京承高速懷河大橋樁基卵礫層旋挖站施工的工藝控制
2017-07-31
1 工程概述
懷河大橋上部設(shè)計(jì)為11-30m簡支T梁；斜梁角度為60度；全橋?qū)?5m，分為左右兩幅。單幅下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式墩，單墩分離式承臺(tái)，樁基礎(chǔ)，橋臺(tái)為肋板式擴(kuò)大基礎(chǔ)。樁基直徑為ф1.2m；樁長為25m；懷河大橋的地質(zhì)情況為：①層:33.7～26.7，卵石、圓礫；②層：26.7~22.3，細(xì)中砂；③層：22.3~13.3，卵石、圓礫；④層：13.3~7.0，亞粘土；⑤層：7.0~4.4，卵石、圓礫；⑥層：4.4~-4.3，亞粘土；⑦層：-4.3~-6.5，卵石、圓礫。
2 施工工序
2.1 首先用全站儀利用極坐標(biāo)法定出樁位中心，并在中心樁附近適當(dāng)位置的縱橫方向上各設(shè)置兩排保護(hù)樁。
2.2 埋設(shè)鋼護(hù)筒， 配制鉆孔泥漿。護(hù)筒外圍采用粘性土夯實(shí)，防止地表水滲漏，埋設(shè)完畢后測量護(hù)筒頂標(biāo)高，作為控制鉆孔深度的依據(jù)。旋挖鉆機(jī)采用優(yōu)質(zhì)化學(xué)泥漿護(hù)壁，主要材料為：膨潤土粉、純堿（碳酸鈉）、水。配合比可根據(jù)試樁時(shí)調(diào)整的配合比來進(jìn)行配比。
配制程序：水→膨潤土粉→碳酸鈉
然后鉆進(jìn)施工，鉆進(jìn)過程中及時(shí)向孔內(nèi)補(bǔ)充泥漿，泥漿面確保低于原地面約20cm左右，并注意每隔10分鐘檢測一次泥漿的各項(xiàng)指標(biāo)，如泥漿有損耗、漏失或指標(biāo)不符合要求時(shí)，及時(shí)補(bǔ)充合格泥漿。鉆進(jìn)至砂層時(shí)適當(dāng)調(diào)整泥漿配比，增強(qiáng)泥漿的附著能力；調(diào)整鉆頭鉆進(jìn)速度，穿越砂層地質(zhì)時(shí)，宜緩慢、勻速；減小泥漿流對孔壁的沖刷作用。以維護(hù)孔壁穩(wěn)定，最大限度防止坍孔，減少鉆頭的磨損。鉆頭直徑要經(jīng)常檢查。
2.3 樁孔鉆至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，用探孔器檢查成孔的孔徑、孔深和傾斜度。然后采用換漿法清孔；清孔符合要求后，把檢測合格的鋼筋籠用炮車運(yùn)至樁位旁。并人工配合一臺(tái)25T吊車吊放鋼筋籠，鋼筋籠采用整節(jié)安裝。鋼筋籠總重量為2.416T，經(jīng)計(jì)算25T吊車完全可以滿足鋼筋籠的吊裝施工。鋼筋籠頂部通過鋼筋與護(hù)筒口焊接相連，以預(yù)防鋼筋籠在砼灌注過程中上浮。
2.4 灌注混凝土采用水下導(dǎo)管法。導(dǎo)管上口接2.3m3左右的料斗，每根樁需要29m3砼，首盤料經(jīng)計(jì)算為2.2m3砼。用砼攪拌運(yùn)輸車配合汽車吊、吊斗灌注，作業(yè)要連續(xù)緊湊進(jìn)行，經(jīng)常探測孔內(nèi)混凝土面的高度，及時(shí)調(diào)整導(dǎo)管的埋深。成樁后人工鑿除樁頭松散混凝土，并用無破損檢驗(yàn)法檢測鉆孔樁的成樁質(zhì)量。
2.5 樁基施工過程中所產(chǎn)生的泥漿及挖出的棄土要用汽車運(yùn)走，以免污染環(huán)境。
3 施工工藝
