中強(qiáng)性膨脹土層樁柱一體超深旋挖鉆孔灌注樁施工技術(shù)分析

陳代久

（中冶建工集團(tuán)有限公司安裝工程分公司，重慶 400000）

0 引言

旋挖鉆孔灌注樁在橋梁、建筑領(lǐng)域運(yùn)用廣泛。在實(shí)際施工中，旋挖鉆孔灌注樁施工技術(shù)較成熟，但橋墩樁柱一體同時(shí)施工，超深旋挖鉆孔灌注在中強(qiáng)性膨脹土層中施工時(shí)會(huì)存在一定難度，施工過(guò)程中易出現(xiàn)塌孔、垂直度差、沉渣厚度超限及柱體部分混凝土不密實(shí)等問(wèn)題，需采取有效的技術(shù)措施確保樁柱施工質(zhì)量。本文結(jié)合王家西南跨渠公路橋（雙幅橋）主橋橋墩施工，對(duì)樁柱一體超深旋挖鉆孔灌注樁的施工技術(shù)進(jìn)行探討。

1 工程概況

王家西南跨渠公路橋?yàn)殡p幅橋，位于南水北調(diào)中線(xiàn)一期工程總干渠陶岔渠首至沙河南干渠工程浙川線(xiàn)2 標(biāo)段，主橋采用66+120+66 連續(xù)梁，引橋采用簡(jiǎn)支T梁，橋跨布置為3×30m+（66+120+66）m+2×30m，全橋總長(zhǎng)409m。主墩4#、5#墩為樁柱一體、高樁承臺(tái)，承臺(tái)橫橋向12m，順橋向7.5m，厚度4m，每個(gè)承臺(tái)下設(shè)6 根直徑1.8m樁基及墩柱，樁長(zhǎng)均為77m，4#墩及5#墩柱高分別為17m、14m，樁基及墩柱均采用旋挖鉆孔灌注施工，混凝土為C30。該工程鉆孔灌注樁穿過(guò)的地層主要為粉質(zhì)黏土、黏土、鈣質(zhì)結(jié)核，土層具有中膨脹性。

2 施工準(zhǔn)備

該項(xiàng)目4#、5#墩為樁柱一體、高樁承臺(tái)，墩柱豎直度要求≤H/1000，且不大于20mm。為確保橋墩墩柱豎直度，需穩(wěn)定的施工工作面作為支承。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際標(biāo)高，采取將原地面開(kāi)挖至樁頂標(biāo)高以上2m 位置，采用壓路機(jī)將原土面碾壓密實(shí)，在樁孔四周采用25cm 厚C30 混凝土進(jìn)行硬化處理，并將硬化面平整度控制在1cm 內(nèi)，硬化面作為旋挖鉆機(jī)施工平臺(tái)，以確保鉆機(jī)施工時(shí)不受地面沉陷造成樁位及垂直度偏移影響。由于單根樁基鋼筋籠、墩柱部分鋼護(hù)筒最大重量分別為18.5t、13.4t，故在每個(gè)樁孔位置均設(shè)置2條斷面30cm×30cm 的混凝土條形基礎(chǔ)，作為鋼筋籠、鋼護(hù)筒及澆筑平臺(tái)的支承基礎(chǔ)，確保樁基鋼筋籠、鋼護(hù)筒標(biāo)高準(zhǔn)確。4#、5#墩樁基施工場(chǎng)地布置方案如圖1所示。

圖1 4#、5#墩樁基施工場(chǎng)地布置方案

3 施工流程及技術(shù)要點(diǎn)

3.1 樁位放樣

由建設(shè)單位提供的控制點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，在橋梁施工外圍不受施工影響的區(qū)域布設(shè)測(cè)量加密點(diǎn)，采用導(dǎo)線(xiàn)法進(jìn)行復(fù)測(cè)。樁位放樣由專(zhuān)業(yè)測(cè)量人員使用全站儀進(jìn)行，并在每根樁的周?chē)O(shè)置十字交叉的4 個(gè)護(hù)樁，護(hù)樁位置選定要便于尋找又要防止施工機(jī)械損壞。

3.2 護(hù)筒埋設(shè)

