珊瑚礁孔洞地質(zhì)條件下鉆孔灌注樁施工技術(shù)

郗永磊，桂 林

(中交二航局第二工程有限公司，重慶 401121)

0 引言

珊瑚礁巖具有密度低、孔隙大、結(jié)構(gòu)性強、脆性高、各向異性等顯著特點。在形成過程中，因鈣質(zhì)物沉積不均勻，易在地層中形成不規(guī)則孔洞。目前，國內(nèi)尚無以珊瑚礁巖作為橋梁基礎(chǔ)持力層的設(shè)計和施工經(jīng)驗，面對鉆孔灌注樁施工過程中遇到的孔洞，傳統(tǒng)的處理工藝為采用低強度等級混凝土或砂漿填充封堵。由于珊瑚礁地層孔洞具有顯著的不規(guī)則性，體積巨大，填充封堵處理的不確定性因素較多，此工藝孔洞頂部的封堵混凝土較薄，在樁身混凝土澆筑過程中，孔洞區(qū)段的孔壁易因側(cè)壓力過大而破壞，引起樁基混凝土外漏，無論從進度、成本方面都無法保證施工要求。中馬友誼大橋采用創(chuàng)造性的孔洞處理工藝，解決了系列難題，為類似地質(zhì)基礎(chǔ)施工提供參考。

1 工程概況

中馬友誼大橋跨越Gaadhoo Koa海峽，連接馬累和機場2個島嶼，是馬爾代夫首座橋梁工程，主橋為五墩六跨(100+2×180+140+100+60)m組合混合梁V形墩剛構(gòu)橋，橋長760m。主橋基礎(chǔ)采用直徑3.6～3.2m，3.2～2.8m的變截面鋼管復(fù)合樁基礎(chǔ)，最大樁長118m。主墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示，各墩位樁基參數(shù)如表1所示。

圖1 主墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)Fig.1 Foundation structure of main pier

表1 主墩樁基參數(shù)Table 1 Parameters of main pier piles

2 工程地質(zhì)條件

3 珊瑚礁孔洞處理

3.1 總體思路

成孔過程中，采用水下混凝土封堵珊瑚礁孔洞，并在鋼筋籠對應(yīng)位置布置柔性護套，多重處理，減少地質(zhì)缺陷對成樁質(zhì)量的影響,確保順利成樁。

3.2 混凝土封堵

鉆進過程中，通過鉆壓和鉆進水頭的變化，并結(jié)合地質(zhì)CT掃描結(jié)果，判斷孔洞頂口及底口高程。鉆進至孔洞底后提出鉆桿和鉆頭，向孔洞內(nèi)澆筑C25水下混凝土封堵孔洞，超出孔洞頂6m以上，待混凝土面高度保持平穩(wěn)，則孔洞填充完成。待混凝土強度≥10MPa 后繼續(xù)鉆進至設(shè)計孔底標高，進行后續(xù)樁基施工。

3.3 柔性護套防護

3.3.1結(jié)構(gòu)形式

在樁基孔洞位置相對應(yīng)的鋼筋籠上架設(shè)土工布并用箍筋纏繞固定。具體結(jié)構(gòu)為在鋼筋籠主筋上焊接土工布架力筋，以確保鋼筋籠保護層厚度滿足要求。架立筋由4cm長φ16鋼筋柱和3m長φ16縱向鋼筋組成，每間隔2根主筋布置1組。然后在架立筋外側(cè)纏繞3層土工布，第2層和第3層土工布之間纏繞1層塑料薄膜，并在上下口用鐵絲綁扎，最后在土工布外側(cè)綁扎螺旋鋼筋加強。柔性護套制作必須牢固，確保鋼筋籠下放和混凝土澆筑過程中不發(fā)生滑落、移位，如圖2所示。柔性護套高3m，以孔洞頂為基準，上下分別為1m和2m，該區(qū)域內(nèi)不設(shè)置墊塊。

圖2 柔性護套結(jié)構(gòu)Fig.2 Flexible jacket structure

3.3.2相關(guān)材料特性

1)土工布 選擇400g/m2型，其物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 土工布物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of geotextile

