混凝土灌注桩在水利工程施工中的应用

2012-02-01戴群劲

科学之友 2012年9期

戴群劲

（湛江市经纬水利水电工程有限公司，广东湛江 524000）

随着建筑经济快速发展，水下混凝土的施工方法越来越多，工程规模越来越大，应用范围越来越广，是一种极有发展潜力的混凝土施工技术。钻孔灌注桩是一种风险性较大的施工项目。若准备不充分或某个环节出了问题都可能出现断桩事故。断桩事故的处理有两种方法，一是打骑马桩，即在断桩两侧各打一桩；另一种是用冲击钻把断桩处理掉，再重新进行施工。不论哪种处理方法，都会给施工单位造成极大的经济损失，且严重影响工程工期。

1 工程概况

某水利工程位于东莞虎门，地质情况较复杂，场地地下水位较高。砾砂层呈灰白、灰黄，局部为粉细砂、中粗砂，偶含黏土，局部地段夹薄层黏土、粉土，厚度0.6～7.8 m，平均5.4 m，标贯击数为2.3～22.9击，平均11.8击。经分析研究决定，采用冲击成孔灌注桩方法进行施工。

根据工程实践，钻孔灌注桩的质量问题大多集中在水下混凝土灌注过程中（即成桩阶段），成桩阶段发生的质量问题主要与混凝土的质量、成孔质量、水下导管的控制、混凝土的顶升阻力及其他外界条件有关。而这些影响因素多是难以控制的。

2 水下混凝土配制

水下混凝土质量的好坏，其决定因素是混凝土的配制。除检查水下混凝土的强度、等级和材料应符合设计要求和《公路桥涵施工技术规范》的规定外，还应重点检查以下几点是否符合施工要求：

（1）水泥可选用火山灰水泥、粉煤灰水泥、普通水泥和硅酸盐水泥，使用矿渣水泥时应采取防离析措施。水泥的初凝时间不宜早于2.5 h，水泥的强度等级应≥42.5 MPa，一般低标号如C20水下混凝土可采用32.5型水泥，不能采用早强型水泥。

（3）细集料宜采用集配良好的中砂。为使混凝土有良好的和易性，混凝土的含砂率宜采用 40%～50%。水下混凝土的水灰比可选用 0.5～0.6。根据强度要求和选用水泥品种与标号及施工中是否使用外加剂等，可适当增大或减小水灰比。水灰比的确定必须经过试验，以保证符合设计的试配强度和满足施工规定的和易性。

（4）根据预定的混凝土灌注时间、气温、水泥种类、缓凝剂的性能等试验决定混凝土掺加缓凝的品种和比例，要真正达到延长混凝土初凝时间和保证混凝土强度的目的，同时注意使用缓凝剂的品种和用量对钢筋的腐蚀。

（5）由于地下混凝土的整平和密实是靠混凝土自重下沉来完成的，因此，水下混凝土应有良好的流动性和黏聚性。为使混凝土的和易性满足施工工艺技术要求，一般要求坍落度控制在180～220 cm，施工开始时可略小，结束时酌量放大，以使混凝土表面能自动坍平。

（6）水下混凝土的强度与耐久性有密切联系。一般来说，当水下混凝土的强度高时，其耐久性也好。水下混凝土的强度主要取决于水泥的标号、水泥的用量、粗集料的种类和性质及有无掺用外加剂等。根据有关资料和实践证明，水下施工混凝土成品强度要比空气中的低。有取芯法取样检验，水下混凝土强度为空气中的 50%～90%。因此，水下混凝土的试配强度应高于混凝土设计强度的20%～30%。

3 水下混凝土运输

水下混凝土搅拌站距离施工现场一般都有一段距离，水下混凝土的运输必须采用可搅拌的混凝罐车，以确保混凝土的和易性。特别是在夏季施工时，要尽量缩短运输时间，混凝土进入现场后必须再进行一次坍落度检测。如果坍落度低于180 cm，则要适当加水搅拌，合格后方可进行灌注。

4 设备检修

机械设备的完好、配套，是保证水下混凝土灌注质量的前提。机械设备的检查重点在于：

（1）钻孔桩灌注混凝土施工中，工地应备有性能良好的备用发电机，防止因断电而延误灌注时间，甚至造成断桩事故。

（2）搅拌站要满足混凝土连续灌注和控制灌注时间的需要。混凝土搅拌机每次使用前应进行住址的检查维修，确保灌注期间的正常使用。混凝土拌和机宜采用强制式，其容量应≥400 L。

随着城市规模扩大，消防水源、道路数据增大，更新速度加快，依靠传统的手绘地图、台账资料难以实现消防救援队高效、快速、准确的灭火救援需求，利用定位技术可以通过在火情发生时快速定位着火位置、消火栓及道路,提升应急救援能力,对于保障城市消防安全具有一定现实意义。

（3）水下混凝土一般用钢导管灌注，导管内径为200～350 mm，可根据桩径大小而定。导管使用前必须进行水密承压和接头抗拉试验，不得用压气试压。进行水密试验的水压不应小于孔内水深1.3倍的压力，也不应小于导管壁和焊缝可能承受灌注混凝土时最大内压力的1.3倍，可按公式（1）计算：