埋設(shè)護(hù)筒是旋挖鉆孔灌注樁施工的基礎(chǔ)工作[1]。該項(xiàng)目孔口護(hù)筒采用2cm厚鋼板制成，直徑2.2m，長(zhǎng)2～4m，護(hù)筒上設(shè)排漿口。護(hù)筒采用挖埋法進(jìn)行埋設(shè)，利用樁周?chē)言O(shè)置的4個(gè)護(hù)樁對(duì)護(hù)筒進(jìn)行校正，埋設(shè)時(shí)，要注意護(hù)筒上的排漿口要對(duì)準(zhǔn)于地面設(shè)置的排漿溝。護(hù)筒中心與樁中心偏差在5cm范圍內(nèi)且垂直度在規(guī)范允許偏差內(nèi)即可固定護(hù)筒，采用黏土回填護(hù)筒外側(cè)空隙。

3.3 泥漿配置

在中強(qiáng)性膨脹土層施工超深樁基，泥漿質(zhì)量好壞嚴(yán)重影響深樁的質(zhì)量。泥漿相對(duì)密度過(guò)低，易塌孔；含砂率過(guò)大，沉渣厚度易超標(biāo)；泥漿黏度影響鉆進(jìn)效率、卸渣、護(hù)壁等效果，黏度高，雖護(hù)壁能力及卸渣效果好，但泥皮過(guò)厚會(huì)造成鉆進(jìn)速度慢，混凝土的灌注困難，泥漿黏度過(guò)低，其攜帶鉆屑、護(hù)壁能力又差。綜合考慮該工程采用膨潤(rùn)土進(jìn)行造漿，泥漿性能指標(biāo)依據(jù)施工規(guī)范并結(jié)合地層情況及鉆孔方法確定，通常在易坍塌地層和卵石地層泥漿的相對(duì)密度和稠度要較一般地層大。

該工程在樁位附近設(shè)置1 個(gè)容量不小于2 根樁柱體量泥漿池，泥漿池劃分造漿池、沉淀池、凈化處理池。泥漿拌制要摻入一定量的CMC（羧甲基纖維素）和分散劑，通常CMC 的摻量為1%～3%，以增加泥漿的稠度。泥漿拌制后需靜置24h 后再使用，以確保泥漿完全溶脹。重復(fù)使用的泥漿必須經(jīng)過(guò)沉淀及凈化處理后且檢測(cè)合格后再使用。

3.4 旋挖鉆孔施工

橋梁墩柱垂直度較樁基垂直度要求高，因此采取墩柱部分?jǐn)U孔+下放鋼護(hù)筒方案進(jìn)行施工，將墩柱部分鉆孔直徑擴(kuò)大至2m，深度至樁柱結(jié)合面以下3m。

鉆機(jī)是關(guān)鍵設(shè)備[2]，該項(xiàng)目選用ZR360L 型旋挖鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工，該型號(hào)鉆機(jī)最大鉆孔深100m，最大鉆孔直徑2.5m。采取跳樁施工方法進(jìn)行施工，鉆機(jī)利用地面設(shè)置的4 個(gè)護(hù)樁進(jìn)行對(duì)中設(shè)置，當(dāng)護(hù)樁十字中心與鉆頭中心重合時(shí)且鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)平整度水平、鉆桿完全垂直于水平面時(shí)，即可在鉆機(jī)系統(tǒng)中鎖定相應(yīng)數(shù)值。

鉆進(jìn)時(shí)，鉆機(jī)定位準(zhǔn)確，特別是剛開(kāi)始和墩柱深度范圍內(nèi)要采用低速鉆進(jìn)，在墩柱鉆孔范圍內(nèi)鉆孔采用2臺(tái)經(jīng)緯儀時(shí)刻監(jiān)控鉆機(jī)的鉆桿垂直度。達(dá)到墩柱底標(biāo)高時(shí)，先對(duì)墩柱的平面位置和垂直度進(jìn)行檢測(cè)，利用超聲波檢測(cè)儀檢測(cè)成孔垂直度、直徑及孔壁質(zhì)量，檢測(cè)合格后更換直徑1.8m的鉆頭進(jìn)行下部樁基施工，更換鉆頭后鉆機(jī)需重新進(jìn)行對(duì)中，確保無(wú)誤后方可鉆進(jìn)。鉆孔過(guò)程中，要不斷向孔內(nèi)注入新鮮泥漿，嚴(yán)禁直接加入清水，泥漿的相對(duì)密度始終保持在1.1 左右，黏度控制在17～20Pa·s，含砂率＜2%。鉆孔深度根據(jù)地面基準(zhǔn)標(biāo)高（如護(hù)筒頂標(biāo)高）和設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高進(jìn)行計(jì)算，用測(cè)繩檢測(cè)孔深，達(dá)到相應(yīng)的設(shè)計(jì)深度后及時(shí)進(jìn)行孔徑、孔深及垂直度驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后再進(jìn)行清孔，嚴(yán)禁以超挖孔深的方法代替清孔。對(duì)于端承樁和設(shè)計(jì)有入巖要求的樁體，鉆孔過(guò)程中還需留存渣樣，用以確定樁體的實(shí)際入巖深度。