旋挖鉆成孔施工工藝，其成孔原理是在一個(gè)可閉合開啟的鉆斗的側(cè)邊和底部，鑲焊切削刀具，受到伸縮鉆桿旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的作用，對挖掘土層進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切削，并將切削后的土渣裝進(jìn)鉆斗，然后將孔外卸土提出，照此循環(huán)形成樁孔。旋挖鉆成孔施工的程控速度快、扭距大，而且不會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪音；但也有不足之處，如果粘性較大的粘土和淤泥土層采用這種方法施工，會(huì)增大回轉(zhuǎn)阻力，降低鉆進(jìn)效率，而且極易糊鉆。砂卵礫石層、硬土、砂性土、軟―中硬基巖、粉土和填土等地層的施工如果采用這種施工工藝，則可避免產(chǎn)生過多的樁孔沉渣，而且孔壁泥皮薄，樁側(cè)摩阻力發(fā)揮好。
抓巖式、圓錐底（鍋底）式、多刃切削式等幾種旋挖鉆斗都是施工中常用的施工機(jī)械，主要采用干作業(yè)成孔灌注、泥漿護(hù)壁成孔灌注兩種施工方法。其中，前者系采用套管跟進(jìn)干式旋挖成孔，拔套管和混凝土灌注應(yīng)該同時(shí)進(jìn)行，工藝流程比較順利，且易于操控。相較于前者，泥漿護(hù)壁旋挖成孔灌注工藝方法則稍顯復(fù)雜，操作起來也不方便。
全液壓旋挖鉆機(jī)整機(jī)具有高度的自動(dòng)化性能，主要根據(jù)其指示燈操控鉆機(jī)的鉆孔中心和水平、垂直度，而且控制室也配備了鉆進(jìn)深度指示儀。全液壓旋挖鉆機(jī)的工作效率較高，所以施工前必須妥善安排各施工環(huán)節(jié)的施工活動(dòng)，做好調(diào)配工作，以連續(xù)、順利地完成工藝流程。此外，還要按照旋挖成孔的成孔原理和每一道工藝流程，重點(diǎn)控制關(guān)鍵程序的施工活動(dòng)。
3.1 旋挖成孔（泥漿護(hù)壁）灌注樁施工工藝流程（略）
3.2 鉆斗升降速度
循環(huán)鉆孔和旋挖成孔在成孔原理上存在很大的差別。前者是依靠泥漿循環(huán)護(hù)壁，使泥漿攜帶渣沉淀在地表而實(shí)現(xiàn)的；而后者則是利用鉆斗挖裝巖土并將其提升卸到地表，護(hù)壁采用穩(wěn)定液或套筒。穩(wěn)定液護(hù)壁情況下，鉆斗抬升或下降引起漿水運(yùn)動(dòng)，會(huì)沖刷孔壁或粘附在孔壁上，便成為了問題的關(guān)鍵點(diǎn)。根據(jù)水動(dòng)力學(xué)概念可以分析出，邊界層的邊壁出現(xiàn)大幅度的變形，造成能量耗損，如果這種變形得不到及時(shí)的改善，也就是不能改變鉆斗的形狀和大小，就應(yīng)該對鉆斗升降的速度進(jìn)行控制。通過砂層時(shí)，因?yàn)槭┕ぶ械哪酀{極易被污染而增大了含砂率，無法順利控制泥漿指標(biāo)，為了避免塌孔問題的出現(xiàn)，鉆進(jìn)時(shí)必須對各類泥漿指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并補(bǔ)充性能達(dá)標(biāo)的泥漿。
如果鉆探到了砂層，就應(yīng)該變檔換速，并通過液壓縮進(jìn)裝置進(jìn)行加壓，操作時(shí)注意輕壓慢轉(zhuǎn)，使孔壁保持穩(wěn)定狀態(tài)，從而最大限度的避免鉆頭磨損。鉆進(jìn)3~5回次就要對水平、垂直儀器進(jìn)行調(diào)整，盡量讓氣泡居中，以確保成孔垂直度在1/100以下。鉆進(jìn)時(shí)，隨時(shí)對鉆斗進(jìn)行檢查，重點(diǎn)檢查中鉆探到粗砂較密和礫石層時(shí)的鉆斗情況，及時(shí)更換嚴(yán)重磨損的鉆點(diǎn)，從而保證鉆孔孔徑符合施工規(guī)范。
