大桥大直径灌注桩施工技术

摘要：采用上部无水地带人工挖孔，下部富水地带机械成孔相结合的施工方案，既避免了全部用人工挖孔无法全部挖到位、进度慢、危险性大的缺点，又避免了全部用机械成孔速度慢、成本高的缺点，明显提高了工程进度，并大幅降低了工程成本。经综合测算，有效缩短工期1个月以上，节约投资12万元。
关键词：大桥 大直径桩 施工技术
1 工程概况
冶河大桥位于河北省井陉县境内，是连接井陉县东西两大动脉307国道和石太高速公路的连接线完善工程。全长550米，宽18米，双向四车道。线路起点位于县城微矿路上，与307国道形成菱形立交，然后跨越307国道、冶河、石铁分局井陉铁路货场及石太铁路正线，终点与石太高速公路连接。全桥设计为直线，15墩2台，基础为Φ1.8m和Φ1.5m桩基础，上部采用装配式预应力砼简支梁，桥跨布置为1*30m＋1*40m＋9*30m＋3*40m+1×50m＋1×40m，共计16孔128片梁。1#~15#墩采用Φ1.8m端承桩35根计604延米，0#、16#桥台采用Φ1.5m端承桩16根计320延米。桩端支承于破碎的弱风化白云质灰岩层上，桩底嵌入岩层深度大于1.7m以上，桩身为C25普通硅酸岩混凝土。
桥址处地层主要为填土、卵石及奥陶系中统白云质灰岩。自上而下分为3层，分别如下：
a 素填土：褐黄色，稍湿~湿，稍密~密实。土质不均，成分以粉土为主，夹粉质粘土薄层。该层在河槽地段缺失，在307国道附近厚2~3m，在5#、6#孔地带厚7m左右，层底标高209.91~213.18m。
b 卵石：杂色，中密~密实。卵石成分以灰岩、砂岩为主，一般粒径5~15cm，局部含大量漂石，充填物为砾石、砂粒及粘粒土，层厚11.60~16.20m，层底标高195.45~199.70m，容许承载力[σ]=400~600kPa。
c 弱风化白云质灰岩：灰色，隐晶质结构，中厚层状构造。岩石不完整，有溶蚀迹象，规模较小，裂隙发育，其间局部充填粘性土，岩溶发育厚度一般在基岩面下2.00~3.00m，容许承载力[σ]=1500~2500kPa。
2 施工方案的选择
由于地质情况复杂，且冶河为季节性河流，根据地质勘察报告，自然地表下8~10m以下富含地下水，且裂隙贯通，渗透速度较快，其上均为砂卵石层，干燥无水，易坍塌。根据现场实际情况，整体河床干涸，仅10#、11#墩位于主河槽处有少量流水。通过多种方案经济分析比较，决定采用人工挖孔与冲击钻成孔相结合的施工方案。即从自然地坪开始先进行人工挖孔作业(混凝土护壁)，至8~10m左右(地下水位线处)，然后采用冲击钻进行泥浆护壁机械成孔。桩身砼采用导管水下灌注。
3 关键技术
3.1 人工挖孔
根据桩直径大，土质较松散，为冲积卵石土层，地表以下8~10m内无水(地质勘测报告)，上部采用人工挖孔方法施工。：
3.1.1 平整场地、定桩位
在施工现场的控制网及高程复测完毕之后，利用各控制点首先放出桥中心线及桥中心控制桩；然后利用桥中心控制桩为控制点用经纬仪及测距仪精确定出各桩位中心桩，并对已定桩位采取钉围板或砖砌的方式精心保护。开挖前在桩孔周围钉钢筋头将中心桩引出桩孔外，待挖至1m深浇注护壁砼后再将其引至护壁上，同时在护壁上打出控制标高对挖深及桩长进行控制。
