漕河渡槽钻孔灌注桩施工及处理措施

2013-08-15袁浩

水科学与工程技术 2013年3期

袁浩

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

1 工程概况

漕河渡槽是南水北调中线总干渠上的一座大型交叉建筑物，全长2300m，建筑物级别为1级，设计流量125m3/s，加大流量150m3/s，地震设计烈度6度。渡槽由进口渐变段、进口闸室段、落地槽段、渡槽槽身段、出口闸室段和出口渐变段等部分组成。渡槽槽身段76个槽墩中59个采用灌注桩基础，20m槽跨单墩下设8根直径1.5m混凝土灌注桩，30m槽跨单墩下设12根直径1.5m混凝土灌注桩。

2 工程地质

建筑物区地貌形态为河流侵蚀堆积成因的不对称宽谷地貌，两岸山体一般高程60.0～80.0m，最大高程约200.0m。以满易公路为界分为东西两部分。

公路以西地层岩性为：黄土状壤土、微含碎石的黄土状粘土、微含碎石的红粘土及燧石条带白云岩。强风化基岩地层透水性差，地下水量小且埋藏较深。1994年勘察地下水埋深15～25m，地下水位高程38.0～41.0m；2003年补充勘察地下水埋深30m左右，地下水位高程18.0～24.0m。

公路以东地层岩性为：砂壤土、卵石、含壤土碎石、含碎石壤土及燧石条带白云岩。岩土透水性较好，1994年勘察时地下水丰富，埋深仅2～3m，地下水位高程41.0m，抽水试验卵石渗透系数为63.9m/d；1996年后由于连年干旱，地下水位逐年下降；2001年补充勘察地下水埋深19～21m，地下水位高程24.0～30.4m。建筑物区钻孔中发现基岩发育溶洞、溶隙及裂隙，大多深0.2～0.4m，极少数达2m。

3 灌注桩施工问题及处理措施

3.1 桩端持力层以下存在夹层

3.1.1 施工问题

漕河渡槽桩基施工完成后，采用静载进行桩基检测。检测中发现51-5桩的荷载～沉降关系与其他桩基的荷载～沉降关系差异较大，初步怀疑桩底沉渣厚度大。检验桩底沉渣厚度的最有效方法为钻芯取样，此方法既可以探明桩底沉渣厚度，又可以探明桩底岩石风化情况。因此对51-5桩基进行取芯检查，在高程14.7m时见桩底，取芯孔进入岩层6m，在孔底下0～8cm为弱风化岩，岩石呈柱状；8～45cm岩芯呈1～4cm块状，岩块强度较高；45～95cm岩样呈红粘土碎石状，红粘土具可塑性，碎石大部分强度较低；其余岩芯大部完整。

从取芯检查发现，桩下沉渣厚5cm、碎块层厚45cm、破碎带夹泥层厚50cm对桩基十分不利，是造成桩基受荷时发生大量沉降变形的主要原因。

3.1.2 形成原因

从桩基成孔过程看，51-5桩弱风化岩面线在15.2m高程以上，根据要求桩基达到弱风化均需进行四方鉴定，51-5桩进行了岩面线鉴定，按设计要求桩端至少进入弱风化岩0.5m，鉴定高程为15.2m。在桩端下部14.3m高程存在高角度裂隙破碎带，尽管破碎带夹泥层厚50cm，但钻孔过程中达不到该层，施工过程中所取渣样均为新鲜渣样，故当到达高程14.7m时，判断桩基已进入弱风化岩0.5m，就终孔浇注混凝土。桩基成孔采用冲击钻成孔，到达14.7m时，由于存在裂隙破碎带，在冲击力作用下，仅有的40cm余的岩石被击碎，形成钻芯取样所出现的破碎情况，严重降低了桩基承载力。

