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                  特殊條件下大口徑深孔鉆孔灌注樁施工技術

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                    1工程概況
                    天津濱海新區新港四號路地道設計為雙向十車道,因受津濱輕軌高架橋墩柱和基礎的影響,車道無法正常穿越。故須對津濱輕軌高架橋339#(制動墩)和340#(共用墩)墩進行基礎托換,托換基礎采用3棵φ2000mm鉆孔灌注樁和6棵φ1800mm鉆孔灌注樁。其中3棵φ2000mm鉆孔灌注樁單樁長90.00m,6棵φ1800mm鉆孔灌注樁單樁長70.00m。工程樁位于津濱輕軌高架橋下,高架橋的底高程為10.00m(大沽高程,下同),地面高程為3.00~3.50m。凈空距離僅有7.00m左右,托換基礎距離原有339#和340#橋墩僅7.50m(見下圖1)。施工后經自平衡法對試樁進行承載力檢測,達到設計要求。
                    1.1場地巖土工程條件
                    根據建設單位提供的鉆孔柱狀圖。場地地層分為9個工程地質層:
                    ①人工填土層(Qml)
                    ②新近沉積土層(Q43Nal)
                    ③第Ⅰ海相沉積土層(Q42m)
                    ④第Ⅱ陸相層(Q41al)
                    ⑤第Ⅲ陸相沖積土層(Q3eal)
                    ⑥第Ⅱ海相沉積土層(Q3dmc)
                    ⑦第Ⅳ陸相沖積土層(Q3cal)
                    ⑧第Ⅲ海相沉積土層(Q3bm)
                    ⑨第Ⅴ陸相沖積土層(Q3aal)
                    場地地下水主要為第四系孔隙潛水,靜止水位埋深約2.00m左右。
                    1.2設計要求
                    根據建設單位提供的資料
                    1.3工程特點和難點
                    (1)因距原有輕軌高架橋基礎較近,絕不允許出現塌孔或井內事故危及正在運行的輕軌。
                    (2)因受施工環境的限制,對現有的鉆機設備必須進行改造,改造后的設備必須滿足施工技術要求。
                    (3)鉆孔的垂直度要求特別高,因自平衡靜載試驗荷載箱的內徑φ0.60m,因此除考慮鋼筋籠的因素外,必須考慮由于荷載箱的存在導漿管下放、提升的難度。荷載箱位置在孔深60.00m,導漿管最大外徑φ0.37m,實際要求孔的垂直度1/500。
                    (4)鋼筋籠的制作及孔口對接,受施工場地的限制每節鋼筋籠有效長度為4.50m,共20節;鋼筋籠孔口對接后的垂直度的要求≤1/500。孔口的對接時間盡量縮短。
                    (5)由于土層較軟,采用泥漿護壁和沖渣,加上由于多節鋼筋籠孔口對接的時間較長(從提鉆桿到導漿管下放完畢約60h),第一次清孔后對孔壁的穩定性、沉渣的厚度、泥漿的性能要求較高。
                    (6)因鋼筋籠較重(含檢測管及檢測設施),理論重量36.54t,受施工場地影響大型吊車無法使用,只能利用鉆塔負責鋼筋籠孔口對接、下放。
                    2施工設備的選擇
                    根據本工程地層情況和在橋下施工的特點,選用改造后的GW-25型鉆機和GW-25B型鉆機進行施工,采用泥漿護壁正循環成孔、氣舉反循環清孔、多節鋼筋籠井口直螺紋連接、導漿管水下灌注砼成樁工藝。改造后的GW-25及GW-25B鉆機,扭矩120kN·m,提升能力達到30t,鉆塔的總高度為7.00m,鉆塔的有效高度為5.50m,機上鉆桿的總高度為4.50m,經改造后的設備滿足本工程施工技術要
                    求(見圖2)。其它主要設備有:120kW發電機組(備用);750E空壓機;φ300導管200m;KE-200測斜儀;16t吊車等。
                    3施工工藝及質量控制
                    3.1施工準備
                    3.1.1測量放線定位、布設沉降觀測點
                    工程樁的位置由建設單位測放。為及時掌握樁孔施工對原橋墩的影響,在兩側的三個橋墩上分別布設三個沉降觀測點,孔深40.00m前每天進行一次沉降觀測,孔深40m后每天進行兩次沉降觀測,發現情況及時采取補救措施。
