冶河大橋大直徑灌注樁施工技術(shù)

1 工程概況

冶河大橋位于河北省井陘縣境內(nèi)，是連接井陘縣東西兩大動(dòng)脈307國(guó)道和石太高速公路的連接線完善工程。全長(zhǎng)550米，寬18米，雙向四車道。線路起點(diǎn)位于縣城微礦路上，與307國(guó)道形成菱形立交，然后跨越307國(guó)道、冶河、石鐵分局井陘鐵路貨場(chǎng)及石太鐵路正線，終點(diǎn)與石太高速公路連接。全橋設(shè)計(jì)為直線，15墩2臺(tái)，基礎(chǔ)為Φ1.8m和Φ1.5m樁基礎(chǔ)，上部采用裝配式預(yù)應(yīng)力砼簡(jiǎn)支梁，橋跨布置為1*30m＋1*40m＋9*30m＋3*40m+1×50m＋1×40m，共計(jì)16孔128片梁。1#~15#墩采用Φ1.8m端承樁35根計(jì)604延米，0#、16#橋臺(tái)采用Φ1.5m端承樁16根計(jì)320延米。樁端支承于破碎的弱風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r層上，樁底嵌入巖層深度大于1.7m以上，樁身為C25普通硅酸巖混凝土。

橋址處地層主要為填土、卵石及奧陶系中統(tǒng)白云質(zhì)灰?guī)r。自上而下分為3層，分別如下：

a 素填土：褐黃色，稍濕~濕，稍密~密實(shí)。土質(zhì)不均，成分以粉土為主，夾粉質(zhì)粘土薄層。該層在河槽地段缺失，在307國(guó)道附近厚2~3m，在5#、6#孔地帶厚7m左右，層底標(biāo)高209.91~213.18m。

b 卵石：雜色，中密~密實(shí)。卵石成分以灰?guī)r、砂巖為主，一般粒徑5~15cm，局部含大量漂石，充填物為礫石、砂粒及粘粒土，層厚11.60~16.20m，層底標(biāo)高195.45~199.70m，容許承載力[σ]=400~600kPa。

c 弱風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r：灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造。巖石不完整，有溶蝕跡象，規(guī)模較小，裂隙發(fā)育，其間局部充填粘性土，巖溶發(fā)育厚度一般在基巖面下2.00~3.00m，容許承載力[σ]=1500~2500kPa。

2 施工方案的選擇

由于地質(zhì)情況復(fù)雜，且冶河為季節(jié)性河流，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，自然地表下8~10m以下富含地下水，且裂隙貫通，滲透速度較快，其上均為砂卵石層，干燥無(wú)水，易坍塌。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，整體河床干涸，僅10#、11#墩位于主河槽處有少量流水。通過(guò)多種方案經(jīng)濟(jì)分析比較，決定采用人工挖孔與沖擊鉆成孔相結(jié)合的施工方案。即從自然地坪開始先進(jìn)行人工挖孔作業(yè)(混凝土護(hù)壁)，至8~10m左右(地下水位線處)，然后采用沖擊鉆進(jìn)行泥漿護(hù)壁機(jī)械成孔。樁身砼采用導(dǎo)管水下灌注。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 人工挖孔

根據(jù)樁直徑大，土質(zhì)較松散，為沖積卵石土層，地表以下8~10m內(nèi)無(wú)水(地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告)，上部采用人工挖孔方法施工。：

3.1.1 平整場(chǎng)地、定樁位

在施工現(xiàn)場(chǎng)的控制網(wǎng)及高程復(fù)測(cè)完畢之后，利用各控制點(diǎn)首先放出橋中心線及橋中心控制樁；然后利用橋中心控制樁為控制點(diǎn)用經(jīng)緯儀及測(cè)距儀精確定出各樁位中心樁，并對(duì)已定樁位采取釘圍板或磚砌的方式精心保護(hù)。開挖前在樁孔周圍釘鋼筋頭將中心樁引出樁孔外，待挖至1m深澆注護(hù)壁砼后再將其引至護(hù)壁上，同時(shí)在護(hù)壁上打出控制標(biāo)高對(duì)挖深及樁長(zhǎng)進(jìn)行控制。

