深層軟土區(qū)公路橋梁變徑擠擴支盤樁施工技術(shù)＊

（中鐵十七局集團第四工程有限公司，重慶 401121）

1.工程概況

廣東省潮汕環(huán)線高速公路二期工程4合同段位于潮州市，其中興潮大道跨線橋共123個橋墩，原設(shè)計的普通摩擦樁直徑均為1.8m，樁長在75m～103m，共有512根樁基。

該橋址區(qū)海相沉積地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積（Q4mc+al）粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、砂層及圓礫土及第四系素填土（Q4ml）[1]。海相沉積軟基覆蓋層深厚可達30m，前期在該地層90m以上超長樁基反循環(huán)沖擊鉆成孔時易縮頸、易塌孔、成孔難度大。

為減少施工難度和質(zhì)量風險，后期將興潮大道跨線橋192根普通摩擦樁改為變直徑擠擴支盤樁，上端樁徑1.8m（長度均為20m）下端樁徑1.4m，樁長為45m～74m，盤徑2.5m。

2.總體技術(shù)方案

采用普通鉆機分深度成直樁孔，再將擠擴支盤機吊入孔內(nèi)，待擠擴支盤機到達某一支、盤位標高時方可進行擠擴。為保證底盤可以正常擠擴，擠擴一般由下向上進行，逐個進行支盤的擠擴作業(yè),形成錐體狀的盤形空間，最后安放樁基鋼筋籠并灌注水下混凝土。

3.主要施工工藝

3.1 直樁成孔技術(shù)

3.1.1 鉆進成孔

剛開始鉆時采取慢速[2]，待鉆頭進入地層后方可加快鉆速。采取反循環(huán)鉆時，應(yīng)將鉆頭提至孔底20cm高，待泥漿循環(huán)通暢后才開鉆[3]。

鉆孔進入設(shè)置支盤地層時，要根據(jù)地層條件調(diào)整泥漿比重，必要時應(yīng)加入化學材料，增強護壁效果，避免塌孔，減少泥漿流失。

變樁徑支盤柱成孔采用先成孔較大直徑段[4]，確定標高后，后成較小直徑段。在樁基施工過程中，經(jīng)常檢查鉆機的平穩(wěn)狀況暨垂直度，當鉆進接近變徑段時，應(yīng)更換鉆頭，再次檢查鉆機垂直度，確保大小直徑樁基的同心偏差小于5cm。

3.1.2 主樁成孔垂直度控制的創(chuàng)新改進

目前采用回旋鉆機施工變直徑擠擴支盤樁基時，普遍需要在鉆孔過程中更換不同直徑的鉆頭[9]。更換鉆頭不僅需要挖機或吊車配合，且需要鉆機移位后重新就位，由于測量誤差、鉆機就位誤差、鉆頭重量的變化，重新就位的鉆機在水下變徑處對中相對困難，難以和第一次下鉆的中點重合，極易造成成孔后樁基不同樁徑的段落軸線不重合，輕則變徑處保護層不合格，影響樁基耐久性，重則鋼筋籠無法安放，造成廢孔。更換鉆頭過程時間較長，孔內(nèi)泥漿容易逐漸沉淀，孔口泥漿比重降低，護壁質(zhì)量下降，在鉆機再次就位、對中過程中，鉆機不斷對孔口施壓，極易造成孔口坍塌。

針對更換不同直徑鉆頭傳統(tǒng)做法帶來的不利情況，施工中研制了一種樁基成孔直徑可調(diào)式鉆機鉆頭（專利號ZL201821783661.6）[5]，其包括轉(zhuǎn)軸和安裝在轉(zhuǎn)軸一端的冠部，冠部包括位于轉(zhuǎn)軸端部的固定鉆頭部、位于固定鉆頭部上方的用于壓實抹光泥漿護壁的主圍壁、以可拆卸方式連接在固定鉆頭部尾部外側(cè)的副翼刀和以可拆卸方式連接在主圍壁外側(cè)的副圍壁，固定鉆頭部和主圍壁距離轉(zhuǎn)軸軸線的最大距離相同，副翼刀和副圍壁安裝后距離轉(zhuǎn)軸軸線的最大距離相同。本創(chuàng)新研制的直徑可調(diào)節(jié)式鉆頭裝置能夠在鉆機不移位情況下實現(xiàn)鉆頭的變徑，保證變徑樁基軸線重合，施工簡單快捷、省工省時，提高了施工效率和變徑樁基成孔的質(zhì)量。