                    3.1.2鉆頭的選擇
                    為保證樁孔垂直度,開孔采用配重合金鉆頭或滾刀鉆頭施工(至孔深30m左右),選用雙腰帶四翼梳齒式合金鉆頭鉆進至終孔。
                    3.1.3地面的硬化
                    由于表層土較軟,承載力不能滿足鉆機施工要求,對上部1.5m進行碎石墊層換填處理,在立交橋的下方開挖施工槽,長15m,寬6m,深1.5m左右,碎石和砂鋪設墊層,上鋪30㎝厚C25砼,周圍放坡,預留孔口位置。
                    3.1.4護筒的埋設
                    本工程選用壁厚10mm護筒,其內徑
                    分別為2400mm、2000mm,護筒的長度不小于3.00m。護筒埋設注意以下幾點:
                    (1)護筒中心應與樁體中心重合,偏差小于50mm,斜度小于1%;
                    (2)護筒周圍用粘土分層夯實,護筒比地表高200~300mm。確認樁孔位置無地下管道時再開孔。
                    3.2設備的安裝和泥漿的預制
                    3.2.1設備的安裝就位
                    先鋪設好導軌,在空曠的地帶把鉆機安裝在導軌上,然后在導軌上移動鉆機對準樁位點,鉆機底座基礎要牢固。鉆機轉盤水平;樁位點、轉盤中心、天車中心在同一垂線上。
                    3.2.2泥漿配制
                    開孔前制備一定數量的優質泥漿,以確保鉆進順利進行。
                    泥漿的制備和檢測設有專人負責,嚴格控制性能指標。
                    泥漿配方:鈉質膨潤土:100kg/m3(泥漿)
                    火堿:按膨潤土重量的1%摻入
                    CMC:按膨潤土重量的1%摻入
                    泥漿性能:比重:1.10~1.25
                    粘度:22~28S
                    膠體率:>95%
                    現場制備方法:先將攪拌機內注入定量水,后將按規定計算出的袋裝干式膨潤土倒入水中攪拌,同時將已按規定計算出的火堿和CMC摻入其中,攪拌均勻放入泥漿儲備池中即可。
                    3.3鉆進成孔
                    (1)開孔采用減壓鉆進,本工程φ2000mm樁選用滾刀鉆頭開孔(滾刀鉆頭鉆頭體的長度為2.00m,重量約6t),φ1800mm樁采用加配重的雙腰帶鉆頭鉆進。確保樁孔垂直度。
                    (2)鉆進過程中隨時檢查機上鉆桿的垂直度、轉盤的水平、地基沉降和護筒標高情況,仔細觀察孔內泥漿和排渣情況,發現問題及時處理。
                    (3)提鉆加鉆桿前必須把鉆頭提離孔底200~300mm,沖孔10~20min左右,再提鉆加鉆桿。加鉆桿前認真檢查鉆桿的彎曲度、法蘭盤的焊接、鉆桿的磨損情況等,杜絕不合格的鉆桿下入孔內。
                    (4)鉆孔的垂直度測量每孔不少于3次,孔深40m、80m、終孔各一次。
                    (5)泥漿指標控制:在鉆進過程中應根據地層情況選擇不同性能指標的泥漿,現場配置泥漿測定儀器,隨時測定泥漿性能。
                    不同地層泥漿性能指標詳見下表3。
                    (6)鉆孔中出現輕微漏漿及坍塌,及時整泥漿的性能,并在施工中保持好泥漿的性能指標。
                    (7)如果出現嚴重的漏漿事故,及時回灌泥漿,查明原因,再處理。
                    (8)如果出現比較嚴重的坍塌,首先回灌泥漿,用鏟車進行回填,待回填土密實后再重新鉆進。
                    3.4一次清孔
                    (1)鉆孔達到設計深度后,先用正循環清孔,把鉆頭提離孔底200~300mm左右,反轉慢掃幾次,把孔底和鉆頭上的塊狀泥塊攪碎。
                    (2)用氣舉反循環進行一次清孔根據現有的設備(正循環鉆進設備)自制混合室。具體的操作如下:①先用正循環沖孔,然后把孔內的鉆桿提出,把混合室加到離孔口深40m左右的位置上,在往下加鉆桿的同時,綁扎好孔內的風管;②檢查風管安裝情況。先啟動回灌泵,后開風管閥門,調試風量正常工作;③要有專人負責孔內的水位情況,保證泥漿的水頭高度;④一次清孔泥漿性能要求:因鋼筋籠井口對接時間較長(約20個接頭,60小時左右),必須保持孔壁的穩定性及孔內沉渣厚度。下放鋼筋籠前泥漿須保持如下性能:密度:1.15~1.20;漏斗粘度:20~22S;含砂率:不大于3%;PH值:8~10;膠體率:95%;失水量:14~20ml;泥皮厚度:小于2mm。同時應保持孔內水頭高度。
