鐵路橋梁鉆孔灌注樁的成樁質量控制與通病防治

王振宇, 梁學成, 李正全

(中國水利水電第七工程局有限公司 一分局,四川彭山 620860)

1 引 言

隨著我國鐵路建設的發展,橋梁工程所占比重的進一步提升,鉆孔樁基礎以其容易適應持力層高低不平的變化和不同施工條件及外荷載的變化,省工、省料、施工速度快等特點而被廣泛采用。

鉆孔灌注樁施工時常易發生孔壁坍塌、斜孔、樁身夾泥、短樁等工程問題,可以說是“常發病”和“多發病”。水下混凝土灌注屬隱蔽工程,—旦發生質量事故難以觀察和補救,從而給后期處理帶來困難,影響橋梁的施工進度和使用性能。要想行之有效的控制鉆孔灌注樁的成孔質量,就必須熟悉鉆孔施工過程中常見的工程質量事故及處理方法,掌握水下混凝土灌注施工中常見病害的防治措施。筆者從施工中經常遇到的實際問題入手,主要針對沖擊鉆機的成孔方式,就鉆孔灌注樁的成樁質量控制及病害產生原因和防治加以分析解答。

2 鉆孔樁成孔質量控制

鉆孔施工中可能出現的質量問題一般有坍孔、鉆孔偏斜、擴孔、縮孔、卡鉆、埋鉆和梅花孔等。為防止此類事故的發生,確保成孔質量,防患于未然,在施工中應注意以下幾點:

(1)施工前要認真查看地質資料,掌握地質狀況,分析可能發生的問題并制定預防措施。

(2)施工前注意檢查操作平臺及鉆機安裝的穩定性,調整鉆頭的垂直度。

(3)在鉆進過程中,始終要注意泥漿的質量,確保護筒內泥漿面標高不低于地下水位或河水水位 1.5～2.0m,這是防止坍孔和縮頸的基本保證。

(4)泥漿相對密度和粘度不能太大,鉆機沖程不能過小,防止出現梅花孔。

3 鉆孔施工過程中常見的工程質量事故及防治

3.1 孔壁坍塌

在鉆孔過程中,如發現孔口護筒內水位忽然上升溢出,隨即驟降并冒出氣泡,出渣量突增而不見進尺,鉆機負荷顯著增加,應懷疑是坍孔征象,可用測深探錘探測,若測得的孔深與原孔深相差較大,可證實坍孔。

坍孔產生的原因一般為:孔內外水位差減小,水頭不穩定,不能保證原有的落水壓力;泥漿稠度小,起不到加固孔壁的作用;護筒埋設不良,埋深不夠,四周填土質量差,造成護筒底周圍漏水,容易引起護筒底附近坍孔;施工操作不當,鉆頭、抽渣筒起落不穩,碰撞、沖擊孔壁;停鉆時間過長,泥渣沉淀,泥漿稠度不夠,再鉆時未重新調配適當;清孔、抽渣措施不當,延續時間太長,破壞了護壁泥皮等。

預防和處理方法:坍孔部位不深時,如果孔口或護筒底部坍塌,可采取深埋護筒法,將護筒周圍的填土夯實后再繼續鉆進;也可采取回填粘土、重埋護筒、重新鉆孔的方法。如果孔內發生坍塌,應查明坍孔原因、位置,然后進行處理。坍孔不嚴重時,可回填粘土到坍孔部位以上 1～1.5m,并采取改善泥漿性能、加高水頭、深埋護筒等措施,再進行施鉆。坍孔嚴重時,應立即將鉆孔用砂類土或礫石土回填,無上述土類時,可采用粘質土并摻入 5%～8%的水泥,等待數日待回填沉實后重新鉆孔,此次鉆進應注意調整泥漿濃度,減緩鉆進速度。

3.2 鉆孔偏斜

造成鉆孔偏斜的原因:鉆機安裝不平穩,鉆架發生位移;護筒埋設偏斜易造成鉆頭跟進時發生引導性的偏斜;鉆進過程中松繩過多,鉆頭落底時自由度過大;遇到凸起硬巖,由于硬巖與周圍土質的軟硬程度相差較大,容易引起偏斜等。

預防和處理方法:鉆進過程中,技術人員應隨時檢查鋼繩的垂直度,當發現有傾斜趨勢時應及時矯正,避免因發現不及時而造成鉆孔嚴重偏斜,增大處理工作的難度。

當發生鉆孔偏斜時,應及時查明偏斜的初始位置并回填礫石土和片石,回填高度應略高于偏斜處,并以小沖程施鉆,減緩鉆進速度;鉆進過程中,必須勤松繩、少量松繩,要注意均勻地松放鋼絲繩的長度。

