新型鉆孔灌注樁基施工技術(shù)研究

楊 成 君， 稅 寧 波

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620806)

1 概 述

金堂縣某新建跨江雙塔雙索面斜拉橋位于沱江上游600 m處，連接趙鎮(zhèn)和三星鎮(zhèn)。橋梁總長(zhǎng)度為1 289 m，其中主橋長(zhǎng)度為860 m，主跨跨越江心雙島，長(zhǎng)度為430 m，邊跨跨越北河、毗河，長(zhǎng)度均為215 m；引橋長(zhǎng)度為269 m+160 m，為長(zhǎng)聯(lián)現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋。該工程全橋共布置樁基170根，采用沖擊鉆與旋挖鉆共同施工。斜拉橋索塔總高度為137.5 m，下部基礎(chǔ)采用2.8 m的大直徑樁基，每根樁基深度為54 m，全橋共設(shè)48根樁；引橋全長(zhǎng)429 m，下部基礎(chǔ)采用的是2 m、1.5 m、1.2 m直徑的樁基，其中2 m直徑的樁基48根，單根樁基長(zhǎng)度最大為40 m,1.5 m直徑的樁基48根，單根樁基長(zhǎng)度最大為36 m；1.2 m直徑的樁基26根，單根樁基長(zhǎng)度最大為33 m(圖1、2)。

工程所在地位于沖積區(qū)，地表均被第四系土層所覆蓋，基底主要由紅層組成。主塔樁基位于江心島內(nèi)，覆蓋層主要為卵石層，以中等風(fēng)化巖層為持力層，進(jìn)入中等風(fēng)化巖層約30 m；東岸邊墩E1位于北河河道內(nèi)，覆蓋層主要為卵石層，東岸引橋E2-E5覆蓋層主要為卵石層；東岸引橋E6-E8覆蓋層依次為填土、卵石層；西岸邊墩W1覆蓋層依次為細(xì)砂、卵石層，西岸引橋W2-W5覆蓋層依次為細(xì)砂、卵石層。該工程樁基為嵌巖樁[1]，持力層均為中等風(fēng)化巖層。

樁基施工技術(shù)的發(fā)展無疑是設(shè)備的更新。就目前的技術(shù)而言，應(yīng)用最為廣泛的設(shè)備有兩種：沖擊鉆和旋挖鉆。沖擊鉆機(jī)是一種利用鉆頭的沖擊力對(duì)巖層沖鑿鉆孔的機(jī)械，它能適應(yīng)各種不同的地質(zhì)情況，特別是卵石層中的鉆孔，較之其它型式的鉆機(jī)其適應(yīng)性強(qiáng)。而旋挖鉆機(jī)是一種適合于建筑基礎(chǔ)工程中成孔作業(yè)的施工機(jī)械，主要適用于砂土、黏性土、粉質(zhì)土等土層施工。兩種機(jī)械在該工程不同地質(zhì)環(huán)境中的應(yīng)用、輔之以其它設(shè)備，使該工程樁基能夠快速、安全、環(huán)保地完成，同時(shí)亦創(chuàng)造了幾項(xiàng)新工藝。

圖1 斜拉橋全橋立面布置圖

圖2 斜拉橋索塔樁基平面布置圖

2 施工方法

該工程針對(duì)不同類型的樁基，選用了不同類型的機(jī)械進(jìn)行施工。索塔樁基所處地層的砂卵石層深達(dá)十幾米且樁基直徑較大、長(zhǎng)度較長(zhǎng)，采用的是沖擊鉆成孔方式，輔之新型泥漿清孔設(shè)備，可使成孔時(shí)間較傳統(tǒng)沖擊鉆孔時(shí)間縮短近7 d。引橋段的樁基直徑均小于2 m且長(zhǎng)度均較短，為提高 施工效率，均采用旋挖成孔方式，輔之新型泥漿清孔設(shè)備，可以達(dá)到最快為1根/2 d的效率。

兩種樁基成孔方式與新型泥漿清孔設(shè)備相結(jié)合，不僅加快了樁基施工的進(jìn)度，而且促進(jìn)了該工程樁基施工技術(shù)的進(jìn)步。

2.1 鋼筋籠新型施工工藝

為保證樁基鋼筋籠的制作與成型質(zhì)量，該工程自制了鋼筋籠主筋、箍筋胎架，在胎架上設(shè)置卡槽用于保證鋼筋間距均勻，在主筋焊接完成后直接滾動(dòng)至滾絲機(jī)上進(jìn)行箍筋安裝，采用小電機(jī)帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)纏繞箍筋，成型良好。在鋼筋籠四周設(shè)置可滾動(dòng)式砂漿保護(hù)墊層，呈梅花形布置，在確保鋼筋籠保護(hù)層厚度的同時(shí)也避免了吊裝鋼筋籠時(shí)污染鋼筋；將樁頭段主筋采用PVC套管包裹，便于后期樁頭的鑿除。

傳統(tǒng)樁基鋼筋籠制作工藝不僅效率低下，加工質(zhì)量亦參差不齊。在該工程樁基施工過程中，利用滾焊機(jī)和自制胎架，不僅制作效率高，而且鋼筋籠成型良好。這項(xiàng)工藝在該工程中的應(yīng)用，加快了現(xiàn)場(chǎng)樁基的施工工效，節(jié)約了樁基的施工成本(圖3、4、5)。

