四女寺樞紐北進洪閘除險加固中鉆孔灌注樁設計與施工

田曉旭，魏玉濤

（1.山東農業大學，山東 泰安 271001；2.漳衛南運河管理局防汛機動搶險隊，山東 德州 253009）

1 工程概況

漳衛南運河四女寺樞紐北進洪閘共12孔，本次除險加固建設內容為中間8孔閘室拆除重建、邊4孔閘室保留，上部結構拆除重建，兩岸控制樓拆除后以原功能、原標準進行建設。因控制樓基礎為地下連續空箱結構，安全鑒定時無法進行檢測，故初步設計方案不拆除控制樓基礎[1]。根據工程建設程序，施工階段對控制樓基礎混凝土進行了檢測，控制樓基礎空箱為素混凝土結構，拱頂局部塌陷、墻身存在貫通裂縫；對空箱混凝土結構復核計算表明現有空箱不滿足地震工況下安全系數要求；按照地震動峰值加速度分區值0.10 g復核，邊4孔閘室穩定性不滿足要求，需要對控制樓基礎重新設計并拆除重建。

2 控制樓方案選定

控制樓基礎主要作用為承擔控制樓傳遞下來的荷載和減小邊墩側向土壓力。重新設計的控制樓基礎首先要滿足邊4孔閘室穩定的要求，其次是承擔控制樓傳遞下來的荷載?？刂茦堑母吆桶苯佑绊戇吙组l室穩定和基礎下地基承載力，所以在進行控制樓基礎方案選定之前首先要選定高控制樓方案或是矮控制樓方案。

高控制樓方案采用4層建筑，建筑高度為16.39 m，比中間啟閉機房高5.44 m；矮控制樓方案為3層建筑，建筑高度為14.19 m，比中間啟閉機房高3.24 m。2個方案的相同點是首層至2層布置完全相同；不同之處在于高控制樓方案比矮控制樓方案高1層，高控制樓方案中第3層只是為了增加控制樓高度設置的1個夾層。

依據控制樓上部建筑物荷載、土荷載和自重荷載，分別對2個控制樓基礎方案進行了有限元分析，其中上部建筑物荷載根據地震工況計算軸向力最大、彎矩最大和剪力最大3種情況。根據有限元計算結果，高控制樓方案彎矩、剪力最大工況下地基豎直方向最大應力均小于地基承載力120 kPa的1.2倍；在軸力最大工況下，由圖1可知，地基壓應力大于120 kPa部分出現在上游部位，面積約占總面積的1/5，地基豎向應力大于120 kPa部位深度超過3 m，最大壓應力218.4 kPa，超出地基承載力近1.2倍，不滿足建筑地基規范的要求。矮控制樓方案軸力、彎矩、剪力最大工況下地基豎直方向最大應力均小于地基承載力120 kPa的1.2倍。

圖1 軸力最大工況下豎直方向應力分布

從基礎結構承載力、投資及周邊建筑協調性綜合分析比較發現，四女寺北進洪閘兩岸控制樓方案選擇矮控制樓方案。

3 控制樓基礎方案選定

根據選定的控制樓方案，結合邊孔閘室穩定和邊墩應力分析計算要求，擬定控制樓空箱基礎為2種方案，即筏板基礎和樁基礎+筏板基礎。

3.1 筏板基礎

邊墩外側的控制樓基礎沿邊墩側壁布置整體空箱結構，空箱底板高程為19.06 m，比原設計底板高程低2.80 m?？障涞装彘L22.0 m，寬7.3 m，厚0.60 m。樁號閘0+000.00—0+003.25段空箱頂高程為26.36 m，墻頂采用現澆混凝土板，板厚0.40 m。樁號閘0+003.25—0+012.75為豎井結構，上游側井內尺寸為4.45 m×4.50 m，下游側井內尺寸為3.25 m×4.50 m，井頂高程為27.75 m。樁號閘0+012.75—0+022.00段空箱頂高程為26.86 m，墻頂為現澆混凝土板，板厚0.40 m。

3.2 樁基礎+筏板基礎

樁基礎分為預制樁和灌注樁。若采用預制混凝土樁，需要采用靜力壓樁機施工，壓樁機設備尺寸約為6.0 m×9.0 m，但北進洪閘北側施工場地狹小，施工組織困難。同時，四女寺北進洪閘控制樓距離邊墩很近，且靜力壓樁機設備本身重量大，施工過程中預制樁對邊墩產生的震動偏大。因此，結合現場實際情況，經綜合比較，樁基礎采用混凝土灌注樁。

