基于粉、砂類土質(zhì)中大直徑深孔樁施工技術(shù)

趙國(guó)英

摘要：依托雄忻高鐵五臺(tái)山機(jī)場(chǎng)特大橋樁基施工，針對(duì)跨滹沱河連續(xù)梁大直徑深孔樁在粉、砂類地質(zhì)環(huán)境中的施工以及施工過程中所存在的問題，闡述樁基礎(chǔ)施工方法，并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比及總結(jié)，通過對(duì)鉆孔灌注樁的施工工藝對(duì)比、調(diào)整護(hù)筒長(zhǎng)度、問題處理等相關(guān)施工成孔技術(shù)的歸納，確保施工效率和施工質(zhì)量，從而為此類地質(zhì)下大直徑深孔樁基礎(chǔ)施工提供參考。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；大直徑深孔樁；粉、砂類地質(zhì)；成孔技術(shù)

1? ?工程概況

五臺(tái)山機(jī)場(chǎng)特大橋全長(zhǎng)28569.92m，含雙線簡(jiǎn)支箱梁837榀，涉及跨越既有公路、鐵路、河流等特殊結(jié)構(gòu)7處，主要施工內(nèi)容為橋梁轉(zhuǎn)體、支架及懸臂澆筑。其中跨滹沱河處采用（60+100+60）m雙線連續(xù)箱梁懸臂澆筑。

2? ?鉆孔施工技術(shù)要點(diǎn)

2.1? ?施工準(zhǔn)備

根據(jù)平面控制網(wǎng)及高程控制網(wǎng)，對(duì)測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行加密布置，確保施工所用基準(zhǔn)點(diǎn)的準(zhǔn)確性和便捷性。整平、壓實(shí)施工現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件及有無地表水等情況，采用機(jī)械對(duì)施工作業(yè)所需范圍內(nèi)場(chǎng)地進(jìn)行平整，使其滿足壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

施工范圍內(nèi)作業(yè)功能區(qū)，按照標(biāo)準(zhǔn)化施工要求劃分，進(jìn)行三級(jí)技術(shù)交底，針對(duì)不同的地質(zhì)嚴(yán)格要求泥漿制備及施工指標(biāo)。準(zhǔn)備施工現(xiàn)場(chǎng)所需發(fā)電機(jī)、電焊機(jī)、泥漿分離器、泥漿泵、水泵、枕木等各類設(shè)備及工具。

2.2? ?護(hù)筒埋設(shè)

本工程鋼護(hù)筒采用1cm厚鋼板制作，護(hù)筒直徑大于樁徑20cm（樁直徑2.2m），結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)要求，護(hù)筒需深入設(shè)計(jì)樁頂50cm，地面外露50cm，故按照11～12m制作，或制作為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段現(xiàn)場(chǎng)焊接。測(cè)放樁位中心，埋設(shè)護(hù)筒，控制護(hù)筒傾斜度≤1%，施作“十字”護(hù)樁，隨時(shí)復(fù)測(cè)。

2.3? ?制備泥漿

選合適位置放置成品鋼制泥漿箱，減少泥漿對(duì)環(huán)境的污染。泥漿一次儲(chǔ)存量為1.5倍單孔容量。常用泥漿為膨潤(rùn)土參加外加劑配制，特殊地質(zhì)可采用化學(xué)泥漿進(jìn)行成孔作業(yè)。泥漿的配制應(yīng)在符合規(guī)范指標(biāo)要求的同時(shí)滿足現(xiàn)場(chǎng)施工，突出泥漿的護(hù)壁效果[1]。

2.4? ?鉆孔作業(yè)

鉆進(jìn)前調(diào)整鉆機(jī)，使鉆桿中心與樁位對(duì)正，呈現(xiàn)豎直狀態(tài)。開始鉆孔時(shí)應(yīng)低壓、慢鉆，以確保孔壁上部形成泥皮，達(dá)到泥漿護(hù)壁效果。鉆進(jìn)過程中按照18～22r/min進(jìn)行均勻鉆進(jìn)，且鉆桿提升時(shí)應(yīng)緩慢，同時(shí)保證鉆進(jìn)時(shí)泥漿液面高度，減少鉆頭在升降過程中擾動(dòng)孔壁。鉆至設(shè)計(jì)孔底深度附近時(shí)降低鉆進(jìn)速度，控制樁基超鉆。鉆進(jìn)過程中，根據(jù)鉆進(jìn)深度及地質(zhì)情況及時(shí)留取渣樣[2]。

