大直徑超長灌注樁泥漿重復利用及分布式壓漿施工技術*

王 琦,賀江平,穆耀青

(1.中交第二航務工程局有限公司,湖北 武漢 430040;2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室,湖北 武漢 430040)

1 工程概況

黃河特大橋主橋為雙塔雙索面組合梁斜拉橋(見圖1),橋跨布置為(110+135+520+135+100)m,采用半飄浮結構體系,主梁為整幅雙邊鋼箱梁斷面,索塔采用鋼殼混凝土樽型塔,兩側各布置23對鋼絞線斜拉索,分離式承臺,群樁基礎;輔助墩、過渡墩均采用單樁基礎。索塔單個承臺下設置36根直徑2.7～2.2m鉆孔灌注樁,梅花形布置(見圖2),樁長95m,采用臨時鋼管施工,樁基采用C35水下混凝土。

圖1 安羅高速黃河大橋Fig.1 Yellow River Bridge on Anluo Expressway

圖2 樁基布置Fig.2 Pile foundation layout

索塔基礎位于黃河濕地自然保護區,環保要求高,地質以粉砂、細砂為主,該河段河床寬淺,水流散亂,沖淤變化迅速,屬游蕩型河道。設計最高通航水位+88.140m,最低通航水位+79.780m(1985國家高程基準),基本風速26.9m/s。

2 樁基施工難點

安羅黃河特大橋地處河南鄭州黃河濕地自然保護區,據調查,該區有陸生野生脊椎動物216種,國家3級保護鳥類25種,樁基施工［1］產生的廢棄物會破壞周邊環境的土質和地下水,對野生動植物特別是對濕地鳥類的影響極大。為降低施工難度、風險以及工程造價,設計單位提出采用樁端及樁側分布式后壓漿技術,可將最大樁長控制在100m以內,顯著提高樁基承載力,但施工難度大;傳統鋼護筒拔除采用履帶式起重機配合振動錘,對棧橋承載力要求高,設備投入較大,施工經濟性差。因此,在黃河濕地自然保護區樁基施工過程中,采取了泥漿自循環鉆進、分布式壓漿以及鋼護筒氣頂法拔除等關鍵施工技術。

3 樁基施工關鍵技術

樁基施工總體采用泵吸反循環施工工藝,泵吸反循環原理是利用離心泵的抽吸力量,使鉆桿內流體上升的一種鉆孔工藝。整體施工工藝如下：搭設水中棧橋和鉆孔平臺,在造漿池內制備泥漿,利用泥漿自循環系統實現樁基泥漿零污染零排放,終孔后以第1次鉆機清孔,一清后使用超聲波檢測儀沿聲測管檢孔,分節下放鋼筋籠,采用空壓機氣舉二次清孔,澆筑混凝土至設計高程。待混凝土強度滿足要求后樁檢、采用樁基分布式后壓漿、壓漿完成后采用氣頂法拔除鋼護筒。

3.1 樁基泥漿自循環系統

傳統樁基施工中泥漿都會大量溢出,對自然條件影響很大,研發一套樁基泥漿零排放自循環系統,最大限度保護自然環境。鉆機鉆進利用離心泵形成負壓將帶鉆渣泥漿經鉆桿排放至沉淀池內,沉淀后的優質泥漿以自流的方式沿串聯管繼續返回護筒內循環使用,樁基臨時護筒全部采用800mm串聯管連通,混凝土澆筑過程中溢出的泥漿通過泥漿泵抽到儲漿池中臨時儲存,樁基全部施工完成以后其余泥漿通過壓濾機壓成泥餅外運處理,過程中需時刻關注泥漿各項性能指標及黃河水位情況,確保泥漿指標符合規范要求并始終維持孔內泥漿液面高于護筒外水位2m以上,最終實現泥漿零污染零排放的環保目標。泥漿管路布置如圖3所示。

圖3 泥漿管路布置Fig.3 Mud pipeline layout

3.2 樁基分布式后壓漿

分布式壓漿有別于傳統的直管+環管組合壓漿,優勢明顯：①分布式壓漿質量優于傳統環管壓漿,可實現壓漿點位離散性分布,實現小間距多點位分布壓漿,相較于傳統環管壓漿具有壓漿效果更可控、漿液分布更均勻等優點;②分布式壓漿可依據地質構造特點,在同一壓漿管內使用不同的壓漿加固材質和不同的壓漿參數進行壓漿加固;③分布式壓漿止漿塞可在壓漿管內隨意移動,可依據需要在壓漿加固區域內不斷壓漿加固;④分布式壓漿可利用基樁內原聲測管,通過串聯壓漿器實現樁端樁側組合壓漿,減少鋼筋籠連接時接頭數量,能有效提高施工工效［2-5］。