3.1.3 处理措施

利用取芯孔对桩底进行高压冲洗，然后用C30水泥浆进行灌浆。灌浆结束14d后对桩基进行低应变检查，并进行静荷载试验，检查结果显示满足设计要求。

3.2 桩基造孔过程中孔斜

桩孔造孔过程中出现孔斜属常见问题，其主要原因有以下方面：

3.2.1 钻机安装不平或安装不稳定

施工过程中基础发生不均匀变形导致钻机不平，从而影响钻孔垂直度，造成孔斜。处理方法：加固钻机平台，使钻机安装平整和稳固，确保钻具中心垂线与桩孔位中心重合。

3.2.2 钻具在钻进过程中遇到孤石、块石

由于钻具两侧岩土硬度不一，钻具向软的一方倾斜，造成桩孔倾斜。遇此种情况，应立即停钻回填粘土、碎石，甚至是块石或片石，反复冲击造壁，孔壁稳定后继续钻进。

为有效控制孔斜，要求每进尺1.0～2.0m复测1次，发现孔斜超标，立即停止钻进，分析原因并及时纠正。漕河渡槽共计616根桩，要求孔斜率不大于0.5%，仅1根桩超过标准，为0.6%。

3.3 混凝土浇注过程中钢筋笼上浮

漕河渡槽桩基均为嵌岩端承桩，配通长钢筋，初灌钢筋笼底部，导管尚未埋于混凝土中，若初灌混凝土量过大，混凝土对钢筋笼的上冲力过大；导管掩埋过长，提升时易摇晃，难以对准笼的中心，易发生挂笼现象；导管在混凝土中埋置深度过大，钢筋笼会被混凝土顶托上浮。

预防钢筋笼上浮，关键是要严格细致地下好钢筋笼，并将其牢固地绑扎或点焊于孔口。下放导管时，应使导管顺桩孔中心位置而下。在灌注过程中，要徐徐灌注混凝土，一般灌注速度控制在2m/h以内，以减少混凝土对钢筋笼向上的冲力。及时测量混凝土面，确保导管正常埋置深度在2～4m。

3.4 桩顶段混凝土质量差

3.4.1 桩顶上部混凝土疏松、有气泡、夹泥

桩身上部由于缺乏压力，与桩周土接触应力低，而受荷时荷载应力最大，因此桩身破坏最易发生在桩身上部。

3.4.2 病因分析

检测混疑土面高程频次不够，预留的灌注混凝土高度不足，上部压力小，混凝土密度低；导管内混凝土高度减小，压力降低，而导管外的泥浆及所含渣土随混凝土浇注稠度增加、比重增大，泥浆、浮浆与混凝土接触掺混，造成夹泥、疏松。

3.4.3 预防措施

增加检测混凝土面的频次，并检测泥浆的各项指标，在桩顶设计标高以上加灌一定高度的混凝土，要求浇注高程高出桩顶高程0.5～1.0m，一般取上限或更多，以保证设计标高以下的混凝土符合设计要求。泥浆指标不满足设计要求时，应及时调整。

3.5 断桩

断桩是指桩身混凝土在某一部位出现不连续或某一部位的混凝土严重变质，中间被冲洗液等疏松体及泥土充填的间断桩。断桩影响了桩身的整体性，降低了桩体混凝土强度，以致影响桩基承载力，不能满足设计要求，是桩基施工中严重的质量事故，处理费用高，工期长。

3.5.1 形成原因

（1）灌注作业因故中断过久，表层混凝土失去流动性，而继续灌注的混凝土顶破表层而上升，将有浮浆泥渣的表层覆盖包裹，形成断桩。造成灌注作业中断的原因：①卡管，骨料级配不合理，含有大粒径的碎石；②混凝土出拌和机时间过长或运输路程过长，已产生离析或局部初凝现象而直接用于灌注；③埋管过深，导管在混凝土中埋置过深，钢筋笼变形，灌注时间过长，混凝土已初凝，内阻力增长，导管被卡死在混凝土内；④导管严重漏水，不得不将导管拔出；⑤突然停电、机械故障或突降暴雨等无法预测情况发生，使中途停顿时间太长，不得不将导管提离混凝土而形成断桩。