3.1.2 安装提升系统
提升架采用三角辘轳，将其置于桩孔之上，并将脚架的三条腿埋入土中不得少于30cm，以保证在使用过程中架子不会倾覆，埋完后在支腿周围压上重物。
3.1.3 桩孔挖土1m深并清底
中心桩位引护完毕后，用人工从上至下逐层开挖。孔内挖土人工用锹、镐进行，首先用镐对土进行松动，然后用锹将土翻起。如遇卵石及大量漂石时，用凿石机将其松动破碎后再挖。当挖至1m深时对桩底进行清理，将松动土全部铲起放入桶中，通过提升辘轳将余土提出桩孔外直至清完。
3.1.4 绑扎一节钢筋
孔底清理干净并将余土运出后，开始绑扎护壁钢筋。先在桩孔壁上划出加强钢筋的位置，然后打入相应数量的钢筋头并将横向加强筋固定其上；加强筋固定后，开始绑扎竖向筋，钢筋设置为φ8＠200，采用铁丝梅花绑扎法进行。
3.1.5 支一节模板
模板采用一节组合工具内定型钢模板，用尺寸350×900mm弧形钢模及拼装板组成，用U形卡连接，上下各设一道两半圆的8号槽钢内箍顶紧，不另设支撑，以便井下作业，拆上节支下节，如此循环。
3.1.6 浇一节护壁砼
护壁厚15cm(允许误差±30mm)，采用C20砼，砼护壁纵向搭接10cm。为保证接缝严密，砼在浇注过程中振捣密实，上部100mm高浇灌口浇注完毕后用砼堵塞，防止有地下水冲坏土壁。砼浇注过程中，随时用小锤敲击模板外侧以检查砼是否浇注到位。
3.2 机械成孔
根据现场地质情况，为克服大粒径卵石、漂石层的钻孔困难，选用CZ-30型冲击钻机。对于Φ1.5m桩采用外径1.5m十字型冲锤一次成孔，Φ1.8m桩采用二次成孔工艺，即先用外径1.5m十字型实心冲锤冲击成孔，再用外径1.8m圆筒空心冲锤扩孔到设计孔底，用圆形掏渣筒掏渣，并选用合理的钻进参数。
3.2.1 护壁技术
(1)泥浆的配制 由于地下水位下砂卵石层较厚且含大量漂石，造成冲孔困难且孔壁易坍塌，泥浆易漏失，因此制备高质量的泥浆显得尤为重要。本工程采用优质粘土造浆，另外掺入孔中泥浆量0.1%~0.4%的纯碱，它可以有效的提高泥浆性能指标，使粘土颗粒进行分散而不易凝结，为粘土吸收外界的正离子颗粒提供了条件，并可增加水化膜厚度，提高泥浆的胶体率和稳定性，降低失水率。
(2)设置泥浆循环系统 根据工程实际，本工程设置沉淀池及泥浆池，以使掏渣筒排渣后泥浆中的钻渣可充分沉淀。泥浆可以回流循环使用。并配备BW-160型泥浆泵一台，以便及时补浆并随钻进要求改善泥浆性能。
3.2.2 施工过程控制
(1)钻机定位时利用人工挖孔施工所形成上部钢筋砼护壁代替钢
表1 泥浆性能技术指标
相对密度
粘度(s)
含砂率(%)
胶体率(%)
稳定性(g/cm)
1.3~1.5
26~28
＜4
＞95
＜0.03
护筒进行定位导向，并保持泥浆面。冲击成孔过程中采取分离桩位、交错布置，以防止冲击振动使邻孔壁坍塌或影响邻孔刚灌注砼的凝固，相邻孔冲击施工时必须待邻孔砼灌注完毕24h或砼壁强度达到2.5MPa后，方可开钻。
(2)开钻前在孔内投入粘土，并加适量粒径不大于15cm的小片石，顶部抛平，用小冲程1m冲砸，泥浆比重1.2-1.5，钻进0.5-1.0m再回填粘土，继续以小冲程冲砸，如此反复二、三次，必要时多重复几次。