3.1.2 安裝提升系統(tǒng)

提升架采用三角轆轤，將其置于樁孔之上，并將腳架的三條腿埋入土中不得少于30cm，以保證在使用過(guò)程中架子不會(huì)傾覆，埋完后在支腿周圍壓上重物。

3.1.3 樁孔挖土1m深并清底

中心樁位引護(hù)完畢后，用人工從上至下逐層開挖。孔內(nèi)挖土人工用鍬、鎬進(jìn)行，首先用鎬對(duì)土進(jìn)行松動(dòng)，然后用鍬將土翻起。如遇卵石及大量漂石時(shí)，用鑿石機(jī)將其松動(dòng)破碎后再挖。當(dāng)挖至1m深時(shí)對(duì)樁底進(jìn)行清理，將松動(dòng)土全部鏟起放入桶中，通過(guò)提升轆轤將余土提出樁孔外直至清完。

3.1.4 綁扎一節(jié)鋼筋

孔底清理干凈并將余土運(yùn)出后，開始綁扎護(hù)壁鋼筋。先在樁孔壁上劃出加強(qiáng)鋼筋的位置，然后打入相應(yīng)數(shù)量的鋼筋頭并將橫向加強(qiáng)筋固定其上；加強(qiáng)筋固定后，開始綁扎豎向筋，鋼筋設(shè)置為φ8＠200，采用鐵絲梅花綁扎法進(jìn)行。

3.1.5 支一節(jié)模板

模板采用一節(jié)組合工具內(nèi)定型鋼模板，用尺寸350×900mm弧形鋼模及拼裝板組成，用U形卡連接，上下各設(shè)一道兩半圓的8號(hào)槽鋼內(nèi)箍頂緊，不另設(shè)支撐，以便井下作業(yè)，拆上節(jié)支下節(jié)，如此循環(huán)。

3.1.6 澆一節(jié)護(hù)壁砼

護(hù)壁厚15cm(允許誤差±30mm)，采用C20砼，砼護(hù)壁縱向搭接10cm。為保證接縫嚴(yán)密，砼在澆注過(guò)程中振搗密實(shí)，上部100mm高澆灌口澆注完畢后用砼堵塞，防止有地下水沖壞土壁。砼澆注過(guò)程中，隨時(shí)用小錘敲擊模板外側(cè)以檢查砼是否澆注到位。

3.2 機(jī)械成孔

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，為克服大粒徑卵石、漂石層的鉆孔困難，選用CZ-30型沖擊鉆機(jī)。對(duì)于Φ1.5m樁采用外徑1.5m十字型沖錘一次成孔，Φ1.8m樁采用二次成孔工藝，即先用外徑1.5m十字型實(shí)心沖錘沖擊成孔，再用外徑1.8m圓筒空心沖錘擴(kuò)孔到設(shè)計(jì)孔底，用圓形掏渣筒掏渣，并選用合理的鉆進(jìn)參數(shù)。

3.2.1 護(hù)壁技術(shù)

(1)泥漿的配制 由于地下水位下砂卵石層較厚且含大量漂石，造成沖孔困難且孔壁易坍塌，泥漿易漏失，因此制備高質(zhì)量的泥漿顯得尤為重要。本工程采用優(yōu)質(zhì)粘土造漿，另外摻入孔中泥漿量0.1%~0.4%的純堿，它可以有效的提高泥漿性能指標(biāo)，使粘土顆粒進(jìn)行分散而不易凝結(jié)，為粘土吸收外界的正離子顆粒提供了條件，并可增加水化膜厚度，提高泥漿的膠體率和穩(wěn)定性，降低失水率。

(2)設(shè)置泥漿循環(huán)系統(tǒng) 根據(jù)工程實(shí)際，本工程設(shè)置沉淀池及泥漿池，以使掏渣筒排渣后泥漿中的鉆渣可充分沉淀。泥漿可以回流循環(huán)使用。并配備BW-160型泥漿泵一臺(tái)，以便及時(shí)補(bǔ)漿并隨鉆進(jìn)要求改善泥漿性能。