3.3 卡 鉆

使用沖擊鉆鉆孔時常發生卡鉆現象,卡鉆的原因主要有:

在更換鉆頭時,如果更換的鉆頭比原鉆頭的直徑大,容易發生卡鉆;鉆頭不轉動,孔底出現較深的梅花孔等容易形成卡鉆。孔內有探頭石或坍落石等也容易引起卡鉆。

預防和處理方法:在更換鉆頭時,要注意其直徑的大小,在焊補原鉆頭時,也要注意其直徑是否增大。要預防和及早對不規則孔進行處理,使孔圓順,以降低卡鉆機率。

發生卡鉆后,不宜強提鉆頭,以免鉆頭越卡越緊。應分析清楚卡鉆的原因后再進行妥善處理。可采用小錐沖擊或用沖、吸的方法將鉆錐周圍的鉆渣松動后再提出。

3.4 鉆頭掉落

掉鉆頭是鉆孔中經常發生的事故之一。由于打撈一個鉆頭往往要耗費幾個工班,影響工期,操作不當不但撈不出來,還會引起坍孔,以致不得不廢棄鉆孔,對施工影響很大,要盡力防止。

沖擊式鉆機掉鉆頭的原因主要為:鉆頭大繩卡子松動;鋼絲繩斷絲;鉆頭空打;卡鉆時硬提等都容易造成鉆頭掉落。

預防和處理方法:加強施工檢查,對磨損嚴重的鋼繩和卡環等及時更換;認真按規定操作,遇到障礙物不能硬鉆,卡鉆時不可強提硬拔;鉆進過程中均勻地松放鋼絲繩的長度,防止松繩過少,形成“打空錘”。也可增加一根保險鋼絲繩,當主繩斷時,可利用其提起鉆頭。

發生掉鉆事故宜首先加大泥漿濃度,然后用打撈叉、鉤、繩套等工具打撈,同時,鉆頭上要預先焊一些掛鉤,以便打撈。打撈無效時,應盡快聯系有經驗的打撈隊伍,不能擱置太長,以免坍孔。值得強調的是:在任何情況下,嚴禁施工人員進入沒有護筒或無其他防護設施的鉆孔中心處理故障。當必須下入鉆孔時,應邀請專業人員,配備齊全防毒、防溺、防坍埋等安全設施后方可進行。

4 鉆孔樁成樁質量控制

4.1 成孔檢查與清孔

鉆孔達到設計深度后,應對孔深、孔徑、孔型、傾斜度進行檢查。孔徑、孔型、傾斜度的檢測宜使用專用儀器,當缺乏專用儀器時,可自制鋼筋檢孔器。檢孔器外徑為孔樁鋼筋籠直徑加100mm(不得大于鉆頭直徑),長度為 4～6倍樁徑。

成孔后,更換清渣筒,進行清底并測定孔深。清孔徹底與否對泥漿護壁成孔灌注樁的承載力和沉降量影響較大。

水下混凝土澆筑前,應復查樁底沉渣厚度。利用清孔后孔深與混凝土灌注前量測沉渣頂面孔深的差值來計算沉渣厚度。不滿足要求時應進行二次清孔。端承樁沉渣厚度≤100mm,摩擦樁沉渣厚度≤300mm。

清孔后,應盡快下鋼筋籠并灌注水下混凝土,間隔時間越短越好,以免坍孔。

4.2 鋼筋籠吊裝

分節吊裝的鋼筋籠拼裝焊接時需注意鋼筋籠的垂直度,并且兩節鋼筋籠的中心應在同一條直線上,不得發生扭曲現象。

下放鋼筋籠時速度要緩慢均勻,隨時調整籠體的垂直度,盡量避免鋼筋籠傾斜及擺動,以防塌孔。下到設計標高后用2根 φ16～20的吊筋進行定位,采用工字鋼固定于護筒兩側的枕木上,并計算鋼筋籠位置是否符合設計標高。

4.3 鉆孔灌注樁混凝土配合比的選擇

(1)水泥的初凝時間不宜早于 2.5h,水泥強度等級不宜低于 42.5MPa。水泥摻入量不宜小于 350㎏/m3,當摻有適宜數量粉煤灰時,可不少于 300㎏ /m3。