3.5 清孔施工

采用兩次清孔工藝，清孔方法根據(jù)施工設(shè)備、地層情況及鉆孔方法確定，無(wú)論采取何種方法，均需在確保孔壁穩(wěn)定的前提下進(jìn)行。該項(xiàng)目旋挖鉆孔樁最大鉆孔深度96m，成孔至澆筑混凝土需花費(fèi)大量時(shí)間，故第一次清孔尤為重要。該工程采用正循環(huán)方式進(jìn)行泥漿置換清孔，清孔后要求泥漿相對(duì)密度、黏度、含砂率及孔底沉渣厚度均滿(mǎn)足規(guī)范要求。在導(dǎo)管下放后混凝土灌注前，對(duì)泥漿性能指標(biāo)和孔底沉渣厚度進(jìn)行再次檢測(cè)，若超標(biāo)則利用導(dǎo)管作為吸泥管[3]進(jìn)行二次清孔。

3.6 鋼筋籠、鋼護(hù)筒的制作與安裝

3.6.1 鋼筋籠、鋼護(hù)筒制作

鋼筋籠、墩柱鋼護(hù)筒下放工作是該工程控制的重點(diǎn)，下放花費(fèi)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或鋼筋籠加工質(zhì)量太差易造成樁孔內(nèi)沉渣超限、鋼筋籠下放困難等問(wèn)題。墩柱鋼護(hù)筒先于鋼筋籠安裝，墩柱鋼護(hù)筒為內(nèi)徑1.8m 壁厚15mm 的螺旋焊管，長(zhǎng)17m、20m，最大重約13.4t，在工廠制作成型，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后進(jìn)行直徑、豎直度及縱軸線(xiàn)彎曲矢高檢測(cè)。為保障墩柱位置準(zhǔn)確，在墩柱鋼護(hù)筒上豎向間距每2m 對(duì)稱(chēng)設(shè)置4 個(gè)定位墊板，定位墊板采用5mm 厚鋼板制作成“U”型與鋼護(hù)筒焊接。墩柱鋼護(hù)筒采用100t 履帶吊進(jìn)行安裝，設(shè)2 吊點(diǎn)。因墩柱鋼護(hù)筒長(zhǎng)達(dá)17/20m，吊裝過(guò)程中易發(fā)生變形等問(wèn)題，故采取捆綁式吊裝，并在吊點(diǎn)位設(shè)置內(nèi)撐加強(qiáng)。

該工程鋼筋籠長(zhǎng)度94.33m，分4 節(jié)吊裝，采用數(shù)控鋼筋籠滾焊機(jī)進(jìn)行鋼筋籠加工。主筋連接采用機(jī)械接頭，同一截面鋼筋接頭按規(guī)范要求錯(cuò)開(kāi)相應(yīng)距離。節(jié)段間鋼筋籠接長(zhǎng)在孔口運(yùn)用可調(diào)節(jié)型套筒連接，此方法較傳統(tǒng)孔口焊接方法優(yōu)勢(shì)明顯，將需花費(fèi)長(zhǎng)達(dá)十余小時(shí)的孔口焊接工作縮短至3～4h，并且還能確保鋼筋軸線(xiàn)一致。鋼筋籠加工要嚴(yán)控鋼筋籠主筋間距偏差，偏差過(guò)大會(huì)造成節(jié)段連接套筒無(wú)法連接，故需在鋼筋籠加工盤(pán)上設(shè)置固定的限位裝置。

3.6.2 鋼筋籠、鋼護(hù)筒安裝

第一節(jié)鋼筋籠安裝可采用25T 履帶吊進(jìn)行下放，樁柱鋼筋籠接長(zhǎng)后最大重量達(dá)18.5t，故后續(xù)3 節(jié)采用100T履帶吊進(jìn)行鋼筋籠下放施工。每節(jié)鋼筋籠吊裝均采用2 點(diǎn)吊，2 臺(tái)吊車(chē)配合完成，吊點(diǎn)位置及每節(jié)鋼筋籠中部位置均在鋼筋籠內(nèi)部設(shè)置臨時(shí)三角撐進(jìn)行加強(qiáng)處理，吊點(diǎn)處不得有焊接不飽滿(mǎn)、咬口等焊接質(zhì)量問(wèn)題，避免在吊裝過(guò)程中出現(xiàn)鋼筋籠吊裝變形、鋼筋脫落、斷裂等質(zhì)量問(wèn)題。