(3)在砂卵石层中冲孔时，采用中、高冲程2-4m冲砸，泥浆比重1.3左右，并及时掏渣。进入基岩后，采用低锤冲击或间断冲击，当发现偏孔时应回填片石至偏孔上方300mm-500mm处，然后重新矫正冲孔。
(4)冲击过程中遇到探头石，采用十字形钻头(焊接合金钢)低锤密击间断冲击的办法，清除障碍，同时严禁冲锤重击，防止出现坍孔。
(5)钻进过程中要经常检查并及时调整泥浆性能。如泥浆稠度太大则由于阻力作用影响钻头进尺速度，且易发生桩孔偏移；泥浆稠度太小，则钻渣难以充分悬浮，造成掏渣困难，且难以起到护壁作用。
(6)冲孔时仔细查看钢丝绳的回弹和回转情况。耳听冲击声音，借以判别孔底情况。钻进时随着进尺快慢及时放松主钢丝绳，防止打空锤现象。钻机正常工作时，每冲击1次，冲击梁上缓冲弹簧响1声，如果出现2次响声，即为打空锤，此种现象容易损坏机具，故冲孔过程中必须随时检查。
(7)当孔内泥浆含渣量增大时，将钻速减慢，并及时抽渣，抽渣时可采取以下措施：
a抽渣筒放到孔底后，要在孔底上下提放几次，使多进些钻渣，然后提出。
b采用孔口放细筛子或承渣盘等方法，使过筛后的泥浆流回孔内。
(8)为保证孔型正直，每钻进4-5m深度检孔一次。检孔器用钢筋制成，其高度为钻孔直径4倍，直径与钻头直径相同。更换钻头前，先经过检孔，并要将检孔器检到孔底方可投入新钻头。
(9)按照设计要求，桩端入岩深度必须在1.7m以上，为确保入岩深度，保证桩端承载力，进入基岩后每钻进100-500mm清孔取样一次(非桩端持力层为300-500mm；桩端持力层为100~300mm)以备终孔验收。

3.3 清孔及钢筋笼就位
本工程大直径桩均为嵌岩桩，必须清除孔底沉渣才能保证单桩承载力，因此本工程采用了二次清孔工艺。
3.3.1 首次清孔 桩身成孔后经验收合格，首先用冲击钻头泛浆，掏渣筒清孔，直到孔内泥浆比重控制在1.1~1.2之间，沉渣厚度小于5cm。
3.3.2 钢筋笼就位
(1)将验收合格的钢筋笼运至孔口，运输过程中要防止变形；
(2)采用16T吊车吊装钢筋笼入孔。吊装钢筋笼采用专用钢丝绳并带[16扁担，吊装时要对称吊点，吊点处加强，吊钩垂直于笼子中心，保证钢筋笼垂直下入孔内。
(3)由于本工程钢筋笼顶标高均在自然地面下，深度各桩不一样，根据情况笼顶设置吊筋将钢筋笼悬挂于孔口[16槽钢横担上并用钢管在孔口固定定位，以防止其偏位并发生浮笼现象。
3.3.3 二次清孔
本桥采用抽浆法进行二次清孔，可以有效地清除孔底沉渣。用空气吸泥机清孔注意事项：
(1)高压风管沉入导管内的入水深度应大于钻孔内水头到出浆口高度的1.5倍，一般不宜小于15m，但不必沉至导管底部附近。钢筋骨架须在导管吊入之前先放入。
(2)开始工作时应先向孔内供水，然后送风清孔。停止清孔时应先关气后断水，以防水头降低造成坍孔。
(3)送风量大小与钻孔深度及导管内径有关。本工程导管内径为25cm，送风量需20m3/min，风压(MPa)可按公式H/100+0.05计算，H为风管口入水深度(m)。
(4)当孔底沉淀较厚且坚实时，可适当加大送风量(送风量大则沉渣上升的速度也大，沉渣易被吸上)，并摇动导管，改变导管在孔底的位置。
