鐵路橋梁鉆孔灌注樁施工典型事故及應對措施

秦海平

（北京鐵城建設監(jiān)理有限責任公司，北京 100855）

0 引言

鐵路橋梁施工工程涉及諸多工藝和技術，其中鉆孔灌注樁是常用的基礎處理方法，其施工質(zhì)量對整個橋梁工程的安全和穩(wěn)定性具有舉足輕重的作用。在鐵路鉆孔灌注樁施工工程中，容易發(fā)生的質(zhì)量事故有：孔口高程和鉆孔深度出現(xiàn)誤差，開灌前孔內(nèi)泥漿含砂量過大，水下混凝土灌注及樁身混凝土未達規(guī)范值，鋼筋籠上浮。本文對這些事故產(chǎn)生的原因和可能帶來的危害進行分析，并提出解決措施。

1 鐵路橋梁施工中典型事故及成因

1.1 鉆孔施工階段的典型事故

1.1.1 孔口高程誤差

孔口高程誤差是鐵路橋梁施工中的典型事故之一，具體表現(xiàn)為樁孔實際高程高于或低于設計高程[2]。施工過程中出現(xiàn)一個或多個樁孔的高程偏差，會導致橋梁結構的負荷分布不均勻，影響橋梁的穩(wěn)定性和安全性。一般來講，這種事故的主要成因是：

（1）地層的不均勻性和地下水位的變化可能導致鉆孔過程中的抗扭力、抗剪力、抗壓力發(fā)生變化，從而影響鉆孔的高程精度；

（2）根據(jù)相關規(guī)范，工程測量的相對高程測量允許誤差為±5mm，施工前的地形測量誤差和施工過程中的高程測量誤差均會導致孔口高程誤差。

1.1.2 鉆孔深度誤差

鉆孔深度誤差主要體現(xiàn)為鉆孔深度不足、或過深、或深度不均勻。鉆孔深度不足，可能導致橋梁基礎承載力不足；鉆孔深度過深，可能導致資源浪費和施工成本增加；鉆孔深度不均勻，若鉆孔深度在不同位置出現(xiàn)較大的差異，可能導致橋梁基礎受力不均，影響結構穩(wěn)定性。一般來講，這種事故的主要成因是：

（1）設備因素。鉆機等設備故障可能導致鉆孔深度不準確，故障率一般為5%～10%，同時，鉆孔過程中扭矩和軸壓力的突然變化可能導致鉆孔深度誤差，此種因素導致的鉆孔深度誤差概率約為10%～15%。

（2）測量因素。測量設備、方法或人員的誤差可能導致鉆孔深度測量不準確。一般而言，施工中測量誤差導致鉆孔深度誤差的概率約為5%～10%。

1.2 灌注水下混凝土施工階段的典型事故

1.2.1 開灌前孔內(nèi)泥漿含砂量過大

鐵路橋梁灌注水下混凝土施工涉及多個環(huán)節(jié)，施工開灌前孔內(nèi)泥漿含砂量過大是此階段的典型事故之一，具體體現(xiàn)為孔口處泥漿泥砂混雜，顏色混濁，不易流動；孔內(nèi)泥漿循環(huán)不暢，壓力升高。壓力過高會導致孔口沖出較大的泥漿，過多的泥砂可能會堵塞注漿管道，使施工難度增加，且泥漿中砂含量過高會增加灌注孔的阻力，導致漿液難以充分注入，使得混凝土的密實性和均勻性受到影響，進而影響混凝土的強度和耐久性；過多的砂粒會使孔內(nèi)壓力增大，從而導致管道和孔壁的破裂或坍塌，危及施工人員的安全。一般來講，這種事故的主要成因是：

（1）鉆孔不規(guī)范。鉆孔時，如果鉆頭不夠鋒利或鉆孔過程中鉆頭過度磨損，就會導致孔壁不光滑，從而使得鉆屑不易排出，積聚在孔底和孔壁中，隨著泥漿注入孔內(nèi)，可能會被卷入泥漿中。

（2）泥漿配比不合理。灌注水下混凝土施工中，灰水比過高（例如：C/W>0.7）時，可能會導致泥漿過于稠密，過于稠密的泥漿將導致泥漿的抽水性較差。灰水比過低（例如：C/W＜0.4）時，將導致泥漿過于稀薄，過于稀薄的泥漿可能導致孔內(nèi)泥漿的承載能力降低，均會使得孔內(nèi)泥漿含砂量過大，引發(fā)“缺陷樁”或“斷樁”事故。