3.2 已成直樁孔內(nèi)擠擴支盤施工

3.2.1 支盤成形過程

（1）直樁施工完成后，將擠擴支盤機吊入孔內(nèi)，下放時要對中，以免碰傷孔壁導致塌孔影響擠擴質(zhì)量。在下放過程中，將液壓油管固定于接長桿上，待擠擴支盤機到達某一支、盤位標高時方可進行擠擴。

（2）擠擴支盤機到達盤位標高時，啟動液壓站，開始擠擴，液壓油缸驅(qū)動弓壓臂向外運動，擠壓樁孔內(nèi)壁，擠擴完成后復位；將接長桿與推桿固定好，在推桿上吊一錘球，錘球與刻度盤的角度一一對準，通過旋轉(zhuǎn)推動桿，使主機旋轉(zhuǎn)規(guī)定的角度，采取對樁孔內(nèi)壁進行第二次擠擴。重復上述工序多次，即可形成需要的盤狀空間。

（3）調(diào)整擠擴標高，可以在同一樁孔中擠擴出若干個支或盤，一般規(guī)定盤與盤、盤與支的最小距離不得小于8倍盤環(huán)寬，支與支最小距離不得小于4倍支長。

3.2.2 支盤擠擴施工

（1）成盤工藝流程。施工準備→孔口鋪設(shè)刻度盤并找平、對中→支盤機油管與壓力泵油管連接→起吊擠擴機→對中放入孔中→連接接長桿→下放至底盤標高→穿轉(zhuǎn)動桿→擠擴機穩(wěn)住對中→轉(zhuǎn)動桿掛錘球?qū)χ锌潭缺P某一原點→啟動油泵擠壓→施壓至設(shè)計壓力值→回油→量測上浮量→觀測壓力表→記錄。

（2）施工準備。對液壓站、油管及弓壓臂檢查合格后方可作業(yè)。根據(jù)現(xiàn)場實際選擇油管長度、接長桿長度，并在接長干的顯眼位置標志長度，然后對準樁孔位置水平牢固安放刻度盤。

擠擴支盤機入孔前，必須在刻度盤上掛線，找出樁基中心點，擠擴支盤機對中孔位后采取慢速下放，不要碰撞孔壁，防止產(chǎn)生塌孔。

擠擴支盤機入孔后，使用設(shè)備及接長桿本身長度再次復核成孔深度及樁基垂直度。

（3）擠擴支盤施工。1）軟土地區(qū)灌柱樁施工過程中很容易產(chǎn)生擠土效應(yīng)[6]，施工中采用隔樁跳打法施工[7]。遇軟弱復雜地質(zhì)土層，成孔作業(yè)后應(yīng)對支盤設(shè)備作業(yè)可能造成的影響提出事前要求[8]。2）將護筒頂標高作為基準點，將各支盤標高換算成深度值，由施工技術(shù)員進行現(xiàn)場交底并監(jiān)督實施。3）用十字線找出樁基中心點，將刻度盤的中心與樁位中心線重合，使安裝的刻度盤處于水平位置并穩(wěn)固。4）吊車起吊擠擴支盤機必須對中垂直入孔。將接長桿的長度標識在顯眼的桿上，并以刻度盤頂作為基準點，準確控制盤位施工標高。待擠擴支盤機下放到孔的設(shè)計標高位置，穩(wěn)住接長桿，并保持與孔位中心居中。5）穿接轉(zhuǎn)動桿，使接桿上的錘球?qū)士潭缺P上某一基準點，按照施工每個盤轉(zhuǎn)動10次、六星支轉(zhuǎn)動3次原則依次推進，按每次刻度盤的度數(shù)進行控制。啟動油泵，對中穩(wěn)住擠擴主機開始擠擴。6）注意各承力盤的首次壓力值，首擴壓力值超出設(shè)計偏差時，應(yīng)立即報告支盤技師通知監(jiān)理，將六星支改成盤。擠擴達到設(shè)計壓力值后停止加壓，量測上浮量，操作技師記錄每次的上浮量和壓力值。7）擠擴作業(yè)中，要隨時觀察擠擴壓力及上浮量的變動、液壓油表的油位下降量及孔內(nèi)是否有油冒出，若發(fā)現(xiàn)異常情況立即處理。擠擴完成后確認弓壓臂已復位，再緩慢提升支盤機。8）施工時要求準確記錄擠擴壓力值、設(shè)備上浮量、液壓油位差、孔內(nèi)泥漿下降值、起止時間等，結(jié)合地質(zhì)勘察報告對地層進行判別，若發(fā)現(xiàn)不符情況馬上停機處理。9）由于支盤擠擴作業(yè)對孔壁及周邊土體擾動較大，特別在粉質(zhì)粘土地層擠擴時會造成縮頸，且回淤嚴重，因此在擠擴完成后必須采用反循環(huán)鉆機對樁孔進行掃孔作業(yè)。