2.5? ?清孔作業(yè)

成孔后請(qǐng)監(jiān)理單位對(duì)孔型、孔經(jīng)、孔深、傾斜度進(jìn)行驗(yàn)收，驗(yàn)收完成后采用泥漿置換法對(duì)成孔作業(yè)泥漿進(jìn)行置換，確保置換后的泥漿指標(biāo)滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

2.6? ?鋼筋籠的制作與吊裝

2.6.1? ?鋼筋籠制作

樁基礎(chǔ)所用鋼筋籠均為廠內(nèi)集中加工，加工前針對(duì)樁長(zhǎng)對(duì)鋼筋籠下料長(zhǎng)度進(jìn)行合理規(guī)劃，以使原材最大化利用。對(duì)于連續(xù)梁鋼筋籠的焊接，盡量在廠內(nèi)焊接為成品大節(jié)段，以減少孔內(nèi)焊接作業(yè)時(shí)間。縱向鋼筋接頭采用同軸雙面焊接，并按批次進(jìn)行定量抽檢，保證鋼筋籠焊接質(zhì)量。一般采用隨車起重機(jī)進(jìn)行鋼筋籠吊裝、運(yùn)輸，針對(duì)特殊孔跨大節(jié)段鋼筋籠，應(yīng)設(shè)計(jì)專用炮車進(jìn)行運(yùn)輸，以減少成品鋼筋籠的變形[3]。

2.6.2? ?鋼筋籠安裝

鋼筋籠的安裝主要為人工配合機(jī)械進(jìn)行吊裝，現(xiàn)場(chǎng)采用汽車起重機(jī)對(duì)鋼筋籠采取三點(diǎn)起吊，以防止發(fā)生較大變形。鋼筋籠進(jìn)行孔口焊接時(shí)采用穿筋撐杠，固定于護(hù)筒兩側(cè)的方形枕木之上，孔口在護(hù)筒安裝后進(jìn)行夯實(shí)整平。枕木主要用于鋼筋籠孔口焊接和灌注混凝土?xí)r對(duì)鋼筋籠進(jìn)行固定，相較于放置于護(hù)筒上，可有效確保鋼筋籠的穩(wěn)定性。

2.7? ?混凝土灌注

2.7.1? ?導(dǎo)管選取與安裝

常用的導(dǎo)管連接方式主要為搭接式、法蘭式、卡箍式，為了實(shí)現(xiàn)快速安裝，現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)管采用繩卡式連接方式，其較其他傳統(tǒng)方法更為便捷、快速。導(dǎo)管直徑應(yīng)不小于300mm，同時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行導(dǎo)管定制。導(dǎo)管安裝后進(jìn)行水密承壓試驗(yàn)，以確保導(dǎo)管能夠承受在混凝土灌注過程所形成的負(fù)壓力[4]。

2.7.2? ?混凝土灌注

混凝土灌注時(shí)配置不小于3m3混凝土料斗。混凝土開始灌注時(shí)不停歇補(bǔ)充料斗內(nèi)混凝土，使混凝土連續(xù)灌注不小于7.96m3，保證混凝土首封成功，且導(dǎo)管埋深不小于1m。灌注過程中不斷測(cè)量導(dǎo)管長(zhǎng)度與混凝土頂面高程，確保導(dǎo)管不被超拔、不埋置過深。樁基超灌不得少于80cm且不小于設(shè)計(jì)要求。

3? ?施工常見問題及處理

3.1? ?卡鉆

3.1.1? ?原因分析

粉土中砂類顆粒含量較高，其地質(zhì)及力學(xué)特征接近于砂土性質(zhì)。其黏性土顆粒含量較高時(shí)，其地質(zhì)及力學(xué)特征接近于黏土性質(zhì)，因此具有砂土和黏性土的雙重特性。鉆頭進(jìn)入黏土層時(shí)，其鉆頭上下范圍段落地質(zhì)主要呈現(xiàn)黏土性質(zhì)，通過土體內(nèi)部結(jié)合水作用呈現(xiàn)軟塑狀態(tài)。大直徑深樁基礎(chǔ)底部孔壁外部壓力大，且由于孔徑較大孔壁穩(wěn)定性差，導(dǎo)致其形成初步孔壁縮徑。

