潇河大桥钻孔桩施工工艺及对清孔问题的探讨

柳祥禄

1 工程概况

潇河大桥位于南同蒲铁路K 376+310.28处,为10孔32m预应力混凝土简支T梁双线桥,全长 339.72m。该桥设计为钻孔桩基础,双线圆端形桥墩,双线T形桥台,预应力混凝土简支 T梁,桩基直径 1.0m,长度为 43m～54m,桩基总数为108根。该处地层岩性为砂土、砂粘土和粉土。

2 钻孔灌注桩施工

根据桥位地质结构情况,钻孔桩施工时采用泥浆护壁、旋转钻机钻孔,反循环出碴,导管法灌注水下混凝土。

钻孔桩施工顺序为:测量定位→埋设护筒→钻机就位→钻进→换浆法清孔→检测→吊装钢筋笼→吊装导管→灌注水下混凝土→拆除护筒、处理桩头→桩检测→承台施工。

2.1 施工准备

1)桩位测量。钻孔桩施工前采用全站仪进行精确测量,并与两端路基联测,形成闭合三角网后,精确测定桥梁墩、台位,进而测放出钻孔桩位置,并测定、埋设护桩。

2)埋设护筒。护筒采用 3mm厚钢板制成,其直径为 1.2m,每节高2.0m,上口开一个30 cm×30 cm的缺口作为泥浆循环口。护筒采用挖埋法施工,护筒埋好后,检查护筒埋设平面位置及垂直度。

护筒顶高出施工水位或地下水位 2m,并高出地面 0.5m,安装位置偏差在 5 cm以内,倾斜度在 1%内,符合《铁路桥涵施工技术规范》要求。

3)钻机安装。钻机就位后,调平机座,确保钻头中心与护筒中心在一条铅垂线上,与孔位中心的偏差在规范允许范围之内。

钻架安装稳定,钻机定位时采用细线挂重锤检测,保证钻头中心与护筒中心偏差不大于2 cm。

2.2 钻孔作业

确保钻孔作业的进度、质量,是钻孔灌注桩施工的重要环节,必须根据现场的实际情况,做好钻孔作业的工艺设计,我们的具体做法如下。

2.2.1 通过现场试验选定合理的钻进方式,解决护壁泥浆的取用问题

设计单位提供的地质资料表明,地表以下 25m为砂土、砂粘土相互不规则夹层构成,25m～41m为砂粘土、粉粘土相互夹层构成,41m以下为粉粘土。在这种地质条件下钻孔,需要采用泥浆护壁法施工,通过对桥址附近村庄的粘土土样进行了试验,结果表明土质符合造浆要求。

根据地质情况投入适合砂土、砂粘土地层的旋转钻机。

2.2.2 统一规划,一池两用

由于本工地左右两侧为铁路既有上、下行桥梁,场地狭窄、施工干扰大,因此在规划场地时把泥浆池和沉淀池合并为一个,其尺寸为5m×5m×1m,一端排浆,一端供浆。

2.2.3 旋转钻机钻进的作业要点

开钻后,将钻机调平对准钻孔,把钻头吊起徐徐放入护筒内,对正桩位,启动泥浆泵和转盘,待泥浆进入孔内一定数量后,方可开始钻进。开始钻进时,进尺应当控制,采用低速低挡钻进。减压钻进:钻入深孔时,将主吊钩稍提起一些,采用减压钻进的方法,在钻进过程中维持垂直状态,避免或减小斜孔、弯孔和扩孔现象。在钻进过程中,严格控制钻速。钻进时,经常进行检孔,防止出现偏孔。

2.3 清孔

钻孔深度符合要求后,停止钻进,稍提钻头离孔底 10 cm～20 cm空转,保持原泥浆比重循环 4h,加入清水继续循环,泥浆比重则下降,待泥浆比重降至 1.02～1.10,泥浆的含砂率降到4%以下,粘度为 17 s～20 s,且孔底沉淀土厚度小于 20 cm,达到所要求的清孔标准时,即可停止清孔。采用检孔器对孔深、孔径、孔位、孔形和垂直度进行检查,经检查合格,准备下钢筋笼。

2.4 下钢筋笼

为确保工序衔接,所用钢筋笼应在钻孔清孔完成前加工好(以 10m为一节)。为了使钢筋笼不挨靠孔壁而确保有足够厚的混凝土保护层,在钢筋笼每隔2m绑一圈预制混凝土垫块。

清孔结束移走钻机,用吊车吊起钢筋笼扶正后徐徐送入钻孔(要防止钢筋笼碰撞孔壁),待钢筋笼下至最后一个加强箍时,在箍下穿入木棍将钢筋笼临时支于孔口,然后吊来第二节钢筋笼,调准位置后与第一节焊接牢固,如此循环直至下到设计标高为止。