3.2.3 擠擴中盤位快速測量、盤位角度精準定位的創(chuàng)新改進

在支盤擠擴樁剛開始施工時，對于盤位標高量取，用長卷尺一節(jié)一節(jié)量取擠擴設(shè)備的工作桿費時費力。經(jīng)過改進，采取在工作桿上進行刻度描畫，精確控制盤位標高，節(jié)省了測量時間。

在支盤擠擴樁剛開始施工時，過于長的油管對施工造成很大的困擾，每下一節(jié)桿都需要人工用鐵絲把油管綁扎到工作桿上；后續(xù)提升時，油管也是散亂一地，耗大量的人工把油管拉上來。后來進行了油管方面的優(yōu)化，加工一個可拆卸掛鉤，下設(shè)備時只需要把掛鉤一頭捆綁在油管上，一頭掛在工作桿上；再加工一個像卷揚機一樣的轉(zhuǎn)盤，后續(xù)提升時，只需要轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤油管就自動盤上，大大節(jié)約了施工時間。

在支盤擠擴樁剛開始施工時，盤位的擠擴角度控制需憑人眼睛大概去控制，角度精度不準，容易造成重復擠擴或擠擴不到位；后續(xù)經(jīng)過多次試驗與研究，確定給施工平臺上畫一個圓，對圓劃分成10塊，再在轉(zhuǎn)桿上加一個小垂球，解決了現(xiàn)有支盤機盤位角度控制不準的難題。

3.3 擠擴后成孔檢測

支盤樁擠擴完成后，采用井徑儀檢測其盤位、盤徑、盤高等指標。其工作原理為:在彈簧的作用下，井徑儀的四個臂末端張開緊貼井壁，臂的末端隨著井徑變化也隨著張開或合攏，同時帶動電位器滑臂移動，從而隨著井徑變化就產(chǎn)生了電阻變化。當給電位器供電時，變化的電阻間電位差就反映了井徑的變化，從而判斷擠擴后成盤效果，確定盤位標高，擠擴后盤徑及成盤的高度。

3.3.1 井徑儀檢測步驟

井口滑輪架必須擺放于孔的中心位置，絞車與井徑儀接頭處的螺母一定要擰緊。下放時，光電脈沖發(fā)生器會產(chǎn)生脈沖信號發(fā)送到微處理器作采樣脈沖，并通過串行接口發(fā)至上位機作深度顯示。

待孔底確認到位后，快速手動上提電纜，泥漿阻力將使開腿盤與測量腿脫開，測量腿隨即自動彈開并貼于孔壁。測量時，孔徑變化會帶動測量腿傾角變化，每移動25mm電纜線時，對下機位做一次測量采集，通過串口發(fā)至上位機處理。