為節省投資，邊墩外側的控制樓基礎從上游至下游分塊布置，上游側控制樓基礎采用樁基礎，下游側空箱采用筏板基礎。樁號閘0+000.00—0+003.25段為矮擋墻，邊墻厚0.60 m、高3.60 m，墻頂采用現澆混凝土板，板厚0.30 m。樁號閘0+003.25—0+013.15為豎井結構，上游側井內尺寸為4.45 m×4.50 m，下游側井內尺寸為3.25 m×4.50 m，豎井基礎底板頂高程為22.46 m，井頂高程為27.75 m。樁號閘0+000.00—0+013.25基礎采用混凝土灌注樁，樁長23.0 m，垂直水流向3排，上下游方向布置5排，共15根灌注樁。樁號閘0+013.15—0+022.00擋墻為空箱結構，底板厚0.50 m，順水流長8.85 m、寬7.0 m。

3.3 控制樓基礎方案對比分析

2個方案中筏板基礎投資大于樁基礎，采用樁基礎邊孔抗滑穩定的安全余度大于筏板基礎。經過分析論證，為了提高邊孔閘室的抗滑穩定，兩岸控制樓基礎采用樁基礎方案。兩岸控制樓基礎方案對比，詳見表1。

表1 兩岸控制樓基礎方案對比

4 灌注樁設計

兩岸控制樓基礎分成兩部分，上游側為控制樓基礎，下游側為減載空箱。控制樓基礎采用樁基礎，共設置15根灌注樁，混凝土強度等級為C35抗硫酸鹽混凝土，上部荷載全部由樁承擔，只進行樁基計算，不進行穩定計算。

按照《建筑樁基技術規范》進行了樁基計算，全部荷載由樁承擔，大直徑單樁豎向極限承載力標準值Quk[2]計算公式為：

式中：Quk為單樁豎向極限承載力標準值（kPa）；Qsk為單樁總極限側阻力標準值（kPa）；Qpk為單樁總極限端阻力標準值（kPa）；u為樁身周長（m）；?si為大直徑樁側阻尺寸效應系數；?p為大直徑樁端阻尺寸效應系數；qsik為樁側第i層土的極限側阻力標準值（kPa）；qpk為樁的極限端阻力標準值（kPa）；lsi為樁穿越第i層土的厚度（m）；Ap為樁身橫截面面積（m2）。

單樁水平承載力允許值Rha計算公式為：

式中：Rha為單樁水平承載力允許值（kN）；EI為樁身抗彎剛度（kN·m2）；χoa為樁頂允許水平位移（mm）；νx為樁頂水平位移系數；α為樁的水平變形系數（1/m）。

取Q4alⅢ層粉砂土作為鉆孔灌注樁樁端持力層，單樁豎向極限承載力標準值Quk=2 479.40 kN，單樁豎向承載力特征值Ra=1 239.70 kN，單樁水平承載力特征值Rha=127.30 kN。根據單樁計算成果，混凝土灌注樁長23.20 m，樁徑0.8 m，樁底高程-1.39 m。樁身混凝土強度C35，單樁豎向抗壓承載力極限值為2 460 kN，設計單樁水平承載力極限值為175 kN（樁頂水平位移≤10 mm）。灌注樁共設置15根，垂直水流向3排，上下游方向布置5排，由上至下間距分別為2.50、2.80、2.80、3.25 m。正常工況單樁承載力最大值為1 330 kN，小于1 487.64 kN；地震工況單樁承載力最大值為1 404 kN，小于1 859.55 kN。左岸1#和6#、右岸6#和12#為試驗樁。

5 鉆孔灌注樁施工

5.1 混凝土拆除

臨近邊墩側的預制混凝土拱圈、立墻和混凝土底板采用人工拆除，離邊墩1.0 m以外的混凝土拆除采用液壓振動錘。拆除后的混凝土運至德州市建筑垃圾處理中心。土方回填采用一般常規方法施工。

5.2 基坑支護

南側在邊墩外側有兄弟干渠箱涵，混凝土灌注樁施工前對其進行拆除封堵。拆除過程中采用拉森鋼板樁支護，鋼板樁支護范圍沿兄弟干渠走向布設，上游側寬4.0 m，順水流向長14.0 m，下游側寬4.0 m。本工程選用拉森鋼板樁，單根長度12 m，入土深7.50 m，外露4.50 m，有效寬度0.40 m。

5.3 灌注樁施工

灌注樁鉆孔采用循環回轉法施工，因樁間距小于4倍樁徑，以隔樁成孔，成孔設備最小作業面不小于1.5 m，施工自進口遠端自內向外進行。

（1）施工準備。施工前組織參建各方進行圖紙會審并形成會審記錄，根據樁型、鉆孔深度、土層情況、泥漿排放及處理等要素確定鉆孔機具及工藝，制定作業計劃和勞動力組織計劃，落實機械設備、工具、材料供應，根據施工圖紙對樁進行編號、定位放線，明確施工順序。