鉆頭與孔壁粉土（體現(xiàn)黏土性質(zhì)）及黏土摩擦力增大的同時(shí)，進(jìn)一步形成封閉界面。加之操作手施工經(jīng)驗(yàn)不足，暫停之后急于提升鉆頭，導(dǎo)致鉆頭下方形成壓力差，即會(huì)發(fā)生黏吸卡鉆現(xiàn)象。發(fā)生卡鉆后由于現(xiàn)場(chǎng)處理不及時(shí)，機(jī)械對(duì)孔內(nèi)土體擾動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，造成孔內(nèi)局部坍塌。長(zhǎng)時(shí)間泥漿未循環(huán)引發(fā)沉砂、鉆頭上部覆土，最終導(dǎo)致鉆機(jī)無法轉(zhuǎn)動(dòng)和提升[5]。

3.1.2? ?處理措施

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，在既有孔內(nèi)下放導(dǎo)管，利用氣舉反循環(huán)原理進(jìn)行覆土清除及泥漿護(hù)壁。但清孔效果不佳，且伴隨局部小型塌孔。

重新測(cè)定泥漿指標(biāo)，具體指標(biāo)如下：泥漿比重為1.24g/cm3，含砂率為0.5%，粘度為24s。循環(huán)泥漿漿液，同時(shí)在泥漿中增加纖維素、石灰粉進(jìn)行調(diào)整，以減少泥漿含水率，增強(qiáng)泥漿整體穩(wěn)定性。經(jīng)過調(diào)整泥漿比重為1.29g/cm3，含砂率為0.3%，粘度為30s。

調(diào)整泥漿后，采用正循環(huán)進(jìn)行鉆頭頂部覆土清理。清理過程中孔內(nèi)孔壁穩(wěn)定性較好，未發(fā)生新的塌孔，但整體施工速度較慢。現(xiàn)場(chǎng)研究，決定采用正循環(huán)和氣舉反循環(huán)同時(shí)進(jìn)行清孔。此次兩種方式的結(jié)合帶來了很好的清孔效果，通過不斷清孔，完成鉆頭頂部覆土清理。

此時(shí)鉆頭雖能轉(zhuǎn)動(dòng)，但仍無法提起鉆桿。采用500t起重機(jī)配合鉆機(jī)進(jìn)行提鉆，效果仍不理想。通過分析認(rèn)為，無法提鉆仍存在上下空間壓力差。現(xiàn)場(chǎng)在氣舉反循環(huán)的導(dǎo)管端部增設(shè)圓形鋼筋導(dǎo)向環(huán)，通過進(jìn)一步循環(huán)鉆進(jìn)，清理鉆頭周邊土體，。持續(xù)3h后鉆機(jī)恢復(fù)正常轉(zhuǎn)動(dòng)和升降功能。

3.1.3? ?預(yù)防措施

滿足規(guī)范要求的同時(shí)，對(duì)泥漿指標(biāo)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。在指定壓力狀態(tài)下確定泥漿的比重、黏度、PH值、泥皮厚度及失水量，進(jìn)而在原有基礎(chǔ)之上突破規(guī)范取值范圍，尋求與地層相適應(yīng)的合理泥漿指標(biāo)，增加泥漿整體穩(wěn)定性、護(hù)壁能力的同時(shí)，提升其懸浮砂粒的能力，減緩沉砂速度。在粉、砂土質(zhì)下進(jìn)行大直徑深孔樁鉆孔過程中，需不停活動(dòng)鉆具，防止沉砂過快產(chǎn)生卡鉆。同時(shí)減慢該地層中的鉆進(jìn)速度，在鉆頭產(chǎn)生輕微阻力時(shí)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)孔壁進(jìn)行上下掃孔，避免形成黏性吸鉆。

旋挖鉆在黏土質(zhì)粉土中鉆進(jìn)時(shí)，要充分考慮地層段縮徑現(xiàn)象，通過增大泥漿比重調(diào)整孔內(nèi)壓力，同時(shí)每鉆進(jìn)一段進(jìn)行一段掃孔作業(yè)，確保施工孔徑。

