鋼護(hù)筒護(hù)壁旋挖鉆孔鋼筋混凝土灌注樁施工工藝

(一)施工準(zhǔn)備

鋼護(hù)筒護(hù)壁旋挖鉆孔灌注樁施工準(zhǔn)備是確保工程質(zhì)量與安全的首要環(huán)節(jié)。施工前，應(yīng)全面收集工程地質(zhì)勘察資料，詳細(xì)了解場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)、土體物理力學(xué)性質(zhì)及地下水文條件等，為鉆孔設(shè)備選型、鉆進(jìn)參數(shù)確定、泥漿配比設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。合理規(guī)劃施工場(chǎng)地，科學(xué)設(shè)置鉆機(jī)就位點(diǎn)、鋼護(hù)筒堆放區(qū)、鋼筋籠加工區(qū)、泥漿凈化系統(tǒng)等，最大限度減小施工干擾。同時(shí)，綜合考慮工程規(guī)模、工期要求，優(yōu)選高效可靠的旋挖鉆機(jī)，配備與之匹配的施工機(jī)具設(shè)備。加強(qiáng)技術(shù)交底與安全教育，組織施工人員認(rèn)真學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)文件、施工方案，熟悉操作規(guī)程，樹立質(zhì)量安全意識(shí)。

(二)成孔、清孔

鋼護(hù)筒護(hù)壁旋挖鉆孔灌注樁成孔過(guò)程既要確?？妆诜€(wěn)定，又要滿足垂直度等質(zhì)量要求。旋挖鉆機(jī)就位后，采用自平衡法控制垂直度，同時(shí)兼顧鉆進(jìn)速度與鉆孔沉渣排出狀況，及時(shí)調(diào)整鉆頭回轉(zhuǎn)速度與鉆進(jìn)給進(jìn)量。成孔過(guò)程中密切關(guān)注鉆孔液比重、黏度、失水量等性質(zhì)變化，適時(shí)改變泥漿配比，確保護(hù)壁安全。采用聲波檢測(cè)儀等先進(jìn)設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)孔深、孔斜，發(fā)現(xiàn)偏差及時(shí)采取校正措施。成孔完成后及時(shí)開展清孔工作，采用反循環(huán)工藝將孔底沉渣全面清除，并使用專用鼓扇反復(fù)吹孔換漿，直至孔內(nèi)泥漿渾濁度低于 30cm ，為后續(xù)鋼護(hù)筒下放及灌注施工創(chuàng)造條件。

(三)鋼筋籠制作與吊裝

鋼筋籠的高品質(zhì)制作與精準(zhǔn)吊裝是確保鋼護(hù)筒護(hù)壁旋挖樁性能的關(guān)鍵。鋼筋籠加工前，對(duì)鋼筋原材進(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)量檢驗(yàn)，確保其力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求。采用計(jì)算機(jī)輔助下料、數(shù)控彎曲等自動(dòng)化加工工藝，提高鋼筋籠加工精度。同時(shí)創(chuàng)新裝配方式，采用雙層通長(zhǎng)螺旋式連接，大幅提升鋼筋籠的整體性與穩(wěn)固性。吊裝前，對(duì)成型鋼筋籠進(jìn)行嚴(yán)格尺寸檢查，確保其斷面幾何尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。采用卷?yè)P(yáng)齒條精確控制下放速度，緩慢勻速將鋼筋籠垂直就位。下放過(guò)程中嚴(yán)密監(jiān)測(cè)鋼筋籠的垂直度與同心度，發(fā)現(xiàn)偏差及時(shí)采取校正措施。吊裝完畢后，及時(shí)對(duì)鋼筋籠進(jìn)行臨時(shí)固定，并檢查其高程位置，為護(hù)壁澆筑創(chuàng)造條件。

（四)護(hù)壁澆筑與養(yǎng)護(hù)

