汾河特大橋大直徑超深旋挖鉆孔灌注樁施工技術

楊聯(lián)鋒， 彭志平， 孫智杰

(山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西 晉中 030620)

隨著我國基礎建設的高速發(fā)展，公路、鐵路橋梁跨度不斷加大，大直徑超深鉆孔灌注樁工作量持續(xù)增長，基于旋挖鉆機動力扭矩大、機動靈活、環(huán)保等優(yōu)勢，其在大型橋梁樁基施工中的應用越來越多[1-2]，但是在松散砂層等特殊地層，大直徑超深樁基施工過程中遇到了不少困難[3]。本文分析了蒙華鐵路汾河特大橋樁基項目中遇到的難點重點、工藝流程、采取的措施及工程效果，并提出了一些建議。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

蒙華鐵路汾河特大橋是蒙華運煤鐵路專線MHJ-11標段的重點工程，該橋全長7.9 km，位于山西省河津市西郊，設計墩臺194個，鉆孔灌注樁2943根，總延米157381 m，承載類型為摩擦承載樁，最大鉆孔直徑2 m，最深設計樁長91 m，場地地面標高370～374 m。根據(jù)工程施工進度要求，首先施工重點控制性區(qū)段(汾河北壩跨汾河向南方向)，此區(qū)段樁徑為2 m，共24個墩臺，平均孔深67 m，最長設計樁長91 m，最深成孔深度超過97 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

工程地質(zhì)勘探深度內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)風積層，土層為粉砂、細砂、中砂；第四系全新統(tǒng)沖積層，土層為新黃土、粘性土及粉土；上更新統(tǒng)沖積層，土層為新黃土、粘質(zhì)新黃土、粘性土、粉土、砂類土及碎石類土，局部為第四系全新統(tǒng)人工堆積層、素填土、填筑土。

1.3 水文地質(zhì)條件

橋址區(qū)地表水主要為汾河河水，橋址段汾河水面寬約35 m，水深4～6 m，常年流水，水量受季節(jié)影響變化較大。橋址區(qū)地下水主要為第四系孔隙潛水，主要受大氣降水及汾河水補給，其排泄方式主要為人工抽取。

1.4 不良地質(zhì)及特殊地質(zhì)

1.4.1 砂土液化

橋址區(qū)部分地段粉土及粉砂為地震可液化土，見表1。

表1 液化地層情況Table 1 Liquified stratum

1.4.2 崩塌

汾河三級階梯地段黃土陡坎邊緣，地形陡峭，高差約100 m，黃土垂直節(jié)理發(fā)育，局部發(fā)生小型黃土坍塌及錯落，邊坡穩(wěn)定性較差。

1.4.3 濕陷性

橋址區(qū)砂質(zhì)及粘質(zhì)新黃土具濕陷性。

2 施工設備的選擇

根據(jù)工程地質(zhì)勘查報告相關資料，考慮到本項目基樁數(shù)量多，口徑大、超深孔、樁位密集，工期緊的實際情況，綜合比較后，確定采用高效率的大扭矩旋挖鉆機成孔、導管水下灌注成樁的樁基施工工藝方案。選用的360型旋挖鉆機具有如下優(yōu)點：

(1)履帶底盤，接地壓力小，適合于各種施工工況，在施工場地內(nèi)行走自如，機動靈活，對孔位方便、快捷。

(2)自動化程度高、成孔質(zhì)量好、效率高。該鉆機為全液壓驅動，電腦控制，精確定位鉆孔、自動校正鉆孔垂直度和自動測量鉆孔深度，最大限度地保證鉆孔質(zhì)量。

(3)采用靜態(tài)泥漿護壁的成孔工藝，減少泥漿污染。

(4)自帶動力，緩解施工現(xiàn)場電力不足的矛盾。

3 施工技術要求

按照中國鐵路總公司企業(yè)標準《鐵路橋梁鉆孔樁施工技術規(guī)程》(Q/CR 9212-2015)[4]及總承包方下發(fā)的施工技術要求進行施工，詳見表2。

表2 施工技術要求Table 2 Technical requirements on construction

4 施工初期發(fā)現(xiàn)的鉆孔質(zhì)量問題及原因分析

4.1 施工過程及質(zhì)量問題

在開工初期的177號墩臺,里程DK528+168.3,地層分布從上至下為：粉土、粉砂、粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂、中砂、粉砂、粉土。松散砂層共35 m，孔深8～20 m為地震可液化土，樁孔施工時(直徑2 m、設計孔深78.5 m)，采用直徑2.3 m護筒，護筒長度5 m，鉆頭直徑2.0 m。入孔泥漿性能指標：密度1.12 g/cm3，粘度25 s，含砂率2%。該樁孔施工結果：成孔時間19 h，安放鋼筋籠11 h，安放導管2.42 h，安放導管后量測孔底沉渣厚度42 cm，超標嚴重，經(jīng)反復換漿清孔耗時約15 h，沉渣厚度才達18 cm，符合規(guī)范要求[4-5]。混凝土灌注時間較長，充盈系數(shù)大，后經(jīng)驗樁儀器檢查，存在質(zhì)量問題： (1)32.5 m左右處有縮徑現(xiàn)象(見圖1)。(2)部分樁在破除樁頭后發(fā)現(xiàn)有鋼筋籠位移現(xiàn)象，最多位移7 cm(見圖2)。