2)加強箍筋φ12螺紋鋼，抗拉設(shè)計強度值400MPa。

3)鐵絲 選用8號鐵絲，直徑4mm，抗拉力設(shè)計值1.96kN。

3.3.3結(jié)構(gòu)強度驗算

1)計算荷載

根據(jù)JGJ 162—2008《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》計算新澆筑混凝土對柔性護套的側(cè)壓力：

(1)

F=γcH

(2)

式中：F為新澆混凝土對模板的側(cè)壓力值(kN/m2)；γc為混凝土的重力密度(kN/m3)，本次計算取14kN/m3(減去水的容重)；V為混凝土澆筑速度(m/h)，考慮40m3/h的混凝土澆筑速度，除以孔徑截面面積，本次計算取6.496m/h；t0為混凝土的初凝時間(h)，可按照時間確定，當缺乏試驗資料時，可以采用t0=200/(T+15)(T為混凝土的溫度，℃)，混凝土的初凝時間取30h；β1為外加劑影響修正系數(shù)，不摻加外加劑時取1.0，摻具有緩凝作用的外加劑時取1.2，本次計算取值1.2；β2為混凝土坍落度影響修正系數(shù)；當坍落度<30mm時取0.85，坍落度50～90mm時取1.0，坍落度110～150mm時取1.15，本次計算取1.15；H為混凝土側(cè)壓力計算位置處至新澆混凝土頂面的總高度(m)，值本次計算取60m(樁基混凝土頂面距離土工布位置處高度)；h為有效壓頭高度。

取上式中較小值，側(cè)壓力為413.6kN/m2。

2)土工布強度驗算

柔性護套體系在混凝土均布壓力作用下，2層箍筋之間的土工布力學(xué)行為可簡化為單向膜，計算可等效為多跨連續(xù)的懸索受力，按照懸鏈線計算理論進行計算，受力如圖3所示。

圖3 箍筋與土工布體系受力Fig.3 Stress of stirrup and geotextile system

3)上下兩端錨固驗算

在土工布包裹區(qū)域的最上端采用鐵絲綁扎，在周長方向每延米范圍內(nèi)產(chǎn)生拉力27.4kN，由于單層土工布的撕破強力為0.56kN，經(jīng)計算至少布置17個鐵絲綁扎點才可以滿足受力要求，實際設(shè)置綁扎點36個，在距土工布端部3排箍筋范圍內(nèi)平均分布綁扎點，每排箍筋上平均分布12個錨固點，錨固點的安全系數(shù)為2.2。

選擇8號鐵絲，直徑4mm，可以承受拉力1.96kN，大于撕破拉力，鐵絲的安全系數(shù)為2.5，受力滿足要求。

綁扎點位置處的箍筋需要與主筋焊接，焊接區(qū)域按照5mm×5mm控制，按照剪切強度值110MPa計算得到可以承受拉力2.75kN，大于撕破拉力，焊接點的安全系數(shù)3.6，滿足受力要求。

套筒上下兩端需采用彎起鋼筋(與豎直向夾角30°)與主鋼筋籠縱筋連接，將錨固力傳遞至主筋，總錨固力為241kN，選用φ16螺紋鋼，設(shè)計拉力值80.4kN，環(huán)向布置16根，安全系數(shù)為4.6，滿足受力要求。斜向筋與鋼筋籠主筋需等強焊接。

4)加強箍筋強度驗算

箍筋為主要的環(huán)向受力結(jié)構(gòu)，由混凝土自重產(chǎn)生的徑向均布壓力作用，其直徑按照2.8m考慮，間距10cm，考慮每層箍筋承受10cm范圍的所有混凝土自重壓力。計算模型如圖4所示。

圖4 箍筋抗拉強度計算模型Fig.4 Calculation model of stirrup tensile strength

按照上述的計算模型建立平衡條件：

(3)

T=0.1Pd=0.1×413.6×1.4=57.9kN

箍筋的抗拉設(shè)計強度取值為ft=400MPa，箍筋的拉力計算公式如下：

T=ftA

(4)