鋼筋籠及墩柱鋼護(hù)筒的定位通過(guò)孔口護(hù)樁十字線(xiàn)和鋼筋籠、墩柱鋼護(hù)筒的4 根定位鋼筋十字線(xiàn)進(jìn)行控制，偏差不大于20mm，定位合格后方可落位。鋼筋籠及鋼護(hù)筒吊筋要采用熱軋光圓鋼筋，直徑大小須根據(jù)荷載計(jì)算確定。吊筋長(zhǎng)度要充分考慮搭接焊接長(zhǎng)度、孔口支撐鋼梁高度問(wèn)題，確保樁頂標(biāo)高的準(zhǔn)確性。該工程經(jīng)計(jì)算采用Ф25HPB300 鋼筋作為吊筋，在鋼筋籠和鋼護(hù)筒上分別設(shè)置2 根吊筋，吊筋采取與鋼筋籠主筋、鋼護(hù)筒單面搭接焊接，焊接長(zhǎng)度10d，吊筋分別懸吊于孔口鋼梁上，鋼梁選擇需進(jìn)行承載能力驗(yàn)算，經(jīng)計(jì)算鋼梁選用4根60鋼軌梁，鋼軌梁擱置于孔口條基上。

3.7 導(dǎo)管下放

鋼筋籠按設(shè)計(jì)標(biāo)高、位置固定好后，進(jìn)行導(dǎo)管安裝。導(dǎo)管采用鋼導(dǎo)管，內(nèi)徑一般為Ф200～350mm，該工程選用Ф300mm 鋼導(dǎo)管進(jìn)行施工，根據(jù)鉆孔深度和導(dǎo)管下放長(zhǎng)度配備導(dǎo)管標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和調(diào)整節(jié)長(zhǎng)度及數(shù)量，宜在孔口或孔底位置采用非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)導(dǎo)管，其余部位均采用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，避免在灌注混凝土?xí)r出現(xiàn)誤拆導(dǎo)管長(zhǎng)度，導(dǎo)致導(dǎo)管拔出混凝土面的情況。導(dǎo)管使用前，按規(guī)范要求進(jìn)行水壓及接頭抗拉能力檢測(cè)，檢測(cè)合格后才能使用，并不得采用氣壓試驗(yàn)代替水密承壓試驗(yàn)。

根據(jù)鉆孔深度及孔口灌注平臺(tái)的高度計(jì)算導(dǎo)管安裝所需長(zhǎng)度，以導(dǎo)管下口距孔底30～50cm 為宜。為避免導(dǎo)管下放過(guò)程卡掛鋼筋籠，鋼筋籠內(nèi)部設(shè)置的加強(qiáng)支撐鋼筋在鋼筋籠下放時(shí)，必須進(jìn)行割除，導(dǎo)管的下放位置以靠近樁孔中心為宜。

3.8 混凝土灌注

該項(xiàng)目4#、5#墩樁與柱均采用C30 水下混凝土，為確保深樁混凝土順利灌注，混凝土的和易性尤為重要，坍落度、砂率過(guò)小以及粗骨料級(jí)配偏大，混凝土灌注較困難，坍落度過(guò)大、砂率過(guò)大會(huì)影響混凝土質(zhì)量。綜合以上因素，該工程混凝土粗骨料級(jí)配選用一級(jí)級(jí)配，砂率為45%，坍落度控制在180～220mm。

超深樁基施工前，要與拌合站建立聯(lián)系，制定混凝土供應(yīng)計(jì)劃，要至少有一家備用混凝土生產(chǎn)廠家，確保混凝土及時(shí)供應(yīng)。混凝土灌注時(shí)，在料斗內(nèi)設(shè)置隔水栓，首批混凝土灌注采用大料斗，灌注速度要快、連續(xù)，灌注至樁柱結(jié)合部位時(shí)，混凝土灌注速度要慢，防止因速度過(guò)快造成墩柱鋼護(hù)筒偏位。在灌注混凝土過(guò)程中，卸管時(shí)需測(cè)量混凝土面高度，以控制卸管節(jié)數(shù)，卸管要勤拔少拔，要保持導(dǎo)管埋入混凝土的長(zhǎng)度應(yīng)為2～6m[4]。最終混凝土灌注的高程比設(shè)計(jì)頂標(biāo)高高0.5～1.0m為宜，以保證樁頭混凝土強(qiáng)度。