(2)粗骨料宜優先選用卵石,如采用碎石,宜適當增加混凝土配合比的含砂率。最大粗骨料粒徑不應大于 40mm。

(3)混凝土配合比的含砂 率宜采用 0.4～0.5,水灰比宜采用 0.3～0.4。

(4)混凝土拌合物應有良好的和易性,在運輸和灌注過程中應無顯著離析、泌水現象。灌注時應保持足夠的流動性,其坍落度宜為 180～220 mm。

(5)混凝土的初凝時間要大于灌注完成時間。

4.4 水下混凝土灌注施工控制要點

采用導管法進行水下混凝土灌注,對導管的法蘭盤、橡膠墊圈、連接螺栓做認真檢查,并對導管進行試拼裝,檢查導管是否漏水。導管每節長度宜為 2m,底節長度可采用 4～6m,各節用法蘭盤連接。提升導管要做到慢升、快落,拆卸導管要快,一般不超過 20～30min。

儲料斗的容積要滿足首批混凝土灌入樁孔的要求,導管埋入混凝土中的深度應不小于 1m并不宜大于 3m。灌注過程中,嚴格控制導管埋深(將埋置深度控制在 2～4m),保持導管下端埋入混凝土的深度在任何時候都不小于 1m,以防止導管提漏或埋管過深拔不出而出現斷樁。

灌注混凝土要連續進行,中途不得停止。正常灌注間歇不大于 30min。隨著灌注工作的進行,應徐徐將導管向上提升,每次提升高度應與混凝土灌注速度相適應,并應保證導管內經常具有足夠高度的混凝土。

灌注完畢的水下混凝土頂面要比設計樁頂標高高出 1m,以保證頂面的浮漿或松散層鑿除后仍能保證設計長度。

5 鉆孔灌注樁病害產生的原因及防治

5.1 樁身夾泥的原因及預防

系指樁身混凝土混進泥土或形成浮漿泡沫軟弱夾層。其形成的主要原因是灌注時因導管密封不良,泥漿滲入導管內;首批混凝土儲量不足,或雖然混凝土儲量已夠,但導管底口距孔底的間距過大,混凝土下落后不能埋沒導管底口,以至泥水從底口進入;量測孔內混凝土面高度不準確,導管底口超出原混凝土面,導致底口涌入泥水,都會產生夾泥現象,這時,應全部提出導管和鋼筋籠,鑿掉已澆注的混凝土和未提出的鋼筋籠,清孔后重新灌注混凝土。

預防和處理方法:混凝土導管在下入樁孔前,必須對接頭、管壁等進行詳細檢查,定期進行導管水密性試驗;首批混凝土要準備充足,并使導管底口至孔底的距離為 30～40cm;導管提升不要過快,量測混凝土面高程及導管埋深要準確。

5.2 樁頭夾泥的原因及防治

灌注完畢時,導管埋置過深且拔管過快,形成窩洞,致使漿渣灌入造成夾泥;灌注時間過長,頂部混凝土流動性減小,拔管后形成窩洞,造成夾泥;泥漿過稠,夾帶泥渣附于管壁,導致導管位置混凝土形成夾層。

預防和處理方法:確保混凝土連續灌注,減少灌注時間。灌注將近結束時,減小導管埋深,拔出導管時應緩慢進行,使頂部混凝土能充分填滿孔洞。當樁頭夾泥、形成孔洞時,應將夾泥段鑿除至完整混凝土面,并鑿成 10cm(寬)×5cm(深)井字槽,四周埋置直徑不小于 20mm的連接筋,并采用同標號的混凝土進行接樁。

5.3 鋼筋籠上浮的原因及防治

鋼筋籠上浮除了是因導管提升時鉤掛等一些顯而易見的原因外,主要原因是由于導管底口在鋼筋籠底部以下 3m至以上2m時混凝土灌注速度過快,使混凝土下落沖出導管底口向上反沖,系其頂托力大于鋼筋籠的重力所引起的。

預防和處理方法:在混凝土面接近和進入鋼筋籠時,應放慢混凝土灌注速度,當混凝土面上升到骨架底部 4m以上時,緩慢提升導管,切不可過猛,使其底口高于骨架底部 2m以上,即可恢復正常的灌注速度。除上述方法外,還應從鋼筋籠自身加以考慮,一般的方法是將鋼筋籠頂端牢固焊在護筒上,或將鋼筋骨架中的 4根主筋伸長至孔底,起牽制作用。

當鋼筋籠出現上浮時,立即停止灌注混凝土,利用護筒、鉆機等設施對其進行控制。當上浮高度較小時,待其被控制住后,放慢速度繼續澆注,澆注完成后,會同設計單位對該樁進行驗算,對不合要求的樁按設計要求增加相應的補強措施;當上浮高度較大時,樁的要求遠不能滿足設計要求,就要將鋼筋籠拔出、清孔,重新灌注混凝土。