計算后得：T16=ftA=90.4kN>57.9kN，箍筋受力滿足要求。

經(jīng)過計算，在鋼筋籠的外圍設(shè)置3層土工布包裹，且土工布的外側(cè)設(shè)置雙肢直徑12mm的螺紋鋼筋作為箍筋，可以滿足混凝土澆筑過程中土工布和箍筋的受力要求。

4 施工工藝

4.1 孔洞位置確認

由于珊瑚礁巖具有不均勻性，地質(zhì)勘察資料僅能揭示單個地勘孔的地質(zhì)情況，對于地勘孔周邊地質(zhì)情況代表性不強，需采用地質(zhì)CT對孔洞的位置及形狀進行復(fù)核。利用地下孔內(nèi)聲波CT探測技術(shù)對23號墩位地質(zhì)掃描成像，成功探測出珊瑚礁孔洞的分布位置及形狀，23號墩珊瑚礁孔洞位于-67.000～-75.000m區(qū)域。

4.2 鉆進成孔

采用ZJD4000反循環(huán)回旋鉆清水鉆成孔，不同地層選擇合適的鉆頭形式、鉆進速度及鉆進壓力等鉆進參數(shù)，防止樁孔出現(xiàn)斜孔、縮徑、孔壁錯臺等質(zhì)量問題。通過反復(fù)調(diào)整鉆進參數(shù)，總結(jié)出珊瑚礁巖成孔鉆進參數(shù)如表3所示，主要施工要點如表4所示。

表3 各地層鉆進參數(shù)Table 3 Drilling parameters of each formation

表4 鉆進各階段施工要點Table 4 Key points of drilling construction at each stage

4.3 鋼筋籠施工

鋼筋籠在鋼筋加工場制作，由駁船運輸至施工墩位，采用履帶式起重機與鋼筋籠下放架相結(jié)合的方式接長、下放，先安裝內(nèi)層鋼筋籠，再安裝外層鋼筋籠，鋼筋籠安裝前將混凝土滾輪墊塊安裝好。為了縮短鋼筋籠安裝時間，接長采用套筒機械連接方式，鋼筋籠標準節(jié)長12m，單節(jié)最重約8.5t，單根最重為80.2t。

4.4 混凝土澆筑

采用水下混凝土施工工藝澆筑樁基，鋼筋籠安裝完成后，及時安裝導(dǎo)管，導(dǎo)管使用前必須進行水密和接頭抗拉試驗。混凝土澆筑之前，進行孔底沉渣厚度測量，如沉渣厚度不能滿足要求，則立即進行二次清孔，清孔過程中保證孔內(nèi)水頭高于水面2m以上。

封底混凝土用球膽作為隔水栓，計算好首批混凝土方量，加工相對應(yīng)容量的首封大料斗和2m3的澆筑料斗，澆筑前先用繩吊住小料斗隔水球，關(guān)閉首封料斗卸料口，在首封料斗中放滿混凝土，同時罐車在小料斗內(nèi)放滿混凝土，封底時剪斷吊繩，視小料斗內(nèi)混凝土下落速度打開首封料斗卸料口，讓混凝土一次迅速連續(xù)卸放到孔底，完成封底。正常澆筑時導(dǎo)管的埋深控制在2～6m，直至完成樁基混凝土澆筑。

5 結(jié)語

在珊瑚礁孔洞地質(zhì)條件下，保證樁基施工質(zhì)量的重點是成孔質(zhì)量控制及礁灰?guī)r孔洞的封堵質(zhì)量控制。本工程通過合理的鉆機選型及不同地質(zhì)的鉆壓控制，保證了成孔的效率和質(zhì)量；利用地質(zhì)CT掃描技術(shù)，準確判斷各墩位地下孔洞形狀及位置，以便有針對性地制定封堵方案；提出混凝土封堵+鋼筋籠柔性護套保護技術(shù)，成功對礁灰?guī)r孔洞進行封堵。通過上述措施，順利完成了中馬友誼大橋主墩35根大直徑超長樁基的施工，為珊瑚礁地質(zhì)基礎(chǔ)施工積累了寶貴經(jīng)驗。