圖132.5m處縮徑波形
Fig.1Borehole shrinkage wave at32.5m

圖2 鋼筋籠位移Fig.2 Dislocation of rebar cage

4.2 原因分析

針對孔底沉渣過多、充盈系數(shù)超標、縮徑、鋼筋籠位移等問題，通過對施工過程和泥漿液的反復實驗、測試和研究對比分析，找到了原因。

4.2.1 縮徑問題

地層主要以粉砂、細砂為主，地下水系豐富，潛水層運動形式為紊流形態(tài)，孔壁很不穩(wěn)定,在潛水層下部有近1 m透水性較差的粉質(zhì)粘土層，這層粘土具弱膨脹性，分析發(fā)現(xiàn)，粉質(zhì)粘土地層縮徑與時間關系密切，孔壁的土層被水浸泡后，體積膨脹，鉆孔孔壁一定厚度內(nèi)的土的含水量近似達到其膨脹含水量后，停止膨脹[6]，會造成鉆孔縮徑，但不垮塌。

4.2.2 泥漿問題

泥漿性能不能滿足單孔施工周期和地層要求，致使松散地層的護壁效果降低，孔底沉渣超標，部分層位有擴徑現(xiàn)象。

4.2.3 鋼筋籠位移

由于在鋼筋籠安放過程中兩個吊環(huán)焊接的不對稱和基臺木安放不平穩(wěn)，造成鋼筋籠位移，影響了保護層厚度及均勻性。

5 旋挖鉆機施工工藝的改進

根據(jù)上述對施工中遇到的問題的分析，我們著重從泥漿的固相主材、泥漿用水、鉆進工藝、現(xiàn)場施工過程管理等方面進行改進[7-8]。

5.1 泥漿技術改進[9]

首先解決泥漿主材膨潤土，聯(lián)系了浙江安吉、河南鶴壁、河北張家口、陜西洋縣不同產(chǎn)地的膨潤土廠家，各自發(fā)送200目的優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤土樣品，使用桶裝礦泉水，按照1∶14的配比進行泥漿配制，靜置48 h后，發(fā)現(xiàn)除安吉的泥漿樣品外，其余3種泥漿樣品性能明顯下降，尤其是膠體率性能對比差別較大。

水是泥漿的重要組成部分，水質(zhì)對泥漿的性能有很大的影響。水中影響泥漿性能的主要因素是可溶鹽的種類和含量，水中含有高價陽離子或過多低價陽離子都會使粘土水化減弱，泥漿穩(wěn)定性下降[10]。衡量水質(zhì)的重要指標就是總礦化度和硬度，隨后我們將工地用水取樣，進行水質(zhì)分析化驗，發(fā)現(xiàn)幾項指標嚴重超標，嚴重影響著膨潤土的造漿率和體系的穩(wěn)定性。從水質(zhì)分析報告中可以看出鈣為114.38 mg/L，鎂鹽為56.99 mg/L，銨鹽為0.28 mg/L，碳酸氫根600.89 mg/L，pH值為7.5，游離子二氧化碳為12.67 mg/L，這些地下水的離子分子含量對于泥漿的性能會產(chǎn)生極大的影響，因為鉆孔過程中，泥漿不斷的與地下水接觸，會導致泥漿中HO-含量降低，打破泥漿中原有的H+、OH-的平衡狀態(tài)，pH值下降，膨潤土的水化效果弱化。同時，地下水中的鎂離子、碳酸氫根離子、銨鹽離子均會與現(xiàn)場配置好的泥漿中的OH-發(fā)生化學反應，從而增加了泥漿中的固相含量，產(chǎn)生氣孔，影響泥漿的護壁性能，致使松散地層垮塌、掉落，造成孔底沉渣厚度超標、混凝土超耗。施工水源無法選擇，只有通過改良現(xiàn)場施工用水，之后我們聯(lián)系了膨潤土廠家共同研究價格適中、操作簡便、性能穩(wěn)定的泥漿處理劑，經(jīng)過反復試驗，解決了當?shù)厮|(zhì)對泥漿的影響，泥漿的性能穩(wěn)定可靠，長時間不分解，增加了懸浮能力。

5.2 樁徑保持

鉆孔成孔后，停待3 h，采用同級鉆頭進行掃孔，用鉆頭將膨脹入鉆孔內(nèi)的粘土部分削去，鉆孔的孔徑就能保持規(guī)則形態(tài)。為了防止由于震動造成鉆頭底門打開，在掃孔前把底門與筒體之間用電焊焊牢，防止孔內(nèi)事故的發(fā)生。通過掃孔保證了樁徑指標，提高了樁身質(zhì)量。