壓漿管分為3個分布式壓漿管加1個樁端壓漿管(見圖4),鋼筋籠下放同步預埋綁扎壓漿管,成樁12～24h后清水開塞、樁檢,2～3d后進行樁基后壓漿,壓漿漿液配制采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥,水灰比控制為0.5。分布式壓漿系統由預埋壓漿器、壓漿芯管、提升設備、智能壓漿設備組成,預埋壓漿器通過螺紋與聲測管串聯,壓漿芯管由膨脹式止漿塞與出漿口組成,壓漿時通過提升設備將壓漿芯管沿聲測管長度方向向下放入聲測管內部,通過提升設備提升至預埋壓漿器位置,通過控制壓漿器上下止漿塞膨脹固定壓漿芯管于注漿位置,通過智能壓漿設備完成壓漿,樁端漿液2.5t,樁側共布置10層,每層1.25t。運用智能化壓漿系統對壓漿過程進行實時監測與控制(見圖5),根據流量、壓力等傳感器數據,及時調整漿液的配合比和壓漿泵的轉速,并把壓漿過程的數據和視頻上傳至云平臺供項目管理方查看。

圖4 分布式壓漿Fig.4 Distributed grouting

圖5 智能化壓漿系統Fig.5 Automatic grouting equipment

因大橋樁基孔深較長、孔內水壓較大、聲測管接頭數量較多,導致孔內泥漿滲入聲測管造成堵塞,難以進行樁檢,根據智能化壓漿設備創新研制出一種自動化沖洗裝置。本沖洗裝置由卷線盤、電機、變頻控制器、高壓水管、高壓水泵和導向定滑輪組成(見圖6)。在聲測管頂端固定導向定滑輪,控制高壓水管通過滑輪沿聲測管下放;啟動卷線盤電機控制高壓水管下放,并可通過變頻控制器調節下放速度;當聲測管堵塞無法繼續下放時,暫停下放,調節高壓水泵增大水壓進行沖刷;待聲測管疏通后,繼續下放水管,直至聲測管疏通完成,沖洗完畢后改變電機運轉方向提收水管。

圖6 沖洗裝置構造Fig.6 Structure of flushing device

3.3 氣頂法鋼護筒拔除

待壓漿完成后進行鋼護筒拔除,對拔除方案進行比選：方案1為150t履帶式起重機+DZ150型振動錘拔除;方案2為利用空壓機頂升至剩余2m,80t履帶式起重機拔除。方案比選如表1所示,分析認為：采用方案2,可降低施工成本、綠色環保且施工效率高。

表1 鋼護筒拔除方案對比Table 1 Comparison of steel casing removal schemes

利用蓋板焊接鋼護筒內進行封堵形成密閉空間,鋼板周圍與護筒之間整體焊接,預留通氣孔道;當空壓機開始工作時,氣流在密閉的護筒內部形成正壓,鋼護筒在內外壓差的作用下上升;通過調節空壓機的壓力大小控制護筒被氣頂的速度;在護筒提升至埋深1m時,空壓機減壓至護筒內壓力與大氣壓相等,利用履帶式起重機將護筒拔出地層,轉運護筒至材料放置區,重復利用于副橋樁基［6-7］。

4 結語

安羅黃河高速大橋樁基施工采用泥漿自循環系統,充分利用泥漿循環管路,促進泥漿重復利用,實現泥漿零污染零排放,避免污染生態環境。優化后壓漿方案采用分布式壓漿技術,聲測管、壓漿管雙管合一,節約接口數量;調整樁端壓漿器間隔為6m,壓漿分布更均勻,顯著提高樁基承載力,降低基礎規模;并運用智能化建造技術對壓漿過程進行實時監測和控制,壓漿量、壓漿壓力自動采集并實時上傳,以保證工程質量。采用空壓機+80t履帶式起重機拔除鋼護筒工藝,操作簡單、環保且經濟。最終完成主橋72根樁基施工,所有樁基均為I類樁,為同類型尤其是黃河濕地自然保護區樁基施工提供借鑒和參考。