（2）鋼筋籠制作、安裝。鋼筋籠的主筋采用機械連接，不設彎鉤，主筋與箍筋焊成鋼筋籠骨架，鋼筋籠分段制作采用機械式接頭。鋼筋籠安放時對準孔位，入孔全過程保持垂直，防止產生彎曲變形，并設保護層墊塊，遇阻時不得強行下放，避免碰撞孔壁和自由下落，就位后立即固定。

（3）泥漿制備。選擇膨潤土制備泥漿，清孔過程中不斷置換泥漿，直到灌注混凝土。灌注混凝土前，孔底500 mm以內的泥漿相對密度小于1.25，含砂率不大于8%，黏度不大于28 s。

（4）鉆孔。樁長23.2 m，同時滿足樁端進入持力層（粉砂層）不小于1.6 m。本工程采用反循環工藝成孔、清孔，孔口護筒中心與樁中心的偏差不得大于50 mm，護筒內徑大于鉆頭直徑100 mm，上部開設1個溢漿孔，護筒埋深不小于1.0 m，下端外側用黏土填實。鉆孔灌注樁施工前選擇2孔進行試成孔，成孔質量良好，地質資料與工程地質報告資料相符，鉆孔設備滿足要求，工藝流程合理。施工時應認真做好土層對比工作，確保樁端進入持力層深度滿足設計要求，成孔后加設套管，防止樁孔塌方或施工過程中對邊墩產生不利影響。樁徑允許偏差為±50 mm、垂直度允許偏差為1%，邊樁樁位允許偏差不大于100 mm，中間樁樁位允許偏差不大于150 mm。

（5）混凝土灌注。灌注混凝土前應進行2次清孔，清孔后的平均沉淤厚度≤50 mm，在測得孔位、孔徑、垂直度、孔深、回淤厚度和泥漿密度符合規定后立即灌注混凝土并同步做好每一項工序的原始檢查記錄。開始灌注混凝土時，導管底部至孔底的距離為300～500 mm，隨著混凝土面上升，控制提拔導管速度，導管埋入混凝土的深度控制在2～6 m，嚴禁將導管提出混凝土灌注面。灌注混凝土必須連續施工，每根樁的灌注時間按初盤混凝土的初凝時間控制。澆筑混凝土高度在樁頂設計標高以上大于樁身長度的5%且不應小于1 m，確保樁頂設計標高處的混凝土強度達到設計要求。鉆孔灌注樁施工時的充盈系數不得小于1.0，也不得大于1.3。

5.4 注意事項

（1）鋼板樁施工采用振動樁錘打設鋼板樁，距離邊墩1.0 m內不要打鋼板樁。

（2）由于邊墩外側控制樓基礎是減少邊墩土壓力的措施，大型施工機械不要直接靠近邊墩，施工過程中要密切關注邊墩的變化。

（3）每根樁施工過程應有完整記錄，安排專人測量導管埋深及管外混凝土灌注面的高差，填寫混凝土灌注記錄。

（4）灌注樁施工現場所有設備、設施、安全裝置、工具配件及個人勞保用品必須經常檢查，確保完好和使用安全。

（5）檢查成孔質量合格后盡快灌注混凝土。鉆機在鉆進過程中發生斜孔、塌孔和護筒周圍冒漿、失穩等現象時，應立即停鉆，待采取相應措施后再進行鉆進。

6 質量檢查

灌注樁混凝土齡期達到28 d后對試驗樁進行了高應變檢測和單樁水平靜載試驗，對全部灌注樁進行了低應變檢測[3]。

（1）單樁水平靜載試驗。左岸1#和6#、右岸6#和12#試驗樁的單樁水平承載力175 kN時，力作用點位移分別為9.89、8.25、8.65、9.12 mm，由此判定此次所測4根水平試驗樁單樁水平承載力極限值均滿足設計要求。

（2）低應變檢測。通過低應變檢測，判定該工程所檢測的30根樁中，Ⅰ類樁（樁身完整）29根，Ⅱ類樁（樁身有輕微缺陷、不會影響樁身結構承載力的正常發揮）1根，表明樁身完整性滿足設計要求。

（3）高應變檢測。左岸1#和6#、右岸6#和12#試驗樁的單樁豎向抗壓承載力極限值分別為2 499、2 570、2 508、2 561 kN，表明該工程所測承載力均滿足設計要求。

7 結語

四女寺樞紐北進洪閘兩岸控制樓基礎為地下連續空箱擋墻結構，安全鑒定時無法進行檢測；施工階段對其檢測并進行了復核計算，發現現有控制樓基礎不滿足建筑結構基礎規范要求，故對控制樓基礎進行了重新設計并拆除重建。通過方案比選，選擇采用灌注樁基礎，兩岸控制樓基礎拆除重建保證了控制樓及邊4孔閘室穩定和邊墩的結構安全。