(5)清孔过程中必须始终保持孔内原有水头。如孔较深，则中途宜停顿片刻，待孔内上部悬浮钻渣均匀沉淀后，再送风清孔一次。当风管口设置很低，在清孔过程中不能保持孔口水头时，不可马上停止送风，先将风管或导管提升一定高度才停止送风，以免稠浆渣将风管口堵塞。
3.4 水下砼灌注
清孔完毕应立即进行水下灌注桩身混凝土，利用清孔用导管安装初灌斗直接灌注，可缩短灌注时间。
3.4.1 混凝土配合比设计
水下砼施工必须进行专门的配合比设计。本工程采用C25普通硅酸盐砼，掺入适量DH4B缓凝高效减水剂。其配合比如表2所示。
表2 C25水下普通硅酸盐砼配合比
材料名称
水泥
(32.5级)
砂子
石子
水
DH4B缓凝高效减水剂
坍落度(mm)
材料用量(kg/m3)
450
710
1065
190
3.6
200
3.4.2 准备工作及浇注
(1)本工程采用内径250mm导管浇注水下砼，接头采用丝扣连接，用“O”形橡胶圈密封，严防漏水。下导管前进行水密性检查，检验水压为0.6~1.0MPa，不漏水为合格。
(2)首盘砼用量经计算为4.4m3，灌注前先配制0.3 m3水泥砂浆放入初灌斗，并用隔水塞(用砂球制成，外径比导管内径小2~3cm，铁丝绑扎牢固)封住初灌斗底，备足初灌砼，剪断铁丝使砼靠自重流入孔底。
(3)首盘砼灌注埋管深度不得小于1m，浇注过程中导管在砼中的埋深控制在2~4m。灌注中经常用测锤探测砼面的上升高度，并适时提升，逐级拆卸导管，保持导管的合理埋深。
(4)遇特别情况(局部严重超径、缩径、漏失层位和灌注量特别大的桩孔等)增加探测次数，同时观察返水情况，以正确分析和判断孔内的情况。
(5)浇注水下砼的最后砼面高程高出设计高程80~100cm，以保证凿除桩顶砼浮渣后满足设计要求，确保桩身砼顶质量。
(6)砼浇注过程中，及时统计每桩砼浇注量，并计算桩身砼充盈系数，每根桩作砼试块2~3组，专人填写水下砼灌注记录。
3.5 桩基检测
3.5.1本工程对所施工桩基采用低应变方法100%检测，并根据设计院要求对10号b孔及11号b孔进行现场高应变检测，对施工的3号a孔及9号a孔桩身进行了钻探取芯检验。
(1)低应变检测委托河北大地土木工程有限公司进行，所施工30根桩，根据检测报告显示整体桩身质量比较完整，除5号b桩为Ⅱ类桩外，其余29根均为Ⅰ类桩，Ⅰ类桩达96.7%。
(2)桩身高应变检测委托河北省建筑工程质量检测中心地基检测所进行，对所检测10号b 实测单桩极限承载力值25405KN，11号b实测单桩极限承载力值26152KN。高应变检测完成后将实测数据交设计院复核验算均符合设计要求。
(3)桩身钻探取芯检验委托河北地矿建设集团二分工司进行，对所检测3号a桩及9号a桩结果为：岩芯混凝土级配良好，外观良好，岩芯采取率98%，破碎带取出了代表性岩芯。
3.5.2 C25普通硅酸盐砼试块90组，经石家庄交通局质监站检验评定，均达到设计要求。
4 经济分析比较
采用上部无水地带人工挖孔，下部富水地带机械成孔相结合的施工方案，既避免了全部用人工挖孔无法全部挖到位、进度慢、危险性大的缺点，又避免了全部用机械成孔速度慢、成本高的缺点，明显提高了工程进度，并大幅降低了工程成本。经综合测算，有效缩短工期1个月以上，节约投资12万元。