鋼筋籠吊裝并經(jīng)檢查驗(yàn)收合格后，及時(shí)開展護(hù)壁混凝土澆筑作業(yè)。采用導(dǎo)管法精確控制混凝土下管至鋼筋籠底部，然后勻速提升，使混凝土自下而上充滿鋼筋籠與鋼護(hù)筒之間的環(huán)形空間。護(hù)壁混凝土應(yīng)采用高質(zhì)量原材，優(yōu)化配合比，確保其和易性、密實(shí)性、強(qiáng)度等性能滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。澆筑過(guò)程中密切監(jiān)測(cè)混凝土面標(biāo)高變化，及時(shí)調(diào)整下管速度，確保護(hù)壁連續(xù)澆筑，避免發(fā)生離析、蜂窩等問(wèn)題。護(hù)壁澆筑完成后，及時(shí)采取灑水、覆蓋等綜合養(yǎng)護(hù)措施，最大限度降低水化熱引起的溫度應(yīng)力，提高護(hù)壁混凝土抗裂性能。同時(shí)對(duì)護(hù)壁表面進(jìn)行壓面、抹光處理，形成密實(shí)平整的保護(hù)層。

(五)鋼護(hù)筒拆除與回收

待護(hù)壁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)拆模值后，即可開展鋼護(hù)筒拆除工作，為后續(xù)樁身混凝土澆筑掃清障礙。采用千斤頂?shù)葘Ｓ霉ぞ撸跇俄攲?duì)鋼護(hù)筒施加徑向力，使其與護(hù)壁混凝土脫離。同時(shí)連接卷?yè)P(yáng)裝置勻速提升，將鋼護(hù)筒自樁孔內(nèi)全面退出。拆除過(guò)程中注意平穩(wěn)操作，嚴(yán)禁野蠻施工，避免損傷護(hù)壁混凝土。鋼護(hù)筒提出后立即對(duì)其進(jìn)行除銹、除泥等處理，恢復(fù)其原有形狀，并修復(fù)損傷部位，為下一工點(diǎn)施工做好準(zhǔn)備。經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)循環(huán)周轉(zhuǎn)，當(dāng)鋼護(hù)筒因多次拆裝而變形、磨損嚴(yán)重，無(wú)法繼續(xù)使用時(shí)，方可將其全面報(bào)廢。

(六)施工質(zhì)量控制措施

成孔階段應(yīng)重點(diǎn)控制孔位偏差、孔深、孔斜及泥漿指標(biāo)，并做好成孔后的孔壁檢查工作。鋼筋籠制作與吊裝階段應(yīng)加強(qiáng)鋼筋材質(zhì)檢驗(yàn)、成型尺寸復(fù)核及吊裝過(guò)程監(jiān)控。護(hù)壁澆筑階段應(yīng)從原材料把控、配合比優(yōu)化、澆筑工藝控制、混凝土性能檢測(cè)等方面入手，確保護(hù)壁質(zhì)量。鋼護(hù)筒拆除及樁身混凝土澆筑階段的質(zhì)量控制要點(diǎn)在于平穩(wěn)拆除、及時(shí)清孔、防正空洞等。同時(shí)要建立完善的質(zhì)量檢驗(yàn)體系，明確各崗位職責(zé)，狠抓關(guān)鍵工序管控，細(xì)化操作規(guī)程。運(yùn)用超聲波檢測(cè)、高應(yīng)變法檢測(cè)等無(wú)損檢測(cè)手段，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理質(zhì)量缺陷。加強(qiáng)施工過(guò)程數(shù)據(jù)分析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)、改進(jìn)工藝提供依據(jù)。