2.5 设导管

导管的内径为300mm,壁厚4 mm,长度有 1m,2m,4 m三种。导管使用前要先在现场试拼试压,以检查其是否顺直和渗漏,然后将合格者按预拼方案编号并用红油漆标在导管上。使用时按编号悬吊拼接,沿钻孔中心置入钻孔,至距孔底 30 cm时,用卡环把导管固定在灌注台上。

2.6 灌注水下混凝土

水下混凝土拌合所用粗骨料优先选用满足规范要求的碎石,并适当增加含砂率,确保混凝土的和易性满足施工要求,坍落度控制在 19 cm～21 cm之间。灌注首批混凝土的数量进行精确计算,确保导管初次埋置深度不小于 1.5m,且满足导管内外压力平衡,防止管外压力过大将泥浆压入管内,造成断桩。灌注时经常测量混凝土的高度和导管埋深,导管提升、拆除时,保持位置居中,根据导管埋置深度确定提升高度,提升后导管埋深不得小于1m,不大于 5m。

3 对清孔问题的进一步探讨

在钻孔过程中,只要孔壁的受力状态发生变化都可能塌孔,因此,在钻孔特别是清孔时应尽量不改变孔壁的受力状态,原浆清孔则是其有效办法之一。但是,原浆清孔会不会导致沉碴加厚、桩的摩擦力减小和灌注水下混凝土困难等问题的发生,我们对此进行了探讨。

3.1 沉碴问题

一般情况下人们往往会认为,比重大的泥浆在相同时间内的沉淀要比比重小者多。但在钻孔桩施工中要解决的是沉碴而不是泥浆沉淀。因此,我们在施工中注意到以下情况:

当清孔时间足够长(6 h以上)时,采用原浆或减小比重的泥浆均能把钻碴排净,直至灌注水下混凝土之前沉碴情况无多大变化。当清孔在 5 h以内时用原浆清孔排碴效果好,沉淀少,而用减少比重的泥浆清孔,排碴效果差,沉淀厚,且时间越短越明显。

从上述情况可以看出,用原浆清孔不但没有导致沉淀增加,而且达到了清孔时间短、沉淀少、排碴效果好的目的。

3.2 桩周摩擦力问题

从理论上讲,泥浆比重小、护壁薄,混凝土桩与孔壁的摩擦力就大。但实际情况并非如此,原因有二:1)泥浆在孔壁形成的保护层并不因清孔时短时间泥浆比重减小而减薄;2)灌注混凝土时会使原浆护壁厚度减薄(这是因为混凝土的比重远大于泥浆,灌注过程中混凝土会“挤”走一部分泥浆护壁),但混凝土的水泥浆会浸渗到护壁泥浆中,使之得到加强。所以桩周摩擦力不会因原浆清孔而减少。

3.3 原浆比重对灌注混凝土的影响

灌注水下混凝土时,泥浆比重直接影响漏斗设置高度。规范规定:当钻孔桩顶低于钻孔中水面时,漏斗底口至少高出水面4m,当桩顶高出水面时,漏斗底口高出桩顶在 4m以上。当计算值大于上述规定时,我们认为应采用计算值。计算值按下式求得:

Hc≥(Po+RwHw)/Rc。

其中,Po为使导管内的混凝土被挤出管外造成管外混凝土上升所需的压力,取 100 kPa～150 kPa;Rw为钻孔内泥浆比重, kN/m2;Rc为混凝土拌合物容重,kN/m2;Hw为孔内混凝土面以上泥浆深度,m。

我们用上式对换浆清孔的 Hc做了计算,发现它与原浆清孔的 Hc相差极小,完全可以忽略不计。

从上述三个问题可以看出,原浆清孔不但没有影响桩的质量,也没有给灌注水下混凝土带来困难,所以,对直径大、钻孔时间长、地质又较差的钻孔桩,原浆清孔是保证灌注桩质量行之有效的方法之一。

4 结语

钻孔灌注桩施工工序较多,主要工序都在水下及地下进行,不便于直观监视,影响施工正常进行和工程质量的因素又很多,很难全部预见。然而,如果能根据具体情况采取一系列切实可行的方法和措施,在钻进时把握住斜孔和塌孔两个问题,清孔时如有可能塌孔的采用原浆清孔,灌注混凝土抓住第一斗和以后导管埋深控制,钻孔灌注桩的质量是完全可以保证的。

[1] TB 10415-2003,铁路桥涵工程施工质量验收标准[S].

[2] TB 10002.5-2005,铁路桥涵地基及基础设计规范[S].