3.9 超深鉆孔灌注樁施工成果

該工程91m、94m 的超深樁柱各12 根，成孔過(guò)程中未出現(xiàn)塌孔、縮孔、斜孔的現(xiàn)象，墩柱及樁基垂直度、平面位置檢測(cè)全部為Ⅰ類(lèi)樁，樁身完整性經(jīng)超聲波檢測(cè)，全部合格。

4 施工技術(shù)關(guān)鍵控制點(diǎn)

4.1 堅(jiān)實(shí)的施工平臺(tái)

樁柱一體施工，墩柱部分的垂直度、平面位置比樁基要求嚴(yán)格，樁柱同時(shí)施工需以墩柱的規(guī)范要求指標(biāo)進(jìn)行控制，要控制其平面位置及垂直度，必須要有能夠承受鉆機(jī)、車(chē)輛和鋼筋籠荷載的施工平臺(tái)。

4.2 優(yōu)質(zhì)的泥漿進(jìn)行護(hù)壁

在中強(qiáng)性膨脹土地層、鈣質(zhì)結(jié)核地層施工樁柱一體的超深樁基中，必須嚴(yán)控泥漿指標(biāo)，泥漿的比重、黏度、含砂率及膠體率都是影響成孔質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

4.3 嚴(yán)控鋼筋籠下放時(shí)間

超深鉆孔樁鋼筋籠一般是由多節(jié)鋼筋籠在孔口接長(zhǎng)而成，然而從成孔到鋼筋籠下放完畢、灌注混凝土往往需要大量的時(shí)間，鋼筋籠下放時(shí)間的長(zhǎng)短嚴(yán)重影響孔壁及成樁質(zhì)量。時(shí)間過(guò)長(zhǎng)易造成孔底沉渣超限、清孔困難及孔壁坍塌的情況，故需要采取有效措施縮短鋼筋籠下放時(shí)間是超深樁基質(zhì)量控制的關(guān)鍵點(diǎn)。該工程采用嚴(yán)控鋼筋籠加工精度及鋼筋籠接長(zhǎng)運(yùn)用可調(diào)調(diào)節(jié)型套筒連接的措施，有效地縮短了鋼筋籠下放時(shí)間，為超深樁基施工提供保障。

4.4 清孔是關(guān)鍵

清孔是整個(gè)鉆孔工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。首次清孔徹底能有效降低沉渣厚度，然而，也必須進(jìn)行二次清孔[5]，二次清孔能為混凝土灌注提供良好的基礎(chǔ)條件。

4.5 全鋼護(hù)筒保證墩柱觀感質(zhì)量

對(duì)于樁柱一體的墩柱與樁基同時(shí)施工，后期墩柱開(kāi)挖后墩柱的觀感質(zhì)量一般較差。結(jié)合工程實(shí)際情況，墩柱部分采用擴(kuò)孔施工、全長(zhǎng)下鋼護(hù)筒能有效解決墩柱部分觀感質(zhì)量差的問(wèn)題。后期只需將鋼護(hù)筒表面進(jìn)行清理、涂刷防銹防腐漆即可保證觀感質(zhì)量。

4.6 嚴(yán)控混凝土配比及灌注工藝

超深鉆孔樁設(shè)計(jì)時(shí)往往未考慮備用樁，對(duì)于超深鉆孔樁的混凝土配合比的設(shè)計(jì)參數(shù)往往較一般鉆孔樁嚴(yán)格，良好的混凝土配比參數(shù)才能為超深樁基混凝土灌注提供保障。此外，混凝土灌注過(guò)程中，也需要嚴(yán)控混凝土的灌注速度及導(dǎo)管埋深等工藝參數(shù)，避免出現(xiàn)鋼筋籠、鋼護(hù)筒上浮及斷樁、夾泥的問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

在樁柱一體的橋梁結(jié)構(gòu)施工中，超深旋挖鉆孔灌注樁施工中，要嚴(yán)格按照規(guī)范、規(guī)程操作各施工工序，確保樁體、墩柱施工質(zhì)量。本文結(jié)合工程案例的分析，采用地面硬化、擴(kuò)孔施工及膨潤(rùn)土泥漿護(hù)壁措施，優(yōu)化鋼筋籠接長(zhǎng)及下放鋼護(hù)筒工藝，有效保證了樁柱一體、中強(qiáng)性膨脹土層超深旋挖鉆孔灌注樁的施工質(zhì)量及安全。