（2）灌注时测深不准或计算错误将导管提升过高，以致导管底部脱离混凝土层形成断桩。

3.5.2 预防

（1）灌注前要对各个作业环节和岗位进行认真检查，制订有效的预防措施。

（2）优化混凝土配合比，控制骨料的最大粒径，采用水工二级配混凝土，导管直径要求不小于30cm，控制混凝土的坍落度在18～22cm。

（3）灌注中严格遵守操作规程，保证灌注作业连续进行，有条不紊。

（4）反复细心测量混凝土面，以此作为拆卸导管的标准。

（5）灌注过程中导管提升应匀速、平稳，慢慢起升。

（6）控制灌注时间在适当的范围内。

（7）要保证设备的正常工作，并有备用设备。

（8）灌注前配备备用电源。

（9）要注意天气预报，合理安排灌注时间。

3.5.3 处理措施

（1）36-11桩为漕河渡槽浇注的最后1根桩基，设计桩长20.5m，施工过程中发现基岩面起伏较大，岩面线抬高，设计桩长减小为16.4m。终孔验收后浇注混凝土桩，浇注过程中由于停电，备用电已撤离现场，不得不终止浇注，形成了断桩。

根据施工记录的混凝土灌入量和桩基混凝土面测量资料，浇注桩长4.5m。现场对比了接桩与重钻2个方案，考虑浇注长度不大，接桩工期又不允许，选择重新造孔浇注，要求孔底高程至少低于原孔底20cm。处理后该桩通过低应变检测，为1类桩。

（2）22-5桩设计桩长27m，桩顶高程53.937m，当浇注到51m高程时，突降暴雨，被迫停止浇注，形成了断桩。根据现场浇注的情况，只有3m就到设计桩顶高程，推荐采用接桩方案处理。

桩孔位内回填壤土到地面高程，半个月后采用人工挖孔方法挖至混凝土浇注面，凿出上部混凝土不密实的50cm，采用常态混凝土浇注到设计桩顶高程。该桩通过桩基静载试验，满足设计要求。

3.6 桩孔孔壁坍塌

由于地质条件复杂，造孔过程中或成孔后，孔壁不同程度塌落，是造孔过程中常见问题。

3.6.1 主要原因

地质土质疏松，透水性极强；泥浆护壁不好；护筒埋设不好，筒内水位不高；钻头钻速过快，或空钻时间太长；成孔后待灌时间和灌注时间过长。

3.6.2 预防及处理措施

在松散易塌土层中适当深埋护筒，回填土要密实；使用优质泥浆，提高泥浆比重和粘度；升高护筒，终孔后补给泥浆，保持泥浆面的高度；保证钢筋笼制作质量，防止变形，吊放时要对准孔位，吊直扶稳，缓缓下沉，防止碰撞孔壁。对于出现的孔壁坍塌，采用粘土或壤土回填到坍孔1～2m深度以上，密实后继续造孔；孔壁坍塌严重的用砂、粘土、壤土回填至原地面高程，重新造孔。

漕河渡槽58个桩基承台，58＃和59＃墩台漏浆塌孔最为严重，且连续发生漏浆塌孔。2005年10月对58-5、59-4和59-10三孔进行了地质复勘，从钻孔可知岩性从上到下依次为：砂壤土1～2m，卵石10～12m，壤土2～3m，卵石4～6m，碎石壤土4～7m，其下为燧石条带白云岩，基岩上部存在局部发育的溶洞及溶隙。在钻孔钻进过程中，卵石层、基岩与覆盖层接触带及基岩上部漏浆。

在这种复杂的地质条件下，尽管采取了有效预防措施，仍连续发生漏浆塌孔，施工单位改变施工工艺，采用人工挖孔。

58＃墩台和59＃墩台每墩设端承桩12根，其中58＃墩台有3根桩和59＃墩台有11根桩未进行施工。处理方法采用人工挖孔，覆盖层采用混凝土护壁，当桩孔挖至20m时有地下水渗出，为施工安全，停止人工挖孔作业，改用机械钻进。在钻进过程中局部漏浆依然较严重，由于上部采用了混凝土护壁，未出现塌孔事故，施工进展比较顺利。