                    3.5鋼筋籠的制作、對接安放
                    3.5.1主筋連接工藝的選擇
                    φ2000mm的樁鋼筋籠配筋54D32,鋼筋籠長83.4m,需制成21節,在孔口直螺紋連接,每個籠需1134個節頭;φ1800mm的樁鋼筋籠配筋46D32,鋼筋籠長63.4m,需制成14節,每個籠需644個節頭。
                    主筋數量多,間距小、接頭數量多、采用對焊或焊接難以操作、耗時很長,因此,筋筋籠連接采用直螺紋連接。每節的長度為4m或9m。加強筋內加“△”型內支撐,超聲波檢測管每樁3根,最下端封堵,超聲波檢測管綁扎在籠子內側和鋼筋籠一起下入孔內。
                    3.5.2鋼筋籠制作
                    (1)鋼筋加工必須在水平地面上進行。鋼筋籠加工程序:鋼筋進場→鋼材試驗→單根加工→鋼筋籠成形→鋼筋籠驗收→井口打接、固定鋼筋籠。
                    (2)單根主筋加工:進料鋼筋在單根鋼筋加工前,經切割、調直,成為符合圖紙要求成型鋼筋,然后分型號分別堆放在成型鋼筋堆放場,以備取用。鋼筋調直,表面不能有油污及鐵銹。
                    (3)主筋在同一截面接頭數量不得超過50%,兩接頭間隔>1120mm。
                    (4)加勁筋按要求彎圓,環筋拉直后纏圈備用。
                    (5)鋼筋籠擺放要平整,不能有著力點不均,出現籠身架空彎曲現象。
                    (6)鋼筋扶正器用φ8mm鋼筋穿φ100mm砼圓柱體制成,每4m一組6塊等間距焊在主筋上,保證籠子居中。
                    3.5.3鋼筋籠對接
                    (1)高架橋下鋼筋籠孔口對接時,先把鉆機工作臺移開。
                    (2)預拼裝技術:為克服直螺紋連接工藝對主筋長度偏差和平面偏差的特殊影響,保證孔口對接順利,故在鋼筋籠制作時采取預拼裝技術。
                    (3)在直螺紋對接鋼筋籠的同時電焊對接檢測管。檢測管焊接部位不能進泥漿,每焊完一節檢測管,管內注滿清水,最上端封堵好.
                    (4)鋼筋籠導正墊塊按要求焊好。
                    (5)嚴禁墩籠、撞籠、扭籠及人為壓籠。
                    (6)鋼筋籠定位采用四根φ32的鋼筋固定。
                    (7)由于鋼筋籠噸位大、且高度受輕軌的影響,采用鉆機進行吊放,并采用本單位研制的釣鉤,既能保證鋼筋籠下放不變形,又能保證下籠的安全。具體操作過程如下:
                    待成孔及第一次清孔工作完成后,將鉆機轉盤后移,然后將特制的插桿板放置于機枕上,保證插桿板中心與孔口中心重合。先將第一節鋼筋籠骨架采用兩點起吊法放入孔內,待第一骨架加勁箍下至孔口位置時同時將4根插桿推入,將插桿扣住加勁箍,保證鋼筋籠骨架垂直。然后在孔口進行鋼筋籠骨架對接。在對接工作完成后將鋼筋籠吊起,抽出插桿,再將第二節鋼筋籠骨架下至孔內,重復以上步驟。為保證鋼筋籠骨架不從插桿上滑落,將插桿端部設置為鉤形;為保證插桿能承受鋼筋籠重量,在插桿后端部設置插桿套筒。
                    3.6導漿管的安放
                    導漿管直徑φ300mm,壁厚8mm,絲扣連接。
                    (1)導漿管的內壁要光滑,內徑要大小一致,連接要可靠,要有足夠的抗拉強度和良好的密封性。
                    (2)在導漿管使用前要作導漿管的密封性能試驗,壓力不小于1.2MPa,不合格的導漿管不準下入孔內。
                    (3)導漿管的下放安裝必須按密封試驗的順序自下而上依次編號,標明導漿管的長度,加好密封圈上緊絲扣,不能混亂使用。
                    (4)導管的底部離孔底300~500mm。
                    (5)派專人負責導漿管的清冼和管理。
                    3.7灌注砼前的二次清孔
                    由于鋼筋籠的搭接時間較長,鉆孔較深,孔內的沉渣可能較厚(以具體測量為準),用正循環清孔難以達到設計要求,故采用氣舉反循環清孔。詳見下圖4。