鉆斗鉆進(jìn)截面積A與鉆斗外側(cè)切削刀具回轉(zhuǎn)的截面積a的比例A/a，隨樁徑增大而增大；提升鉆斗會(huì)增大泥漿在孔壁和鉆斗間的流動(dòng)速度，同時(shí)發(fā)生壓力激動(dòng)，最終導(dǎo)致孔壁坍塌。鑒于此，施工單位必須以樁徑為依據(jù)來設(shè)定鉆斗的升降速度，如果樁徑過大，就要更加嚴(yán)格的控制鉆斗的升降情況。
斗截面積A與外切刀回轉(zhuǎn)面積a之比A/a
鉆斗升降速度參考值
3.3 穩(wěn)定液（泥漿）
若旋挖成孔使用穩(wěn)定液護(hù)壁的施工方法，則為了保持孔壁的穩(wěn)定性能，確?？椎壮猎_(dá)到施工要求，使用的化學(xué)泥漿護(hù)壁的質(zhì)量必須要好。旋挖作業(yè)的過程中，先要確保泥漿液面高度符合要求，泥漿柱壓力才有可能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，同時(shí)用泥漿補(bǔ)充灌注孔；在灌注混凝土的施工中，最好預(yù)先安排好泥漿回收再利用的途徑，以免廢棄泥漿污染環(huán)境。
本工程配漿材料及配比為：水：膨潤土：碳酸納=1：0.06：0.0004
配制程序?yàn)椋核?rarr;膨潤土粉→碳酸納
性能：粘度22-30秒，比重1.05-1.20，含砂率≤4%，
成孔后泥漿指標(biāo)基本如下：
①4h后泥漿指標(biāo)：
底部比重：1.08 粘度：28
中部比重：1.07 粘度：25
頂部比重：1.06 粘度：23
?、谀酀{流失量：終孔8h和24h的時(shí)候，泥漿面下降的幅度分別為23cm和70cm。
?、勰酀{的粘著力：長為18m的長螺紋鋼放入成孔泥漿24h再取出，泥漿并未粘著在螺紋鋼表面。
3.4 旋挖作業(yè)其他要點(diǎn)
參照地層情況選用合適的鉆斗類型結(jié)構(gòu)。楔形齒、小切削角、小刃角、齒寬稍大適用于軟土層施工；較大切削角、較窄的彎曲齒套適用于硬土層；而齒間距較大的比較適合粘土層施工，這樣能減少糊鉆現(xiàn)象的產(chǎn)生。
硬層的鉆探，如果回次進(jìn)尺深度過小，且斗內(nèi)鉆渣很少，就可將鉆斗換成小直徑筒形齒狀的或采用短螺旋鉆，先鉆一小孔，之后采用鉆斗鉆進(jìn)；也可以先松動(dòng)硬巖土層，再下鉆斗撈渣?？刹捎枚搪菪@鉆進(jìn)姜石層，注意反轉(zhuǎn)回鉆，盡量在不擾動(dòng)孔壁的前提下松動(dòng)土層。
鉆進(jìn)砂礫石層，將一定量的粘土球提前投入孔內(nèi)，以保持孔壁的穩(wěn)定性；鉆斗下鉆到孔內(nèi)，裝閉合閥板，從而在提升鉆斗的過程中盡量避免底部有砂礫石漏落。
3.5 清孔
如果鉆進(jìn)到與樁底設(shè)計(jì)標(biāo)高相距兩、三米左右的距離，操作人員應(yīng)盡快驗(yàn)孔，通過測繩測定周邊四點(diǎn)的平均值，據(jù)此控制孔深；如果鉆進(jìn)到規(guī)范中要求的孔深，將擋砂板裝設(shè)在鉆斗底部，用它撈取散落的原狀土和砂。終孔后，對泥漿的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測，盡快將導(dǎo)管、鋼筋籠下放。在水下進(jìn)行混凝土灌注的施工，首先對孔底沉渣厚度進(jìn)行檢測，如果沉渣厚度大于設(shè)計(jì)要求，就應(yīng)該通過泵吸法抽出孔底沉渣。
旋挖鉆進(jìn)到施工所要求的終孔標(biāo)高時(shí)，鉆斗繼續(xù)在原處旋轉(zhuǎn)數(shù)圈，用鉆斗挖裝孔底虛土，起鉆后清理干凈孔底的虛土。下放到鋼筋籠后，對孔底沉渣進(jìn)行檢測，若沉渣量大于規(guī)范中規(guī)定的沉渣量，還要二次清孔。根據(jù)施工現(xiàn)場的具體情況來分析，成孔24h后，必須將沉渣厚度控制在25cm以內(nèi)。
3.6 現(xiàn)場管理