四、鋼護(hù)筒護(hù)壁旋挖鉆孔鋼筋混凝土灌注樁工程應(yīng)用案例分析

（一）工程概況與設(shè)計(jì)方案

某大型橋梁工程樁基選用鋼護(hù)筒護(hù)壁旋挖鉆孔灌注樁，樁徑 1.8m ，平均樁長(zhǎng) 56m ，總數(shù)216根。工程地質(zhì)復(fù)雜，上覆淤泥質(zhì)粉土層厚 8m ，中部為砂卵石層，層厚 30m ，下部為全風(fēng)化片麻巖。設(shè)計(jì)采用旋挖鉆機(jī)成孔，兼顧施工效率與孔壁穩(wěn)定性。鋼護(hù)筒護(hù)壁采用組合式結(jié)構(gòu)，上部臨時(shí)鋼護(hù)筒壁厚 16mm ，下部永久性鋼筋混凝土護(hù)壁厚 120mm ，C35混凝土強(qiáng)度等級(jí)。綜合考慮荷載效應(yīng)、土層特性、施工工藝等，通過(guò)計(jì)算分析確定護(hù)壁配筋率 0.8% ，縱向鋼筋直徑28mm ，箍筋直徑 12mm ，間距 200mm 采用8級(jí)鋼材，屈服強(qiáng)度 400MPa 。合理的設(shè)計(jì)方案是確保工程安全與效益的基礎(chǔ)。

(二)施工過(guò)程與質(zhì)量控制

本工程樁基施工歷時(shí)12個(gè)月，克服了復(fù)雜地層、高地下水位、環(huán)境制約等困難，創(chuàng)新工藝，優(yōu)化流程，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，確保了施工安全有序進(jìn)行。旋挖采用三牙輪掌片鉆頭，配備泥漿泵15臺(tái)，鉆進(jìn)速度穩(wěn)定在 4m/h 泥漿采用膨潤(rùn)土-CMC復(fù)合泥漿體系，密度 1.2g/cm³ ，黏度25s，含砂率 <4% ，24h失水量<12mL ，對(duì)孔壁具有良好的護(hù)壁作用。鋼筋籠采用組裝式成型工藝，型鋼定位，對(duì)接焊縫，可靠固定。護(hù)壁采用導(dǎo)管法澆筑，混凝土下管至孔底，勻速拔管，確保護(hù)壁密實(shí)度。養(yǎng)護(hù)期通過(guò)灑水、覆蓋等措施降低溫度應(yīng)力，無(wú)裂縫。全過(guò)程貫徹“預(yù)控為主、過(guò)程控制、終檢把關(guān)”原則，確保質(zhì)量。

（三)技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

鋼護(hù)筒護(hù)壁旋挖鉆孔灌注樁技術(shù)在本工程的應(yīng)用取得了顯著成效。樁身完整性檢測(cè)合格率高達(dá)98.6% ，充分體現(xiàn)了該技術(shù)確保成樁質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)。施工效率較常規(guī)工藝提高 40% ，平均工期縮短至6天，工期優(yōu)勢(shì)凸顯。鋼護(hù)筒周轉(zhuǎn)使用10次以上，材料成本降低 15% ，護(hù)壁混凝土用量?jī)H占樁身的 8% ，經(jīng)濟(jì)效益良好。綜合分析，該技術(shù)在類似復(fù)雜地層條件下的橋梁樁基施工中，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景，可在確保工程質(zhì)量、提高施工效率、降低工程成本等方面發(fā)揮重要作用，值得大力推廣。

結(jié)束語(yǔ)

鋼護(hù)筒護(hù)壁技術(shù)可顯著提高旋挖鉆孔灌注樁施工質(zhì)量，其合理設(shè)計(jì)與規(guī)范施工是保證鋼護(hù)筒護(hù)壁發(fā)揮作用的關(guān)鍵。綜合考慮荷載條件、地質(zhì)情況等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，優(yōu)化鋼筋混凝土護(hù)壁及鋼護(hù)筒構(gòu)造，并嚴(yán)格把控施工各環(huán)節(jié)質(zhì)量，是鋼護(hù)筒護(hù)壁技術(shù)成功應(yīng)用的基礎(chǔ)。工程實(shí)踐證實(shí)，該技術(shù)具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，值得在旋挖鉆孔灌注樁施工中推廣。未來(lái)應(yīng)持續(xù)開展鋼護(hù)筒護(hù)壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化及施工工藝創(chuàng)新研究，進(jìn)一步提升旋挖鉆孔灌注樁品質(zhì)，促進(jìn)我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高質(zhì)量發(fā)展。

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