一種精準控制鉆孔灌注樁混凝土灌注高度的技術

陳學明，郝顯偉

(1.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100082；2.甘肅路橋建設集團有限公司，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

樁基礎是橋梁基礎中很常見的結構形式之一，百年工程基礎結構質量控制尤為重要。為確保樁基灌注質量，《公路橋涵施工技術規范》中明確規定：灌注的樁頂高程應比設計高程高出不小于0.5 m,當存在地質較差孔內泥漿密度過大、樁徑較大等情況時,應適當提高其超灌的高度;超灌的多余部分在承臺施工前或接樁前應鑿除鑿除后的樁頭應密實、無松散層。

然而，在實際工程操作中，樁基超灌高度控制是擺在工程技術人員面前的一大難題。尤其在遇到巖溶、淤泥質、砂質、虛樁長度大等復雜地質或地層時，常常會導致混凝土實際灌注量與設計量差異較大，此時無法利用混凝土方量準確復核實際灌注高度，只能通過“測繩懸吊重錘法”，憑借手感來掌握灌注尺度，但這種傳統的方法面臨以下諸多問題：(1)孔里都是泥漿，不知道混凝土澆灌是否到了標高位置；(2)灌灌停停，效率很低；而且超灌了還要截樁敲樁，成本太高；(3)如果開挖后高低不一，影響工程進度還可能面臨罰款；(4)廢料運輸處理成本不低、關鍵在于不環保、不低碳、易被環保部門處罰。以上問題導致的結果大致分三類：(1)少灌：后期補樁，成本極高，影響質量和進度；(2)超灌：后期截樁，浪費材料和人工，成本高，影響進度；(3)環保：不節能、垃圾處理成本高、廢料處置影響環境。

總而言之，樁基超灌高度控制既是對工程技術人員業務素質和經驗挑戰，也是項目現場技術精細化管理的一大漏洞。

1 技術探究

1.1 技術原理

鉆孔灌注樁樁頂面的介質主要有混凝土和泥漿，因兩者界面變化時無法直接觀測，考慮采用傳感技術，并將采集到的數據加以分析，將不可視轉換為可視，來判定混凝土灌注是否達到設計高度。其主要解決核心技術是：(1)傳感技術類型選擇；(2)試驗得出傳感技術辨識的有效介質參數；(3)數據采集、分析及顯示表達方式。

通過對混凝土和泥漿兩種不同介質進行物理化學性能分析與試驗辨識，發現其在比重、電阻抗、電容抗等特性存在差異，比重差異性尤其明顯(泥漿比重約為1.01～1.5 g/cm3，混凝土比重約為2.3～2.6 g/cm3)，比重的差異性會使處在兩介質中的傳感器壓應力也變化很大，故選擇壓應力參數作為傳感器辨識泥漿和混凝土的關鍵指標參數。

經過現場試驗對壓應力傳感器進行不斷改進，來降低灌注樁混凝土施工的干擾，提高檢測精度和傳感器體積，提升現場檢測的方便適用性。

1.2 裝置概念模型

裝置概念模型分為以下三部分模塊：模塊一：定位裝置(標高測定裝置、傳感設備固定裝置)；模塊二：感應信號裝置(壓力感應器、脈沖信號發生器)；模塊三：數據采集及報警裝置(數據采集器、脈沖信號轉換器、報警提示器)。

1.3 裝置具體構件組成

利用上述技術原理和概念模型，將理論轉化為具體裝置。裝置構件主要有定位裝置、壓應力傳感器和數據采集分析設備等部件組成。

控制裝置工作機理：如圖二所示，壓應力傳感器進行識別后，將應力轉換為頻率脈沖信號，通過數據線傳輸至數據采集器，由數據采集器進行數據轉換，將頻率脈沖信號轉換為壓力值數據。壓應力傳感器通過定位桿準確固定在灌注樁設計標高處。

樁基混凝土灌注前，預先用比重計進行孔內泥漿重度和混凝土重度的測定，并根據其測定的數值進行報警參數設置，當超灌高度達到設計標高時報警器報警后即可停止灌注混凝土。

1.4 數據采集器報警設定

以工程試驗為依托，根據現場預先采集的數據設定報警參數，并加以報警燈閃爍的方式進行告知，便于人機溝通。具體參數設定方法為：混凝土超灌高度為h,預判參數=h高度時的混凝土壓應力-h高度時泥漿壓應力，灌注過程中實時測得的壓應力數值>預判參數時，采集器報警提示。

2 工程應用案例

某高速公路特大橋水中樁基作業，為便于施工和降低安全風險，制定方案為先進行水中圍巖提供臨時作業平臺，待樁基灌注完畢后，再進行基坑開挖承臺作業。工程樁數量100根，設計樁徑2.0 m，有效樁長30 m，虛樁長約6 m，混凝土強度等級C35。該工程樁樁頭超灌控制難度較大，若樁頭超灌高度過大，不僅材料浪費嚴重，而且環切樁頭成本過高。

2.1 技術效果驗證

使用該技術裝置，有效解決了灌注樁頭控制難的問題，經開挖基坑驗證，測量數據(見統計表1)偏差較小且穩定可靠，達到了預期的效果。

表1 實際超灌高度統計表(單位：m)

2.2 經濟效果驗證

(1)材料費：C35混凝土市場價約300～400元/立方，取350元/立方計算，樁深平均6米計算，業內平均超灌2 m左右，直徑2.0 m，每百根灌注樁節約材料費21.98萬元。

(2)敲樁截樁費：單根150元計，每百根灌注樁節約1.50萬元。

(3)廢料處置費：廢混凝土運輸費5.0元/立方計，每百根灌注樁節約0.31萬元。

(4)以上合計每百根灌注樁可直接節約23.79萬元，單根節約0.24萬元。

3 技術拓展

3.1 改進后方案

(1)將鉆孔樁灌注泥漿和混凝土的比重、電阻抗、電容抗等多個差異特性參數融入作為判定依據值，判定結果更加精準。

(2)利用物聯APP應用軟件，實時監測并傳輸數據，多級權限可視管理(管理者實時了解灌注樁情況)，管理效率大幅提升。

3.2 改進后工作流程

混凝土(泥漿)多參數標定→固定傳感器→黃色預警→綠色報警→回收傳感器→平臺自動匯報

固定傳感器模式：將傳感器固定在鋼筋籠最后一節環箍附近，設備憑借傳感器和數據傳輸，開始工作。

黃色預警模式：浮漿層到達標高位置，黃燈閃爍發聲預警，開始放緩澆灌混凝土。

綠色報警模式：混凝土到達標高位置，綠燈閃爍發聲報警，即可停止澆灌混凝土。

回收傳感器模式：澆灌完畢，用力拉出傳感器，并用水沖洗干凈，回收重復使用。

4 結 論

本技術通過在工程實踐中的具體應用、試驗和不斷改進，在樁基混凝土灌注技術管理和成本控制等方面取得了良好的效果。

(1)通過傳感技術與工程技術相結合的方式，用先進的技術手段和設備，克服了以往人員經驗判斷不準的弊端，填補了現場技術管理漏洞，有效地解決了工程樁基灌注過程中超灌控制難的問題。

(2)結合當下前沿科學技術的發展和應用趨勢，通過引入物聯網云技術的手段，提出優化建議和方向，為下一步改進優化奠定了基礎。