全液壓旋挖鉆機(jī)設(shè)備具有較高的自動(dòng)化水平，但也需要嚴(yán)格管理。一方面，在施工活動(dòng)開始前就應(yīng)該提前做好各項(xiàng)施工準(zhǔn)備。尤其是施工機(jī)械的自重和總動(dòng)力都很大，因此必須嚴(yán)格按照施工要求加固現(xiàn)場樁位的地基。另一方面，施工中做好各項(xiàng)檢測，并如實(shí)記錄，尤其要將地質(zhì)層作為記錄重點(diǎn)。因?yàn)殂@進(jìn)速度較快，而各種資料是迅速調(diào)整其各工藝細(xì)節(jié)的主要依據(jù)。此外，工程現(xiàn)場的管理要側(cè)重鋼筋籠及混凝土施工、鉆斗的升降速度以及穩(wěn)定液的管理。
3.7 注意事項(xiàng)
?、倌酀{護(hù)壁旋挖成孔施工中，根據(jù)樁徑與地質(zhì)層情況，控制鉆斗升降速度是成敗的關(guān)鍵。
?、谛阢@機(jī)作為現(xiàn)時(shí)性能突出的新設(shè)備，在使用時(shí)應(yīng)做好相配套的現(xiàn)場管理，方可使其性能得到充分發(fā)揮。
③棄渣處理
樁基施工過程中所產(chǎn)生的棄渣要進(jìn)行妥善處理，以避免環(huán)境污染。棄渣在現(xiàn)場處理后清運(yùn)出現(xiàn)場，由自卸車運(yùn)至業(yè)主指定地點(diǎn)。
?、茔@孔事故的預(yù)防及處理
a坍孔
坍孔原因：
埋設(shè)護(hù)筒的深度過小、下端孔口漏水、孔口周圍的地面被水浸泡、坍塌，或鉆機(jī)直接與護(hù)筒接觸，孔口在振動(dòng)的作用下坍塌，坍孔的范圍也逐步擴(kuò)大；
松軟砂層鉆進(jìn)進(jìn)尺過快；
吊入鋼筋骨架時(shí)碰撞孔壁。
坍孔的預(yù)防和處理：
如果在松散的粉沙土和流沙中開展鉆探施工，就要注意進(jìn)尺速度。
若孔口坍塌，則盡快將護(hù)筒拆掉，同時(shí)回填鉆孔，將護(hù)筒埋設(shè)好再開始鉆進(jìn)；
若孔內(nèi)坍塌，則要查明坍塌位置，然后采用粘土、砂回填，混合物到坍孔以上1～2m的部位，如果坍孔現(xiàn)象嚴(yán)重，則要全部回填，回填密實(shí)以后再繼續(xù)鉆進(jìn)；
嚴(yán)格控制沖程高度；
對鋼筋籠骨架進(jìn)行吊裝的過程中，要與鉆孔中心對準(zhǔn)豎直插入，不要和孔壁發(fā)生碰撞。
b鉆孔偏斜
偏斜原因：
鉆孔中與有大的探頭石、孤石；
在軟硬地層交界且有一定傾斜度的部位，巖面傾斜處鉆進(jìn)，或在粒徑過大或過小的砂卵石層中鉆進(jìn)，鉆頭會(huì)不均勻受力；
預(yù)防和處理：
安裝鉆機(jī)起重滑輪緣、護(hù)筒中心應(yīng)在一條豎直線上，同時(shí)定時(shí)檢查和糾偏；
如果鉆進(jìn)施工是在傾斜的軟、硬地層中進(jìn)行，就要特別注意進(jìn)尺速度，盡量保持低速鉆進(jìn)，或用片卵石回填后再鉆進(jìn)；
通過探孔器驗(yàn)孔，并對鉆孔偏斜情況作出準(zhǔn)確的判斷，在偏斜部位吊住鉆頭上下反復(fù)掃孔，以糾正鉆孔位置。若偏斜程度較大，則要采用砂粘土回填偏斜部位，回填密實(shí)后再鉆進(jìn)。
c擴(kuò)孔和縮孔
孔壁坍塌會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)孔，如果只是孔內(nèi)局部坍塌而導(dǎo)致的擴(kuò)孔，可能會(huì)增大混凝土灌注量，鉆孔如果仍滿足規(guī)定的施工深度就無需處理。如果因擴(kuò)孔后繼續(xù)坍塌而妨礙了鉆進(jìn)施工，就要根據(jù)塌孔事故的流程進(jìn)行處理。
3.8 鉆孔樁成孔質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)見驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)