式中，p：导管可能承受的最大压力，kPa；

Yc：混凝土拦和物的重度，一般取24 kN/m3；

hc：导管内混凝土柱最大高度（m），以导管全长或预计的最大高度计；

Yw：桩孔内水或泥浆的重度，kN/m3；

Hw：桩孔内水或泥浆的深度，m。

（4）专用灌料架或起重机配吊斗提灌混凝土，以及其他有关灌注机具（如扳手、钢丝绳吊钢管）用前都要进行检查，确认可靠后方可进行混凝土灌注。

5 成孔检测

在进行钻孔施工时，特别是第1棵桩钻孔时，进展速度要稍慢一些，并不时在出渣泵口清渣，以确定钻孔的地质情况与地质勘察的结果相符，从而确定钻进方法及钻进速度，包括钻进的泥浆比重，是否需要加黏土或膨润土。钻孔达到设计标高后，应根据钻进方法对孔深、孔径、孔位及倾斜度等项目进行检查，符合设计及施工规范要求后，方可进行清孔；清孔方法有换浆、抽浆、掏渣、空压机喷射等多种方法，现在常用的是正反循环换浆法。不论采用何种方法，必须保证孔内水头避免坍孔；清孔后应从孔底、孔中、孔上分别提取泥浆试样，进行性能指标试验，确定清孔后的泥浆比重、含砂率、黏度等。

6 水下混凝土灌注

根据首批混凝土量选用合适的料车，并选用贮量满足首批混凝土的罐车，料斗定在导管上，料斗下口长度为20～30 cm，并比导管稍细，确保料斗稳定及在灌注首批时不产生气阻。灌前先用专用阀门封闭住料斗下口，再把料斗装满混凝土，并使罐车配合好，在提开阀门的同时罐车加足马力，快速灌注，使首批混凝土一气呵成，确保封口成功。实践证明，这种方法比传统的球塞法操作简便。首批灌注后，就开始持续灌注，要适当控制灌注速度，并适当升降导管高度，使混凝土顺利通过导管压入孔内，避免满管下放，使起重能力不足，造成事故，并随时探测混凝土面。灌注水下混凝土是钻桩施工的重要工序，在灌注混凝土前及灌注过程中，应重点检查：

（1）钢筋笼加工及安装要准确、牢固，分节焊接要竖直，笼和桩孔的中心要对应，孔的中心用两条交叉线固定在护筒上，并用红漆标记，同时设置定位筋，牢固定位。特别是设计未放到孔底的钢筋笼，要注意吊环与吊钩的强度及牢固性。1 根桩的钢筋笼若因焊接不竖直或缩孔等原因下放，必须查明原因，进行处理后再下笼，严禁冲击下放。

（2）灌注混凝土前，应再次测量孔底沉渣厚度、泥浆含沙和泥浆比重，做到符合设计及施工规范要求。首批灌注混凝土数量应满足导管首次埋深≥1.0 m和填充导管底部的需要，首批灌注混凝土的数量可按式（2）计算：

式中，Vs：灌注首批混凝土所需数量，m3；

D：桩孔直径，m；

H1：桩孔底至导管底端间距，一般为0.2～0.4 m；

H2：导管初次埋深，m；

d：导管内径，m；

h1：桩孔内混凝土达到埋深H2时导管内混凝土柱平衡导管外（或泥浆）压力所需的高度（m），即 h1＝HwYw/hc；Hw、Yw、hc的意义同式（1）。

（3）灌注混凝土的第1步是在导管中下入球塞，球塞初始位置应是其顶面与导管内的泥浆液面平齐。低于液面，则倒入的混凝土会有泥浆；高于液面，会产生气阻或形成高压气囊而破坏管接头的密封圈造成泥浆泄漏。

第2步倒入少量的泥浆、沙浆，数量视桩径而定，缓缓下放球塞使沙浆全部进入导管内，停止下放球塞并向料斗内倒满混凝土，待吊运料斗也装满并吊至半斗上方后，剪断固定球塞的铁丝，开始灌注首批混凝土。吊运料斗内的混凝土放完后，继续装料，向孔口料斗内倒料过程中，要控制倒料速度，避免满管下放，而在导管内形成气囊。为防止灌注过程混凝土冲击钢筋笼上升，当灌注的混凝土顶面距钢筋骨架底部约1.0 m时，应降低灌注速度。当灌注的混凝土顶面上升至骨架底部约4.0 m，提升导管，使导管下口高于骨架底部2.0 m以上，即可恢复正常的灌注速度。混凝土面探测锤重随孔的深度而定，但应≥4 kg。

（4）为正确控制导管埋深，必须不断测量混凝土面的上升位置，决不能凭经验和灌注体积主观判断混凝土面上升位置。如果在某个位置出现了较大扩孔现象，草率拆卸导管可能将导管提出混凝土面或埋深太小，拔出水面导管进水，必然造成断桩；埋深太小易造成夹泥层甚至断桩。正确的方法是在拆卸导管前后都要测量混凝土的位置。

（5）在灌注即将结束时，由于导管内混凝土柱高度小，管内压力降低，从而导致导管外的泥浆及所含的渣土稠度增加，相对密度增大。若在此时出现混凝土顶升困难，可在孔内加水稀释泥浆，并掏出部分沉淀土，使灌注顺利进行。拔出最后 1次导管时，应缓慢进行，以防桩顶沉淀的泥浆沿导管外壁挤入混凝土内形成夹泥。

（6）为了保证桩顶质量，灌注的桩顶标高应比设计高出一定高度（0.5～1.0 m）。为减少以后凿除桩头的工作量，待灌注结束后，及时清除多余的一段桩头，但保留0.1～0.2 m，以便随后修凿、浇筑墩台或承台。