1.2.2 水下混凝土灌注及樁身混凝土未達規(guī)范值

水下混凝土灌注和樁身混凝土質(zhì)量的達標情況對鐵路橋梁的整體穩(wěn)定和安全至關重要，水下混凝土灌注及樁身混凝土未達規(guī)范值是水下混凝土施工階段的典型事故之一。主要體現(xiàn)在混凝土強度低于設計要求；混凝土抗?jié)B性能不足；樁身混凝土的偏心率超過允許值等方面。混凝土的強度、韌性和耐久性等質(zhì)量問題，水下混凝土施工灌注設備及方法，以及施工現(xiàn)場的水流速度、水深、溫度等環(huán)境因素是導致水下混凝土灌注和樁身混凝土質(zhì)量事故的主要因素。

1.2.3 鋼筋籠上浮

一般來講，鋼筋籠上浮事故的主要成因是：

（1）浮力作用。水下混凝土施工時，鋼筋籠被淹沒在水中，受到浮力作用，鋼筋籠的重量不足以抵消浮力，將導致鋼筋籠上浮。

（2）錨固不牢。鋼筋籠需要牢固地錨定在橋墩或橋臺上，以防止在施工過程中上浮。錨固設施設計不合理或施工質(zhì)量不過關，將導致鋼筋籠在灌注過程中脫離錨固點，從而上浮。

（3）水下混凝土施工通常采用特殊的灌漿方式，例如泵送或流動法，灌漿方式選擇不當將導致混凝土分層、氣泡生成等問題，進而影響鋼筋籠的穩(wěn)定性，導致上浮。

2 應對措施

2.1 鉆孔施工階段事故應對措施

2.1.1 孔口高程誤差事故的應對措施

（1）施工前，對鉆孔設備進行檢查，確保其準確性和穩(wěn)定性，結合具體的工程環(huán)境及工程要求，參照《鐵路橋涵工程施工質(zhì)量及驗收標準》（TB 10415-2018）等文件，明確孔口高程的誤差范圍和設定標準。

（2）施工中，在施工現(xiàn)場附近選擇一個位置穩(wěn)定的地方，建立臨時基準點，測量該點的絕對高程，作為后續(xù)測量的基準。

（3）使用全站儀或水準儀，將臨時基準點的高程轉移到鉆孔位置附近，設立一個中間點，確保中間點與鉆孔位置在視線范圍內(nèi)，且距離適中；進而通過高程轉移方法分別測量中間點和鉆孔孔口的高差，將兩個高差相加，得到孔口的高程，如式（1）：

式中：Ho——孔口的絕對高程；

Hp——臨時基準點的絕對高程；

hc——中間點的相對高差；

ho——孔口的相對高差。

獲取孔口絕對高程后，假設工程設計高程為Hd，高程誤差為ΔH，高程誤差計算公式如式（2）：

一般情況下施工的孔口高程誤差范圍為±10mm，施工中，若ΔH超過允許的誤差范圍，則需要采取糾正措施。誤差較小時，采用局部修補或填充的方法進行修復，誤差較大時，采用增加鋼筋加固、改變橋墩結構措施或在評估調(diào)整橋面高程不影響橋梁安全性能的前提下，通過調(diào)整橋面高程解決孔口高程誤差問題，保證橋梁的安全性能。

2.1.2 鉆孔深度誤差的預防及應對措施

（1）高程換算一致性。鐵路橋梁施工過程中，應確保使用同一標準對施工中的所有高程數(shù)據(jù)進行換算，例如采用相同的基準面，以此避免施工中因為高程不一致引發(fā)鉆孔深度誤差事故。

（2）采用丈量鉆桿的方法來測量孔深，而非使用測繩。以此提高孔深測量的準確性。在測量過程中，將鉆頭的2/3長度處作為孔底終孔界面，以獲得更準確的數(shù)據(jù)。

（3）鉆孔的終孔標準應以樁端進入持力層深度為準，設終孔深度為Df，應滿足以下條件，如式（3）：

式中：Dd——設計深度；

Dp——樁端持力層的進入深度。

此種情況下能夠確保橋梁樁基具有足夠的承載能力。

（4）當鉆孔到達樁端持力層后，應及時取樣，通過鑒定確認鉆孔是否成功進入樁端持力層。這一步驟可以確保樁基具有良好的承載性能。根據(jù)實際施工數(shù)據(jù)，可以計算深度誤差ΔD，如式（4）：

式中：ΔD——深度誤差；

Da——實際深度；

Dd——設計深度。

《鐵路隧道設計規(guī)范》（TB 10003-2016）中要求鉆孔深度的允許誤差為±100mm，若鉆孔深度誤差較大，需要從以下兩方面采取措施：

（1）對鉆孔機進行檢修和調(diào)整，清理孔口，確保孔口內(nèi)部潔凈，不受雜物影響。

（2）重新測量孔深，糾正誤差，并加強對測量工具和方法的質(zhì)量控制。若鉆孔深度誤差較小，需可繼續(xù)進行施工，確保孔深符合要求，定期對孔深進行檢查，及時發(fā)現(xiàn)和糾正誤差。