3.3.2 井徑儀檢測注意事項

（1）檢測所用井徑儀的井徑腿全部伸開時的值不得小于成孔最大直徑值。

（2）井徑儀在下放孔中時必須對中，否則撐開腿與孔壁接觸不均勻造成數(shù)據(jù)失真。

（3）井徑儀到達孔底必須快速確認位置，然后迅速提升電纜，讓撐開腿全部打開并緊貼孔壁。

4.熱異常樁身完整性檢測新技術(shù)應(yīng)用

除采用傳統(tǒng)的超聲波無損檢測法、鉆芯檢測法對樁身及承力盤混凝土進行檢測外，施工中新應(yīng)用了熱異常技術(shù)檢測樁身完整性[10]。

4.1 熱異常樁身完整性測試原理

樁身混凝土在凝固過程中會產(chǎn)生熱化學反應(yīng)，產(chǎn)生熱量的多少及散熱比例與樁身混凝土量的多少及樁身形狀與尺寸關(guān)系極大。因此，可以通過測量樁身溫度來繪制樁身熱剖面圖，并以此來解釋樁身材料是否連續(xù)，形狀是否符合要求。

鋼筋籠位置，尤其是樁周邊位置的溫度要低于樁身中心的溫度，因為越靠外的熱量向周邊環(huán)境(如土壤、巖石、水或者空氣)散發(fā)速度越快。如果鋼筋籠與樁身軸線偏離，那么，靠近樁周邊的鋼筋籠位置溫度較低，這時，相應(yīng)的也會存在一個較高的溫度。越靠近樁中心的部分溫度越高。如果樁身存在孔洞、縮頸等質(zhì)量缺陷，則缺陷附近的混凝土產(chǎn)生的熱量就會少于正常混凝土。相反，如果樁身存在擴徑，則擴徑部位附近溫度就會較高。溫度測點沿樁周均勻分布，沿樁身等間距布置，這樣可以通過測得的溫度曲線來識別潛在的混凝土缺陷，估計樁基礎(chǔ)的有效尺寸，以及檢查鋼筋籠外包層厚度以及鋼筋籠的垂直度。

沿樁身軸向的現(xiàn)澆混凝土，除樁身兩端外，混凝土產(chǎn)生的熱量基本上都是沿徑向消散的。然而，在大約一倍樁徑的樁端范圍內(nèi)，熱量既沿徑向消散，也沿樁身軸向消散，因而冷卻速度更快，溫度相對更低。對樁底處的熱剖面進行分析，可幫助用戶估計樁長，以及分析樁底處樁身形狀。

4.2 數(shù)據(jù)采集

在澆筑樁身混凝土前，按鋼筋籠徑向?qū)ΨQ布設(shè)4根溫度測試電纜（如圖1所示），將安裝了數(shù)字式溫度傳感器的測溫電纜縱向綁扎到鋼筋籠上，沿縱向溫度傳感器間隔約為30cm，最下方傳感器距鋼筋籠底約0.1m。每根測溫電纜連接一個TAP數(shù)據(jù)采集盒，TAP數(shù)據(jù)采集盒會在用戶設(shè)置的時間段內(nèi)自動采集數(shù)據(jù)。

圖1 測溫電纜平面布置示意圖

澆筑混凝土2d～3d后，利用溫度數(shù)據(jù)采集盒對4根溫度電纜進行全天候數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集持續(xù)5d時間。

4.3 數(shù)據(jù)處理及分析

在整個混凝土養(yǎng)護過程中所獲得的溫度數(shù)據(jù)，均可實時查看或上傳到云端數(shù)據(jù)庫，再輔以TIP測試軟件，形成樁身混凝土溫度—深度的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)采集的溫度數(shù)據(jù)及平均溫度數(shù)據(jù)繪制隨深度變化的曲線、實測溫度橫向展開值，確定樁徑大小、盤高及盤徑大小，快速識別有問題區(qū)域，如縮徑、鋼筋籠偏心，從而評估樁身的完整性。

5.結(jié)語

隨著橋梁建設(shè)的不斷發(fā)展，橋梁荷載越來越大，穿越各種軟土地層的也越來越多，深長樁基成孔較困難，成樁質(zhì)量也難以保證。在等值承載力下，擠擴支盤柱與普通泥漿護壁鉆孔灌注樁相比，不僅泥漿排放量減少一半左右，而且變徑擠擴支盤柱具有承載力高、沉降變形小、經(jīng)濟性優(yōu)越等優(yōu)點，其在沿海軟土地區(qū)樁基工程中具有更大推廣應(yīng)用前景。