3.2? ?孔口或孔壁溜塌

3.2.1? ?原因分析

孔口或孔壁溜塌的原因如下：一是樁基處于地表水及地下水位較高地質(zhì)時(shí)，孔外靜水壓力較大，由于孔內(nèi)泥漿比重和泥漿水頭高度不足，造成孔壁內(nèi)外壓差，導(dǎo)致孔口或孔壁坍塌。二是由于初始鉆進(jìn)速度過快，泥皮厚度不足，未能形成有效護(hù)壁效果，造成粉、砂層地質(zhì)滲水較大，導(dǎo)致孔壁溜塌。三是孔口周邊布置不合理，大型機(jī)械振動(dòng)干擾大。四是鉆機(jī)操作不當(dāng)和鋼筋籠對(duì)地層擾動(dòng)較大，孔壁發(fā)生坍塌。

3.2.2? ?處理及預(yù)防措施

合理規(guī)劃場(chǎng)地布置，重型機(jī)械及較大動(dòng)荷載遠(yuǎn)離樁基礎(chǔ)布置。在粉、砂地質(zhì)中增加護(hù)筒防護(hù)長(zhǎng)度，或采用護(hù)筒嵌套施工，同時(shí)對(duì)護(hù)筒周邊填土進(jìn)行夯實(shí)和防水處理。合理調(diào)配泥漿，滿足規(guī)范要求的同時(shí)，針對(duì)地質(zhì)特點(diǎn)調(diào)整泥漿指標(biāo)，適當(dāng)突破規(guī)范值范圍。及時(shí)補(bǔ)充孔內(nèi)泥漿水頭高度，確保孔內(nèi)壓力。

孔口作業(yè)時(shí)，放慢鉆進(jìn)速度，反復(fù)旋轉(zhuǎn)鉆頭，確保泥皮厚度，以保證孔口護(hù)壁效果。減少鉆機(jī)升降和鋼筋籠下放時(shí)對(duì)孔壁的碰撞和擾動(dòng)，同時(shí)做好資源調(diào)配工作，縮短工序時(shí)間。

3.3? ?導(dǎo)管混凝土堵塞

3.3.1? ?原因分析

導(dǎo)管混凝土堵塞的原因如下：導(dǎo)管距孔底的距離過小，混凝土無法順利上翻，導(dǎo)致混凝土堵塞導(dǎo)管。灌注作業(yè)時(shí)，導(dǎo)管長(zhǎng)時(shí)間未進(jìn)行上拔取節(jié)，導(dǎo)致埋深過大，導(dǎo)管內(nèi)混凝土無法壓入孔內(nèi)，造成堵管。混凝土施工配合比未進(jìn)行合理調(diào)控，材料質(zhì)量參差不齊，導(dǎo)致混凝土和易性差，流動(dòng)性小，現(xiàn)場(chǎng)灌注時(shí)混凝土離析。大直徑深樁未清孔或未進(jìn)行泥漿置換，灌注作業(yè)時(shí)泥漿比重過大，混凝土壓力不足無法壓入。孔口處的空樁較長(zhǎng)，導(dǎo)管內(nèi)外壓力差較大，混凝土體量不足以上浮泥漿，造成導(dǎo)管堵塞。導(dǎo)管接口密封不嚴(yán)，管內(nèi)進(jìn)入泥漿，混凝土發(fā)生離析，產(chǎn)生堵管。

3.3.2? ?處理及預(yù)防措施

作業(yè)前對(duì)導(dǎo)管進(jìn)行水密承壓試驗(yàn)，合格后進(jìn)行混凝土灌注。導(dǎo)管安裝時(shí)檢查安裝效果，同時(shí)根據(jù)實(shí)測(cè)孔深計(jì)算導(dǎo)管安裝長(zhǎng)度，確保導(dǎo)管底部距離孔底距離不小于0.3m且不宜超過0.5m。灌注作業(yè)時(shí)，及時(shí)進(jìn)行混凝土頂面量測(cè)，計(jì)算導(dǎo)管埋置深度，及時(shí)進(jìn)行導(dǎo)管提升和取節(jié)。首封混凝土導(dǎo)管埋深不小于1m，正常灌注段落保持導(dǎo)管埋深2～6m，特殊情況不得超過8m。施工過程中嚴(yán)控混凝土原材料質(zhì)量，同時(shí)及時(shí)完成班前原材料檢測(cè)，動(dòng)態(tài)調(diào)整施工配合比，確保混凝土施工和易性差，保證混凝土質(zhì)量。成孔完畢后，根據(jù)地質(zhì)情況及時(shí)進(jìn)行清空作業(yè)，確保泥漿比重不影響混凝土灌注，同時(shí)計(jì)算空樁范圍內(nèi)泥漿壓力，適當(dāng)提高樁頭高度。