3.9 混凝土灌注
3.9.1 鋼筋籠的制作和安裝
鋼筋籠在固定模臺(tái)上加工成形。接頭采用雙面搭接焊，按圖紙制作好主筋和加強(qiáng)箍筋后，先在加強(qiáng)箍筋“+”方向點(diǎn)焊主筋，待電焊加固后，再綁扎箍筋。制作成型后，請監(jiān)理工程師驗(yàn)收，做好簽證工作。鋼筋籠采用整節(jié)制作吊裝。鋼筋籠的保護(hù)層采用十字設(shè)置圓型導(dǎo)向塊，間距不大于2m。為防止鋼筋籠上浮，采取焊接鋼管或粗鋼筋在平臺(tái)上。
3.9.2 導(dǎo)管架設(shè)
待鋼筋籠吊裝就位后，既搭設(shè)平臺(tái)下放鋼管。導(dǎo)管采用25m內(nèi)徑，卡環(huán)連接，在使用前應(yīng)進(jìn)行水密、承壓、接頭抗拉等檢驗(yàn)。
3.9.3 混凝土灌注
在混凝土灌注之前首先計(jì)算出首批灌注砼的數(shù)量，具體計(jì)算方法見附一切準(zhǔn)備就緒，清孔完成，經(jīng)監(jiān)理工程師同意后，盡快進(jìn)行混凝土灌注作業(yè)?；炷敛捎蒙唐坊炷?，入孔坍落度控制在18～22cm之間，混凝土運(yùn)至灌注地點(diǎn)時(shí)，應(yīng)檢查其均勻性和坍落度，如不符合要求，應(yīng)進(jìn)行二次拌和，二次拌和仍不符合要求時(shí)，不得使用。灌注采用導(dǎo)管進(jìn)行，首批混凝土拌和物下落后，灌注作業(yè)要持續(xù)進(jìn)行，中間不得停頓，并經(jīng)常探測孔內(nèi)混凝土面的高度，及時(shí)調(diào)整導(dǎo)管的埋深，導(dǎo)管埋深控制在2~6m（導(dǎo)管口距混凝土面不小于2m），當(dāng)混凝土面接近鋼筋籠底部時(shí)，宜保持導(dǎo)管有較大的埋深，并放緩灌注速度，以減少混凝土的沖擊力，避免鋼筋籠上浮。為保證樁頂混凝土的質(zhì)量，灌注的樁頂標(biāo)高比設(shè)計(jì)標(biāo)高高出0.8m；為保證混凝土強(qiáng)度，多余部分接樁前必須鑿除，殘余樁頭應(yīng)無松散層。在混凝土灌注過程中，如實(shí)認(rèn)真填寫混凝土灌注施工記錄，在灌注將近結(jié)束時(shí)，應(yīng)采用鋼筋或其他可靠工具檢查灌注高度，并核對混凝土的灌入數(shù)量，以確定所測混凝土的灌注高度是否正確。
3.9.4 截除樁頭
樁基強(qiáng)度達(dá)到要求后，鑿處樁頭的浮渣，樁經(jīng)過檢驗(yàn)合格后，再將樁頭砼鑿除至設(shè)計(jì)標(biāo)高。
附:首批灌注砼的數(shù)量應(yīng)滿足導(dǎo)管首次埋置深度(≥1.0m)和填充導(dǎo)管底部需要見下圖，所需砼數(shù)量可參考如下公式計(jì)算:
V=ΠD2/4(H1+H2)+Πd2/4h1
式中:V――灌注首批砼所需數(shù)量(m3)
D――樁孔直徑(m)
H1――樁孔底至導(dǎo)管底端間距，一般為0.4m
H2――導(dǎo)管初次埋置深度(m)
d――導(dǎo)管內(nèi)徑(m)
h1――樁孔內(nèi)砼達(dá)到埋置深度H2時(shí)，導(dǎo)管內(nèi)砼柱平衡導(dǎo)管外(或泥漿)壓力所需的高度(m)，即h1=HWγW /γC
HW――井孔內(nèi)水或泥漿的深度(m)
γW――井孔內(nèi)水或泥漿的重度(kn/m3)
γC――混凝土拌和物的重度(24kn/m3
即:V=ΠD2/4(H1+H2)+Πd2/4h1
=(3.14*1.22/4)*(0.4+1.0)+(3.14*0.32/4)*(20*1.05/2.4)
=1.6+0.62
=2.22m3