                    (1)混合室一般下到離孔口35.00m左右,導管下完后,出漿管和風管一起下入導管內,出漿管、風管一起和導管帽上的出漿管、風管連接好,然后導管帽和導管連接一起,把地表的出漿管、風管連接好。
                    (2)開動空壓機送風,清孔達到要求后,把出漿管、風管撥出,安放灌漿斗。
                    3.8混凝土灌注
                    (1)初灌量控制
                    根據《公路橋涵施工技術規范》,首盤砼的容量最小應滿足下式所需的V:
                    V=h1×3.14d2/4+Hc×3.14D2/4
                    式中V-首盤砼最小容量(m3)
                    經計算初灌量V=10m3。
                    (2)初灌量選用提蓋板壓球旦法,即用球旦作隔離塞。自制一個3m3的儲料斗,在灌注時,先把儲料斗灌滿,把裝滿8m3砼車開到儲灌斗旁,提起儲料斗蓋板的同時,連續放出砼車內的砼,中間不得中斷。保證導管的初埋深度。
                    (3)在灌注過程中,保持灌注砼的連續性,現場備用砼車不少于2輛。
                    (4)用細鋼絲繩作為測繩。專人負責探測砼上升高度,每次拔管前必須探測砼上升高度,保持導管埋深2~6m,嚴禁導管拔出砼面。
                    (5)每車砼必須檢查砼的坍落度,坍落度不合格嚴禁使用。
                    (6)為防止大塊粗骨料卡管,在漏斗上安裝50mm×50mm網格的篩子。
                    (7)樁頂標高的控制:最后一次控制砼的灌注高度必須多測量幾個砼面點,同時采用自制砼打撈筒進行控制。
                    4施工中容易出現的問題及預防措施
                    4.1成孔部分
                    4.1.1孔口坍塌
                    孔口附近的載荷較重,土質較松散,長期被水浸泡;護筒太短,護筒底部沒有埋沒在粘土層(粉質粘土層);護筒周圍的土沒有填密實,或護筒太薄被土擠壓變型。
                    預防措施:確保護筒的厚度不小于10mm,護筒底部埋沒在粘土層(粉質粘土層),護筒的長度不小于3.00m。護筒周圍用粘土填密實,護筒高出地表200~300mm。
                    4.1.2鉆孔坍塌
                    因鉆孔的直徑較大,施工鉆孔的時間較長,加上地層的因素,在鉆進的過程中往往出現坍孔現象;施工中長時間外部停電也是造成坍孔的原因。
                    預防措施:①在施工過程中保持鉆孔內的水頭高度,專人看管泥漿,泥漿密度大于1.15,漏斗粘度大于20S;②針對砂層、粉砂層配制優質的泥漿,控制進尺速度;③儲備一定數量的優質泥漿,發現孔內漏失及時補漿。④備用鏟車及時回填,備用柴油發電機組及時提供動力。
                    4.1.3孔斜
                    由于鉆孔較深,加上地層、操作工藝、鉆頭的加工精度、鉆桿的彎曲度等因素常常使鉆孔的垂直度達不到設計要求。
                    預防措施:在成孔施工中除保持鉆機三點一線,保持鉆桿、鉆具垂直外還應采取以下措施:①提高鉆頭的加工精度,通過工裝工法加工精確的鉆頭。彎曲的鉆桿杜絕下入孔內;②開孔必須采取滾刀減壓鉆進。
                    4.1.4斷鉆桿
                    孔內斷鉆,除鉆桿的質量因素、鉆孔深度、孔內阻力、工作時間長外,還與操作方法有關。
                    預防措施:①在下鉆具、鉆桿時認真檢查鉆具鉆桿的質量,不合格的鉆具鉆桿不準下入孔內;②仔細觀察鉆進參數,發現異常及時停止鉆進,提鉆檢查孔內鉆具、鉆桿的情況;③根據以往的施工經驗,在孔深40m米時,必須上鉆檢查鉆頭、鉆桿在孔內使用情況,同時檢測其垂直度。
                    5結束語
                    天津濱海新區輕軌基礎托換工程除樁徑較大、鉆孔較深的因素外,因受場地的限制,施工難度增大,風險大。大口徑深孔鉆孔灌注樁是隱蔽工程,而且工序繁多,出現質量事故難以補救。本工程在施工過程中通過對鉆機的改造,加強質量控制,認真研究新的施工方法和工藝流程,嚴格各項工序的質量管理,保證了鉆孔灌注樁的質量,施工期內339#和340#墩的沉降量均不到1mm,單樁承載力和樁身質量滿足設計要求,取得了良好的經濟效益和社會效益。

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