2.2 灌注水下混凝土施工階段事故應對措施

2.2.1 開灌前孔內(nèi)泥漿含砂量過大事故的應對措施

（1）在含粗砂、礫砂和卵石的地層鉆孔時，優(yōu)先采用泵吸反循環(huán)清孔。

（2）清孔時，采用高黏度濃漿清孔，加大泥漿泵的流量，使砂石粒順利地浮出孔口。當孔底沉渣厚度符合設計要求后，將孔內(nèi)泥漿密度降至1.1～1.2g/cm3，避免含砂量過大的情況發(fā)生。

（3）施工過程中，若出現(xiàn)清孔前期孔口泥漿含砂量過低，撈不到粗砂粒，或將孔內(nèi)泥漿密度降低后，孔底沉渣厚度仍然增大時，必須進行二次清孔，以確保孔內(nèi)泥漿的質(zhì)量符合要求。

2.2.2 水下混凝土灌注及樁身混凝土未達規(guī)范值的應對措施

針對水下混凝土灌注及樁身混凝土未達規(guī)范值引發(fā)的質(zhì)量事故，應采取準確計算混凝土初灌量，正確下達技術交底的措施進行預防及應對。

（1）綜合考慮澆筑過程中損耗和收縮的基礎上，計算混凝土初灌量V2，計算公式如式（5）：

式中：L1——損耗率；

L2——收縮率；

V1——凈體積。常規(guī)情況下，施工中損耗率通常為2%～5%，收縮率為1%～3%。通過公式（5）可確定混凝土澆筑部位的凈體積。

（2）采用合適的灌注方法。根據(jù)工程條件，選擇Tremie 法、泵送法、滑動管法等灌注方法。對于樁身混凝土，可采用導管灌注法，導管底部距樁底不大于1.5倍導管直徑，確保灌注時不引起混凝土的離析和空腔。

（3）選擇合適的水下混凝土。水下混凝土應具有良好的抗水洗性、抗離析性和流動性。施工中，可將混凝土的離析率（ΔP）、流動度（ΔS）和保水性（ΔW）作為評估參數(shù)進行混凝土質(zhì)量評估，混凝土評估參數(shù)及范圍數(shù)據(jù)見表1。

表1 混凝土評估參數(shù)及范圍

如表1 所示，選擇混凝土時，應將離析率、流動度、保水性、灌注速度、混凝土流量、灌注中斷時間等作為參考依據(jù)，保證所選混凝土在各參數(shù)參考范圍內(nèi)，以此保證施工質(zhì)量。

（4）為避免混凝土與水接觸過長時間導致性能下降，應保持連續(xù)灌注。當灌注中斷時間超過規(guī)定值（如30min），應采取預留嵌套管、采用水下混凝土插板等措施。同時控制灌注速度，防止混凝土離析和空腔。最佳灌注速度的計算公式如式（6）：

式中：V——灌注速度，m/s；

Q——混凝土流量，m3/s；

A——灌注截面積，m2。

混凝土流動性較低時需要較慢的灌注速度以防止離析和空腔；較大的灌注截面積需要較快的灌注速度以保證混凝土的均勻流動；較小的灌注截面積需要較慢的灌注速度以防止離析和空腔。

2.2.3 鋼筋籠上浮的預防及應對措施

（1）設計階段，應確保鋼筋籠的自重足夠抵抗浮力，防止其上浮。計算鋼筋籠自重的具體公式如式（7）：

式中：Gc——鋼筋籠的自重，N；

Vc——鋼筋籠的體積，m3；

ρc——鋼筋材料的密度，kg/m3，約為7850kg/m3。

由于水下混凝土施工過程中，鋼筋籠會受到水的浮力作用，需要計算浮力大小，計算公式如式（8）：

式中：Fb——浮力，N；

Vw——鋼筋籠在水中所占體積，m3；

ρw——水的密度，kg/m3，約為1000kg/m3；

g——重力加速度，m/s2，約為9.81m/s2。

若Gc小于Fb，則需通過增加鋼筋直徑、加密鋼筋間距或添加加重塊等方式增加鋼筋籠自重。

3 結束語

綜上所述，鐵路橋梁施工中的質(zhì)量事故往往與工程地質(zhì)條件、施工技術等多方面因素密切相關。因此，在施工過程中，應充分了解和掌握工程地質(zhì)條件，選擇合適的施工方法和設備；應嚴格遵守國家和行業(yè)相關規(guī)范，確保施工過程的規(guī)范化和標準化；針對施工過程中出現(xiàn)的問題，應及時采取有效的治理措施。在未來的鐵路橋梁建設中，應繼續(xù)深入研究和探討相關問題，進一步提升工程質(zhì)量，減少質(zhì)量事故的發(fā)生，降低鐵路橋梁施工工程風險，為我國鐵路事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。