5.3 泥漿日常管理

改善泥漿過程管理工作，經(jīng)常保持泥漿的優(yōu)質(zhì)、均勻，以滿足成孔、成樁質(zhì)量。泥漿配置完成后要靜置24 h，不可現(xiàn)用現(xiàn)配，正確使用旋流除砂器除砂，合理調(diào)節(jié)底流口尺寸，避免堵塞，力求底流口呈“傘狀”流體。在泥漿池與孔口間設置沉淀池，一孔一清理。

5.4 鋼筋籠保護層

為有效控制樁身保護層厚度，保證鋼筋籠的居中位置，在安放上籠前，使用了4根2.5 in(?63.5 mm)無縫鋼管平均分布安放于孔內(nèi)四周，鋼管上部掛鉤固定于護筒上，混凝土灌注完成后，將鋼管拔出。此措施避免了因人為操作疏忽，致使鋼筋籠移位的質(zhì)量通病。

5.5 施工現(xiàn)場管理

5.5.1 依靠制度管理

首先要求所有施工管理人員要不折不扣地執(zhí)行各項管理規(guī)章制度，項目主要管理人員更要以身作則。在此基礎上，項目部又針對勞動紀律、安全、質(zhì)量等方面制定了現(xiàn)場的管理制度，明確了崗位職責，制定了獎罰措施。制定了班前生產(chǎn)例會制度，科學合理的組織施工工作。

5.5.2 編制針對性的施工方案

為了能夠有計劃地進行項目管理，我們在開工前的準備期間編制了施工方案，由項目主要管理人員根據(jù)現(xiàn)場情況、施工圖紙、施工經(jīng)驗等進行編寫。內(nèi)容包括編制依據(jù)、工程概況、工程地質(zhì)條件、承包內(nèi)容、施工方法、施工組織、技術質(zhì)量、工程安全措施、文明施工、施工預案等10個方面。

由于施工是動態(tài)運行的，所以在施工中會根據(jù)實際情況進行調(diào)整驗證。通過幾個項目的情況比較，凡是有計劃的施工方案的項目，施工效果都比較好，正所謂凡事預則立，不預則廢。一個項目完成的好壞，關鍵取決于準備工作充分與否，再差的計劃也比沒計劃好，沒有預控則會打亂仗。

5.5.3 把控環(huán)節(jié)、嚴格質(zhì)量控制

項目生產(chǎn)的成敗在質(zhì)量，評價項目最重要的砝碼就是工程質(zhì)量，在生產(chǎn)中，質(zhì)量決定了進度、成本、效益。通過十幾年的樁基施工，我們總結出了樁基工程經(jīng)常出現(xiàn)的質(zhì)量問題及質(zhì)量通病：孔壁坍塌、護筒底部坍塌、鋼筋籠上浮、鋼筋籠變形、沉渣過厚、聲測管不通、混凝土超方短方、堵管等。

為了杜絕此類質(zhì)量事故的發(fā)生，從施工源頭、施工過程入手，進行嚴格把控。根據(jù)施工流程的幾個工序，進行細化分解，把原有的9項步驟分解成50個小節(jié)，每一項小節(jié)都有操作標準、檢驗準則、復檢程序，并且把責任劃分到班組或個人。在這50個小節(jié)中，一般的程序需自檢，重要的流程節(jié)點需值班員進行檢查。對于能夠認真履行職責的個人或班組進行獎勵，對于屢次有誤差的個人或班組要進行處罰，值班員監(jiān)管不力的也要進行責罰。

6 改進后的成果

改進后的泥漿質(zhì)量穩(wěn)定、可靠，在成孔后20 h量測，孔底沉渣在5 cm以內(nèi)，混凝土超耗得到有效控制，聲測管未發(fā)現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，破除樁頭后鋼筋籠居中，未發(fā)現(xiàn)有移位現(xiàn)象，保證了成孔成樁質(zhì)量，縮短成樁周期，提高了施工進度。

7 結語

在大口徑超深孔旋挖灌注樁施工中，由于單孔施工周期較長，常規(guī)配置的泥漿性能不能滿足成樁質(zhì)量要求，尤其在鉆進施工松散砂層地層時，會發(fā)生孔壁坍塌、沉渣厚度超標等事故，給施工質(zhì)量、安全、進度造成十分重大的影響。通過全面分析地質(zhì)、水文情況及現(xiàn)場管理等方面的原因，配置出高粘、膠體率好的泥漿，很大程度上可以解決旋挖灌注施工中經(jīng)常出現(xiàn)的質(zhì)量通病。通過制定落實相應的現(xiàn)場管理制度避免了重復作業(yè)、孔內(nèi)事故的發(fā)生，給整個項目施工帶來了較好的經(jīng)濟效益。