3.2.2 施工過(guò)程控制

(1)鉆機(jī)定位時(shí)利用人工挖孔施工所形成上部鋼筋砼護(hù)壁代替鋼

表1 泥漿性能技術(shù)指標(biāo)

護(hù)筒進(jìn)行定位導(dǎo)向，并保持泥漿面。沖擊成孔過(guò)程中采取分離樁位、交錯(cuò)布置，以防止沖擊振動(dòng)使鄰孔壁坍塌或影響鄰孔剛灌注砼的凝固，相鄰孔沖擊施工時(shí)必須待鄰孔砼灌注完畢24h或砼壁強(qiáng)度達(dá)到2.5MPa后，方可開鉆。

(2)開鉆前在孔內(nèi)投入粘土，并加適量粒徑不大于15cm的小片石，頂部拋平，用小沖程1m沖砸，泥漿比重1.2-1.5，鉆進(jìn)0.5-1.0m再回填粘土，繼續(xù)以小沖程沖砸，如此反復(fù)二、三次，必要時(shí)多重復(fù)幾次。

(3)在砂卵石層中沖孔時(shí)，采用中、高沖程2-4m沖砸，泥漿比重1.3左右，并及時(shí)掏渣。進(jìn)入基巖后，采用低錘沖擊或間斷沖擊，當(dāng)發(fā)現(xiàn)偏孔時(shí)應(yīng)回填片石至偏孔上方300mm-500mm處，然后重新矯正沖孔。

(4)沖擊過(guò)程中遇到探頭石，采用十字形鉆頭(焊接合金鋼)低錘密擊間斷沖擊的辦法，清除障礙，同時(shí)嚴(yán)禁沖錘重?fù)簦乐钩霈F(xiàn)坍孔。

(5)鉆進(jìn)過(guò)程中要經(jīng)常檢查并及時(shí)調(diào)整泥漿性能。如泥漿稠度太大則由于阻力作用影響鉆頭進(jìn)尺速度，且易發(fā)生樁孔偏移；泥漿稠度太小，則鉆渣難以充分懸浮，造成掏渣困難，且難以起到護(hù)壁作用。

(6)沖孔時(shí)仔細(xì)查看鋼絲繩的回彈和回轉(zhuǎn)情況。耳聽沖擊聲音，借以判別孔底情況。鉆進(jìn)時(shí)隨著進(jìn)尺快慢及時(shí)放松主鋼絲繩，防止打空錘現(xiàn)象。鉆機(jī)正常工作時(shí)，每沖擊1次，沖擊梁上緩沖彈簧響1聲，如果出現(xiàn)2次響聲，即為打空錘，此種現(xiàn)象容易損壞機(jī)具，故沖孔過(guò)程中必須隨時(shí)檢查。

(7)當(dāng)孔內(nèi)泥漿含渣量增大時(shí)，將鉆速減慢，并及時(shí)抽渣，抽渣時(shí)可采取以下措施：

a抽渣筒放到孔底后，要在孔底上下提放幾次，使多進(jìn)些鉆渣，然后提出。

b采用孔口放細(xì)篩子或承渣盤等方法，使過(guò)篩后的泥漿流回孔內(nèi)。

(8)為保證孔型正直，每鉆進(jìn)4-5m深度檢孔一次。檢孔器用鋼筋制成，其高度為鉆孔直徑4倍，直徑與鉆頭直徑相同。更換鉆頭前，先經(jīng)過(guò)檢孔，并要將檢孔器檢到孔底方可投入新鉆頭。

(9)按照設(shè)計(jì)要求，樁端入巖深度必須在1.7m以上，為確保入巖深度，保證樁端承載力，進(jìn)入基巖后每鉆進(jìn)100-500mm清孔取樣一次(非樁端持力層為300-500mm；樁端持力層為100~300mm)以備終孔驗(yàn)收。