2.2 泥漿清孔及分離設(shè)備

在樁基下放鋼筋籠過程中，常常因下鋼筋籠的時(shí)間過長(zhǎng)而導(dǎo)致泥漿沉淀，往往需要進(jìn)行二次孔[2]后澆筑混凝土，其常規(guī)處理方式為：采用泥漿分離器將泥漿管伸入孔底進(jìn)行清孔，這種處理方式存在的缺點(diǎn)：處理過程中需安裝泥漿管，二次清孔完成后需再次拆除泥漿管，然后安裝導(dǎo)管澆筑混凝土，在安裝導(dǎo)管過程中易造成泥漿的再次沉淀，樁基質(zhì)量控制難度大。

針對(duì)以上問題，該工程采用泥漿凈化裝置/泥漿分離器，全自動(dòng)機(jī)械化清理樁底沉渣并分離鉆渣與泥漿，有利于控制泥漿指標(biāo)、提高造孔質(zhì)量和造孔工效、縮短清孔時(shí)間、泥漿凈化回收、降低施工成本、減少卡鉆事故、減少環(huán)境污染，屬于環(huán)保類高新型技術(shù)產(chǎn)品(圖6、7)。

圖3 鋼筋籠主筋安裝胎架

圖4 鋼筋籠箍筋安裝胎架(滾焊機(jī))

圖5 鋼筋籠樁頭主筋套PVC管

圖6 清孔設(shè)備簡(jiǎn)圖

圖7 泥漿分離設(shè)備簡(jiǎn)圖

該設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)：(1)單機(jī)最大泥漿處理量達(dá)20～200 m3/h(250 m3/h)；(2)凈化除砂效率可達(dá)90%以上(-0.074 mm粒級(jí))；(3)渣料篩分能力為25～80 t/h。可根據(jù)造孔機(jī)具進(jìn)尺的不同而進(jìn)行調(diào)整；(4)篩分出的渣料含水率小于30%；(5)達(dá)到最大凈化除砂效率時(shí)污漿的最大比重小于1.2 g/cm3，馬氏漏斗黏度40 s以下(蘇氏漏斗30 s以下)，含砂量小于20%。

樁基施工過程中，泥漿分離設(shè)備將廢泥漿的固體顆粒分離出去變成干沙，減少了其向周圍環(huán)境中的排放。特別是在該工程中，對(duì)保護(hù)河道的生態(tài)發(fā)揮出了重要的作用；同時(shí)，廢泥漿分離后留下的活泥漿可再次為樁基泥漿護(hù)壁施工利用，進(jìn)而降低了泥漿制作的成本，減少了泥漿外運(yùn)的工作量。泥漿分離設(shè)備在該工程中的運(yùn)用，可謂是變廢為寶、節(jié)能環(huán)保的典范。

2.3 混凝土灌注設(shè)備

采用傳統(tǒng)樁基工藝澆筑較大直徑樁基時(shí)需采用大料斗，但大料斗筒身較高，一旦筒身高度+護(hù)筒露出地面高度大于混凝土罐車出料高度[3]后，混凝土罐車無法上料，需臨時(shí)拆除站人平臺(tái)，采用汽車吊吊住料斗放低料斗高程，傳統(tǒng)裝置將無法滿足施工要求。

在進(jìn)行樁基混凝土澆筑時(shí)，項(xiàng)目部研發(fā)了一種新型混凝土導(dǎo)管收放鎖定裝置輔助施工，該裝置采用裝配式桁架設(shè)計(jì)，中間預(yù)留導(dǎo)管卡位圓孔，該圓孔由兩塊鋼板閉合而成，在導(dǎo)管上提的過程中打開合頁，導(dǎo)管正常上提，上提到位后，閉合合頁卡住導(dǎo)管不下沉，不偏位，拆除上節(jié)導(dǎo)管，完成導(dǎo)管拆除作業(yè)，利用該裝置，可以快速、高效地拆卸導(dǎo)管，提高混凝土的澆筑效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度(圖8)。

圖8 導(dǎo)管收放鎖定裝置示意圖

樁基混凝土灌注設(shè)備的更新，不僅滿足了樁基混凝土的下放施工，更是大大地降低了樁基混凝土的澆筑時(shí)間，保證了混凝土的質(zhì)量(該工程樁基檢測(cè)全為I類樁基[4])，同時(shí)亦大大降低了樁基施工的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 樁基綠色檢測(cè)技術(shù)

該工程主塔樁基需要進(jìn)行8 600 t的承載力檢測(cè)試驗(yàn)[5]。對(duì)于如此大的噸位傳統(tǒng)的樁基檢測(cè)方法無論是采用堆載預(yù)壓法，還是反力架法均會(huì)產(chǎn)生大量的建筑“垃圾”，同時(shí)亦存在較大的施工風(fēng)險(xiǎn)。

該工程樁基采用自平衡法檢測(cè)單樁豎向極限承載力。該檢測(cè)原理是：將自平衡荷載箱和鋼筋籠一起埋入樁內(nèi)距樁底1/3的位置，將荷載箱的加壓管以及位移、應(yīng)力等測(cè)試裝置線從樁體引到地面，待樁基混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，通過對(duì)荷載箱加水形成壓力測(cè)試樁基承載力(圖9、10)。

自平衡法是一項(xiàng)新興的樁基承載力檢測(cè)方法，廣泛應(yīng)用于場(chǎng)地受限制或運(yùn)輸物料困難，特別是大直徑樁基、大噸位水下樁[6]。利用該方法檢測(cè)后的試樁仍然可以作為工程樁使用，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié) 語

在該工程樁基施工中運(yùn)用的新工藝，不僅提高了施工效率，而且大大地節(jié)約了施工成本，為企業(yè)施工技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力(該項(xiàng)目樁基施工共取得兩項(xiàng)國(guó)家實(shí)用新型專利)，降低了樁基施工泥漿排放對(duì)環(huán)境的污染，符合綠色施工發(fā)展理念，具有極大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

圖9 自平衡法荷載箱安裝

圖10 自平衡法現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)