3.4? ?導(dǎo)管卡死

3.4.1? ?原因分析

導(dǎo)管卡死原因如下：樁基深度較大，導(dǎo)管安裝不平順，導(dǎo)管傾斜后與鋼筋籠卡死。進(jìn)行灌注作業(yè)時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間未進(jìn)行拔管，導(dǎo)管埋深較大。

3.4.2? ?處理及預(yù)防措施

鋼筋籠安裝要定位準(zhǔn)確，導(dǎo)管安裝時(shí)檢查安裝效果，確保導(dǎo)管安裝緊固、豎直、居中。灌注作業(yè)時(shí)，及時(shí)進(jìn)行導(dǎo)管埋設(shè)深度計(jì)算，正常灌注段落保持導(dǎo)管埋深2～6m，特殊情況不超過8m，同時(shí)在作業(yè)過程中小幅度抽拔導(dǎo)管。大直徑深樁施工前優(yōu)化資源配置，保證混凝土供應(yīng)速度，縮短澆筑作業(yè)時(shí)間。

3.5? ?縮徑

3.5.1? ?原因分析

粉、砂類樁基縮徑問題主要發(fā)生在粉質(zhì)地層，粉土本身具有黏土性質(zhì)，在一定的條件下產(chǎn)生較大的塑性變形。當(dāng)孔內(nèi)泥漿比重不足以抵抗孔外土體壓力，且成孔時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，土體膨脹便發(fā)生縮徑。

3.5.2? ?處理及預(yù)防措施

調(diào)配泥漿指標(biāo)，增加泥漿泥皮厚度，同時(shí)增大泥漿比重，加大孔內(nèi)壓力。鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)對(duì)縮徑地層段進(jìn)行反復(fù)掃孔，確保孔徑。各工序間銜接有序，縮短樁基作業(yè)時(shí)間。

3.6? ?斷樁

3.6.1? ?原因分析

斷樁的原因如下：混凝土施工配合比不準(zhǔn)確，混凝土質(zhì)量不穩(wěn)定。混凝土頂面測(cè)量不準(zhǔn)確，導(dǎo)管埋深計(jì)算錯(cuò)誤，導(dǎo)管拔出混凝土面。混凝土灌注過程中，發(fā)生孔內(nèi)局部坍塌，土體進(jìn)入混凝土內(nèi)部形成斷樁。

3.6.2? ?處理及預(yù)防措施

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)混凝土原材料試驗(yàn)指標(biāo)，及時(shí)調(diào)整混凝土施工配合比，提高混凝土拌和質(zhì)量，確保現(xiàn)場(chǎng)混凝土有良好的施工和易性。灌注混凝土設(shè)專人帶班作業(yè)，準(zhǔn)確測(cè)量混凝土頂面深度，準(zhǔn)確計(jì)算導(dǎo)管埋置深度，控制拔管長(zhǎng)度。控制清空后泥漿指標(biāo)和泥漿水頭高度，確保孔內(nèi)壓力。縮短成孔、鋼筋籠安裝及混凝土灌注作業(yè)時(shí)間。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用旋挖鉆能夠快速完成粉、砂類地質(zhì)中的大直徑深孔樁基成孔作業(yè)。粉、砂類地質(zhì)中大直徑深孔樁，對(duì)于泥漿指標(biāo)要求較高，施工時(shí)除了滿足規(guī)范要求外，還應(yīng)通過試樁或模擬試驗(yàn)適當(dāng)調(diào)整泥漿指標(biāo)，確保粉、砂類地層中形成較厚的泥皮，減少失水。同時(shí)可通過纖維素等外加材料，提高泥漿膠體率和其穩(wěn)定性。對(duì)于粉、砂類地質(zhì)發(fā)生的埋鉆問題，可采用小型正循環(huán)鉆機(jī)配合氣舉反循環(huán)能夠有效完成孔內(nèi)覆土清理。對(duì)于大直徑深孔樁在粉、砂類地質(zhì)中的施工，必須從管理上高度重視，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，做好技術(shù)培訓(xùn)工作，配足資源儲(chǔ)備，緊密銜接工序，縮短各個(gè)工作時(shí)間，從而快速完成大直徑深孔樁的灌注施工，減少長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)帶來的各種施工風(fēng)險(xiǎn)。

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