3.3 清孔及鋼筋籠就位

本工程大直徑樁均為嵌巖樁，必須清除孔底沉渣才能保證單樁承載力，因此本工程采用了二次清孔工藝。

3.3.1 首次清孔 樁身成孔后經(jīng)驗(yàn)收合格，首先用沖擊鉆頭泛漿，掏渣筒清孔，直到孔內(nèi)泥漿比重控制在1.1~1.2之間，沉渣厚度小于5cm。

3.3.2 鋼筋籠就位

(1)將驗(yàn)收合格的鋼筋籠運(yùn)至孔口，運(yùn)輸過(guò)程中要防止變形；

(2)采用16T吊車吊裝鋼筋籠入孔。吊裝鋼筋籠采用專用鋼絲繩并帶[16扁擔(dān)，吊裝時(shí)要對(duì)稱吊點(diǎn)，吊點(diǎn)處加強(qiáng)，吊鉤垂直于籠子中心，保證鋼筋籠垂直下入孔內(nèi)。

(3)由于本工程鋼筋籠頂標(biāo)高均在自然地面下，深度各樁不一樣，根據(jù)情況籠頂設(shè)置吊筋將鋼筋籠懸掛于孔口[16槽鋼橫擔(dān)上并用鋼管在孔口固定定位，以防止其偏位并發(fā)生浮籠現(xiàn)象。

3.3.3 二次清孔

本橋采用抽漿法進(jìn)行二次清孔，可以有效地清除孔底沉渣。用空氣吸泥機(jī)清孔注意事項(xiàng)：

(1)高壓風(fēng)管沉入導(dǎo)管內(nèi)的入水深度應(yīng)大于鉆孔內(nèi)水頭到出漿口高度的1.5倍，一般不宜小于15m，但不必沉至導(dǎo)管底部附近。鋼筋骨架須在導(dǎo)管吊入之前先放入。

(2)開始工作時(shí)應(yīng)先向孔內(nèi)供水，然后送風(fēng)清孔。停止清孔時(shí)應(yīng)先關(guān)氣后斷水，以防水頭降低造成坍孔。

(3)送風(fēng)量大小與鉆孔深度及導(dǎo)管內(nèi)徑有關(guān)。本工程導(dǎo)管內(nèi)徑為25cm，送風(fēng)量需20m3/min，風(fēng)壓(MPa)可按公式H/100+0.05計(jì)算，H為風(fēng)管口入水深度(m)。

(4)當(dāng)孔底沉淀較厚且堅(jiān)實(shí)時(shí)，可適當(dāng)加大送風(fēng)量(送風(fēng)量大則沉渣上升的速度也大，沉渣易被吸上)，并搖動(dòng)導(dǎo)管，改變導(dǎo)管在孔底的位置。

(5)清孔過(guò)程中必須始終保持孔內(nèi)原有水頭。如孔較深，則中途宜停頓片刻，待孔內(nèi)上部懸浮鉆渣均勻沉淀后，再送風(fēng)清孔一次。當(dāng)風(fēng)管口設(shè)置很低，在清孔過(guò)程中不能保持孔口水頭時(shí)，不可馬上停止送風(fēng)，先將風(fēng)管或?qū)Ч芴嵘欢ǜ叨炔磐Ｖ顾惋L(fēng)，以免稠漿渣將風(fēng)管口堵塞。

3.4 水下砼灌注

清孔完畢應(yīng)立即進(jìn)行水下灌注樁身混凝土，利用清孔用導(dǎo)管安裝初灌斗直接灌注，可縮短灌注時(shí)間。

3.4.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

水下砼施工必須進(jìn)行專門的配合比設(shè)計(jì)。本工程采用C25普通硅酸鹽砼，摻入適量DH4B緩凝高效減水劑。其配合比如表2所示。

表2 C25水下普通硅酸鹽砼配合比

3.4.2 準(zhǔn)備工作及澆注

(1)本工程采用內(nèi)徑250mm導(dǎo)管澆注水下砼，接頭采用絲扣連接，用“O”形橡膠圈密封，嚴(yán)防漏水。下導(dǎo)管前進(jìn)行水密性檢查，檢驗(yàn)水壓為0.6~1.0MPa，不漏水為合格。