5.4 縮頸樁產生的原因與防治

縮頸樁又稱瓶頸樁,是指部分樁徑縮小、樁截面積不符合設計要求。縮頸樁產生的原因:拔管過快,管內混凝土存量過少,混凝土本身和易性差,出管擴散困難造成縮頸;沉渣厚度過大或有大粒徑巖石,灌注過程中形成包泥,使樁身發生不同程度的縮頸現象。

防治措施:在容易產生縮頸的土層中施工時,要嚴格控制拔管速度;混凝土坍落度要符合要求且管內混凝土必須略高于孔內混凝土面,以保持足夠的壓力,使混凝土出管擴散正常。

施工時可設專人隨時測定混凝土的下落情況,遇有縮頸現象,可采取復打處理。

5.5 產生短樁的原因與防治

灌注結束后,若成樁樁頭高程低于設計高程,則屬樁頭灌短事故,即短樁。其產生的原因:灌注將近結束時漿渣過稠,用測錘難以準確判斷混凝土面,或由于測錘太輕,沉不到混凝土面,發生誤測以至過早拔出導管終止灌注而造成短樁;還有些是灌注混凝土時發生孔壁坍塌未被發覺,測錘達不到混凝土面,這種情況最為危險,有時會使成樁縮短數米。其預防和處理方法:

(1)在灌注過程中,必須時刻注意是否有發生坍孔的征兆。

(2)測錘的重量及形狀要滿足要求。

(3)灌注將近結束時,可加清水稀釋泥漿并掏出部分沉淀土。

在灌注過程中發現孔內塌方,用測錘測定塌方量,如果塌方量較小,可繼續灌注混凝土并增大成樁高度,保證頂面的浮漿或松散層鑿除后仍能保證設計長度。如果塌方量較大,可接長護筒或在原護筒內側加設護筒,壓入已灌注的混凝土內,然后用高壓水將泥渣和松軟層沖松,同時用吸泥機將泥漿沉渣吸除干凈,再進行灌注。

若成樁以后發現短樁,可聯系設計單位,參照設計意見進行接樁處理。

5.6 造成斷樁的原因與處理

斷樁是泥漿或砂礫與混凝土混合把灌注的混凝土隔斷,形成松散層,使混凝土截面受損,是較嚴重的質量事故。其產生的原因主要有以下幾種:

(1)對孔深及導管的埋深量測不準確,導管被提出混凝土面;

(2)導管內嚴重漏水,致使灌注時將已灌注的混凝土砂漿沖散,形成骨料堆積的松散夾層;

(3)施工中由于機械故障等原因長時間無法灌注混凝土,造成已灌注混凝土凝固;

(4)灌注過程中出現坍孔,無法進行清理或清理不徹底,形成灌注中斷或混凝土中夾有泥石。

處理方法:澆筑時間不長,混凝土數量不大時,可將孔中混凝土及泥石全部清除,重新灌注。

若斷樁面距地面深度較淺時,可將護筒續接到混凝土面,抽干孔內泥漿,鑿出新鮮混凝土面,再按無水混凝土澆筑至設計標高。

對于在灌注過程中發生的斷樁事故應分析原因,采取相應措施,對于計劃重做的樁,要立即拔出鋼筋籠,重新鉆孔,按新孔進行灌注。若鋼筋籠無法取出,可回填低標號混凝土至鋼筋籠頂部位置,待混凝土強度達到設計強度后,再重新鉆孔。鉆進過程中,利用大塊磁鐵將被鉆頭捶斷的鋼筋吸出,以免影響鉆進速度。

對澆筑完成后才發現的斷樁,要采取補樁的方案。方案要通過計算并上報有關部門,一般采用扁擔樁、壓漿補強等方法進行處理。

6 結 語

由我單位承建的包西鐵路項目共有 731根鉆孔樁,經低應變反射波法無損檢測合格樁為100%,其中 I類樁占 90%,II類樁占 10%。

鉆孔樁病害的成因多種多樣,處理的方法也各有不同,上述方法是在經過長期施工中積累總結得到的,經過實踐的檢驗證明其行之有效。當然,有關橋梁鉆孔樁的通病成因及防治對策是很復雜的,有待進一步研究。只有搞清楚其病害機理,才能對癥下藥;只有合理的防治措施,才能使國家有限的建設資金發揮最大的經濟效益。