(2)首盤砼用量經(jīng)計(jì)算為4.4m3，灌注前先配制0.3 m3水泥砂漿放入初灌斗，并用隔水塞(用砂球制成，外徑比導(dǎo)管內(nèi)徑小2~3cm，鐵絲綁扎牢固)封住初灌斗底，備足初灌砼，剪斷鐵絲使砼靠自重流入孔底。

(3)首盤砼灌注埋管深度不得小于1m，澆注過(guò)程中導(dǎo)管在砼中的埋深控制在2~4m。灌注中經(jīng)常用測(cè)錘探測(cè)砼面的上升高度，并適時(shí)提升，逐級(jí)拆卸導(dǎo)管，保持導(dǎo)管的合理埋深。

(4)遇特別情況(局部嚴(yán)重超徑、縮徑、漏失層位和灌注量特別大的樁孔等)增加探測(cè)次數(shù)，同時(shí)觀察返水情況，以正確分析和判斷孔內(nèi)的情況。

(5)澆注水下砼的最后砼面高程高出設(shè)計(jì)高程80~100cm，以保證鑿除樁頂砼浮渣后滿足設(shè)計(jì)要求，確保樁身砼頂質(zhì)量。

(6)砼澆注過(guò)程中，及時(shí)統(tǒng)計(jì)每樁砼澆注量，并計(jì)算樁身砼充盈系數(shù)，每根樁作砼試塊2~3組，專人填寫水下砼灌注記錄。

3.5 樁基檢測(cè)

3.5.1本工程對(duì)所施工樁基采用低應(yīng)變方法100%檢測(cè)，并根據(jù)設(shè)計(jì)院要求對(duì)10號(hào)b孔及11號(hào)b孔進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)高應(yīng)變檢測(cè)，對(duì)施工的3號(hào)a孔及9號(hào)a孔樁身進(jìn)行了鉆探取芯檢驗(yàn)。

(1)低應(yīng)變檢測(cè)委托河北大地土木工程有限公司進(jìn)行，所施工30根樁，根據(jù)檢測(cè)報(bào)告顯示整體樁身質(zhì)量比較完整，除5號(hào)b樁為Ⅱ類樁外，其余29根均為Ⅰ類樁，Ⅰ類樁達(dá)96.7%。

(2)樁身高應(yīng)變檢測(cè)委托河北省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心地基檢測(cè)所進(jìn)行，對(duì)所檢測(cè)10號(hào)b 實(shí)測(cè)單樁極限承載力值25405KN，11號(hào)b實(shí)測(cè)單樁極限承載力值26152KN。高應(yīng)變檢測(cè)完成后將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)交設(shè)計(jì)院復(fù)核驗(yàn)算均符合設(shè)計(jì)要求。

(3)樁身鉆探取芯檢驗(yàn)委托河北地礦建設(shè)集團(tuán)二分工司進(jìn)行，對(duì)所檢測(cè)3號(hào)a樁及9號(hào)a樁結(jié)果為：巖芯混凝土級(jí)配良好，外觀良好，巖芯采取率98%，破碎帶取出了代表性巖芯。

3.5.2 C25普通硅酸鹽砼試塊90組，經(jīng)石家莊交通局質(zhì)監(jiān)站檢驗(yàn)評(píng)定，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 經(jīng)濟(jì)分析比較

采用上部無(wú)水地帶人工挖孔，下部富水地帶機(jī)械成孔相結(jié)合的施工方案，既避免了全部用人工挖孔無(wú)法全部挖到位、進(jìn)度慢、危險(xiǎn)性大的缺點(diǎn)，又避免了全部用機(jī)械成孔速度慢、成本高的缺點(diǎn)，明顯提高了工程進(jìn)度，并大幅降低了工程成本。經(jīng)綜合測(cè)算，有效縮短工期1個(gè)月以上，節(jié)約投資12萬(wàn)元。